人体循环系统的沉浸式学习环境设计与开发.pdf

生物是K12教育中的一个重要学科，以实验为基础。但由于条件制约，一些实验无法在现场完成，且模型较抽象，难以在课堂上展示，导致学生学习困难。基于沉浸式可视化和交互技术，提出“人体循环系统”沉浸式学习环境的总体框架和开发流程，对心脏、肺、肾脏等器官进行精细建模，基于Unity3D实现血液循环的动态可视化和三维交互设计，为VR生物教学提供典型示范。通过评价实验可以得出：系统可增强学习的沉浸感和交互性，提高学习兴趣，使学习者获得直观而深刻的体验，加深对生物学中形态结构、生理现象的理解。关键词：沉浸式学习环境；虚拟现实；生物教学；动态仿真中图分类号：TP391.9文献标识码：BDesign and Development of Immersive Learning Environmentfor Human Circulatory SystemLIU Yu-rou,JI Hai-lin,LV Zhi-yun,LUO Yan-lin*(1.School of Artificial Intelligence,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;2.Faculty of Education,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)ABSTRACT:Biology is an important subject in K12 education which is based on experiments.However,due to con-ditional constraints,some experiments could not be completed on the spot,and the models are relatively abstract,mak-ing it difficult to display in the classroom,resulting in learning difficulties for students.Based on the immersive visual-ization and interaction technology,this paper proposes the overall framework and development process of theimmersive learning environment of the human circulatory system.In the project,the heart,lungs,kidneys and otherorgans are finely modeled,and the dynamic visualization and 3D interactive design of blood circulation are realizedbased on Unity3D,which provides a typical demonstration for VR biology teaching.Through the evaluation experi-ment,it can be concluded that the system can enhance the immersion and interactivity of learning,improve studentsinterest in learning,enable learners to obtain intuitive and profound experience,and deepen their understanding ofmorphological structures and physiological phenomena in biology.KEYWORDS:Immersive learning environment;Virtual reality;Biology teaching;Dynamic simulation1引言我国教育部于2 0 12 年颁布的义务教育生物学课程标准（2 0 11年版）中明确提出：“生物学课程期待学生主动地参与学习过程，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成理性思维的习惯,形成积极的科学态度，发展终身学习的能力。”1 这一段论述充分说明，在义务教育阶段中，生物教学不仅需要让收稿日期：2 0 2 2-0 2-2 8修回日期：2 0 2 2-0 3-0 8学生习得扎实的生物学知识，还要让学生经历过程，锻炼理性思维、自主学习能力和科学严谨的态度，培养真正意义上的创新型人才。而生物学科中有许多抽象的模型或生物现象，传统的教学方式往往难以展现，导致学生难以理解和想象。除此之外，传统实验方式往往受现实条件限制，且耗费材料多、操作难、不具有可重复性。因此，在K12生物教学中引人信息技术，改进教学模式，提升教学效率是具有重大意义的。当今中小学中，尽管大多数教室里都配备有多媒体设备，教师会通过制作PPT来进行教学，但幻灯片往往只能展279现二维的平面图，不能满足三维立体图的呈现效果。课件与学生之间缺乏交互，很多知识点都是以形式化的方式进行传授，不利于学生学习兴趣的培养，进而影响教学效果。近年来，虚拟现实（Virtual Reality，以下简称VR）与教育的融合不断加深，VR在细分学科教学中的优势日益凸显。虚拟现实技术因其具有沉浸性、交互性、多感知性、动态性等基本特征,尤其是在促进师生交流互动、活跃课堂氛围等方面的独特作用，被众多知名学府纷纷引人到课程教学中来，2 0 17 年1月19日国务院关于印发国家教育事业发展“十三五”规划的通知里再次提到“要全力推动信息技术与教育教学深度融合，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”2 。但是当前三维虚拟沉浸式学习环境在生物学科中的研究与应用并不多。生物作为基础学科中的重要学科之一，其学习主要以实验为基础。然而，生物这一学科的学习特点导致许多实验以及相关模型较为抽象，老师也无法在有限的课堂上为同学们进行展示，传统的教学方式并不能取得良好的学习效果。因此,针对上述生物学习中存在的问题与困境，本文利用VR技术搭建一个沉浸式生物学习环境，希望能够实现生物学习过程中更高的沉浸性与交互性，提高学生的学习兴趣和学习效果。本文以人体循环系统为例，选取“心脏推动血液循环”这一典型案例，设计并实现集循环系统模型展示、动态生理过程仿真、交互式虚拟教学于一体的沉浸式学习环境，提供生物教育典型示范。全文安排如下，第一部分介绍相关工作，第二部分详细介绍主要技术，第三部分进行系统评价，最后一部分是总结和展望，提出未来发展思路与方向。2相关工作2.1沉浸式学习20世纪8 0 年代，虚拟现实被提出，是一种创建虚拟情境和体验的技术，作用于用户视觉、听觉、力/触觉，使其“沉浸”于其中。近年来，越来越多的学校、教育机构和教师意识到虚拟世界可以在教育教学领域发挥作用,因此众多知名学府纷纷将虚拟世界引人到课程教学中。然而，三维环境缺乏教与学所需要的特定工具和资源，而传统学习环境在形象性和沉浸性方面又显薄弱。于是，结合二者特长的“三维虚拟学习环境”呼之欲出。三维虚拟学习环境是应用虚拟现实技术开发的逼真、直观的学习环境，具有场景直观性、多感知性、自然交互性和沉浸性等特点，是虚拟现实技术在教育中的典型应用3。沉浸式学习（ImmersiveLearning）指利用虚拟现实等技术搭建具有极强真实感且无外界干扰的虚拟学习环境，在该环境中，学习者可与各种对象进行复杂、多元的交互4。沉浸式学习环境为学习者营造了一个逼真的虚拟学习场景，通过提供身临其境的感受和丰富有趣的交互体验，帮助学习者学习知识与技能。近年来，基于VR技术的沉浸式学习环境在医学教育5、解剖学习6 和商业实践7 等领域的应用均取得了积极的成果。Cai、Wa n g 和Chiang基于虚拟现实技术为初中生设计了关于化学物质结构认识的实验，学生可以采用交互的方式对微观世界中的分子、原子进行自由操作、组合和创作，帮助学习者对化学物质结构有更为深人的认知8 ，利用虚拟现实技术所创建的虚拟实验室可以帮助学生进行物理、化学、地理和生物等实验，辅助学生强化实验技能，从而达到科学教育的基本目的9。Chiang、Ya n g 和Hwang 将其运用于生物科学的探究学习环节。张莉和路虹剑提出将沉浸式VR技术应用于情境创设、探究性实验教学中，丰富了小学课堂的科学教学模式10 。相对而言，虚拟现实技术在基础教育阶段起步较晚，应用周期较短，在义务教育阶段学科教育当中的应用较少1因此,本文将沉浸式学习应用于K12生物教育中，旨在帮助学生更加直观、形象地掌握抽象的理论知识，从而感受到生物学习的乐趣。2.2人体循环系统K12生物学科的学习主要以实验为基础，但因其较为抽象，且受条件制约，多数实验无法在课堂完成，从而导致教学困难，学生难以理解。针对此类问题，本文探索沉浸式虚拟学习环境在K12生物教育中的应用需求，决定以人体循环系统中“心脏推动血液循环”为例，进行三维虚拟沉浸式学习环境的研究和搭建，该知识点在生物学科体系的位置如图1。1.人的进化过程2.人的生殖系统和生产过程七年级下册人教版生物课本第4单元3.人的消化系统生物圈中的人4.人的呼吸系统和心肺循环，肾的重吸收过程5.人的排泄系统6.人的神经系统和神经传导7.人类活动对生物圈的影响图1选取案例的生物知识结构框架图人体循环系统在人体各系统中占据十分重要的地位，涉及的主要器官有心脏、肺和肾脏，如图2、图3和图4。“心脏推动血液循环”是人体循环系统中一个重要的生理过程，包括体循环和肺循环。其中，体循环是血液在心脏与全身各组织器官之间的循环。动脉血由左心室射人主动脉，经各级动脉,到毛细血管网处进行物质交换变成静脉血，再经各级静脉，最后汇合到上下腔静脉，流回右心房。肺循环是血液在280心脏与肺之间的循环。静脉血由右心室射人肺动脉，在肺泡周围的毛细血管网处进行气体交换变成动脉血，再由肺静脉流回左心房。体循环和肺循环沿各自的路线独立进行，在心脏处又连通在一起，构成完整的血液循环途径，保证了体内的物质运输和交换，使人体的各项生理活动得以正常进行。主动脉上腔静脉肺动脉肺静脉肺静脉左心房动脉瓣房室瓣右心房左心室房室瓣右心室下腔静脉图22心脏气管支气管肺肺图3肺图4肾脏3主要技术“人体循环系统”沉浸式学习环境的总体框架如图5所示，主要包括场景搭建、动态血流模拟和沉浸式交互设计三个步骤。首先，依据K12生物学科知识设计案例，构建相应三维模型，搭建虚拟场景；其次，利用Unity粒子系统模拟动态血流效果；最后，编写C#脚本实现沉浸式交互设计。学习者穿戴HTCVive头盔和手柄，进人VR环境，完成沉浸式交互体验。3.1场景搭建本文采用3DsMax软件对循环系统的主要器官进行三维场景搭建导人C#血流交互动态设计仿真操控学习者HTCVive图5技术路线总框架建模，并使用Substance3DPainter（以下简称，SP）软件为模型设计材质，最后将模型和贴图导人Unity3D中，完成沉浸式生物学习环境的场景搭建。3.1.1三维建模在建模设计部分，本文采用宏观与微观相结合的设计思路，宏观上搭建心脏、肺、肾脏三者的外部整体模型或剖面模型，微观上搭建肺泡和肾单位两个重要微观功能单位的放大化模型，最后搭建体循环与肺循环两者所涉及的血管网络模型，呈现出人体循环系统的整体模型各器官建模过程相似，下面以心脏剖面模型为例，详细描述其建模方法：首先，将心脏分为四个主要部分：血管、外部心脏壁、瓣膜与内部隔层。为每一部分选择并创建初始原型，如图6、图7和图8。图6血管、瓣膜图7外部心脏壁图：中间隔层281然后对每一部分的初始原型进行拼接，设置参数对其拼接后形状进行调整，得到部分初步模型，如图9和图10。图9血管的两个部分图10外部心脏壁其次，参照人教版生物教材12】，按照心脏模型各部分边缘绘制出样条线。绘制完成后选中样条线所有取样点，进行进一步的平滑处理，使模型边界形状更为流畅，并进一步精确调节各个取样点，使其与教材原型图片边界完全重合。并对预选好的结构为路径进行放样，得到剖面模型心脏剖面模型如图11和图12。其余模型的建模过程也同上述相似，如图13、图14、图15和图16。图11剖面图12背面图13肾脏图14肾单位图15肺泡图16肺部模型3.1.2虚拟场景搭建首先，新建一个Unity通用谊染管线（UniversalRenderPipeline)项目，下载并导人SteamVR插件,将插件中的Cam-eraRig预制体拖人场景，完成VR场景搭建。其次，将循环系统所有器官.fbx模型和贴图导人Unity3D中，将材质添加到模型相应部位。需要注意的是，为了能在血管外侧观察到血流，需要为其添加透明材质，在加“URP/Lit材质球时，将材质类型“SurfaceType”设置为“Transparent”,并调节颜色透明度即可。最后，按照真实展项场景布置模型位置，并在适当位置添加光源。最终，搭建整体血管网络后得到循环系统模型，如图17。图17循环系统整体模型3.2动态血流模拟采用Unity中的粒子系统模拟“心脏推动血液循环”中“体循环”和“肺循环”两生理过程，实现动脉血和静脉血在血管内部沿血管壁流动的效果首先，为血管模型添加碰撞器组件，为适应形状不规则的血管模型,采用网格碰撞器组件MeshCollider,防止血流穿透血管。然后，利用粒子系统创建粒子。在Unity的Hierarchy视图点击鼠标右键，在Effects选项中点击ParticleSystem完成282初始创建。然后对发射模块Emission、形状模块Shape、生命周期内颜色ColoroverLifetime、粒子大小的速度控制SizebySpeed、碰撞模块Collision、谊染器Renderer进行勾选。其中，在粒子与血管壁之间设置碰撞模块Collision，可实现碰撞约束效果，同时设置粒子碰撞器大小RadiusScale，可使粒子未撞到Collision便产生碰撞，模拟血流效果。在创建工作完成后，此时界面已出现粒子喷射口，通过喷射口三维坐标值设置将其置于血管入口端，如图18。图18喷射口设置在完成喷射口设置之后,对血流的各个参数,如流速、粒子大小、生命周期等进行设置，如图19和图2 0。其中，流速决定血流视觉效果的快与慢，粒子大小决定了血细胞视觉效果的大与小，生命周期决定血流视觉效果的始点与终点。此外，还可通过颜色参数将粒子分段设置为红色与蓝色来分别表征动脉血与静脉血。Particle EffectPlayRestantStopPlayback Speed1.00Playback Time20.67Paricles301Speed Range0.0-0.8Simulate LayersNothingResimulateShowBoundsShowOnly Selected图19当前血流参数最终点击运行键，实现动态血流效果，如图2 1。实现该效果的伪代码如表1。表1实现动态血流效果的伪代码表1实现动态血流效果的伪代码算法1：实现动态血流效果输人：Unity的3D血管M,粒子B.当前粒子大小、流速、颜色与生命周期：SSize,SSpeed,SColor,SLifetime.要设置的粒子喷射口位置、粒子大小、粒子流速、粒子颜色与粒子生命周期：location,NSize,NSpeed,NColor,NLifetime.1functionStart()2if血管无MeshCollider组件：3报错，必须添加MeshCollider组件；4if粒子未设置collision属性：5勾选collision属性框；6设置半径缩放；7 end function8 function Update()9read 输人参数：SSize,SSpeed,SColor,SLifetime,location,NSize,NSpeed,NColor,NLifetime;10设置location为M管口处的三维坐标值；11if NSize+SSize 或 NSpeed+SSpeed:12B.Size=NSize;13B.Speed=NSpeed;14SSize=NSize;15SSpeed=NSpeed;16NColor,SColor与NLifetime,SLifetime同上.17 end functionInspectorredodoodDuration0.05LoopingPrewarmStart Detay0StartLifetime25StartSpeed0.20.63DStartSizestantSize0.040.063DStartRotationStart Rotation0Flp Rotation0StartColorGravityMocufier0.03Simulation SpaceWoridSimulation SpeedDelaTimeScaledScaling ModeLocalPlay On AwaketEmitterVelocltyTransformMaxParticles1000Auto Random SeedStopActionNoneCulinoModeAutomaticRing BufferModeDisabledEmistionShapeVelocty overLifetimeLmitVekocityovorLifetimeinhernVelocyLilatimeby EmtterSpeedForeeovetLifetuneColbroverLMetimeColorbySoeedSizeoviLifotimeszebySpeedRotationoverLiatimeRotatlonby SpeedExtermalForcesNoieTriggerssuoEmttarsTexturasneetAnmatonTraneCustomDataRendener图2 0详细参数界面283图2 1最终动态血流效果3.3沉浸式交互设计交互设计包括场景漫游、手柄交互和语音解说三种功能，实现交互功能的伪代码如表2。表2实现手柄交互和语音解说功能的伪代码算法2：实现手柄交互和语音解说功能输人：当前手柄：handle上一次被选中的物体：lastObj1 function Update()2read 输人参数:handle,lastObj3if按下手柄触摸板方位键：4VR相机在对应方向平移；5if扣动手柄扳机键：6停止播放当前音频7获取handle射线击中的物体obj；8if obj+null:9还原lastObj;10高亮显示bj；11展示obj需要显示的信息；12播放obj的讲解音频；13lastObj=obj;14endfunction实现场景漫游功能的关键在于控制VR相机（即Cam-eraRig预制体）移动，通过脚本语言获取操作者按下触摸板的方位信息，使VR相机在该方向平移。然后，为手柄添加SteamVR插件提供的脚本SteamVRLaserPointer.cs”实现射线效果，设置射线的颜色“Color”和粗细“Thickness等属性。最后，通过UnityC#编程，实现手柄射线指向某部位并扣动扳机键，触发文字解说和语音解说功能。交互脚本伪代码如表2，当手柄射线选中循环系统的某一具体结构时，该部分高亮显示，其附近也会显示被选中部分的文字讲解信息，并播放相应的音频介绍。学习者与虚拟学习环境的交互场景如图2 2 所示。图2 2交互场景示意图4评价采用HTCVive产品作为三维交互设备，如图2 3所示。HTCVive具有高分辨率、定位追踪、强大的SteamVR平台等特点，能够模拟更为真实的生物学习环境。为评估沉浸式生物学习环境的效果，本文设计了以下评估实验。图2 3HTCVive示意图（包括头盔显示器和交互手柄）4.1问卷设计本文将测试内容分为以下6 个方面：感知易用性、体验结果、感知沉浸性、感知实用性、学习满意度、学习满意度和自我效能感。每个方面提供1至6 个问题供测试者回答，共计问题2 8 个。同时，每个问题均设置了5个选项，选项内容与其得分权重如表3，通过最终加权得分来评估本次实验。表3问卷问题的选项与其得分权重选项非常不同意不同意不确定同意非常同意得分权重一23454.2问卷评估本文参考Huang等人在其研究中对高性能虚拟现实学习环境在大学医学课程的应用情况调查13，中文版虚拟现实环境临场感量表14，何聚厚等提出的基于沉浸式虚拟现实系统的学习评价指标体系15，以及测试眩晕的模拟器病问卷（SimulatorSicknessQuestionnaire,SSQ）等相关量表，设284计适应系统的里克特五点式量表，分为感知易用性、体验后果、感知沉浸性、感知有用性、学习满意度和自我效能感六个维度，共2 8 题。使用SPSS2.0进行信度检验，其内部一致性系数为0.918，进行因子分析，其KM0值为0.8 58，可见问卷信效度良好，可以用于实验测试。表4信度检验可靠性统计资料Cronbach的Alpha项目个数0.91828表53效度检验KMO与Bartlett检定Kaiser-Meyer-Olkin测量取样适当性0.858Bartlett 的球形检定大约卡方1413.446df378.000显著性0.0004.3结果分析本文共收集到有效问卷6 4份，每个问题的平均得分数据如表6。表6 订评估数据结果量表结构问题平均分1.在使用VR程序的过程中，我能控制好感知易用性4.47在虚拟场景中移动、四处观察等操作。2.我在学习使用VR眼镜观察虚拟场景4.39时，并不需要花费过多的时间精力。3.虚拟场景中的活动内容对我而言是清4.48楚且容易理解的。4.我觉得内部视角中展现的内容能很清4.55晰地让我理解人体循环系统的循环过程。5.我觉得这个应用程序使用起来是很灵4.33活的，可以随时随地使用。6.本次学习活动中，操作VR眼镜的过程对我来说没什么困难，我很容易就能在虚4.45拟场景中观察到老师要求观察的现象7.我在使用过程中有疲倦、眩晕、头痛、恶体验结果2.44心等不适症状。8.在虚拟世界漫游时，我还能感知到外部感知沉浸性1.78真实世界（比如声音、房间温度、其他人）9.我感觉自己在虚拟空间中行动，而不是4.05在虚拟空间外进行操作。10.我完全感知不到外部真实环境。1.4411.我有种“存在”于这个由电脑生成的世4.60界中的感觉。量表结构问题平均分12.我觉得自己只是感知到一些图片。1.3813.我完全被虚拟世界吸引住了。4.2214.我觉得使用这样的VR程序让学习活感知实用性4.61动变得更丰富。15.我觉得使用这样的VR程序对于我学4.55习新知识很有帮助。16.这样的VR程序所提供的引导让我的4.58学习过程更为顺畅。17.这样的VR程序可以提高我的学习4.66兴趣。18.这样的VR程序可以让学习变得更4.41简单。19.使用VR程序学习，我觉得能让我更愿4.44意与同学合作交流。学习满意度20.我很满意这种虚拟环境的学习体验。4.5621.我认为虚拟环境对我的学习成绩有4.58好处。22.我对在虚拟环境学习中获得的即时信4.48息感到满意。23.我对虚拟环境的教学方法感到满意。4.4624.我很满意虚拟学习环境。4.5825.我对整体的学习效果很满意。4.6326.我有信心理解虚拟环境中呈现的复杂自我效能感4.56概念。27.我有信心在这节课的作业和考试中表4.53现出色。28.我确信我能掌握这节课中教授的知4.53识点。非常同意同意不确定不同意非常不同意5.00.84.00.63.00.42.00.21.000感知体验感知感知学习自我易用性结果沉浸性实用性满意度效能感图2 4评估数据条形图285以上每一道题均使用1 5五个标度打分，依次代表完全不符合、基本不符合、不确定、符合、完全符合（或非常不同意、基本不同意、不确定、同意、非常同意），其中第7、8、12 题为反向题。从得分上来看，将反向题进行处理之后，仅有第7题得分为3.56,其余得分全部在4分以上，甚至部分题得分在4.5分以上。感知易用性方面，所有题得分均在4分以上，说明学生们普遍容易接受VR这一新技术，操作学习起来难度不大，可以自如地进行学习和操作，并在场景中进行移动和操纵，十分灵活。感知有用性、学习满意度和自我效能感的得分也均超过4分，说明沉浸式学习系统确实可以增强学习的趣味性和体验感，提升学生的学习兴趣，让知识变得更加容易接受，同时，学生也乐于接受这一新技术，对学习有很高的自信度，有助于提升学生的学习成绩和学习效果，对于培养学生的创造性思维和问题合作意识也具有重要意义，符合我国课程核心素养的要求。此外，根据第7 题，最大的问题在于虚拟现实技术引起的不适感，实验结果表明，接近三分之一的学生在进行操作时会感受到不同程度的不适感，通过查阅蔡力等人的研究发现，当学生的运动状态与视觉状态不一致时，会出现生理不适状况16 因此，综合来看，除了部分学生可能会出现晕动症之外，学习者对于沉浸式虚拟学习环境的接受度很高，使用意愿很强。在实际教学中有更好的教学效果，能够更好地满足师生需求。5总结与展望本文自主研发K12生物课程中“人体循环系统”的沉浸式学习环境，具有高沉浸感和交互性，为用户提供实时的视觉、听觉反馈效果，实现了血流效果的动态仿真，可观察到“心脏推动血液循环”中的“肺循环”和“体循环”两动态生理过程，为学习者提供一个高仿真度、高互动感、可重复的动态沉浸式实验环境。有效提升学生对于生物实验学习的兴趣，突破了现实实验条件的制约，使抽象的模型具象可感，大大改善生物实验的学习体验，同时为解决当今中国生物教学中“实验难”、“靠想象”甚至“无实验”等问题提出新的解决思路，也为中国生物教育界提供生物教育典型示范，在未来的教学与学习中具有广阔应用前景。相关技术具有很强的拓展性，目前正依此思路进一步研发像“肺泡进行气体交换”“尿液的形成”等其他学生难以透彻理解的典型案例。未来，将对动态仿真观察过程中存在的“晕动症”问题作进一步研究，优化防晕措施，进一步改进和完善沉浸式生物学习环境，并推广应用。参考文献：1教育部.义务教育生物学课程标准（2 0 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8-），女（汉族），甘肃省武威市人，博士，副教授，研究方向为可视化及虚拟现实（通讯作者）。