VR與AR技術教育應用研究

季至宇

摘要：隨著信息技術的快速發展，虛擬現實與增強現實技術在教育領域的應用越來越廣泛深入，其對高等教育變革的影響必須引起高度重視。應緊緊圍繞我國高等教育教學改革發展的總體要求，實現信息技術與教學的深度融合。VR/AR技術提供的沉浸式場景讓課堂及線上教育場景更加豐富、生動，帶來的場景化體驗、多維情境教學讓眾多學生有了獨特的學習體驗，并且學習成效顯著。VR/AR技術進入教育領域，還需在理論研究、教學應用、人才培養、資源建設等方面進行長期探索與實踐，通過提升教師專業技能，讓VR/AR技術的教育應用更多地體現為豐富教學內容與提升教學效果。

關鍵詞：虛擬現實技術；增強現實技術：教育應用

DOIDOI：10.11907/rjdk.172305

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A文章編號：16727800（2017）010022003

0引言

進入信息化時代，科技革命總會帶來令人驚嘆的成果。近年來VR/AR技術的快速發展正在全球掀起浪潮，其應用前景受到世界各國高度關注。虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）與增強現實技術（Augmented Reality，簡稱AR）是近年來發展最快的高新技術之一。虛擬現實技術是利用計算機模擬產生一個多維空間的虛擬場景，向使用者提供關于視覺、聽覺、觸覺等多感官的模擬，從而讓使用者仿佛身臨其境，可以隨時隨地無限制地觀察三度空間內的事物。增強現實技術則是利用計算機將虛擬信息應用到真實信息中，二者有機疊加產生新的三維信息，增強人們對真實世界的感知與認知。

從技術層面看，AR與VR是兩種不同的事物，VR技術通過智能手段構造出純虛擬環境，為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官模擬以及意念控制，完全脫離現實環境，無論是游戲還是觀影，更重要的是能幫助人們直觀地認識事物、學習知識。AR技術是將虛擬放在現實中，通過攝像機拍攝畫面或輸入現實場景，使虛擬與真實的信息巧妙地結合或匹配，進行展示與交互，達到增強現實的效果。其應用如高品質VR電影制作與光場顯示技術、高端裝備制造等。

1VR/AR技術發展現狀

VR/AR技術為人們所熟識，一個節點性事件是2015年9月美國Magic Leap公司在網上發布了一段視頻，視頻中一只鯨魚躍出水面又一頭扎了回去。Magic Leap所展示的這段視頻發生在一家室內體育館，用其自身研發的增強現實技術實現，觀者無需佩戴3D眼鏡，一切都是裸眼可見。令人稱艷的畫面一度引爆互聯網，也讓VR/AR變成了熱度極高的技術名詞，甚至成為2016年浙江省高考語文試卷的命題作文。

VR/AR技術實用化已走過50多年，隨著技術進步與發展、產品成本的降低，特別是近年來人工智能逐漸興起，搭載人工智能技術的智能終端VR/AR裝備需求開始普及，終于迎來了實用化產品的春天。圍繞技術發展脈絡，人們不難發現從用收音機、電視機、PC到手機，應用平臺離人眼的距離越來越近，而VR/AR技術產品化與應用將會是下一代計算終端的終極形態。VR/AR技術的核心是人機交互，人機交互的演變從PC到手機再到移動VR眼鏡，未來可能到視網膜眼鏡，甚至通過腦電波、皮膚的電流產生一些互動，實現通過眼神、手勢、語音、意念等多種方式控制各種智能設備。目前腦波控制技術已進入產品研發階段，美國硅谷EyeMyndn腦波公司近期展示了其成果，在發布的視頻中可以看到，團隊成員頭戴金箍模樣的傳感器和一副VR眼鏡，成員眨眨眼，另一界面里的虛擬美女也眨眨眼，他皺皺眉，美女也皺皺眉。依此技術，兩個相隔萬里的人戴上傳感器和VR眼鏡也可在同一個虛擬世界里互動。移動VR一體機的發展已不再依賴手機，清晰度更高且重量控制在200多g，假以時日移動VR一體機能控制在50g以下成為VR眼鏡，且能夠長時間佩戴，就可以成為下一代智能終端。

2016年《中國VR行為用戶行為研究報告》顯示，中國VR潛在用戶已經達2.86億，而在過去一年接觸或體驗過虛擬現實設備的VR淺度用戶約為1 700萬人，購買過各種VR虛擬現實設備的用戶約為96萬人。目前VR/AR技術已廣泛應用到視頻游戲、事件直播、視頻娛樂、醫療保健、房地產、零售、教育、工程及軍事等領域，不斷改變著人類生活的方方面面，全球正在掀起AR/VR熱潮。面對這一浪潮，2017年1月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于促進移動互聯網健康有序發展的意見》，明確提到要加快人工智能、虛擬現實、增強現實、微機電系統等新興移動互聯網關鍵技術布局，盡快實現部分前沿技術、顛覆性技術在全球率先取得突破。《意見》從戰略高度有針對性地做出了科學規劃與產業布局。

2VR/AR技術在教育中的應用與成效

目前VR/AR在基礎教育中的應用多于在職業教育與高等教育中的應用。國內有條件的中小學圍繞部分課程引導學生在真實場景下學習，通過虛擬現實技術為學生創設更加真實的學習情境，通過具體直觀表征形式及生動的交互體驗，讓學生在虛擬環境中學會觀察、探索與實驗，從而加深學生理解知識，激發學生興趣，為他們帶來豐富的學習體驗。通過可穿戴設備，利用增強現實技術、移動情景感知技術、物聯網技術以及教育游戲等手段，為學生構建一個全新的智慧教育環境。與此同時，各級教育主管部門與學校之間相繼組織研討會、交流會等活動，提升中小學教師對虛擬現實技術的認識，促進新科技教學實踐的研究與應用。如2017年4月，南京市教育局舉行了“VR/AR技術在教育教學中的應用研討活動”。研討活動中既有小學校長匯報學校將虛擬現實技術運用于教育教學的探索與思考，又有任課老師現場示范，直觀展示VR/AR技術如何在教學中解決難點問題、如何提升課堂效率。

STEAM教育是2016年國內教育領域熱度較高的一個詞，也是近年來在國際上非常流行的教育模式。作為跨學科教育，它融合了科學、技術、工程、藝術和數學門類，對培養學生的科技知識技能、創新思維以及實踐能力有非常好的幫助。在美國K12課堂（從小學一年級到高中三年級的12年中小學教育）中，AR增強現實技術與VR虛擬現實技術也處在實驗性應用階段[1]。2016年12月，Project Tomorrow發布一篇針對圣地亞哥一個VR應用項目的評估報告，探討了AR增強現實技術環境如何增強學生在STEAM領域的學習意識與學習興趣。應用項目選在一所建筑于圖書館兩層的高中，項目名稱叫作STEAMing Ahead with Mobile Learning，考慮到學生對情境學習更感興趣，項目計劃利用圖書館圓頂的獨特結構，為開展AR增強現實試點項目、鼓勵與推動STEAM學習提供了天然條件，也為學生帶來豐富的學習體驗。具體做法是，利用移動情景感知技術，充分發揮AR增強現實的優勢，在圖書館內部創造出科學、數學、機械與藝術相關的虛擬情境，在教師指導下，學生與數字信息之間可以有效地互動交換。建筑團隊施工之前先用AR增強現實技術構想出房子的圖案，學生在圖書館情境中學習STEAM理念時，就可以獲得圖書館建造知識。評估報告所做的調查發現：參與學習中央圖書館半球形建筑的相關知識，學生將自己的進步歸因于移動AR增強現實技術帶來的豐富學習體驗。大多數學生認為，在AR增強現實技術環境中使用4G平板電腦能夠提高他們的積極性。在整個學習過程中，學生發現學習更有趣味性，自己的協作能力有了提高，對難點知識的掌握變得容易許多。經過一段時間學習體驗，10%學生表示他們對STEAM領域更加感興趣；參與項目的教師認為，如果與教學大綱緊密結合，AR增強現實營造的環境能在更多學術領域成功應用，進而提升學生的學習效果與效率。endprint

評估報告統計，目前K12所有課程在課堂中使用AR與VR技術的教師占5%。而在中學計算機科學/技術課堂上，教師使用AR、VR技術的比例更高，分別達到11%與9%；6-8年級學生中有9%在課堂上體驗過AR增強現實與VR虛擬現實技術，9-12年級學生中，使用VR與AR技術的比例為8%。

3VR/AR技術發展對教育的影響

高等教育發展在不同時期都受到技術發展的影響，從傳統的課堂教學發展到圖文教學、視聽教學，再到多媒體技術的廣泛應用，無不看到技術的推動作用[2]。隨著計算機技術與網絡技術快速發展，2012年在國內興起的大型開放式網絡課程慕課（MOOC），更是掀起了一場教育領域信息化的革命。如今，技術突破二維圖像局限，帶給人們跨越時空、多維立體、真實與虛擬交融的體驗，必將帶來教育理念、手段、方式與方法的變革。

3.1革新教育形式，重構教育理念與教育思維

借助VR/AR技術讓醫學院學生在課堂上真切感受人體臟器的內部結構與機能，近距離觀察病理的形成、發展過程及對癥治療效果，讓海洋大學學生身臨其境地感受千米深海下的斑斕世界，這種教學效果無疑生動直觀、令人印象深刻。于教育而言，使學習具有個性化、智能化、沉浸式等多維度必將成為主要發展潮流。情境認知理論（Situated Cognition）認為，大多數知識都是人的活動與情境互動的產物[3]。如果能為學習者提供接近于真實的學習環境或仿真情境，對提高學習者學習熱情與對所學知識的理解掌握大有益處[4]。VR/AR教育思維不是告訴學習者什么叫知識，而是讓學習者自己嘗試直接體驗知識，從學習知識到體驗知識是一種學習方式的轉變[5]。要VR/AR技術恰如其分地融入到教育中，不斷發揮其影響力，沒有精妙的教學設計是很難實現的。而設計的理念、方式方法、手段需要不斷改進。有學者提出，VR支持的學習空間交互設計模型包括戰略層、結構層、框架層、表現層、體驗層[6]，這種以層級遞進的圖示可直觀地告訴人們VR/AR技術與教育深度融合的過程與目的。

3.2豐富教學內容，提升教學效果，推動傳統教育創新發展

VR/AR技術在國內高校與職業院校中應用越來越廣泛，如外語、醫學、影視傳媒、生物、動力機械、水利電力、仿真等課程教學。特別是在人才培養過程中強調真實場景下學習的部分，虛擬現實技術為學生創設更加直觀真實的學習任務與情境，由表及里、由內到外地交互體驗，讓學生在虛擬環境中觀察、探索與實驗，從而加深其對知識的理解，激發學習興趣。提升學生學習主動性、強化課堂互動是很好的方法與手段。在VR技術的幫助下，教師與學生一同走進課程內容設定的虛擬情境中享受真實感的交流互動，將遠勝于傳統課堂上師生之間的問與答，VR技術大大提升了教育效率，同時降低了實訓成本與風險性。VR/AR技術教育應用體現在教學內容豐富與教學效果更佳，有利于強化學生對知識點的掌握，擴大學生的知識面。目前，更多教師都在研究，如何在高度吻合的情況下進行VR/AR與課程的無痕跡轉換，更多學校通過購置硬件設備、建立物聯網系統，利用增強現實技術為學生構建一個新的智慧教育環境。

3.3促進教師專業技能提升

未來教育一定伴隨著科技創新、人工智能與VR/AR技術發展。據統計，僅2016年國內高校就建立了200多個VR實驗室，少部分高校已經進入VR/AR專業的建設階段。教育應用、VR/AR課程資源建設、軟硬件基礎與教師專技能力提升成為VR教育領域4大需求[7]，而教師專業能力的高低決定了技術的發揮與教學效果。一個好的教學設計不僅僅是情景再現與知識呈現，它要求教師在應用VR/AR教學時，能夠將課程中的難點、疑點設置成場景性的問題懸疑，好似游戲打通關一般，在懸念、興奮、恐懼之后發出“原來如此”的感嘆，既能做到“織繭”又能做到“化繭”，善于與學生打虛實空間心理戰。為此，教師需要更加專業的技術支持，學習如何在課堂中運用AR/VR技術知識，具有教學資源開發與設計的能力以及利用媒介與資源解決各類教學問題的能力。培育雙師型師資隊伍、提高教師信息技術應用能力，成為推動信息技術與高校教學深度融合的關鍵所在。與此同時，這種提升也會促進教師角色的重塑，讓教師從傳統的以課堂講授為主，向更加重視學生學習能力、解決問題能力與創新能力培養方面轉變，亦師亦友間更像是策劃、導游與導航。

4結語

隨著 VR/AR技術快速發展以及在教育教學中深入應用，人們看到VR/AR的價值并不在于技術炫耀，而是實實在在解決教育中存在的問題。主動式學習、場景化體驗、多維情境教學，VR/AR教育將會開啟一個嶄新的教育時代。雖然有了一些成果，但VR/AR進入教育領域的時間并不長，還需要在理論研究、教學應用、人才培養、資源建設等方面進行長期探索與實踐，當各級教育部門對VR/AR認知程度提升、教師接受新科技不再有難度、VR/AR教育普及率極大提高、硬件設備價格更加便宜時，VR/AR技術對現有教學體系帶來極大沖擊甚至顛覆不是不可能。

參考文獻參考文獻：

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[4]劉革平，謝濤.三維虛擬學習環境綜述[J].中國電化教育，2015（9）：2227.

[5]朱麗，趙漢華.從接受到體驗：一種學習方式的轉變[J].教學研究，2003，26（2）：9899.

[6]李小平.新技術在教育領域中的應用[C].北京：教育創新與科技發展大會，2016.

[7]高媛，黃榮懷.《2017新媒體聯盟中國高等教育技術展望：地平線項目區域報告》解讀與啟示[J].電化教育研究，2017（4）：1624.

責任編輯（責任編輯：何麗）endprint