基于虚拟现实技术的入馆教育平台的设计与实现

黄立冬　申小春　杨慧

关键词：虚拟现实；入馆教育；“经验之塔”理论

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）36-0100-03

1 概述

目前，图书馆向沉浸式服务转型已成为了必然，而基于虚拟现实技术的图书馆建设是迈向沉浸式服务的第一步。虚拟现实（Virtual Reality）技术，简称VR技术，于20世纪80年代初被提出，其核心为建模与仿真，是一种计算机人机交互的手段。目前VR技术在军事、医疗、教育等领域均得到了广泛的应用。虚拟现实技术在高校图书馆中的发展应用也逐渐兴起，我国第一套可交互虚拟数字图书馆系统——“国家图书馆虚拟现实系统”于2008年9月正式投入使用[1]。之后，中山大学、中国矿业大学（徐州）、上海交通大学、江苏科技大学、常州工学院等高校图书馆也陆续开展了虚拟现实技术在图书馆数字化工作中的研究与应用。

高校图书馆入馆教育作为高校图书馆读者服务工作的重要内容之一，对引导新生入学后自主学习起着积极的作用。传统的新生入馆教育一般通过发放书面材料，或者辅以讲座、实地参观等方式在新生入校时进行，教学模式较为单一、枯燥，新生读者容易处于被动的状态，教学效果也不尽如人意。戴尔的“经验之塔”理论将学习得到的经验分为三大类：做的经验、观察的经验和抽象的经验。而将VR技术应用于图书馆入馆教育培训中，则更有利于新生读者获得做的经验和观察的经验。同时VR技术的应用使得图书馆入馆教育不再受到时间和空间的限制，节省了学习者到馆学习所需的时间成本，缩减了图书馆人员的工作量，在很大程度上改变了传统入馆教育模式单一、低效的状况，为新生读者提供了一个更加生动、更具有沉浸感的学习环境。

教育部发布的《普通高等学校图书馆规程》中指出：“图书馆应重视开展信息素质教育，采用现代教育技术，加强信息素质课程体系建设，完善和创新新生培训、专题讲座的形式和内容”。因此，将VR技术应用在图书馆入馆教育中是紧跟时代发展和要求的，它不仅可以为新生提供数字化、虚拟化的教学服务，带给新生一种全新的学习体验，还可以促进图书馆入馆教育的持续性发展。

2 入馆教育平台的设计与技术实现

虚拟现实对教育领域的全方位渗透，从根本上改变了人们的思维习惯和对传统学习环境的概念[2]。笔者以淮阴师范学院图书馆为研究对象，参照建筑图纸、严格按照比例，主要利用3DS MAX和VRP两个软件进行入馆教育平台的设计与技术实现。

2.1 开发流程设计

本入馆教育平台的开发流程由数据与材料准备、三维建模、贴图与烘焙、功能性交互以及运行测试等五部分构成。

1）数据与材料准备

在前期准备阶段需要收集淮阴师范学院图书馆的建设图纸和相关资料，同时还需要利拍摄大量的实景照片。这些照片一是为建造模型提供参考，二是为了增强本虚拟平台的沉浸感，模型的贴图大部分采用位图贴图的方法，跟实景尽可能保持一致，因此实景照片也是制作位图贴图的重要依据与素材。

2）三维建模

借助3DS Max对图书馆进行三维建模，参照淮阴师范学院图书馆建设图纸，以1：500的比例进行场景的模型制作。其中规则模型利用基本几何体进行变形或者转化为可编辑多边形后进行修改而成，而不规则模型则需要利用二维图形转三维模型得以实现，如挤出、倒角、车削等。此外为了漫游时的流畅性，对于场景中的植物、栏杆等面数较多的模型运用十字面片法，减少场景中模型的面数，省时省力。

3）材质设置与贴图烘焙

在完成三维建模之后就需要对模型进行材质设置与贴图烘焙。为了使场景中模型与现实中实体尽可能相似，采用位图贴图。同时为了更好地表现场景中的真实光照感并且避免场景加载过慢，则使用烘焙后的贴图。贴图烘焙技术也叫Render To Textures，简单地说就是一种把3DSMax光照信息渲染成贴图的方式，而后把烘焙后的贴图再贴回到场景中去的技术。这样操作后光照信息变成了普通的贴图，就不需要CPU再去费时地计算，这种技术主要应用于游戏和建筑漫游动画里面[3]。

4）功能性交互与平台架构

此阶段使用的是中视典数字科技有限公司所开发的VRP（Virtual Reality Platform）软件进行交互制作。首先導入3DSMax制作好的三维场景模型，然后使用脚本编辑器为场景添加各种交互功能，如背景音乐、语音提示、相机切换、人物行走等，并且将入馆教学网站信息、教学视频等功能集成在一个平台中，完成平台的搭建。

5）运行测试

平台初步搭建好后进行打包导出，并测试运行。对试运行中遇到的问题及时进行解决，提高平台的稳定性的同时，功能也在不断地完善与成熟。

本平台的设计与制作流程如图1所示。

2.2 开发技术

本平台主要开发软件为VRP即虚拟现实平台，之所以选择VRP，是因为它的适用性与功能性都十分强大，同时这款软件操作简单，达到了高度的可视化，所见即所得。开发者在有良好的3DS Max建模和渲染基础上仅需对VRP进行简单的学习研究就可以基本掌握其操作技术，迅速进入虚拟现实场景的制作阶段。VRP中的虚拟现实编辑器可以在制作好的3DS⁃Max三维场景的基础上进行模型导入，之后再进行交互制作、界面设计等后期编辑。VRP中的虚拟现实编辑器也可以直接完成打包发布，整个操作流程简单方便，使开发时间大大减少。

此外，平台不同的功能模块也还采用其他一些技术，具体如下。

1）虚拟图书馆的场景搭建

主要利用3DS Max的各种建模方法进行虚拟图书馆的场景搭建，虚拟图书馆的所有模型完成后，设置好灯光，并在3DS Max中完成模型的材质贴图和材质烘焙设置，以便之后在VRP中进行模型的导入，图2即为材质烘焙后的图书馆外部效果图。

2）微课视频部分

平台中的微课视频部分主要利用After Effects进行片头视频的制作、无缝剪辑，借助Edius进行视频的整合和成品的输出，最后在VRP中使用相关脚本代码实现视频的加载与播放。

3）移动终端主体网站部分

网站的制作主要使用Dreamweaver、HBuider 和Html5技术。网页实现了响应式布局，以适应各种移动终端，让新生学习者可以随时随地了解更多信息，带给他们更好的用户体验。

在这个过程中，各个功能模块就像是拼图的不同零片，最后将所有的功能在VRP软件中进行整合，完成整个入馆教育平台的搭建。

3 入馆教育平台的功能

在淮阴师范学院入馆教育平台的功能设计中，笔者主要着眼于虚拟场景的仿真性和平台的交互性。首先，虚拟现实平台应打破传统的以试题考试、观摩引导为主的学习模式，而采用以富媒体技术为支撑的虚拟化场景、微视频、电子书、课件等多种形式相结合的方式丰富入馆教育的内容与教学形式[4]，提高新生学习者的学习兴趣与效率。本平台集成了入馆教学网站信息、教学视频及3D 虚拟仿真，生动形象地展示了图书馆的馆藏布局、规章制度、借阅书籍的流程等内容，能充分调动新生学习者的积极性，为其全方位、多途径地了解淮阴师范学院图书馆，更好地完成图书馆入馆教育提供了保障。

其次，平台采用3DS Max作为三维建模工具，参照建筑图纸，严格按照比例进行模型搭建，同时在材质、贴图、灯光方面均进行了精细的设定。再利用VRP-BUILDER（虚拟现实编辑器）进行交互制作，添加了丰富的交互方式，除了传统的相机漫游，用户还可以利用方向键或W/S/A/D键控制人物进行上下左右的行走方向，配合鼠标可以模拟人物视角的转换，控制角色人物在虚拟场景中漫游。

本平台要求新生登录淮阴师范学院入馆教育网进行学习，新生可以进入本平台自行完成入馆教育，平台使用流程如图3所示。

1）主界面

主界面由操作说明、视频介绍、虚拟体验、移动学习以及退出界面等内容组成。

2）操作说明

操作说明为视频形式，避免了文字带来的枯燥感，可以让学习者通过视频生动直观地了解各種操作，快速掌握本平台使用方法，为下一步的学习奠定基础。

3）视频介绍和移动学习

平台中包含视频介绍和移动学习部分，其中视频介绍部分可以帮助学习者了解淮阴师范学院图书馆的历史与发展，而移动学习部分，学习者仅需扫描二维码即可进行淮阴师范学院图书相关信息的学习。

3）虚拟体验

此部分为本平台的重点，其中界面上方有四个固定按钮和一个返回主页面的箭头，学习者可以通过鼠标单击完成相应命令，在界面左下角还有一个触发面板，在漫游时此面板为隐藏状态，不会影响学习者的视觉效果，而在学习者有其他操作需求时则可以利用鼠标进行触发。其界面如下图5所示，其中任务部分包括查询、借书、还书等内容，视频则包括代书板的使用、借阅流程和还书流程等内容。

学习者进入虚拟体验界面后，可以控制人物随意行走，并且人物进行行走后可以触发场景中的黄色光束粒子标签，了解相关内容。如：入馆须知、楼层索引、区域介绍（检索区、总服务台等），场景中的语音或文字讲解会跟随学习者漫游所触发的区域同步进行，让学习者在虚拟的图书馆场景中轻松完成学习。学习者也可以通过体验漫游直观了解淮阴师范学院图书馆的馆内设施、馆藏建设、服务内容，快速地了解如何使用图书馆。

4平台特点与需改进的问题

4.1 平台特点

本平台初步建成后，曾邀请本校学生进行体验，并根据他们的反馈总结出以下平台的四个特色。

1）使用便捷，无时空限制

本平台的使用仅需个人电脑和网络即可完成，学习者可以随时随地进入学习，新生在收到录取通知书后即可进入平台，提前完成入馆教育学习，突破了时间和地域的限制，大大减轻了传统入馆教育图书馆场地和人员的压力，也为后疫情时代的入馆教育提供了便利。

2）人性化、个性化人机交互设置

本平台设计时充分考虑学习者初次接触VR，对于相关操作进行了详细的讲解。为营造个性化的学习环境，本平台的人机交互界面设计了很多自定义选项，如背景音乐的切换、音量大小的调整等。

3）资源丰富，涵盖面广

本虚拟平台包含了馆内3D漫游、教学网站、教学视频等，能充分调动学习者的学习兴趣和积极性，让学习者能多途径、多角度了解图书馆。

4）虚拟仿真，身临其境

本平台的建设严格按照图书馆建筑图纸比例进行，并且馆内的各种设施均采用实体照片的位图贴图仿真，尽量做到还原现实场景。

4.2 需要改进的问题

虽然相较于传统入馆教育，本平台在技术和教学效果上均有了很大突破，但也存在一些问题，仍需不断完善和改进。

1）运行空间和运行速度

由于本平台包含较多模型数据与位图贴图，数据量较大，加载速度相对较慢，在使用时会造成电脑运行速度缓慢、场景加载卡顿、画面不流畅等情况发生，很大程度上影响学习者的体验，笔者认为可以减少复杂材质和模型的使用，并且对于面数较多的模型可以进行适当简化。

2）未开发移动学习端

随着时代进步，手机、平板等移动学习端更受大家喜爱，当代大学生也更喜欢利用手机进行碎片化学习，但由于VRP软件打包发布时仅提供在线发布和EXE文件打包发布两种方法，本平台暂未开发移动端的学习平台，这样的技术限制使学习者无法利用手机、平板等移动设备开展入馆教育。

3）无法实时在线

由于技术限制等原因，目前本平台无法提供实时在线服务，学习者仅能通过下载EXE文件，进行安装体验，需要耗费一定的时间和精力，在一定程度上给学习者带来不便。期待随着技术的进一步提高，本平台可以提供多用户同时在线的实时服务，丰富平台功能，并给广大学习者提供便利。