信息技術教育應用的潛力、效果和挑戰
——基于“VR“”AR”“MR”的分析

張子涵

（華中師范大學 教育學院，湖北武漢 430079）

0 引言

自2002 年我國頒布《教育信息化“十五”發展規劃（綱要）》以來，我國對教育信息化的認識逐步加深，教育信息化在“實現一國經濟和社會發展”“實現教育現代化和跨越式發展”中的重要地位已經成為共識。2012 年，教育部印發《教育信息化十年發展規劃（2011-2020 年）》的通知，提出要“推進信息技術與教育教學深度融合”。2016 年，教育部制定了《教育信息化“十三五”規劃》，指出教育信息化在提高教育質量、促進教育公平方面的重要作用。2018 年，《教育信息化2.0 行動計劃》進一步圍繞“網絡學習空間覆蓋”“數字校園規范建設”“信息素養全面提升”等八大行動進行了探討。2020 年，在新冠疫情的特殊沖擊下，教育部連續下發了多份“停課不停學”相關通知，使得在線教育得到前所未有的關注。

教育部等11 部門在《關于促進在線教育健康發展的指導意見》中指出：“在線教育是運用互聯網、人工智能等現代信息技術進行教與學互動的新型教育方式”，“發展在線教育，有利于構建網絡化、數字化、個性化、終身化的教育體系，有利于建設‘人人皆學、處處能學、時時可學’的學習型社會”。2020 年，中國億萬學生在家接受大規模在線教育，據《2020 年中國在線教育行業研究報告》統計，2020 年在線教育行業市場規模同比增長35.5%，達2 573 億元；在線教育融資金額1 034 億元，占教育行業全部融資額的89%。

教育信息化時代推動的是人與技術的共同發展，基于大數據智能的在線教育平臺，將信息技術與教師教學全面融合，有助于建立以學習者為中心的教育環境，滿足不同個體個性化的教育需求，但同時也對政府、教師、學生等全體參與者提出了高要求。因此，本文選擇了當前較為前瞻的“虛擬現實技術（Virtual Reality Technology，VR）”“增強現實技術（Augmented Reality，AR）”和“混合現實技術（Mixed Reality，MR）”，探討其在教育應用中的潛力、效果和挑戰，以便發現如何真正實現教育信息化的育人價值，為推進教育現代化作出努力。

1 三類信息技術的特性及教育潛力

1.1 虛擬現實技術（VR）

虛擬現實技術通過計算機自動虛擬環境（CAVE）和頭戴式顯示器（HMD）等設備，增強了使用者的感官刺激，將所創造的虛擬環境與真實世界融為一體，為使用者提供了一種身臨其境的體驗。VR 技術具有沉浸性（Immersive）、交互性（Interactive）和想象性（Imagination）3 種特征，這使得該技術極適合應用于開放自由的教學空間。具體而言，VR 技術的“沉浸性”特征，可以幫助學生多視角感知和實際操作現實世界中的事物，從而獲得真實體感；VR 技術的“交互性”特征，為學生之間跨越時空合作提供了支持，有利于學生的社會性發展；而VR 技術的“想象性”特征，給予了學生創設新事物的空間，能夠激發學生的創造力。

VR 技術將傳統以教師為中心的教學模式轉變為以學生為中心的新范式，促進學生基于已有的知識經驗自主構建學科知識，并培養學生獨立解決問題和自主學習的能力。但是，如高媛等指出，“‘VR+教育’并非一種新的教學方法，而是一種教育工具”。運用VR 技術開展教育教學是為了產生更好的學習效果，因而仍然需要教師設計和考慮學習的目標、內容和情境，提高學生的參與性和積極性。

1.2 增強現實技術

增強現實（AR）技術指通過計算機生成圖像，從而增強融入現實世界的對象，包括虛實結合、實時交互和3D 注冊3個特性。換言之，AR 技術需要帶有軟件應用程序的計算機設備才能將虛擬圖像融入現實，并以此增強人類的視覺、聽覺、觸覺和嗅覺，現如今許多AR 程序已能在移動設備中使用，體現了AR 技術的便攜性。

由于AR 技術能夠對現實世界進行補充，因此可以為學習者創建豐富的學習情境，鼓勵學生從不同角度探索世界，并將抽象或不可見的學習內容（如晝夜交替）可視化。在AR 技術的幫助下，教師能夠通過網絡數據以更為真實的游戲體驗增強學生對現實世界的認識，當學生使用移動設備或網絡攝像頭時，便可以直接從攝像頭中將“現實場景”轉化為3D 設置的“游戲場景”（或“游戲地圖”），以便學生能夠結合具體環境作出決策。

1.3 混合現實技術

混合現實（MR）技術是將用戶置于增強現實或增強虛擬的交互環境中，因此該技術同樣具有虛實結合、交互性和3D 注冊3個基本特征。由此可見，MR 技術與VR 技術、AR 技術之間聯系緊密，并且更加強調現實世界和虛擬世界間的無縫融合。不同的是，MR 技術在顯示效果、真實體感和實時交互上更勝一籌，是自然人機交互的天然場所，能夠幫助學習者快速沉浸于學習之中。

在虛實難分的交互環境下，MR 技術可以為學生提供建構知識的多種場景，將過去的“聽覺學習”轉變為“視覺盛宴”。但是，MR 技術必須利用學生已有的知識經驗，通過特定的學習目標開展教學，使學生漸進式地從淺層學習步入深度學習，以避免增加學生的工作記憶負荷。

基于上述分析可知，無論采取何種信息技術，其逼真的環境創設和身臨其境般的沉浸式體驗均能為學生帶來自主學習的動力，使學生在感官體驗中完成對已有知識的檢驗和建構，提升學生自主探究、合作探究的能力。

Table 1 Characteristics and educational potential of VR，AR and MR technology表1 VR 技術、AR 技術、MR 技術的特征及教育潛力

2 三類信息技術在教育應用中的效果

VR 技術的課堂應用能夠幫助學生更好地理解學科知識。在一項探討VR 技術與學生地理課學習效果的研究中，第一組學生作為控制組使用傳統學習方法，第二組學生作為實驗組使用VR 技術與創建的球形全景進行學習。結果顯示，使用VR 技術學習的學生展現出了極大的學習興趣，且有更多的學生希望在之后的課堂中使用VR 技術。VR 技術的應用優勢還體現在能夠針對不同學齡段的學生進行學科教學。例如：針對肯塔基州加文科克倫小學五年級學生的研究表明，虛擬現實耳機能夠幫助學生理解立方體體積的計算過程，讓學生沉浸在學習中，避免了視覺和聽覺的干擾，專注于結構化的學習體驗。而在另一項“體驗歐洲虛擬社區”（Learning @ Europe）的研究中，研究人員將來自于不同國家的1 000 名高中生分為兩隊進行合作式的英語課程學習，并通過文化競賽檢驗學生的學習成效。學生的反饋結果顯示，VR 技術強化了他們的課堂參與感和團隊意識。VR 技術在學習物理方面同樣起著重要作用，通過對86 名在校大學生的測試結果表明，在虛擬實驗室中開展物理教學為學生提供了安全的操作環境，支持學生重復練習相關物理實驗且不會損壞設備。

從AR 技術的教育應用效果看，該技術對不同教育階段學生學習不同科目的成效均有顯著影響，能夠同時促進學生認知能力和非認知能力發展，尤其當教師使用探究性的教學策略進行教學時，能夠大幅度提升學生的學習效果。可以說，在課程條件允許的情況下，不同專業的中學教師完全可以對AR 技術進行教育應用和教育開發。并且，AR 技術可以提高學生的參與性、互動性和創造性，促使學生積極達成學習目標。以等高線地形圖進行教學的地理課對比實驗為例，相比于使用傳統二維視頻上課的學生，接受AR 三維教學視頻的學生具有更高的等高線知識技能水平。而在另一項“AR 技術與藝術教學”的研究中，研究者選取了保加利亞索菲亞的一所公立中學，通過探討兩種不同的教學模式——“允許學生坐在教室里探索藝術品”和“允許學生通過添加虛擬維度到藝術品中進行創作”，結果發現使用AR 技術的教學形式在較大程度上滿足了學生的個性化學習需求，激發了學生的創造力。

與傳統幻燈片式的教學課件相比，“MR+”教育能夠增強對動態教育內容的支持。有學者對比了能夠在演示文稿中增加動態教學內容的Chalktalk 軟件平臺和“MR+”教育平臺的優劣，結果表明“MR+”教育能夠幫助學生減少視線轉移，從而專注于學習內容。將MR 技術引入課堂還能夠幫助學生理解課堂知識，培養學生的批判性思維。例如：在ICT 課程學習中，學生們經常接觸到很多有關數據通過網絡傳輸方式的理論，但這些理論并沒有相應的物理模型以幫助學生理解，為此一些教育者開始將MR 技術引入課堂，通過建模路由器和交換機等物理設備，讓學生理解抽象的理論數據是如何在設備之間運行。此外，MR 技術還可以應用于傳統的高中教學。有學者聯合當地高中開展的教學實驗顯示，參與MR 課堂的高中生顯著提高了空間推理能力。

基于此，從VR 技術、AR 技術和MR 技術對學生的影響結果看，在認知層面，三類信息技術能幫助學生建構學科知識，理解抽象的學科概念；在非認知層面，可以增加學生的學習興趣，鼓勵學生的好奇心和想象力。從VR 技術、AR技術和MR 技術在不同學齡段的應用情況看，三類信息技術能較好地與各學段的學科教學相結合，適應于各教育階段的學生發展。

3 三類信息技術教育應用的挑戰

VR 技術、AR 技術與MR 技術在教育教學中的滲透不可避免，借助于三類信息技術在教育中的應用，學習者可以自由地選擇學習時間、學習地點和學習形式，并且能夠避免危險性大或后果嚴重的教學實驗。通過將仿真技術、傳感技術、多媒體技術等多種技術相結合，這些交叉技術對不同的教學模式帶來了顛覆性的改變和挑戰。

有學者總結了VR 技術教育應用中出現的教學模式，包括協作學習模式、桌面VR 在線管理系統、VR 培訓綜合課程等。雖然VR 技術的加入變革了當前教育教學的場景和模式，但它同樣存在約束性因素。例如：在情境教學中，教師可以通過VR 教育游戲的形式，設計特定的故事情節和情景，幫助學習者完成知識建構，但這需要學習者佩戴沉重的頭盔、使用專用定位器和特定的活動場所。一方面，計算機、HMD、控制器和輔助顯示屏等VR 硬件成本較高；另一方面，頭戴式設備存在技術缺陷，會因為連接主機數據線而不方便學習者轉身和行動。

AR 技術的教學應用涵蓋正式學習和非正式學習，包括基于角色扮演（協作式）、基于位置和基于任務設計（游戲式和問題式）三類教學方式，與基于VR 技術的教學模式部分相似。但有學者認為，虛實融合的AR 環境要優于純現實環境和純VR 環境。相對于純VR 環境，AR 環境僅需要一部配有攝像頭的手機或平板。AR 技術并非完美無缺，以教師AR 物理教學為例，雖然研究人員將Matlab、Simulink 等AR 技術與微軟Kinect 體感交互技術結合，可以幫助學生肉眼看到音響發出的聲波，但對于目前的課堂設備而言，教師運用AR 技術教學并非完全便利，對AR 設備的運行也不完全熟悉。以學生閱讀AR 圖書為例，盡管這類產品能給課堂教學帶來益處，但上傳圖片、識別文本等過程會因為算法或網速的限制而花費較長時間，光照等因素也會影響攝像頭對文本的識別。

Table 2 Application form，characteristics and advantages/disadrantages of VR，AR，MR technology表2 VR 技術、AR 技術、MR 技術的教育應用形式、特點與優/劣

MR 技術融合了VR 技術和AR 技術的優勢，可以應用于情境教學、探究式學習、合作學習、在線學習等多種教學形式。但與此同時，MR 技術仍處于探索階段。例如在數學教學中，學習者可以借助MR 技術多方位觀察幾何形狀，但這一課程的開展需要教師掌握學習內容設計、3D 建模和場景構建等技術。并且在渲染技術上，MR 技術的最終目的是將虛擬環境和現實環境完美融合，但目前大多數MR應用都無法實現，光照、材質和物理模型都會使得不同MR應用的教學效果存在區別。

4 三類信息技術在教育中的推廣

4.1 提高教師信息技術應用能力，依托網絡空間組織課堂教學

在有限的物理環境中，如何更好地將信息技術應用于學科教學內容是教師的主要任務。“信息技術+”教育可以激發學生的學習興趣，但其開展的前提是需要教師針對每節課的學科內容選擇合適的信息化教育工具加以應用，這對教師的信息素養提出了較高要求。自2013 年教育部啟動“全國中小學教師信息技術應用能力提升工程”以來，據教育部統計，截至2017 年底，共培訓全國中小學教師1 000余萬名，基本完成全員培訓任務，普遍提高了中小學教師應用信息技術改進教育教學的意識和能力。然而，經過進一步考核和分析可知，當前培訓中仍存在“學與用未能緊密結合”“教師信息化教學創新能力不足”“支持服務體系不夠健全”等問題。

因此，為了幫助教師更為輕松地制作出豐富的“VR”“AR”“MR”交互式課程內容，可以通過以下路徑：一是繼續將教師的信息技術能力作為教師培訓的必修科目，以如何進行信息技術與教育教學深度融合的課堂為基準，針對性地培養教師運用信息技術進行個性化教學和情境化教學的能力，確保教師能夠有效指導學生進行學科學習，避免“信息技術+”這類教育工具成為課堂的負擔；二是尋求跨學科的人才共同合作設計教學內容。教育技術化涉及各種專業知識和教學技能的整合，因而需要各學科領域的人才共同合作。以教學設計環節為例，一方面，虛擬軟件自帶“知識點”“學習材料”“練習”“錄音”等界面功能，雖然可以幫助學生完成課程學習、培訓和課程評估等環節，但課堂人物的建模和情境環境創建仍需要專業技術人員的支持；另一方面，各種課堂內容的先后呈現順序仍需要有經驗的教師進行指導和安排。

4.2 加強學生信息意識培養，幫助學生掌握基本信息技能

2016 年發布的《中國學生發展核心素養》框架提出中國學生適應終身學習和社會發展所需要的必備品格和關鍵能力，在六大核心素養中，學生的“信息意識”作為細化的要點之一被提出。良好的“信息意識”意味著學生能自覺、有效地獲取、評估、鑒別和使用信息，具有數字化生存能力，能夠主動適應“互聯網+”等社會信息化發展趨勢。傳統的課堂教學形式以教師傳授作為學生學習的主要渠道，雖然可以使學生掌握基本的知識內容，但對培養學生基本信息意識和信息技能的支持度不足，可以從以下幾個方面著手。

其一，以小組合作形式進行“信息技術+”教育，通過將具體的任務細化，安排小組內的學生協作分工開展學習。由于參與者致力于同一個目標，因而他們最終的成功與否取決于每一位學生。這不僅使學生貢獻了自己的知識和價值，而且幫助小組成員加深彼此了解。

其二，注重學生學習前的信息技術指導和學習后的課堂反饋。在正式課堂之前，學校應組織學生觀看信息技術的操作視頻，并對學生進行操作考核。在確定學生基本掌握信息技術操作后，正式將信息技術融入課堂教學。在結束學習后，應及時搜集學習者的課堂評估信息和測試成績，檢驗學習者的學習效果。

總之，在信息化時代，“信息技術+”教育作為一種新事物具有不可小覷的力量。眾多的研究結果已經顯示了“信息技術+”教育的教學優勢以及對學生發展的促進作用。雖然VR 技術、AR 技術、MR 技術等信息技術由于設備昂貴、應用較少、場地限制等因素而被大多數學校拒之門外，使得很難將其在短時間內推廣，但是隨著物聯網、大數據、網絡安全等技術的迅猛發展和硬件設備制造成本的降低，“信息技術+”教育將會逐漸普及。由此可見，未來技術問題很可能不再是阻礙信息技術大規模推廣的障礙，而技術應用的環境以及教師和學生對三類信息技術的接受與使用才是關鍵。為了將信息技術深度融合于教育領域，有必要讓教育者和受教育者具有基本信息素養和信息技術操作能力，并正確認識信息技術在教育中的應用。