VR/AR/MR技術助力課堂教學新變革*

劉勝峰

（廈門實驗小學，福建 廈門 361001）

引言

傳統的學習都是基礎知識的習得和基本技能的培養，而能力的發展基本上等同于解題能力的訓練。面對勢不可擋的科技創新浪潮，面對世界的急劇變化和充滿各種可能與未知的未來，傳統的學校教學模式已經很難適應時代的變化。VR/AR/MR 技術創建起事物發展變化的虛擬環境，生成具有沉浸感、臨場感和多維感的高級人機界面，能讓學習者在計算機仿真系統里與虛擬的人、物或景進行互動。VR/AR/MR 已經不再是一種單純的技術手段，而是一種全新的思維方式。借助VR/AR/MR 技術實施的教學具有多感官參與、突破時空限制、完全沉浸感、真實學習情境等特點，該技術與教育結合正在顛覆和創造出一些新的教學方式。

一、模擬情境，創生實景教學

多數學科的教材往往比較抽象、微觀，或是因為知識情境的轉換空間跨度很大，有些知識離學生的真實世界較遠，不是學生所熟悉的現實生活。如果教師僅僅借助圖片或者教具來口頭講解，由于講授者言語轉換的局限、學習者視聽角度的不同，很可能會出現學生難以理解或者難以體會等問題，致使學生對知識的理解出現偏差。VR（虛擬現實）是利用多源信息融合交互實現三維動態視景和實體行為系統仿真，使用戶沉浸在模擬環境中，讓人和互聯網之間能夠進行深度的互動和溝通。AR(增強現實)是通過計算機圖形學和視覺技術，將虛擬的信息應用到真實世界，使得真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或空間。MR（混合現實）包括增強現實和增強虛擬，指的是合并現實和虛擬世界而產生的新的可視化環境。它們都是創設真實情景的有效工具，虛擬的環境不僅對學生產生視覺、觸覺、嗅覺等各種感官刺激，也給學生一種超越現實、身臨其境的感覺，還能讓學生通過感官、語言、手勢甚至表情，以比較“自然”的方式與計算機進行實時交互，使學生置身于一種逼真效果的綜合學習環境中。讓學生在課堂里互動、沉浸體驗，不再是只有抽象而乏味的文字教學，原本抽象的知識變得立體可見，學生可以在富于感性和趣味性的三維虛擬世界里，啟發構思，引發出更多的靈感，讓自己的學習表現更加優異。

教師可以用VR/AR/MR 開展實景教學。讓學生戴上“VR”眼鏡，形形色色的海底世界立刻展現在眼前，學生可以360 度全景式“游覽”海底的珊瑚以及千奇百怪的魚兒，仿佛一切都是觸手可及。有時可以讓學生看到土壤里植物種子發芽變化的全過程，沉浸在種子發芽需要的各種環境之中，還可以讓學生仿佛置身于大自然中，飛禽猛獸在自己身邊擦肩而過等等。學生在智能模擬的實景學習環境里，總是不斷地摘下眼鏡又戴上眼鏡，反復對比“VR”場景與現實場景，確認自己確確實實“穿越了”不同的時空，然后“啊、呀、哇”地感嘆。如此的沉浸體驗，給學生帶來了前所未有的感觀刺激，增強了學生的學習體驗，深受學生的喜歡。

傳統的安全教育多為言傳身教，缺少學生可以親身觀察試驗的場景，難以讓學生深刻理解危險行為導致的嚴重后果。可以借助VR/AR/MR，模擬真實的高危或極端火災環境，學生戴上VR 眼鏡，置身于火災“現場”，學生尖叫、拍扯自己的衣服、驚恐、哭泣，情緒變化之大，體驗之深刻讓人難忘。在虛擬現實的實景里開展安全教育，學生這種實時的交互性體驗學習效果遠遠超過往常的傳統德育說教課堂效果。而且可以去到以前去不了的地方，讓學生體驗不易接觸或觀察的事物，沒有危險，不必繁瑣地組織安排活動，又非常的經濟。

當今的學生被稱為“數字原住民”，他們喜歡好玩的、立體的、動態的東西，三維場景正好能夠滿足這一代學生的喜好。VR/AR/MR 技術支持下的實景教學，利用技術將虛擬場景融入真實世界，學生有機會觀察微觀世界，能夠在豐富的情景下感知抽象概念，學生的投入大幅提升，從情感、態度與價值觀方面去激發學生的學習熱情、探究興趣，并保持持續且高昂的學習欲望，學習就不再是一種負擔。當學生將知識融會貫通應用，所獲得的學習體驗將會轉化為內在的學習能力，即會迸發出創新火花。

二、虛實融合，重組教學結構

一線教師總是在思考如何把前沿的信息技術或概念用在實際課堂的哪個環節，許多信息技術融合的課堂教學也都只是停留在這樣的層面，缺少利用信息技術實現課堂結構的真正變革。改變教學結構是信息技術與教學融合的必經之路，更是技術與教學深入融合的高價值成果。VR/AR/MR 打破了傳統的單向傳授知識的教學模式，讓教學內容外在形式的生動性與內在結構的科學性更加緊密地結合起來，可以促進學生在虛實融合的環境中與學習內容互動，最大限度地從傳統的“被動接受式”改變為“自主探索式”。教師引入該技術改變課堂學習結構，首先要創設虛擬現實或增強現實的情境，接著組織學生體驗、實踐、討論、對比等來學習知識，最后通過表達、交流和反思等獲得成長。

以往，小學語文教師教授《望天門山》時，都是先利用生字學習軟件，幫助學生理解生字；再抓住“望天門山”四句詩中重點字詞，利用圖片和視頻資料理解各句詩詞的含義，進而發現詩句中語言的精妙；接著教師會組織學生朗讀交流古詩，感受詩中所表達的壯麗山河、詩人的樂觀豪邁等情感。教師把VR/AR/MR 技術引入課堂后，先組織學生觀看“李白游天門山”的視頻，通過三維場景，讓學生發表看到“天門山”各個景象之后的感想，然后引導學生用古詩詞的格式與語言呈現自己所要表達的含義；接著組織學生把自己所創作的“古詩”與李白的“望天門山”這首古詩進行逐句對比分析，找出差距，通過比較發現李白詩詞的主要特征。震撼的視覺效果，身臨其境的現場感，讓學生對古詩中的內容有了更加深刻的感受，學生對文本的理解也更加直觀、具體。如此“化靜為動”，哲學式對比和感悟詩詞之美交融并發，學生敏銳而深刻的理性精神將會獲得更好的培育。

在實驗教學方面，借助VR/AR/MR 技術提供模擬客觀世界的微縮場景，能彌補科學課里由于實驗條件難以規范、實驗過程難以控制、實驗結果難以觀察等不足，使原本難以理解、不易觀察，只能通過想象、假設、推演的實驗活動，以直觀逼真的方式呈現。教授《簡單電路》一課時，教師通過VR 創設小明“新家裝修”的情境，以設計安裝電路為任務，引導學生一步步將紙質的設計圖轉變為KT 板上的“真實”電路。借助VR 技術360°模擬真實客廳環境，讓墻體透明化顯露出埋在里面的電路排布，學生沉浸在“真實房子的電路”里，能更加努力地探索和設計。利用高科技撬動課堂教學的結構，學生好像擁有“瞬間移動”的超能力，從課堂環境瞬間來到“新家”，學習結構也自然發生了重大的變化。

三、過程監測，實現云技術評價

在生動、逼真、自然交互的VR/AR/MR 技術虛擬環境中，學生接觸的學習材料不再是抽象的知識符號，而是進行與學習本質關聯的實踐活動，參與者與虛擬環境能夠融為一體。在VR/AR/MR 技術支持下的智慧平臺上開展評價活動，通過對學生的學習過程進行動態監控和實時記錄，伴隨數據采集和大數據分析，深度挖掘學生學習過程的信息，精準獲得學生的學習結果，發現學生存在的問題，并對今后的學習進行預測、干預。這種全樣本的數據采集，為形成完整個人學習檔案和評價體系提供了現實依據。

小學數學教師在測評學生作圖能力水平時，可以讓學生在VR 空間環境中畫“長方體”，評價系統根據學生畫圖過程中使用的工具，“為什么兩條平行線畫不準確，四條高的長度長短不一”，對學生的操作能力和動作技能進行評價。這比以前讓學生先畫個長方體再進行作品評分更精準科學。

VR/AR/MR 技術可以安全和有效地幫助學生聚焦行為，認識自我。因此在心理健康教育方面使用VR 等技術能有效支持心理測評工作，增強學生在咨詢情境中的自我效能感。心理健康教育教師可以把學生帶到一個裝有虛擬現實設備的房間里，讓學生與虛擬人進行交流（包括吃飯、聊天、爭論等），或者讓學生坐在一個很舒服的椅子上，打開相關設備，讓學生感覺進入到一個嶄新的、安詳的環境中，比如海邊、田野、星空，融入到場景當中后，教師再運用專業的知識，通過虛擬現實的設備傳導給學生語音信息，配合著身臨其景的環境，開展心理診斷活動。

虛擬現實技術引入心理咨詢和普通心理咨詢技術相比，其能夠最大程度地還原現實場景，當事人不必陷入想象和回憶，咨詢輔導會更加的真實、立體。即使當事人遇到曾經的創傷場景時，因為只身在VR 空間中，不需要顧及自己的形象，可以無負擔地去回憶，效果更具有可遷移性和時效性。

由于學生各自有不同文化背景、個性特征和知識結構，因而每個人的學習基礎與思維方式也有較大的差別。傳統的教學模式，教室不可能為每一位學生定制個性化的教育評價，但VR/AR/MR 所提供的人機交互技術卻可以用于個體化評價及個性化教育。英語教師利用VR 讓每個學生在沉浸式語言測評環境中，通過與虛擬角色對話而得到英語聽說能力水平的評價等級，許多學生因為是在單獨的虛擬環境里考試，都敢開口對話，口語診斷與糾錯效果也非常明顯。

隨著大數據技術的介入，腦機接口、各種智能感知設備和技術應用，認知心理學的理論與技術實現了融合，學生的身體行為、性格、精神將被更全面地感知，更全面地記錄。教師不僅可以收集到具體學習過程中的環境、資源信息，還可以收集到詳細的學習成果信息，為深入剖析影響學生學習效果的因素提供了依據。因此，教師要主動尋找信息技術和數字學習資源的支持，實驗形成性評價和過程性評價，通過挖掘和分析數據，對學生進行科學的診斷和動態輔助。

四、拓寬渠道，消解時空界限

與傳統課堂教學相比，引入VR/AR/MR 技術改變最多的還是拓寬了學習的渠道，使得學生的學習不再受到時間、空間的限制，有較大優勢可以拓寬學生的視野。筆者通過對十幾個班級學生開展的問卷訪談，發現在應用了VR/AR/MR 技術后，學生的視野（興趣面）從原來的75.4%上升到96.1%，學生主動認識世界和主動發展興趣明顯得到提高。

以往，我們的書本是線性的，現在VR/AR/MR 呈現的是立體的。用VR/AR/MR 技術開設圖畫劇場，借助計算機系統虛擬歷史人物、名人、教師、學生等各種人物形象，可以實現立體的實景體驗館，學生不用離開教室，不用去真實的場館，便能在虛擬的環境里參觀美術館、造訪太空。比如：虛擬博物館里“兵馬俑”的現實畫面，讓學生遠觀俑坑之大，又讓學生走近每一個兵馬俑，甚至站在兵馬俑之間，仔細觀察他們的神情和體態；虛擬科技館里的“太陽系”，讓學生變身“宇航員”，駕駛太空飛船穿梭于行星之中，感受太空飛行的速度，在無垠的太空中近距離觀測土星、木星等等各個行星的表面特征。學生隨著頭部轉動，眼前的畫面也隨之轉變方向，學生可以看到場館里的全景空間，耳邊還伴有語音講解，經歷一場穿越立體時空的旅行。

這些與學生的生活實際和經歷，與課堂教學的時間和空間有著相當大距離的圖畫劇場，通過VR/AR/MR技術把抽象的文字變為立體多維，將靜態的圖片轉化為動態的全景視頻，在聲畫同步的學習環境里獲得浸潤式體驗是在傳統的課堂上無法實現的。我們可以利用技術的力量突破時空限制，開展在線實時交流，個性化選擇課程學習等等，實施跨學科整合課程，開設基于體驗類應用為支持的虛擬網絡學習空間，讓學生自主地在虛擬世界里探索世界的奧秘。

VR/AR/MR 技術對于構建教育新生態有著十分突出的優勢，但也有需要進一步改進的地方。限于技術原因，這些設備都還比較重，不適合久戴，甚至有的人佩戴后會產生不適感，出現頭暈、惡心等不良反應，價格也較高，對兒童近視率的影響有待論證，這些都阻礙了其在教育領域里的普及應用。