教育數字化背景下教材建設中VR/AR可視化技術的應用研究

◎文/郭英俊

在加快建設數字中國的大背景下，黨的二十大報告首次將“推進教育數字化”寫入報告，明確了教育數字化未來發展的行動綱領。教材數字化作為教育數字化工作的重要組成部分，是縱深推進服務教育數字化戰略行動、開辟發展新領域新賽道、塑造發展新動能新優勢的重要方向。隨著信息技術的快速發展，形式多樣的數字教材建設已經成為當前教育信息化發展的重要內容，而VR/AR可視化技術則是數字教學和教材建設的前沿方向之一，其具有的沉浸式、交互式、立體化等特點可以極大豐富數字化新形態教材的形式和內容，提高學習效果和教學質量。

一、VR/AR可視化技術在教育教學中的應用現狀

VR/AR可視化技術作為教育教學的新手段，可以讓學生和教師在超越現實的虛擬環境中自由移動、交互、操作，體驗到無法用簡單的圖文或者視頻構造的情景。隨著科學技術的發展，現代化教育教學模式正在經歷從單一媒體、復合式媒體、交互式的復合媒體再到高沉浸式VR/AR媒體的發展過程。[1]技術的進步不斷促使我們的教育方式發生改變，而VR/AR可視化技術在數字教學建設中的應用因受到不同地域（區）發展差異的影響，所呈現的情況差距較大。

發達地區的教育資源充裕，教育信息化的水平較高，為數字化、可視化教學建設提供了有力支持，北、上、廣、深等發達地區在數字教育領域中的應用趨于成熟，VR/AR可視化技術在各個教育層次包括基礎教育、職業教育、高等教育中都得到了相對廣泛的試點應用。[2]例如，上海某中學針對生物實踐課進行了虛擬現實的3D可視化實踐體驗學習，帶領學生對相關植物進行深度認識和了解，取得了很好的教學效果，深受學生歡迎，其課程在國內基礎教育領域占據領先地位；廣州某職業技術學院使用虛擬仿真技術模擬數控機械裝置的數字孿生操作系統，讓學生在沉浸式的學習環境中深入了解相關機械設備的具體狀態和相關技術操作，為培養合格的技術操作人員提供了新的教學模式；北京某體育高校使用增強現實技術設計出了能夠讓學生立體觀察專項體育動作結構的數字化教學系統，在日常教學中極大地提高了學生的學習效率。上述這些發達地區的選點院校利用VR/AR可視化技術的創新教學模式，使學生可以隨時隨地獲取優質立體的課程資源，并在虛擬環境中自主學習。此外，在5G技術的支持下，很多院校還可以通過移動互聯網采取多平臺跨校互動、在線教學等創新教學方式。

與國內經濟發達地區相比，西南、西北等地區（尤其是鄉村）的教育數字化基礎設施建設和配置水平仍比較落后，鄉村學校在數字技術日常運行維護與更新方面的負擔較重，有些學校因無力承擔相應費用，甚至不得不減少數字化教學設備的購置和使用。不過也有部分落后地區院校集中力量做了試點應用，當地教師和學生通過可視化技術所呈現的數字教學內容獲得了優質的教學資源，享受到了高質量的教學體驗，試點效果非常好，通過數字化、可視化教學形式實現了國家促進教育公平的初衷。

二、VR/AR可視化技術在數字教材建設中的應用方式和效果

隨著技術的進步，目前VR/AR可視化技術與數字教材相結合已經逐漸成為新形態教材的發展趨勢。將VR/AR可視化技術應用于數字教材建設中，可以將教材中所涉及的抽象概念和知識點以3D場景的形式更加生動形象地呈現給學生，從而讓學生更加清晰地理解相關的知識內容；通過VR/AR可視化技術，教材還可以實現更加豐富的互動方式，學生可以在虛擬環境下自由探索和操作，教師可以與學生進行實時互動，在學習過程中不斷促進學生的思考和探究。[3]

與傳統的紙質教材相比，VR/AR可視化數字教材的最大優勢是能夠明顯提升學生的學習效果。傳統教材依賴于文字、圖片、聲音等單一媒介，而VR/AR可視化教材通過虛擬現實和增強現實技術打造出一個沉浸式的學習環境，使學生能夠更加深入地感受和理解知識。VR/AR可視化技術在數字教學和教材建設中的應用效果主要體現在以下幾個方面：

（一）提高學習興趣

通過沉浸式、交互式的教學方式，讓學生更加投入和感興趣，同時可以激發學生的好奇心和創造力。

（二）增強記憶效果

VR/AR可視化教學方法相比傳統教學方法在記憶效果方面具有顯著的優勢。研究表明，通過由VR/AR技術所創造的逼真場景、情境和沉浸式學習環境，能夠讓學生更加深刻地記憶知識點和概念，還可以幫助學生形成更加全面、系統的知識結構。

（三）提高學生參與度

VR/AR可視化教學相比傳統的教學方式更加注重互動和動態，學生可以通過控制器等設備親身操作虛擬世界中的物體，與所學內容產生更加緊密的聯系，從而提高學生的學習興趣和參與度。

（四）提升教學效率

通過VR/AR可視化虛擬實驗、仿真模擬等方式，可以大幅度降低實驗成本和時間，還可以讓學生進行更加安全、便捷的實驗操作。[4]

三、VR/AR可視化技術在教材建設應用中存在的問題和困難

VR/AR可視化技術在數字教學和教材建設中雖然有著廣泛的應用前景和優勢，但同時也存在一些問題和困難，主要包括以下幾個方面：

（一）技術限制

目前VR/AR技術仍處于不斷發展和完善階段，硬件設備和軟件工具的質量、穩定性和兼容性都還存在一些問題和不足；同時，需要借助互聯網等其他技術協同的教學內容還需要考慮多技術接口的匹配度，會對教學質量和效果產生一定的影響。此外，在可視化教材的生產中也需要考慮3D內容與傳統紙質教材、數字教材的技術鏈接問題。

（二）成本問題

VR/AR技術的硬件設備和軟件工具的價格較為昂貴，需要投入大量的資金和人力資源，這對于一些目前經濟條件欠發達的地區和學校來說可能會產生一定的壓力。可視化教材的生產成本及銷售定價也存在同樣的情況，因此如何降低相關成本已經成為可視化技術在數字教學和教材建設應用中的關鍵問題之一。

（三）評價標準

由于VR/AR可視化技術應用的特殊性，目前還缺乏相應的評價標準和體系，使得可視化教材及教學效果的評估和認定存在一定的困難。

四、解決方案及應對策略

（一）加強宏觀政策指導及技術研發

針對VR/AR技術在數字教學和教材建設中存在的技術限制問題，需要國家在宏觀層面制定相關的技術研發指導策略，加大對VR/AR技術的研究和開發投入，提高硬件設備和軟件工具的質量、穩定性和兼容性，推動VR/AR技術與教育教學的深度融合。同時，注重創新發展，鼓勵和支持VR/AR技術的創新應用，做好數字教學、教材的頂層規劃和設計，開發具有教育特色和價值的可視化數字教材，推動VR/AR技術向更加廣泛、深入的領域拓展。

（二）制定成本控制策略

針對當前VR/AR可視化技術在數字教學和教材應用中成本較高的問題，可以通過優化硬件設備、采用開源軟件工具等方式解決，也可以利用開源社區的資源和經驗提升開發效率和質量，并鼓勵學校和地區之間對同學科、同類型的內容資源展開共享和合作，集中定制權威優質的專業內容資源，避免重復投入和浪費，提高資源利用率和效益。

（三）制定相關評價指標體系

關于VR/AR可視化技術在數字教材、教學建設中存在的評價標準問題，可以針對不同學科和年級段的教學內容和目標，建立完整的VR/AR可視化教學評價體系，包括評價指標和標準、評價工具和評價程序等，確保評價結果客觀、公正、準確，并為教學質量的提高提供有效的參考依據，進而提高VR/AR可視化技術的應用效果和質量。

五、結論與展望

VR/AR可視化技術在數字教學和教材建設中的應用具有重要意義，隨著相關技術的不斷發展和普及，其在數字教學和教材建設中的應用將會更加深入、廣泛。預計未來幾年，VR/AR可視化技術將會成為數字教育的重要形式，為教材建設提供更加豐富、多樣化的資源和手段。同時，我們也需要關注VR/AR技術應用的可持續性和可擴展性，通過不斷創新和改進，進一步加強與其他技術如人工智能、物聯網等的融合，使其更好地服務于教育出版融合、新形態教材建設事業的發展。[5]