虛擬現實技術賦能圖書館學專業教育的探索與實踐

聶加娜

（臨沂市圖書館，山東 臨沂 276000）

實踐教育是學生將課堂基礎理論知識應用于實踐操作最重要的環節之一，也是解決目前大學人才培養過程中學術型、理論型人才過剩的有益路徑，更是為社會培養技術型、應用型人才的關鍵選擇[1]。然而，最新專業技能、前沿實踐系統、資深指導專家、問題解決方案和實踐教學素材等實踐教育資源有時很難得到保障，尤其圖書館學專業作為一門實踐性、應用性很強的專業，在人才培養過程中必須引導學生積極參與專業認知實踐、操作實踐和創新實踐活動，不斷創新實踐教育模式。根據國外商業研究公司的《2022年教育中的虛擬現實全球市場報告》，受新冠肺炎疫情的影響，全球教育領域的VR市場規模預計將從2021年的63.7億美元，以36%的復合年增長率增長到2022年的86.6億美元。預計到2026年，全球市場規模將以39.7%的年復合增長率增長到330億美元左右[2]。在我國，《國家教育事業發展“十四五”規劃》《中國教育現代化2035》《教育信息化2.0行動計劃》《高等學校數字校園建設規范》等政策的頒布表明國家進入新技術與教育融合的時代，明確提出“利用現代技術加快推動人才培養模式改革”。2019年虛擬仿真實驗教學創新聯盟成立，2022年國家啟動“東數西算”工程，推動云計算、大數據等技術之間的協同建設，加快教育信息化整體實力的提升。因此，基于Web擴大實踐教育的可用資源、促進人才培養轉型、探索新的圖書館學實踐教育范式、彌補傳統實踐教育方式方法的缺陷成為互聯網環境下實踐教育的重要變革[3]?；诖?，筆者提出了利用VR、互聯網技術、信息通信技術及數據庫技術構建一個圖書館學專業的虛擬現實實踐教育平臺（Virtual Practical Education，以下簡稱VPE）的設想。VPE平臺旨在基于現有的信息技術，讓學生在參與實踐教學的基礎上充分吸收和理解課堂理論知識，以此為社會培養復合型人才，也為未來圖書館學實踐教學改革提供新的轉型思路與改革方案[4]。

1 現代信息技術參與圖書館學專業實踐教育的現實挑戰

隨著云計算、物聯網、人工智能等現代信息技術的快速發展，越來越多的課程正在將最新的信息技術應用于實踐教學中，不僅豐富了實踐教學方法，而且滿足了學生多樣化和個性化的實踐操作需求[5]。目前，關于“互聯網+教育”應用于實踐教學的研究有很多，有學者囿于理性預期，為現代信息技術成為實踐教育的新形態而“大唱贊歌”[6]，但這種“價值優先”和“立場優先”的預先判斷并沒有過多去考慮信息技術可能帶來的風險問題。

1.1 用于專業實踐教學的軟硬件基礎設施明顯不足

VPE平臺要實現高度的沉浸感和交互性，需要比其他形式的現代在線技術具備更大的計算能力和高速寬帶技術，虛擬現實可視化中涉及的大量圖形數據意味著使用的計算機需要具有相當高水平的特性，如高顯卡和高內存規格。筆者就基于信息技術的實踐教學面臨的最嚴峻問題調研了某大學圖書館學專業教師，得到的回復幾乎都是“計算機實驗室不足、計算機硬件和設備不足以及軟件包不足”，可見，用于實踐教學的軟硬件基礎成為阻礙培養信息化人才的最大因素和關鍵問題。特別是面對大數據時代海量數據處理的需求，數據采集、傳輸、計算和存儲對強大的計算中心、高吞吐量網絡傳輸設備和大型云存儲中心服務器提出了更多的挑戰。而且受新冠肺炎疫情影響，對學生的遠程互聯網接入也強調其計算機性能。

1.2 基于互聯網建立的實踐教學平臺互聯互通不夠

基于互聯網服務提供商和移動運營商的現代信息實踐教學平臺實現了萬物互聯，大大降低了從管理端到服務端的流量工程。但受邊界網關協議、機構防火墻技術、多出口等多種因素的影響，加之各實踐管理主體之間信息的直接交換違反了IP互連的通用機密性，從而導致實踐教學平臺的互聯互通問題。邊界凸顯的另一個表現則是平臺使用的復雜程度增加，學生要使用平臺之前需掌握各種繁瑣的操作技能，比如首先要配置軟件運行環境、下載適配器、設置自身的音頻或耳機來實現語音通信、使用聊天操作界面等，不熟悉這些技能的學生可能會很難進行接下來的實踐教學操作。學習在虛擬世界中操作所需的技術技能，增加了學生額外的學習負擔，甚至可能會對虛擬世界可用性的感知產生負面評價，反過來降低學生使用虛擬實踐教學平臺的意愿[7]。因此，未來實踐教學平臺的服務場景應該考慮突破互聯技術與協議約束，構建具有互聯選項、易操作、易上手的新生態實踐教學模型。

1.3 開發基于互聯網的實踐教學系統復雜性日益增加

開發基于互聯網的實踐教學系統復雜性對制造公司來說是一個真實的挑戰。實踐教學主管機構向軟件制造商提供的數據方案（包括可行性分析、需求分析、概要設計、產品性能等）可能比較簡單，但制造商需要改變傳統的開發過程，如加入傳感器、人工智能、虛擬現實、數字孿生、光學跟蹤等嵌入式的物理組件，考慮通信標準、技術架構和數據安全等軟要求[8]。同時還要持續關注產品生命周期中運行數據的收集和分析，以便隨時調整軟件運行軌道。如，目前在線機器人聊天只是使用庫存文本來同學生進行交流，但并不能理解學生輸入的一些庫存文本以外的短語，這就削弱了實踐的真實性。因此，未來實踐教學平臺的開發需要考慮數據和物理技術的互操作、網絡物理系統、人機協同、標準化通信協議、同步不同軟件語言的愿景，這也極大擴展了傳統軟件開發的要求和復雜程度[9]。

1.4 工作流程的數字化亟需學生提前具有數字化思維

盡管數字化工作流程極大地方便了人們的工作，但由于自動化和人工智能算法可以在沒有人為干擾的情況下做出決策，導致圖書館工作人員的工作職位受到強烈影響，缺乏數字化操作能力的館員可能面臨工作被機器人取代的危險[10]，由此引發館員對數字化工作流程的抵制。為了減輕工作數字化的不利影響，亟需圖書館學專業學生提前通過互聯網實踐教學操作平臺鍛煉自己的數字化思維方式，掌握數字化工作流程，了解工作流程數字化背后的價值過程。

1.5 基于互聯網的實踐教學平臺中數據信任問題凸顯

技術的進步促進了信任環境的變化，基于互聯網的實踐教學平臺中數據安全主要涉及的是電子信任（e-Trust）問題[11]，實踐教學平臺中的電子信任是指學生相信并信任學?；蜍浖烫峁┑南到y能夠保證個人在線信息行為（包括互動交流信息、文獻查閱記錄）不會被泄露，進而自信地參與與其他實踐主體之間的交流。但虛擬世界是開放、匿名和不受控制的，這意味著在線學生可能不會對自己的行為負責，包括泄露同伴個人信息或者泄露加密的實踐教學內容（如涉及知識產權的內容）。未來實踐教育平臺的構建需考慮電子信任，一方面，可以開放學生使用滿意度調查以及投訴處理模塊，及時反饋學生意見；另一方面，及時向學生提供有用的實踐教育信息，以增強他們對產品或服務的信任，打造良好的電子口碑[12]。

1.6 虛擬現實的表征復雜性增加了學生實踐的認知負荷

VR使用彩色圖像代替黑白圖像[13]、以三維立體展示代替二維平面模型[14]，有了空間化的音頻環境[15]，通過物理觸摸和物體操縱來刺激觸覺[16]，極大地增強了學生的沉浸感和互動感，但這些原本可能只是簡單的信息被復雜化處理之后，學生的學習記憶會受到沖擊，超出記憶容量之后會導致認知超負荷，進而影響實踐教學效果。有學者對生物學學生的實踐成果進行測試后發現，使用二維模型對學生的實踐更有幫助，原因在于學生在三維模型下需要在較短的時間內對虛擬世界中顯示的所有內容做出反應，豐富和復雜的互動實踐環境大大加深了學生在實踐過程中的認知負荷[17]。任務設計的復雜程度可能會對實踐結果產生影響，未來實踐教育平臺的設計策略要讓學生更多關注實踐內容本身，減少繁雜、多余的虛擬存在，進而減少認知負荷。

2 圖書館學VPE平臺實現框架

現代信息技術為圖書館學專業人才培養創造了絕佳機遇，但也帶來了巨大挑戰。面對新一輪科技革命，在現有信息技術基礎上構建圖書館學VPE平臺，讓學生在參與實踐教學的過程中充分吸收和理解課堂理論知識，是緩解當前實踐教育資源不足與貫徹國家有關人才培養模式改革精神的重要途徑。

2.1 中心結構

VPE平臺所有功能的實現仍然要依靠指導教師的作用，教師需要執行在面對面環境中的功能，如上傳實踐任務、設置學習空間、提供實踐指導、監督實踐流程、解釋學生問題和引導學生討論等。雖然VPE平臺為教育者（包括教授和接受教育的主體）創造了一個不同的實習環境，但傳統教學的知識、策略和能力的培養依然重要。VPE平臺中心結構在組織架構上包含了虛擬現實實踐指導委員會、虛擬現實實踐教育管理主體（管理人員、指導教師和系統維護師）和虛實一體的實踐教學平臺，具體結構見圖1[18-19]。

圖1 圖書館學VPE平臺中心基本結構

2.2 開發流程

（1）開發目標。構建一個多用戶沉浸式、互動式的VPE應用程序，允許實踐學生在同一虛擬環境中進行虛擬學習、虛擬訓練和虛擬考試，并能和同學進行實時通信和交互。

（2）開發工具。VR-HMD，計算機硬件和軟件。使用符合VR標準的筆記本電腦來開發應用程序，軟件包包括Epic Games或MyWebAR引擎，使用Microsoft Visual Studio、Autodesk AutoCAD、Autodesk Revit和Autodesk 3ds Max等軟件構建完整應用程序所需的模型、場景和腳本。Epic Games引擎內部開發程序，多用戶功能是在Epic Games引擎中開發的，導入虛擬模型后，Epic Games引擎可以利用紋理、控件以及CAD知識生成實踐虛擬主體，包括構建仿真的虛擬環境所需的實踐主體物理頭像、實踐環境光源等，再通過透視、環境光照混合器、觸發框等操縱器對虛擬人物、環境等進行渲染，并通過應用程序中實現的網絡協議實現遠程連接，包括虛擬實踐主體之間的互動、交互以及語音等。虛擬環境中多數實踐活動都需要將C#腳本語法附加到虛擬實踐主體上，以激活所有網絡對象和組件的多用戶功能。

2.3 平臺功能

（1）共享虛擬沉浸環境。VPE平臺允許所有登錄的實踐主體都能看到彼此的虛擬化身，包括他們的頭部和手在虛擬場景中的動作等。

（2）實時虛擬導航功能。包括動作導航——VPE平臺為實踐主體提供了第一人稱控制器，他們可以使用手柄在虛擬場景中任何位置進行移動；語音導航——允許實踐主體的虛擬代理（包括化身、聊天機器人、擬人化代理）在虛擬場景中進行實時口頭交流，同時為特殊學生（視覺障礙）提供語音播報，引導其進行實踐操作。

（3）實時主體姓名標簽。VPE平臺創建了一個包含輸入字段的實時對話框，以允許遠程用戶在登錄虛擬環境之后輸入其個性化名稱，并和同伴進行文字交流。VPE平臺還可以在每個虛擬實踐主體頭像上方顯示名稱。

（4）實踐數據實時檢測。VPE平臺設置了一個后臺學生實踐數據參數收集中心對學生在實踐過程中的顯性數據和隱性數據進行實時檢測、實時分析和實時反饋，指導教師可以根據此反饋數據來進一步改善實踐任務設定，了解學生的實踐動態。此外，引入“公共建構主義”方法，將之前實踐主體的意見都加入后續迭代系統的更新上。

（5）實踐內容自主創建。實踐內容自主創建突破了以往學生僅依靠實踐教學大綱布置進行實踐的束縛，學生可以根據自身愛好設置實踐內容，如在虛擬環境中設計一本圖書的封面或者和同伴在虛擬環境中探討某一學術熱點等，可以極大地鍛煉學生的邏輯思維、解決問題、溝通交流以及實踐操作能力[20]。

3 圖書館學VPE平臺建設機制

3.1 沉浸式虛擬現實為實踐教育提供仿真環境

VPE平臺所依賴的VR技術最大的特征在于能夠給實踐主體提供沉浸感[21]，而且隨著VR技術配套硬件設備的不斷更新升級，如高質量圖像渲染技術、VR頭戴式顯示器技術、虛擬環境中自由移動的外圍設備等給實踐主體提供了全沉浸式的仿真體驗[22-23]，完全區別于傳統基于電腦桌面的虛擬環境。目前圖書館學專業學生實踐教育不管是采取在圖書館、檔案館、博物館等觀察的形式還是參與實踐基地頂崗實習的形式，都不能很好地提高學生的實踐操作技能。而使用VR技術生成的虛擬環境來補充實操環境可用信息，可幫助學生實現課堂理論知識的實踐化牽引。目前，VR技術在多個學科的實踐教育中得到了廣泛運用，醫學生可以在虛擬環境中復制外科手術[24]，考古學專業學生可通過VR模擬考古所涉及的工作流程[25]，土木工程專業學生通過VR模擬施工現場、理解施工技術，地理信息科學專業學生可通過VR模擬水文流域景觀，了解不斷演變的地形地貌[26]。

3.2 交互感實現各實踐主體間的無縫互動溝通

VPE平臺可以實現3D場景及其相關組件（包括物理仿真引擎——如頭部跟蹤、位置計算、運動控制器、紅外攝像機、觸覺手套、AI代理等——和視觸覺界面）與行為主體之間的高度交互，能模擬足夠的環境細節和提供超高的互動速度，構建一種允許許多同學同時使用的在線三維虛擬環境，即多用戶虛擬環境[27]，從而喚起學生類似于真實體驗的交互體驗，不僅可以實現人機交互，而且能夠提供基于共享空間的師生交互、生生交互等，以相互討論并反思他們的實踐操作是否規范等。人機交互為學生提供了完全個性化和身臨其境的體驗，更增加了實踐主體在虛擬環境中的存在感和行為感。各實踐主體之間基于共享空間的交互近似于物理上的在一起，能實現各主體之間的雙向交互，升華在協作環境中的團結感。

3.3 實時反饋實習情況以調整任務計劃

VPE平臺可根據學生豐富的虛擬實踐數據參數（如實踐計劃完成度、參與表現、實踐總時長、實踐操作的準確性和誤差、實踐態度等）來進一步改善實踐任務設定，了解學生的實踐動態。同時實踐教學組織者可根據實踐數據對學生的實踐表現進行評估，以更好地提高學生的實踐操作技能，從而降低在現實工作中的誤操作率。虛擬現實模擬操作是補充傳統實踐中館員與用戶相互關系的有用工具，身處封閉空間中的實踐主體會沉浸在三維環境的感知錯覺中。如通過虛擬成像模式和算法技術，學生可以可視化某一讀者的借閱行為，據此將虛擬成像作為一種讀者咨詢服務計劃或服務導航工具，以設定服務前的計劃、服務中的指導和服務后的監測，實現個性化的服務。

3.4 自主創建實踐內容培養4Q型人才

擁有IQ（智商）、EQ（情商）、AQ（逆境商）、LQ（領導力商）的“四商復合型人才”是現代高素質人才應具備的重要屬性，VPE平臺允許學生根據實際情況自主創建實踐內容，對培養“四商復合型人才”具有重要作用。在IQ培養上，學生參與到虛擬世界之后根據他們喜歡的方式定制實踐任務，包括圖書信息檢索平臺的使用、文獻信息編目、RFID標簽數據加工、圖書的館際互借與遠程文獻傳遞、數字化軟件的操作、Internet信息資源的評價和引用等，將課堂理論與實踐操作相結合，實現學生高階思維的鍛煉，如分析、評估和創造的能力，以及學生低階思維的鍛煉，如記憶、理解和應用等[28]；在EQ和LQ培養上，VPE平臺提供了在線實時互動功能，可通過交流鍛煉學生的溝通能力、組織能力和領導能力等；在AQ培養上，實現隨時關注對學生的團隊協作能力、工作抗壓能力的培養。

3.5 虛擬現實技術拓展與整合實踐教學資源

現代信息技術變革了圖書館學實踐教學模式，VPE平臺在充分考慮用人單位需求的基礎上，有效整合線上線下教學資源，連接學校、實踐基地、指導教師、學生四端于一體。首先，傳統的線下實踐教育可以擴展到在線模式，不僅可以充分利用網絡環境來提高實踐教育的有效性和實施效率，還可以大大節省空間和人員成本。其次，線上實踐教育和線下實踐教育資源或場景的結合，可以實現實踐教育資源的整合與融合，學生也可以盡早適應圖書館的物理空間在互聯網時代的變化特征。最后，在實踐場景的構建上可以實現學生到不同部門進行仿真工作，如黨政部門、企事業單位，甚至可以擴展至一些出版社、報社、政策研究機構、電視臺等，構建在行業性質、行業種類、經營特色等方面都有所突破的虛擬實踐教育基地群，實現實踐教學基地的多樣化建設。

3.6 虛擬情境讓更多特殊群體參與實踐教學

VPE平臺在具體措施的實施及服務上不僅考慮了普通學生的需求，更重要的是兼顧了一些特殊群體（即存在操作障礙的學生，如視覺障礙、聽力障礙等）的需求，對于這部分學生的培養，一方面要讓其自身能夠參與到正常的實踐教學中，切身感受知識的魅力，另一方面也有助于他們在以后的工作中可以去服務和他們具有相似經歷的特殊讀者。如，對于視覺障礙的學生而言，可能更多地需要依賴音頻進行引導而不是鍵盤交互。VPE平臺可以通過虛擬情境創建，利用互聯網語音協議（Voice over the Internet protocol，VoIP）解決實踐主體的視力問題，利用流視頻或流語音技術來幫助分發實踐教學內容，利用聊天或即時通訊工具（InstantMessaging，IM）來提高特殊學生與指導教師之間溝通的效率和有效性。VPE平臺實現了特殊學生的“第二人生”（Second Life，SL），對保障他們平等學習的權益具有很重要的社會意義和應用價值。

4 結語

使用虛擬現實技術賦能圖書館學專業學生在線實踐教育顯然有許多優勢，盡管虛擬實踐教學平臺在設計實踐任務時可能會面臨一些相關技術等問題，但倡導學生參與在線實踐契合國家“用現代技術加快推動人才培養模式改革”的號召，能夠幫助學生掌握他們未來可能需要的技能。VPE平臺在實現真實和虛擬信息數據流的互動、完全沉浸式的體驗和多感覺的融合方面還存在不足，在未來的建設中，隨著新的輸入和輸出設備的出現，將使虛擬現實中的學生和物體之間進行更自然的互動，同時期待著虛擬世界與增強現實、增強虛擬技術和3D打印等其他技術與實踐教育平臺的融合。當然，要實現筆者構建的實踐教育平臺以及未來平臺的創新發展還依賴于制度規范的護航、縝密科學的規劃、資源分配的均衡和相關部門的有力支持。