1. 引言
长征5号是我国新一代大推力运载火箭，是航天科技发展重要标志，其技术突破与航天精神具有高科普价值。传统长征5号科普以展板、讲座、实物观摩为主，难以让受众直观感受火箭发射流程与技术原理，研学活动受场地、安全、成本等限制，体验深度不足。受众多只能远距离观察，难触及核心部件工作逻辑，研学导师讲解难转化为具象认知，尤其难激发青少年探索兴趣。VR技术成熟为航天科普带来新可能，可突破物理边界构建逼真场景，实现沉浸式交互体验。国内已有多款VR航天科普产品应用，但存在内容深度不足、交互设计单一、教学适配性弱等问题。本文聚焦“VR + 研学”融合模式在长征5号科普中的应用推广，整合技术特性与教育需求，精细开发技术与教学设计，丰富科普形式，助力航天知识与精神传播，为不同受众搭建科普桥梁。
2. 相关研究综述与实践现状
2.1. VR航天科普相关研究进展
近年来，VR技术在航天科普领域的应用成研究热点，国内学者围绕其技术实现、模式构建、教育价值展开多维度研究。兰岳云等(2021)指出VR + 教育可重构学习场景，为航天科普场景创新提供理论支撑；刘亚杰等(2023)分析VR + 教育技术现状，提出航天科普应注重VR内容科学性与交互性结合；边韦翰(2025)开展科普教育VR交互体验研究，证实沉浸式交互对提升科普知识吸收效率有积极作用；余越凡等(2022)开发太空授课虚拟仿真实验系统，为航天科普VR产品技术开发提供实操参考。整体上，现有研究已证实VR技术在航天科普中的可行性与优势，但多聚焦单一技术实现或宏观模式构建，针对特定航天装备(如长征5号)的精细化VR + 研学设计研究较少，对技术与教学融合设计探讨不够深入[1]。
2.2. 现有VR航天科普产品实践现状与短板
随着VR技术的普及，国内航天科普场馆、科技企业相继推出了多款VR航天科普产品，涵盖火箭发射体验、空间站漫游、太空行走模拟等多个场景，典型产品及特点如表1所示。
Table 1. Analysis of typical domestic VR aerospace science popularization products and their characteristics
表1. 国内典型VR航天科普产品及特点分析
产品名称 |
开发主体 |
核心功能 |
优势 |
存在短板 |
航天发射VR体验系统 |
中国科技馆 |
模拟火箭发射基础流程、太空场景漫游 |
场景还原度高、权威性强 |
交互环节单一，仅支持视角切换，无实操性任务；内容无分层设计，适配性弱 |
空间站VR探索舱 |
某科技企业 |
空间站内部场景观察、简单设备交互 |
设备轻量化、体验门槛低 |
聚焦空间站场景，无运载火箭专项内容；缺乏研学教学配套设计，无知识讲解与任务引导 |
航天科普VR一体机 |
某科普设备公司 |
涵盖火箭、卫星、空间站多场景体验 |
便携性强，适用于校园推广 |
内容深度不足，核心技术原理讲解缺失；故障模拟等探究性环节空白，体验流于表面 |
文昌发射场VR体验展项 |
海南航天科普馆 |
还原文昌发射场实景，模拟长征系列火箭发射 |
场景实景还原度高，贴合实际 |
操作流程简单，无个性化交互；未结合研学活动设计，无教学目标与任务体系 |
通过对现有产品的梳理与分析，发现当前VR航天科普产品普遍存在四大核心短板：一是内容设计重体验轻教育，多聚焦于视觉与感官体验，核心技术原理的传递不足，与科普教育的核心目标脱节；二是交互设计单一化，以视角切换、简单点击为主，缺乏深度探究性的交互任务，难以调动受众的主动性；三是教学适配性缺失，未结合不同学段受众的认知特点进行分层设计，无配套的研学教学流程与任务体系，无法直接服务于研学教育活动；四是产品针对性不足，多为通用型航天场景体验，针对长征5号这类特定大推力运载火箭的专项VR科普产品尚未出现，无法体现其“大推力”“大尺寸”“复杂核心部件”的技术特点[2]。
2.3. 本研究的独特改进之处
针对现有研究与产品的短板，本研究以长征5号为专项研究对象，构建“VR + 研学”融合模式，实现三大核心改进：其一，技术设计层面，聚焦长征5号的技术特点，开发核心部件拆解、故障模拟、参数调试等深度交互功能，突破现有产品交互单一的局限；其二，教学设计层面，结合建构主义与情境学习理论，设计分层级的研学教学流程、教学目标与具体研学任务，实现VR技术与研学教育的深度融合，弥补现有产品教学适配性缺失的问题；其三，内容设计层面，构建“知识传递–实操体验–精神浸润”三位一体的内容体系，既保证长征5号技术原理传递的科学性与深度，又通过探究性任务提升体验性，同时融入航天研发与发射背后的故事，实现知识与精神的双重传播[3]。
3. “VR + 研学”融合模式的理论根基与实践基础
3.1. 理论根基
“VR + 研学”融合模式构建依托多元教育理论。建构主义学习理论强调学习者主动构建知识，VR技术打造沉浸式场景，让研学参与者在模拟操作与场景探索中自主梳理长征5号技术脉络与发射逻辑，如虚拟拆解火箭发动机，自主探究部件连接与协同原理，形成的认知更深刻。情境学习理论指出真实学习情境可提高知识吸收效率，VR技术还原文昌发射场环境、火箭发射流程等场景，营造逼真航天科普情境，增强参与者情感共鸣与认知。具身认知理论为交互设计提供依据，强调身体体验与操作是知识建构载体，通过VR设备手柄操作与身体动作反馈，让参与者在“动手操作”中感知长征5号技术原理，实现知识具身化理解[4]。
3.2. 实践基础
虚拟现实(VR)技术在航天领域的成熟运用为融合模式提供技术支撑。我国航天员科研训练中心将VR技术用于出舱活动训练，通过三维场景构建等达成全流程仿真训练，其相关技术可迁移至长征五号科普场景，确保虚拟与实际契合。同时，VR研学在文旅领域积累了宝贵经验，如敦煌数字博物馆等借助VR还原历史场景、开展交互式研学，证实其提升研学体验的可能性，为长征五号科普提供实践范式。长征五号的科普价值为该模式提供内容支撑，其相关内容可通过VR转化为多样研学场景，满足不同受众需求。与其他航天装备相比，长征五号“大推力”“大尺寸”特性难通过传统方式呈现，而VR技术可突破空间限制，让受众感受其磅礴气势，这种体验是传统科普手段无法替代的[5]。
4. “VR + 研学”融合模式的技术与教学设计
4.1. 整体系统设计
本研究构建的长征5号VR + 研学科普系统以Unity3D为核心开发引擎，基于SteamVR平台实现设备交互，采用3ds Max完成长征5号火箭、文昌发射场的高精度建模，结合C#语言完成交互逻辑与任务体系的开发，系统整体架构分为硬件层、技术层、内容层、教学层四个层级，系统设计图如图1所示。
Figure 1. Overall design diagram of Long March-5 VR + study tour science popularization system
图1. 长征5号VR + 研学科普系统整体设计图
4.2. 教学活动整体设计
结合研学教育的特点与不同学段受众的认知水平，本研究设计了“课前预习–课中体验–课后拓展”的三段式VR研学教学活动流程，同时针对小学、初中、高中/中职三个学段设计了分层级的教学目标与研学内容，教学活动流程图如图2所示。
教学活动设计遵循“由浅入深、从体验到探究”的原则，小学阶段侧重场景感知与趣味体验，初中阶段增加技术原理认知与简单交互任务，高中/中职阶段侧重深度探究与故障模拟调试，实现不同学段的教学适配。
Figure 2. Flowchart of Long March-5 VR + study tour science popularization teaching activity
图2. 长征5号VR + 研学科普教学活动流程图
4.3. 核心研学任务设计——VR模拟修复长征5号助推器燃料管路泄漏故障
针对现有VR航天科普产品缺乏探究性交互任务的短板，本研究以长征5号发射前设备检测与故障排查为背景，设计“VR模拟修复长征5号助推器燃料管路泄漏故障”核心研学任务，适用于初中及以上学段，旨在让参与者理解长征5号助推器结构、燃料输送原理及发射前设备检测流程，培养逻辑推理与动手操作能力。以下是任务具体设计：
1) 任务目标：知识目标是掌握助推器结构组成、燃料管路分布、泄漏检测方法，理解液氧煤油燃料储存与输送原理；能力目标是通过VR设备完成助推器外观、管路压力检测、泄漏点定位与修复，培养故障排查推理与设备操作能力；情感目标是体会航天发射前检测的严谨性，树立科学态度，增强对航天工作者的敬意与民族自豪感。
2) 任务场景：设定为文昌发射场长征5号发射塔架检测平台，还原发射前2小时的检测场景，包含箭体、助推器、检测仪器、测控终端，按1:1比例建模，搭配背景音增强真实性。
3) 具体交互步骤(共10步，有语音引导与字幕提示)：交互基于VR头显与手柄，手柄有振动反馈与功能按键映射。任务启动时，参与者戴VR设备进入场景，导师发布任务，测控终端提示需10分钟内完成泄漏点定位与修复；设备领取是通过手柄点击“检测工具包”领取工具，手柄振动，工具图标显示在VR视野右侧；助推器视角切换可通过头显或手柄按键切换至特写视角，系统标注核心部件与燃料管路区域；外观初步检测是点击“检测”按键启动检漏仪，贴近管路接口排查，手柄振动显示温度与压力数据；管路压力检测是切换至压力检测仪连接检测口，启动检测后弹出压力曲线，提示存在微小泄漏；泄漏点精准定位是再次切换至检漏仪，探头靠近泄漏点时警报、手柄强振，系统标注位置与原因；故障部件拆卸是点击“拆卸”按键用扳手拆卸螺栓，螺栓掉落工具台，手柄有振动反馈；密封垫更换是点击工具台新密封垫贴合接口，点击“按压”按键安装。管路修复与加固：切换虚拟密封胶枪，贴近接口缝隙，按手柄按键挤出密封胶密封缝隙，装回螺栓，逆时针转动扳手固定，系统提示“泄漏点修复完成，进行压力复检”。
任务验收：用压力检测仪再次检测管路压力，VR视野中压力曲线稳定，系统语音提示“助推器燃料管路压力正常，泄漏故障已修复，任务完成”，测控终端弹出任务完成报告，标注完成时间、操作正确率与核心知识要点，参与者可重体验或返回主场景。
4) 知识嵌入设计
任务中通过语音讲解、字幕提示、数据弹窗、故障分析报告嵌入核心知识，实现“做中学”，例如：
步骤4检测管路时，弹出字幕提示“长征5号助推器用液氧煤油发动机，液氧煤油燃料环保、推力大，管路输送需绝对密封”；
步骤6定位泄漏点时，系统弹出故障分析“火箭燃料管路接口易损耗，发射前需多次压力检测，密封垫老化常见，需及时更换”；
任务完成后，报告附知识拓展“长征5号有4个助推器，各配独立燃料输送系统，发射前需全方位检测管路，确保零故障发射”。
5. “VR + 研学”融合模式在长征5号科普教育中的应用场景构建
5.1. 应用目标与原则
融合模式应用目标聚焦三个维度，知识目标是让参与者掌握长征5号技术参数、核心部件功能、发射流程及任务意义；能力目标是培育空间想象、逻辑推理和动手操作能力；情感目标是传递航天精神，强化民族自豪感，激发科学探索热情。
应用该模式需遵循四大原则，教育性原则是核心，确保VR研学内容围绕长征5号科普核心，避免技术堆砌和娱乐化；真实性原则要求场景建模、操作流程与实际一致，如按1:1还原火箭结构等；互动性原则强调设计多元交互环节，让参与者转变身份，提升积极性；分层性原则要求根据不同受众设计差异化内容与任务，实现精准适配。
5.2. 具体应用场景构建
结合技术与教学设计，构建三大核心应用场景，相互衔接形成科普体系，各场景配备教学任务与知识嵌入设计，实现技术与教育深度融合。
此为基础体验场景，适用于所有学段。利用VR技术打造文昌发射场虚拟场景，按真实比例还原关键要素和周边环境，让参与者有身临其境之感。戴上VR设备可体验发射全流程，各环节时间和声光效果参照真实数据。体验中嵌入分时段语音讲解，搭配字幕提示知识点。还可通过交互手柄切换视角，解决传统科普难题。
这是深度认知场景，适用于小学高年级及以上学段。针对长征五号核心部件设计分层拆解交互功能，参与者可通过手柄虚拟操作拆分部件，了解内部结构与原理，理解装配逻辑。拆解时系统弹出部件介绍、参数和模型，并语音讲解。该场景支持自由装配与复位，深化对核心技术的理解。
此为探究性实践场景，适用于初中及以上学段。在“助推器燃料管路泄漏故障修复”任务基础上，设计多个探究性任务，注重实践能力培育。参与者可根据任务单扮演不同角色，参与火箭发射前的工作，完成特定操作任务。加深对长征5号技术要点的认识。该场景支持多人协同体验，参与者可扮演不同角色，配合完成火箭发射前准备工作，培养团队协作与科学探究精神。
6. “VR + 研学”融合模式的推广路径构建
6.1. 多元主体协同推广机制
构建由“航天机构、教育部门、企业以及科普场馆”组成的多元协同推广机制，整合资源形成合力，细化各主体核心职责，突出技术与教学融合推广，具体如下：
航天机构：提供长征5号权威知识、技术资料与专业指导，组织专家参与VR研学内容设计审核与故障任务开发，开放非涉密研发场景、数据与案例素材。
教育部门：将VR航天研学纳入中小学科普与综合实践课程，制定课程衔接标准，推动与多课程融合，借助政策和经费鼓励学校开展活动，编写配套手册、任务单与评价标准。
企业：负责VR内容迭代升级、设备研发与运维，优化设备操作体验与适配性，开发不同型号设备降低成本，提供技术培训与设备检修服务，培养专业师资。
科普场馆：作为线下推广载体，设立长征5号VR研学专区，配备设备与导师，面向公众开放体验，提供定制化服务，定期开展主题活动。
6.2. 分场景推广策略
以课程融合为核心，针对小学、初中、高中/中职设计差异化VR研学内容与流程，小学重趣味体验，中学增技术讲解与实践，高中/中职侧重深度故障模拟与技术探究。通过与学校合作开展活动、举办巡展、建设科普角等扩大推广，开展师资培训，使VR + 研学常态化服务校园科普。
聚焦科普场馆与文旅场所，在相关场所设立专属体验区，配备导师与设备，提供标准化体验。结合时间节点开展主题活动，设置竞赛任务提升公众积极性。与文旅企业合作，将VR研学纳入文旅线路，实现科普与文旅融合。
依托数字平台，开发轻量化小程序与线上体验模块，支持多设备简易体验，实现“云端研学”。线上平台设置多个板块，用户可完成任务、学习知识、了解航天精神，搭建交流社区，形成线上线下联动格局。
7. “VR + 研学”融合模式应用与推广的优化方向
7.1. 内容质量提升与迭代
内容优化聚焦科学性与丰富性，建立“专家审核 + 实践反馈 + 技术更新”把关机制，由航天专家、科普工作者、一线教师组成审核团队，全程把关VR研学内容，确保知识传递无偏差，调整表述方式，让科普内容“易懂不减质”。结合长征五号后续任务及技术升级，定期更新研学内容，补充最新成果。完善分层级内容体系，开发专业版内容，增设深度解析等环节，扩大适配范围。注重内容叙事性，融入航天人物故事等元素，传递航天精神[6]。
7.2. 技术适配与体验优化
技术优化提升体验流畅性与适配性，优化场景渲染技术与交互设计，降低眩晕感，简化操作逻辑。推动VR设备轻量化与便携化研发，开发便携式VR一体机，减少对场地和设备的依赖。增强虚实交互精准度，借鉴航天员VR训练经验，优化匹配度，提高体验真实感。开发系统数据统计与分析功能，挖掘参与者体验痛点与需求，为优化提供数据支撑。
7.3. 保障体系完善
政策保障方面，推动相关部门出台支持政策，明确各主体职责分工，将VR航天科普纳入地方科普教育规划。资金保障方面，拓宽融资渠道，构建多元化资金投入机制，设立专项基金。人才保障方面，培养复合型人才，加强对科普工作者和教师的培训，打造专业化师资队伍。评价保障方面，构建“过程性评价 + 结果性评价”相结合的评价体系，保障教育效果。
8. 结语
“VR + 研学”融合模式为长征5号科普教育创新途径，通过精细技术与教学设计，突破现有VR航天科普产品短板，以沉浸式体验冲破传统科普局限，增强航天知识传播吸引力与实效性，搭建航天精神传承情感桥梁。该模式以长征5号为研究对象，构建“硬件–技术–内容–教学”四位一体架构，设计“课前预习–课中体验–课后拓展”教学流程，开发探究性核心研学任务，实现VR技术与研学教育深度融合，使长征5号科普从“被动听”变“主动做”，从“感官体验”升级为“知识建构”。此模式应用推广需航天机构、教育部门、企业、科普场馆等多元主体合作，在内容质量、技术体验、保障体系等方面持续优化，兼顾科学性与趣味性、专业性与普及性。未来，随VR技术迭代和航天科普需求升级，该模式有望在更多航天科普场景推广，不仅用于长征系列火箭科普，还可迁移至空间站、卫星、载人飞船等航天装备科普，为我国航天科普教育注入新活力，推动培养更多具有科学素养与探索精神的人才。
基金项目
校级课题(科研类)：多人协同XR模式下航空航天原理科普的创新应用研究--以长征五号运载火箭为例，课题编号：Ky250002。