虛擬現實技術在智慧教育中的應用探索

吳亞軍

（南通師范高等?？茖W校，江蘇 如皋 226500）

1 引言

科技發展日新月異，給教育帶來了更多的機遇和挑戰。虛擬現實作為高新技術手段，在教育領域的應用，尤其是與智慧教育的融合，推動了教育向個性化、智能化的縱深方向發展，產生了深刻的影響。中國工程院院士趙沁平在第三屆中美智慧教育大會上致辭，他指出，虛擬現實將在多媒體與計算機教學之后重新改造人們的學習方式，對整個教育領域的變革具有劃時代的推動作用。未來，虛擬現實術與智慧教育的深度融合，必將帶來教育教學模式的革新和重構，徹底改變傳統的教育、學習方式。

當前的智慧教育項目多以技術和管理為中心，偏重基礎設施的硬件建設和數據采集技術的軟件建設，容易偏離以學習者為中心的主旨方向。為解決上述問題，本文從學習者需要出發，探尋虛擬現實技術與智慧教育特征的契合點，服務于智慧教育，滿足學習者的個性化、專業化、智慧化的發展訴求，培養學習者的創新意識，提升創新思維，形成教育智慧。

2 虛擬現實與智慧教育概述

2.1 虛擬現實的概念、特征

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術起源于20世紀60年代，80年代初美國人杰倫·拉尼爾（Jaron Lanier）提出“虛擬現實”的概念，是一種創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統[1]。目前學術界并沒有形成統一的共識，形成明確的定義，主要概括為：以計算機技術為核心，結合多媒體技術、圖像技術、感知識別技術、仿真技術等相關技術，營造與在真實環境中多感官感受高度類似的虛擬化環境，參與者借助裝備沉浸其中，并可實時交互，產生超越真實環境的逼真感受和體驗[2]。

虛擬現實按照“沉浸”體驗可分為三個層次：一是初級的、沉浸性很弱的桌面式虛擬現實；二是將真實物體植入虛擬環境中的增強式虛擬現實；三是借助特定設備，可在虛擬場景中進行體驗或互動的沉浸式虛擬現實。為了提升虛擬現實的逼真度和人機交互的豐富性，在虛擬現實的基礎上，又相繼出現了AR、MR、XR等技術。

各類虛擬現實技術在“沉浸”程度上有深淺，目前在教育方面的應用主要關注沉浸式虛擬環境，沉浸式虛擬環境具有三個特性：（1）臨場感，讓用戶有親臨現場的感受，將自身視為環境的一部分，交互完全自然。模擬真實的臨場感，這是虛擬現實技術存在的價值所在。（2）自主性，即環境遵循自然規律，物體進行活動或與用戶進行交互作用時能獨立于用戶的干預，自然地發生。（3）交互性，即用戶與環境的交互是合乎邏輯的，三維立體式的，有一定邏輯規則的，且保持穩定。沉浸式虛擬學習系統在教學中的應用，具有三種優勢：（1）場景構建仿真化，提供高度仿真的虛擬化場景；（2）感官體驗多樣化，提供多種感官的刺激；（3）思維方式深層化，引導學習者深度學習[3]。

隨著新技術的涌現，虛擬現實的內涵正在完善和拓展，但其主要的特點還是體現在虛擬現實技術讓參與者能夠獲得更加真實的體驗上，即“沉浸性”和“交互性”。當學習者以第一視角置身于虛擬環境，有完全沉浸感和良好的互動性時，會造成更強烈的臨場感，這時的學習是自發的、快樂的，從而產生積極的情緒，更利于學生創造力的產生。

2.2 智慧教育的概念、特征

隨著教育改革步伐的加快，智慧教育正成為教育信息化的主旋律，學界對此也傾注了滿腔的熱情，各種研究成果紛紛出爐，其中較有影響的主要觀點有：祝智庭教授[4]認為，智慧教育的理念歸功于錢學森先生的“大成智慧”理念，認為智慧教育是在各種新技術支持的智慧學習環境下，教師運用有效的教學方法（智慧教學），引導學習者開展實踐創新（智慧學習），培養具有正確價值觀念、優秀思維品質和深厚創造潛能的智慧型人才。在此過程中，讓學習者能夠獲取適宜自身發展的美好體驗和個性化學習服務，積小成大，最終落實智慧教育理念，使其具備創新和創造的思維與能力。楊現民教授[5]從生態觀的視角出發，認為智慧教育是在原有數字教育系統基礎上的智慧化提升，是數字教育發展的高級階段，是依托新一代信息技術所打造的教育信息生態系統，旨在實現信息技術與教育的深度融合，促進教育利益相關者生成智慧并可持續發展。黃榮懷教授[6]從“系統論”的角度剖析智慧教育，認為智慧教育包含智慧學習環境、新型教學模式和現代教育制度三重境界，是一種學習體驗高、內容適配性高和教學效率高的教育系統，是教育信息化的高端形態，旨在培養智慧型卓越人才。

綜合上述觀點，本文研究者認為，智慧教育是運用新一代信息技術營造適宜于學習者智慧生成、發展的智能化教育環境，幫助學習者獲取良好的學習體驗，通過開發挖掘思維潛能的系列智慧程序，推送符合學習者特征的匹配學習資源，引導運用有效學習路徑，推動個人認知結構完整有序地構建，培養和促進學習者自身生成智慧的教育實踐過程。通過實現教學環境、教學資源、教學方法、教學管理的智慧化，為學習者提供智慧化的教育服務，有效提升創新創造能力，形成創造性思維，實現教育智慧。

2.3 虛擬現實運用于智慧教育的理論支撐

（1）建構主義理論(Constructivism)

建構主義是虛擬現實技術應用于教育技術領域最重要的理論基礎。建構主義理論認為學生是知識建構的主體，一切學習活動應當以學生為中心來設計；教師是學生信息加工、意義建構的引導者和促進者，處于輔助地位。教師的作用就是運用各種方法激發學生主動探究、構建知識體系。建構主義學習環境中情境的設計、利用，各種活動和互動都是為了幫助學生利用先前的知識與已有的經驗在當前情境中進行學習和認知，進而生成新知識。

由建構主義衍生出情境學習、體驗學習、自主學習、合作學習、探究學習等學習方式，因其都具有與虛擬學習環境類似的一些特征，因此經常應用于虛擬現實環境的教學活動中。

（2）認知主義理論(cognitive theory)

認知主義理論的基本觀點認為，人的認知是外部刺激與內部心理過程相互作用的產物。學習過程是學習者根據自己的需要和興趣，對當前的外界刺激產生的體驗與過去的知識經驗順應和同化的信息認知加工過程。從認知的過程來看，虛擬現實技術的應用，使得認知交互對象從現實世界的實物，變為虛擬世界的虛擬對象，發生了根本性的變化，把過去在課堂上不可能實現的情境變為了超現實，拓寬了認知范圍，開辟了新的認知渠道。

虛擬現實與智慧教育相結合，可以從提升學習者的認知體驗入手，創設貼近學習者已有知識經驗的情境，實現新舊知識之間的協同，構建起自身的認知結構，促進學習者個人認知體系的完善與發展。

（3）具身認知理論（Embodied cognition）

具身認知理論認為生理體驗與心理狀態之間有著必然的關聯，認知是具體的個體在環境中產生的，是具體、生動的。大量的研究表明，情境是影響學生學習效果不可或缺的重要因素。教師在教學活動中能否觸發學生的具身效應，與教學情境的創設有著密切的關系，情境越逼真、越生動就越能引發學生的具身體驗[7]。

在虛擬現實技術的支持之下，創設高度真實、生動的情境容易實現，教師可以根據需要隨時切換理想場景，學生可以隨之體驗到豐富、逼真的虛擬情境。從這個角度上看，虛擬現實技術是具身認知觀點下實現智慧教育的重要技術基礎，兩者的結合符合具身認知論。

（4）自主學習理論(Autonomous Learning)

學生是學習的主體，學習是學生自立、自為、自律的行為。學習過程中，學生是“自主的”“能動的”。學生處于主動和積極的狀態，教師起引導、指導作用，強調學生自主探索、建構知識的過程。學生在學習過程中對外界環境刺激信息獨立分析、思考，形成新的知識及解決具體問題的能力。

學習條件的創造是滿足自主化學習的前提之一，虛擬現實技術完全可以滿足自主學習對學習環境的要求，學生根據學習內容、學習目標以及個人的情況自主選擇適合自己的工具和資源，依據知識掌握的情況選擇重復模擬和反復練習，通過智慧教育環境實時反饋自身的學習狀況，及時調整學習策略，選擇最適合自身的條件，最終獲得與學習目標相一致的學習結果。

3 基于VR技術的智慧教育環境

實現智慧教育的基礎是環境，支撐是技術，關鍵是理念。積極的學習環境可激發學習者的學習興趣，提高學習效率，消極的學習環境則對學習者的學習具有阻礙作用。正如魚離不開水一樣，智慧教育環境的架構，同樣離不開新技術的支撐。虛擬現實技術對學習環境的重構具有驅動作用，可以創建具有交互效能多維化的信息環境[8]。移動互聯與移動應用、物聯網、云計算、大數據、感知識別、人工智能等技術，為虛擬環境的智慧化提供了技術保障。智慧教育環境中的智慧，主要體現在運用各種感應技術及時感知學習者的特征需求、營造學習情境、推送個性化學習資源、自動記錄、及時反饋和評價學習結果。虛擬現實編輯器的開發，大大降低了對使用者專業素質的要求，通過簡單學習，人人都能成為虛擬環境的創建者，為構建各種需求的虛擬情境提供了可能。依據虛擬現實技術的特性和智慧教育的環境特征，設計構建了三種基于虛擬技術的智慧教育環境。

3.1 創設情境化教育環境

生動的情境能激發學生的參與興趣，運用虛擬現實技術構造出適合學習內容、學習對象的虛擬世界，能夠實現情境化的智慧學習。情境教育源于認知與情境學習的理論與實踐，核心在于借助環境激發學習者的情感。該理論指出在特定情境中通過親身體驗獲取的知識比一般知識更深刻更有用，個人知識結構形成的源泉是學習者參與基于社會情境的一般文化實踐，因此，最有效的學習是將學習過程放置于與知識相關的特定環境中[9]。虛擬現實技術打造的虛擬學習環境可以靈活呈現各種學習情境，能為學習者構造符合學習需求的虛擬場景。學習者借助虛擬設備，即可化身加入虛擬場景，學習者可以任意視角觀察每個細節，如同身臨其境，真正沉浸在虛擬情境當中，獲得深刻的體驗。現實中一些稍縱即逝的場景，一些難得一遇的現象，一些無法重復的畫面，甚至是一些具有危險性的實境，都可在課堂中一一呈現，比如名勝游覽、火山爆發、戰爭場面、微觀世界等等。這種體驗是立體的，全方位的，不是老師在課堂上用言語描述能比擬的。

隨著技術的飛速發展，虛擬現實技術運用于智慧教育環境，讓教學情境的實現變得越來越容易，這些場景不再是以圖片和視頻的方式簡單呈現，而是以多維的方式打破時空限制立體再現，并能讓學習者參與其中，領略技術帶來的現場臨境感，從而強化體驗，高效地獲取所需知識。

3.2 架構交互式教育環境

交互式是指運用虛擬技術搭建的智慧教育環境中的操作交互、自然交互和人際交互方式。虛擬現實技術能在一定程度上強化自然交互的效果。在虛擬技術支撐的智慧教育環境中，參與者可以使用眼睛、耳朵、皮膚、手勢和語言等直接與環境中其他要素發生交互，強調交互主體的涉身感受，將單一的人機界面交互擴展到三維立體空間，讓參與者與環境發生無障礙自然互動，增強教學交互感與學習者的臨場沉浸感。交互的內在價值在于調用學習者多重感官參與學習活動、實現自身能力與思維上的高層次提升、促進學習者自身的全面發展，是知識的內化過程。

智慧教育強調深度交互、深度學習、深度思維，深度思維具有批判性、創新性，具體表現在對信息的深度加工、對復雜概念的理解，形成高階思維，而深度學習則是需要并且能促進智慧學習環境中各要素間的深度交互[10]。深度交互引發深度學習，深度學習催生深度思維，同時又促進了深度交互的再次發生。智慧學習環境中主張多發生深度交互，利用虛擬現實技術打造的交互式教育環境呈現靈活多樣的交互內容與形式，解決了一些傳統工具無法呈現的問題，拓展了原有資源呈現方式的單一，節省了呈現教育資源的成本，還給學習者帶來全身心的交互體驗，促進了交互主體的深度交互。交互過程中伴隨著問題的產生與解決，孕育著創新，這也正是智慧教育追求的核心價值所在。

3.3 打造個性化教育環境

智慧教育的顯著特征是“以人為本”，也是智慧教育發展的本質屬性。在智慧學習過程中，智慧教育環境主動搜集整理學習者的學習數據，科學分析學習者的學習特征，推斷其學習需求，精準推送學習資源，并實時反饋調整，為學習者提供匹配的學習環境。學習者可以根據自己的興趣愛好自由選擇學習內容、學習方式、學習進度，最大程度滿足學習者的個性需求，獲得個性化的學習，實現學習者個性的充分發展。

虛擬學習環境可以根據學習者的個體差異來進行不同的設計，也可以由學習者按照自己的需求在虛擬環境中創建自己所需的物件和場景。比如一堂風景名勝學習課中，傳統的課堂一般會掛貼幾張圖片，照本宣科；多媒體技術的加入可能是播放相關的圖片或者視頻；比較流行的做法是錄制成微課，教師擔任導游的角色進行講解；有條件的學校或許會帶領學生現場參觀學習，但是成本高、時間消耗大且存在很多不確定因素。如果用虛擬現實技術來展示，學習者就可以借助虛擬設備，選擇不同方式、不同視角進行全方位的觀察學習，由此會產生不同的感受，在老師的引導下學習者再將不同視角收獲的知識進行討論和整合，去獲得新知。在此過程中教師把學習者的興趣、質疑、探究的精神保護起來，讓學習者真正認知自己，擴展各種經驗，揚長補短，豐富學習歷程，培養核心素養，從而更好地促成個體認知自主建構，最終提升學習者的智慧。

4 虛擬現實技術在智慧教育中的應用

傳統的教學活動多指向知識傳授這一中心教學任務，智慧教育環境下的學習，則指向“創造”這一高級認知目標，強調將知識遷移到真實生活中，培養具有創新、創造力的學習者。美國教育家約翰·杜威(John Dewey)認為，知識是已經獲得并存儲下來的學問，而智慧則是運用知識去促進實踐的能力[11]。從知識走向智慧是與時俱進的知識觀對教育的新訴求，也是學習共同體的一致追求。一方面，虛擬現實技術可以方便再現真實世界中無法用肉眼隨時觀察到的現象或難以復制的演變過程，化抽象為形象，幫助學習者理解抽象概念、抽象事物。另一方面，虛擬現實技術可讓學習者按自己的意愿學習，學習者由被動地接受知識轉變為主動的參與探究，充分調動學習者的學習興趣和主觀能動性，不斷激發學習者的創新的火花，開拓學生的新思維。

虛擬現實技術與智慧教育的有機融合，為教學模式的創新提供了新的舞臺。信息化背景下的智慧教學模式傾向于任何人（Any one）、任何時間（Any time）、任何地點（Any where）、任意方式（Any mode）、任意內容（Any content）的5A模式。這種教學模式，呈現出三個基本特征：一是輕松學習，這是學習的基礎條件，新技術的加入應當使學習變得輕松愉快。二是有效學習，這是信息化學習的目標，信息化教學應該促進學習者的有效學習。三是專注學習，這是有效學習的前提，學習者只有專注地學習，才能達到有效學習的目標[12]。

縱觀教學模式的演進歷史，技術在其中都是起輔助和促進作用的。新技術與教育的融合，目的在于促進知識的生成、智慧的形成，而智慧形成的關鍵又在于良好思維習慣的養成。如何利用虛擬現實技術構建智慧教育環境，搭建起知識與智慧的橋梁，打通知識—思維—智慧之間的通道，正是本文重點研究的內容。

4.1 體驗式學習

體驗式學習是指通過學習者親歷和體驗來認知知識、發展能力、生成情感的學習方式[13]。體驗式學習的關鍵要素就是要建立一種高度仿真化的學習環境，這將直接影響學習者的感受體驗，甚至影響最終的學習效果。隨著虛擬技術的發展，創設虛擬體驗式學習環境已成為可能，其最大特點在于構成的學習環境可以打破時空的限制，學習環境具有仿真性、沉浸性、交互性等特征，能夠極大地激發學習者的學習興趣和參與熱情，支持師生在特定的教學模式中和使用對象進行交互，能夠提供師生在現實世界中無法獲得的高度體驗[14]。

虛擬技術構建的體驗式學習環境能夠有效促進學習，讓學習者產生輕松、愉悅、興趣濃等積極情緒，激發其學習的內部動機；能夠提供豐富的感知線索以及多通道的反饋，促進其認知建構的完成；能夠讓學習者實現角色扮演，增強學習體驗，實現知識遷移，將虛擬情境中所學運用到真實生活中去。比如，利用虛擬現實技術模仿創設各種英語環境，學習者不但能夠身臨其境在虛擬社區中穿行，還可扮演各種角色與各種設定對象交互對話，訓練語境、語感，能起到事半功倍的效果。

4.2 探究式學習

探究式學習是學習者在預設的情境中，自己探索解決問題的學習方式。“問題”“體驗”和“反思”是探究式學習的三個基本要素，它們體現了探究式學習的基本特征?；谔摂M技術的環境為探究式學習提供了豐富的資源和工具，虛擬技術環境可以創設所探究問題的學習情境，強化問題的驅動；虛擬技術環境可以提供完全擬真的體驗情境，滿足學習者沉浸式體驗；虛擬技術環境提供多樣的交流手段與工具，促進交流協作和反思。

探究式學習的核心價值在于在對事物的認知是建立在質疑、假設的基礎上，通過實踐進行體驗和驗證。虛擬技術可以創造出各種智慧學習所需的虛擬環境，學習者可以在虛擬環境中嘗試解決真實問題，在這一過程中實現深層次知識建構。虛擬環境中趣味性與挑戰性并存，可以激發學生自主探究的興趣，學習者可在其中盡情徜徉探究。此外虛擬環境還具有安全、高效、低成本、可重復、超現實等優勢，比如危險性高的各種實驗，近距離觀察行星的表面，細致嚴謹的考古現場，條件所限的操作訓練，深入原子內部的微觀世界等，都可通過它來實現。

4.3 自主式學習

自主式學習強調學習者是學習的主體，老師起主導作用。學習者發揮自己的主觀能動性，充分利用環境調動自身的各種感官，主動地去獲取知識，發展能力。虛擬技術在自主式學習中的應用是指學習者通過虛擬情境、智慧環境進行自主式的深層次學習。這種應用極大地拓展了教育的時空，使教育資源得以重構與共享。在傳統的課堂中，由于學生的認知水平參差不齊，經常出現不同步現象：一部分基礎較差的學生，在教師完成課堂講解后，不能完全理解或掌握必備的基礎知識；而另一部分學習能力強的學生，對于教師講解的內容掌握較快，希望加快學習進度，學習更具挑戰性的知識。由于學生個體學習能力的差異，導致課程實施起來難度很大，常常出現兩頭不滿足的情況，嚴重影響學生學習的積極性和主動性。虛擬現實技術的出現，很好地解決了這一問題。教師可以借助虛擬技術提供的工具、素材分層制作教學資源，推送至相關平臺。學生可根據自身的實際，利用教師提供的虛擬教學資源，選擇適合自己的學習方式，自主地進行學習和探索。這樣既可以增強課程教學的有效針對性，又可以培養學生的無限創造性，滿足不同層次學習者的需求。

在虛擬技術支持的智慧學習環境下，學習目的是獲取最大化學習效果。由于云計算平臺收集了學習者大量的學習數據，通過大數據分析、挖掘，獲得學習者的學習基礎、學習風格和學習能力等特征，當學習者接收學習任務時，智慧虛擬環境會根據學習者的特征進行準確、適時的智慧干預，幫助學習者選擇適合個人自主學習的任務和方式。其次，根據學習內容和難易程度，虛擬環境智能分析，選擇推送與學習者特征匹配的學習資源，保障資源的適用性與優質性，避免冗余資源的干擾和不必要的時間浪費，從而實現學習效益的最大化。

4.4 互動合作式學習

基于虛擬技術的互動合作式學習，是指在智慧教育環境下利用泛在網絡以及虛擬現實等技術建立起互動合作學習的大環境，再通過小組合作等形式來組織學習者之間以及教師與學習者之間進行討論、交流和協作，從而對所學習內容有比較深刻的理解和掌握。虛擬環境依據智慧教育平臺提供的學習內容、學習者的相關信息科學分組，不受時間及地點的約束，成員之間都是平等的主體，共享資源、互動合作、相互促進、共同提升。

隨著網絡技術和虛擬現實技術的日益成熟，基于網絡的虛擬化教學，已成為一種全新的教學方式。將兩者相結合，可以實現優質資源的實時共享，讓知識保持新鮮性、共享性，使學習者在需要的第一時間享受到最新的知識理念。多用戶虛擬現實系統的空間維度和多通道功能為合作學習活動的設計、實施提供了可能和機會?；诰W絡的虛擬學習環境打破了時空的限制，精彩再現現實生活中不能實時共享的特定場景，讓所有學習者共同體驗到特定氛圍和情境，進行有效的合作學習。學習者無論地理位置相距多遠，都能即時在虛擬環境中討論、交流，通過角色扮演與場景中的對象進行交互和協作。該學習方式借助虛擬網絡平臺，強調群體的協作性，學習資源動態生成，最終形成系統、有序、關聯的新知識，以實現全體成員共同獲得知識、生成智慧的目的。

4.5 創客學習

創客一詞來源于英文單詞“Maker”，創客的特征就是內在的創新。創客教育是創客文化與教育的結合，以創客為中心，基于學習者的興趣，借助信息化工具，構建開放式環境，倡導創造，鼓勵分享，培養跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力的教育方式。創客學習在基于虛擬技術的智慧教育環境下，依托虛擬技術為載體，通過新環境的打造，融合學科智慧，讓學習者通過自主探究將創意變成現實，培養跨界思維、團隊協作、開拓創新的核心素養。

創客學習的核心理念在于通過動手實踐培養自身的創新意識、創新思維和創新能力。虛擬現實技術能為學習者提供豐富的數字資源和情境化的學習環境，提升了學生的感性認識和真實體驗，培養學生的動手操作能力，激發學習者的創新意識。虛擬現實技術是多學科知識和多種先進技術的應用融合，是創客教育和STEAM教育的優良載體，將虛擬現實技術應用于智慧教育中，為創客學習創造了無限可能，通過項目驅動、創意設計、自主探索、跨界融合、動手實踐來學習新知識和掌握新技能。利用虛擬現實與增強現實技術為載體開展創客教育和STEAM教育，學生在虛擬與現實交互和時空穿越的過程中通過“玩中做”“做中學”“學中做”“做中創”[15]，能夠拓展發散性思維，迸發出更加豐富的創新火花，創意“智”造出更加豐富的創客作品，在此過程中形成了創新思維，發展了創新能力。

5 結語

新技術推動下的智慧教育發展已是大勢所趨，應用科技創新提升教育智慧，正在成為信息時代全球教育改革的標桿。虛擬技術與智慧教育的融合，彌補了傳統教育資源與教育技術的不足，促進了以學習者為中心的理念貫徹，改善了過去技術所容易忽略的學習者情感感受，提供了最優的學習環境，給教育工作者帶來了嶄新的教育思維，解決了傳統教育教學無法逾越的問題，從根本上改變著人們的學習方式和思維習慣。

虛擬技術應用于智慧教育以促進學習者發展和提升學習者智慧為理念，打造貼近學習者真實世界、符合學習自然發生的教育信息生態系統，實現知識從虛擬情境中來遷移到真實情境中去的終極理想，最終促進學習者高階思維與創新創造能力的生成。