摘要：針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)輔助工具沉浸感薄弱和知識(shí)傳輸方式單一的問(wèn)題，文章以一款詩(shī)詞教輔工具為例，探索基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的可視化教學(xué)輔助工具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)輔助工具的不足。文章以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)OpenXR為背景，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法，重點(diǎn)研究虛擬現(xiàn)實(shí)教輔工具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方案，并分析虛擬現(xiàn)實(shí)教輔工具的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。開(kāi)發(fā)方案主要包括內(nèi)容策劃模塊、素材制作模塊、交互設(shè)計(jì)模塊、程序開(kāi)發(fā)模塊和內(nèi)容管理模塊。內(nèi)容策劃模塊主要進(jìn)行題材選擇和腳本策劃。素材制作模塊負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制作三維模型、特效、音效等素材。由掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的編程人員設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)交互設(shè)計(jì)模塊和程序開(kāi)發(fā)模塊。本項(xiàng)目還融入了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教輔工具的教、學(xué)、訓(xùn)、考功能。內(nèi)容管理模塊主要負(fù)責(zé)教輔工具的后期維護(hù)?；谖鍌€(gè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)施，文章總結(jié)一套可行的虛擬現(xiàn)實(shí)教輔工具設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方案，研究者可以按照此方案設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)融入高新數(shù)字化技術(shù)的教學(xué)輔助工具。同時(shí)，通過(guò)分析具體的虛擬現(xiàn)實(shí)詩(shī)詞教輔工具案例，得出融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教輔工具在體驗(yàn)感、交互性和教學(xué)內(nèi)容組織上具有明顯優(yōu)勢(shì)。模塊化的設(shè)計(jì)使具有沉浸感、構(gòu)想性和交互性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以快速融入教輔工具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，解決傳統(tǒng)教輔工具缺乏沉浸感、交互感和內(nèi)容形式單一的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；語(yǔ)音識(shí)別；可視化；教輔工具

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）17-00-03

0 引言

傳統(tǒng)教學(xué)輔助工具是指現(xiàn)實(shí)世界中具體的、實(shí)體的物品，如教科書(shū)、練習(xí)冊(cè)、黑板、白板等，學(xué)生和教師可以通過(guò)觸摸、翻閱、書(shū)寫(xiě)等方式與這些工具直接互動(dòng)。這類(lèi)教輔工具通常以線性方式組織和呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)和理解知識(shí)，逐步積累和應(yīng)用知識(shí)。隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)為教育提供了更多的可能性［1］。這些技術(shù)能提供更多交互性、個(gè)性化學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，并通過(guò)實(shí)時(shí)互動(dòng)和智能化技術(shù)為學(xué)生提供更加便捷和豐富的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)［2］。

本課題依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)OpenXR標(biāo)準(zhǔn)，以一款基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和游戲開(kāi)發(fā)技術(shù)的古詩(shī)詞教輔工具為例，分析虛擬現(xiàn)實(shí)教輔工具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方案，旨在探索虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字化教輔工具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)路徑。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)教輔工具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)通常遵循設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試、使用、反饋、迭代的線性流程模式。但實(shí)際上，某些環(huán)節(jié)是并行發(fā)生的，因此線性生產(chǎn)流程逐漸被模塊化的生產(chǎn)模式取代［3］。為提升融合虛擬現(xiàn)實(shí)交互教輔工具的開(kāi)發(fā)效率，促進(jìn)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)高效分工合作，本項(xiàng)目采用模塊化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)模式，主要包括以下五個(gè)模塊。

1.1 內(nèi)容策劃模塊

內(nèi)容策劃模塊是指教材出版社、課程組和文化傳媒組織合作完成的一系列任務(wù)，包括市場(chǎng)定位、題材選擇、版權(quán)獲取和內(nèi)容腳本策劃等。

本項(xiàng)目旨在通過(guò)新型的人機(jī)互動(dòng)方式，幫助學(xué)生更好地理解和記憶古詩(shī)詞。用戶既可以通過(guò)誦讀古詩(shī)詞觸發(fā)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)變換沉浸式虛擬場(chǎng)景，又可以通過(guò)“游戲闖關(guān)”的方式，默寫(xiě)古詩(shī)詞，考核古詩(shī)詞的掌握情況，在立體形象的沉浸式場(chǎng)景中呈現(xiàn)原本抽象的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)“教—學(xué)—訓(xùn)—考”一體化。

關(guān)于人教版語(yǔ)文課本中的古詩(shī)《漁歌子》，根據(jù)古詩(shī)詞的教學(xué)要求，項(xiàng)目在傳統(tǒng)的賞析、誦讀、練習(xí)、默寫(xiě)四個(gè)部分進(jìn)行了大膽設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。在賞析部分：將歌曲《漁歌子》作為背景音樂(lè)，根據(jù)古詩(shī)描述的場(chǎng)景，使用三維建模技術(shù)和動(dòng)畫(huà)技術(shù)創(chuàng)建三維古詩(shī)場(chǎng)景和動(dòng)畫(huà)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使學(xué)生身處三維詩(shī)詞場(chǎng)景中，學(xué)生能夠更加直接地體會(huì)詩(shī)句描繪的場(chǎng)景。在誦讀部分：采用人工智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，識(shí)別用戶朗讀的詩(shī)句，觸發(fā)鏡頭變換相應(yīng)的古詩(shī)場(chǎng)景，鼓勵(lì)學(xué)生誦讀、記憶詩(shī)句。在練習(xí)部分：采用益智類(lèi)游戲幫助學(xué)生記憶古詩(shī)中的生字。在默寫(xiě)部分：考查學(xué)生默寫(xiě)古詩(shī)全文的情況，通過(guò)輸入古詩(shī)句等形式，評(píng)估學(xué)生的默寫(xiě)情況。

1.2 素材制作模塊

素材制作模塊主要包括三維模型和場(chǎng)景、動(dòng)畫(huà)、特效、音效、視頻等一系列元素的制作。

三維場(chǎng)景的制作：應(yīng)用Unity游戲引擎中的地形組件，完成山脈、草地、樹(shù)木、河流的地形編輯。應(yīng)用3Dmax建模軟件完成白鷺、魚(yú)、蓑翁的建模、貼圖、烘焙等操作，將模型以Fbx格式導(dǎo)出，導(dǎo)入U(xiǎn)nity游戲引擎，如圖1所示。

三維動(dòng)畫(huà)的制作：項(xiàng)目中的動(dòng)畫(huà)分為兩類(lèi)，一類(lèi)是場(chǎng)景中攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)畫(huà)，每句古詩(shī)對(duì)應(yīng)場(chǎng)景中的一個(gè)畫(huà)面，采用Unity中的Timeline插件完成攝像機(jī)的軌跡動(dòng)畫(huà)。另一類(lèi)是角色動(dòng)畫(huà)，通過(guò)3Dmax建模軟件對(duì)白鷺和魚(yú)進(jìn)行關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)的制作，完成白鷺飛翔和魚(yú)游動(dòng)的動(dòng)畫(huà)制作。

粒子特效的制作：場(chǎng)景中的粒子特效主要包括花瓣粒子特效、雨滴粒子特效、體積霧粒子特效。使用Unity中的粒子特效系統(tǒng)，導(dǎo)入花瓣和雨滴的紋理素材，調(diào)整粒子系統(tǒng)組件的參數(shù)完成特效制作。

1.3 交互設(shè)計(jì)模塊

項(xiàng)目的交互設(shè)計(jì)模塊主要分為界面交互設(shè)計(jì)、語(yǔ)音交互設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)。

界面交互設(shè)計(jì)：在項(xiàng)目界面中設(shè)計(jì)可點(diǎn)擊觸發(fā)的交互按鈕，用戶通過(guò)點(diǎn)擊首頁(yè)界面上的按鈕觸發(fā)場(chǎng)景的跳轉(zhuǎn)功能，進(jìn)入不同教學(xué)環(huán)節(jié)。也可以點(diǎn)擊按鈕返回首頁(yè)，調(diào)整背景音樂(lè)音量，以及退出項(xiàng)目等。首頁(yè)交互界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

語(yǔ)音交互設(shè)計(jì)：在誦讀模塊，用戶誦讀一句古詩(shī)，程序通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別，完成古詩(shī)句匹配，如果詩(shī)句誦讀正確則跳轉(zhuǎn)相應(yīng)場(chǎng)景畫(huà)面，否則不觸發(fā)畫(huà)面的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)：虛擬現(xiàn)實(shí)將學(xué)習(xí)者從傳統(tǒng)的二維界面拉入了三維的虛擬空間，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)教輔工具與其他教輔工具的人機(jī)交互方式存在顯著差異。主要分為：頭部轉(zhuǎn)動(dòng)交互方式、眼睛“凝視”交互方式、手勢(shì)交互方式、手柄等外設(shè)交互方式、空間定位、肢體交互方式等［4］。在本項(xiàng)目中，用戶佩戴VR頭盔，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的360度賞析，融入虛擬世界，如圖4所示。在本項(xiàng)目中，因?yàn)橐刂茢z像頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以并未設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)中用戶的瞬移功能。

1.4 程序開(kāi)發(fā)模塊

程序開(kāi)發(fā)模塊包括編程開(kāi)發(fā)、功能實(shí)現(xiàn)、封裝集成。Unity游戲引擎擁有方便靈活的編輯器、友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境、豐富的工具套件和良好的跨平臺(tái)特性［5］。項(xiàng)目主要是基于Unity游戲引擎，使用UI組件、碰撞檢測(cè)組件、剛體組件、粒子特效組件、動(dòng)畫(huà)組件，時(shí)間線組件采用C#邏輯編程，完成了UI交互、碰撞檢測(cè)、物理效果、粒子效果、動(dòng)畫(huà)觸發(fā)、攝像機(jī)按軌跡移動(dòng)等基本功能。

SteamVR插件是Valve公司提供給Unity開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)工具，虛擬現(xiàn)實(shí)功能主要是通過(guò)在Unity中加入SteamVR插件，通過(guò)該插件完成VR應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，并運(yùn)行在HTC Vive硬件設(shè)備上。

在Unity中使用Windows語(yǔ)音識(shí)別API，將誦讀識(shí)別后的文字與古詩(shī)詞匹配，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音識(shí)別，通過(guò)C#編程，根據(jù)識(shí)別結(jié)果，控制攝像機(jī)的移動(dòng)軌跡。實(shí)現(xiàn)誦讀一句古詩(shī)，出現(xiàn)相應(yīng)古詩(shī)場(chǎng)景的功能。

1.5 內(nèi)容管理模塊

內(nèi)容管理模塊主要涉及內(nèi)容管理、測(cè)試、運(yùn)營(yíng)、售后等方面。虛擬現(xiàn)實(shí)詩(shī)詞教輔工具在本模塊重點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)際的教學(xué)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，完善與迭代項(xiàng)目。該項(xiàng)目的主要受眾是少年兒童。從操作能力來(lái)看，一般小學(xué)生可以較為熟練地使用各種電子設(shè)備。從內(nèi)容來(lái)看，因?yàn)楸卷?xiàng)目的內(nèi)容是語(yǔ)文課本中的古詩(shī)詞，所以小學(xué)生可以高效接收教輔工具中的內(nèi)容，加深古詩(shī)詞記憶。本項(xiàng)目?jī)H以一首古詩(shī)為例，如果要豐富教輔工具的教學(xué)內(nèi)容，就要?jiǎng)?chuàng)建統(tǒng)一的內(nèi)容管理平臺(tái)。

2 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的優(yōu)勢(shì)和不足

與傳統(tǒng)教輔工具相比，本項(xiàng)目的教輔工具融入虛擬現(xiàn)實(shí)、語(yǔ)音識(shí)別、數(shù)字游戲等技術(shù)，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)互動(dòng)體驗(yàn)，提升了教學(xué)質(zhì)量。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

第一，沉浸式學(xué)習(xí)：虛擬現(xiàn)實(shí)教輔工具將知識(shí)的傳播方式從二維扁平的單一維度傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)槎喔泄?、?chǎng)景式的多維認(rèn)知通道的傳播。通過(guò)創(chuàng)造虛擬或仿真情境，讓學(xué)習(xí)者置身其中，以體驗(yàn)的形式學(xué)習(xí)。

第二，交互式學(xué)習(xí)：語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和交互界面技術(shù)，幫助學(xué)生更好地使用教輔工具，調(diào)動(dòng)感官效能，使學(xué)生由被動(dòng)的知識(shí)學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)的體驗(yàn)者和創(chuàng)造者。

第三，游戲式學(xué)習(xí)：將電子游戲元素融入教輔工具，使學(xué)生在游戲中獲得學(xué)習(xí)的成就感，通過(guò)趣味游戲答題“闖關(guān)”不斷鞏固知識(shí)，豐富知識(shí)傳輸方式，寓教于樂(lè)。

雖然與傳統(tǒng)的教學(xué)輔助工具相比，融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)輔助工具在沉浸感、交互性、游戲性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，但也存在一些需要改善的問(wèn)題。

第一，目前VR可穿戴設(shè)備還不夠輕便，長(zhǎng)時(shí)間負(fù)載會(huì)引起生理不適，容易引發(fā)視覺(jué)疲勞，不利于學(xué)生的身心健康。年齡小的學(xué)生難以熟練使用設(shè)備，需要教師和家長(zhǎng)的幫助。

第二，三維虛擬場(chǎng)景固定，難以充分展現(xiàn)所描述的內(nèi)容。例如，使用三維建模工具再現(xiàn)古詩(shī)詞描繪的場(chǎng)景，建模的場(chǎng)景是固定的，無(wú)法充分體現(xiàn)古詩(shī)詞的意象美學(xué)。如果能將人工智能技術(shù)融入場(chǎng)景塑造，使三維虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)根據(jù)用戶的要求靈活創(chuàng)建，則更有利于展現(xiàn)古詩(shī)詞的韻味。

第三，缺少統(tǒng)一的素材收集、內(nèi)容制作、出版發(fā)行的教輔工具管理平臺(tái)。虛擬現(xiàn)實(shí)教輔工具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的五個(gè)模塊，分屬于不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要跨專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)的支持。高效的一體化教輔工具管理平臺(tái)，有利于制作和發(fā)行教輔工具，但目前市面上缺少這類(lèi)平臺(tái)。

3 結(jié)語(yǔ)

融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可視化交互教輔工具不僅使教師和學(xué)生獲得了身臨其境般的教學(xué)體驗(yàn)，還補(bǔ)齊了傳統(tǒng)教輔工具缺乏互動(dòng)、體驗(yàn)感不強(qiáng)的短板，有效拓展了知識(shí)的傳播途徑。然而，目前此類(lèi)教輔工具在硬件設(shè)備、內(nèi)容制作、平臺(tái)管理上存在不足，有待進(jìn)一步完善。

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作者簡(jiǎn)介：仲于姍（1988—），女，山東濟(jì)南人，碩士，副教授，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)。