VR與AR技術(shù)教育應(yīng)用研究

季至宇

摘要：隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)緊緊圍繞我國高等教育教學(xué)改革發(fā)展的總體要求，實現(xiàn)信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合。VR/AR技術(shù)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(xué)讓眾多學(xué)生有了獨特的學(xué)習(xí)體驗，并且學(xué)習(xí)成效顯著。VR/AR技術(shù)進入教育領(lǐng)域，還需在理論研究、教學(xué)應(yīng)用、人才培養(yǎng)、資源建設(shè)等方面進行長期探索與實踐，通過提升教師專業(yè)技能，讓VR/AR技術(shù)的教育應(yīng)用更多地體現(xiàn)為豐富教學(xué)內(nèi)容與提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；增強現(xiàn)實技術(shù)：教育應(yīng)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(shù)的快速發(fā)展正在全球掀起浪潮，其應(yīng)用前景受到世界各國高度關(guān)注。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）與增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，簡稱AR）是近年來發(fā)展最快的高新技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機模擬產(chǎn)生一個多維空間的虛擬場景，向使用者提供關(guān)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?zé)o限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。增強現(xiàn)實技術(shù)則是利用計算機將虛擬信息應(yīng)用到真實信息中，二者有機疊加產(chǎn)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(shù)層面看，AR與VR是兩種不同的事物，VR技術(shù)通過智能手段構(gòu)造出純虛擬環(huán)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(xiàn)實環(huán)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(xué)習(xí)知識。AR技術(shù)是將虛擬放在現(xiàn)實中，通過攝像機拍攝畫面或輸入現(xiàn)實場景，使虛擬與真實的信息巧妙地結(jié)合或匹配，進行展示與交互，達到增強現(xiàn)實的效果。其應(yīng)用如高品質(zhì)VR電影制作與光場顯示技術(shù)、高端裝備制造等。

1VR/AR技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

VR/AR技術(shù)為人們所熟識，一個節(jié)點性事件是2015年9月美國Magic Leap公司在網(wǎng)上發(fā)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(fā)生在一家室內(nèi)體育館，用其自身研發(fā)的增強現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)，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(lián)網(wǎng)，也讓VR/AR變成了熱度極高的技術(shù)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(shù)實用化已走過50多年，隨著技術(shù)進步與發(fā)展、產(chǎn)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(shù)的智能終端VR/AR裝備需求開始普及，終于迎來了實用化產(chǎn)品的春天。圍繞技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，人們不難發(fā)現(xiàn)從用收音機、電視機、PC到手機，應(yīng)用平臺離人眼的距離越來越近，而VR/AR技術(shù)產(chǎn)品化與應(yīng)用將會是下一代計算終端的終極形態(tài)。VR/AR技術(shù)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(wǎng)膜眼鏡，甚至通過腦電波、皮膚的電流產(chǎn)生一些互動，實現(xiàn)通過眼神、手勢、語音、意念等多種方式控制各種智能設(shè)備。目前腦波控制技術(shù)已進入產(chǎn)品研發(fā)階段，美國硅谷EyeMyndn腦波公司近期展示了其成果，在發(fā)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(shù)，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(fā)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(jīng)達2.86億，而在過去一年接觸或體驗過虛擬現(xiàn)實設(shè)備的VR淺度用戶約為1 700萬人，購買過各種VR虛擬現(xiàn)實設(shè)備的用戶約為96萬人。目前VR/AR技術(shù)已廣泛應(yīng)用到視頻游戲、事件直播、視頻娛樂、醫(yī)療保健、房地產(chǎn)、零售、教育、工程及軍事等領(lǐng)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(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于促進移動互聯(lián)網(wǎng)健康有序發(fā)展的意見》，明確提到要加快人工智能、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、微機電系統(tǒng)等新興移動互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)布局，盡快實現(xiàn)部分前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)在全球率先取得突破。《意見》從戰(zhàn)略高度有針對性地做出了科學(xué)規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)布局。

2VR/AR技術(shù)在教育中的應(yīng)用與成效

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

STEAM教育是2016年國內(nèi)教育領(lǐng)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(xué)科教育，它融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)門類，對培養(yǎng)學(xué)生的科技知識技能、創(chuàng)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(xué)一年級到高中三年級的12年中小學(xué)教育）中，AR增強現(xiàn)實技術(shù)與VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)也處在實驗性應(yīng)用階段[1]。2016年12月，Project Tomorrow發(fā)布一篇針對圣地亞哥一個VR應(yīng)用項目的評估報告，探討了AR增強現(xiàn)實技術(shù)環(huán)境如何增強學(xué)生在STEAM領(lǐng)域的學(xué)習(xí)意識與學(xué)習(xí)興趣。應(yīng)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(xué)生對情境學(xué)習(xí)更感興趣，項目計劃利用圖書館圓頂?shù)莫毺亟Y(jié)構(gòu)，為開展AR增強現(xiàn)實試點項目、鼓勵與推動STEAM學(xué)習(xí)提供了天然條件，也為學(xué)生帶來豐富的學(xué)習(xí)體驗。具體做法是，利用移動情景感知技術(shù)，充分發(fā)揮AR增強現(xiàn)實的優(yōu)勢，在圖書館內(nèi)部創(chuàng)造出科學(xué)、數(shù)學(xué)、機械與藝術(shù)相關(guān)的虛擬情境，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生與數(shù)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(xiàn)實技術(shù)構(gòu)想出房子的圖案，學(xué)生在圖書館情境中學(xué)習(xí)STEAM理念時，就可以獲得圖書館建造知識。評估報告所做的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：參與學(xué)習(xí)中央圖書館半球形建筑的相關(guān)知識，學(xué)生將自己的進步歸因于移動AR增強現(xiàn)實技術(shù)帶來的豐富學(xué)習(xí)體驗。大多數(shù)學(xué)生認為，在AR增強現(xiàn)實技術(shù)環(huán)境中使用4G平板電腦能夠提高他們的積極性。在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)更有趣味性，自己的協(xié)作能力有了提高，對難點知識的掌握變得容易許多。經(jīng)過一段時間學(xué)習(xí)體驗，10%學(xué)生表示他們對STEAM領(lǐng)域更加感興趣；參與項目的教師認為，如果與教學(xué)大綱緊密結(jié)合，AR增強現(xiàn)實營造的環(huán)境能在更多學(xué)術(shù)領(lǐng)域成功應(yīng)用，進而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與效率。endprint

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

3VR/AR技術(shù)發(fā)展對教育的影響

高等教育發(fā)展在不同時期都受到技術(shù)發(fā)展的影響，從傳統(tǒng)的課堂教學(xué)發(fā)展到圖文教學(xué)、視聽教學(xué)，再到多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，無不看到技術(shù)的推動作用[2]。隨著計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，2012年在國內(nèi)興起的大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程慕課（MOOC），更是掀起了一場教育領(lǐng)域信息化的革命。如今，技術(shù)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(gòu)教育理念與教育思維

借助VR/AR技術(shù)讓醫(yī)學(xué)院學(xué)生在課堂上真切感受人體臟器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與機能，近距離觀察病理的形成、發(fā)展過程及對癥治療效果，讓海洋大學(xué)學(xué)生身臨其境地感受千米深海下的斑斕世界，這種教學(xué)效果無疑生動直觀、令人印象深刻。于教育而言，使學(xué)習(xí)具有個性化、智能化、沉浸式等多維度必將成為主要發(fā)展潮流。情境認知理論（Situated Cognition）認為，大多數(shù)知識都是人的活動與情境互動的產(chǎn)物[3]。如果能為學(xué)習(xí)者提供接近于真實的學(xué)習(xí)環(huán)境或仿真情境，對提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)熱情與對所學(xué)知識的理解掌握大有益處[4]。VR/AR教育思維不是告訴學(xué)習(xí)者什么叫知識，而是讓學(xué)習(xí)者自己嘗試直接體驗知識，從學(xué)習(xí)知識到體驗知識是一種學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變[5]。要VR/AR技術(shù)恰如其分地融入到教育中，不斷發(fā)揮其影響力，沒有精妙的教學(xué)設(shè)計是很難實現(xiàn)的。而設(shè)計的理念、方式方法、手段需要不斷改進。有學(xué)者提出，VR支持的學(xué)習(xí)空間交互設(shè)計模型包括戰(zhàn)略層、結(jié)構(gòu)層、框架層、表現(xiàn)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(shù)與教育深度融合的過程與目的。

3.2豐富教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)效果，推動傳統(tǒng)教育創(chuàng)新發(fā)展

VR/AR技術(shù)在國內(nèi)高校與職業(yè)院校中應(yīng)用越來越廣泛，如外語、醫(yī)學(xué)、影視傳媒、生物、動力機械、水利電力、仿真等課程教學(xué)。特別是在人才培養(yǎng)過程中強調(diào)真實場景下學(xué)習(xí)的部分，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更加直觀真實的學(xué)習(xí)任務(wù)與情境，由表及里、由內(nèi)到外地交互體驗，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中觀察、探索與實驗，從而加深其對知識的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、強化課堂互動是很好的方法與手段。在VR技術(shù)的幫助下，教師與學(xué)生一同走進課程內(nèi)容設(shè)定的虛擬情境中享受真實感的交流互動，將遠勝于傳統(tǒng)課堂上師生之間的問與答，VR技術(shù)大大提升了教育效率，同時降低了實訓(xùn)成本與風(fēng)險性。VR/AR技術(shù)教育應(yīng)用體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容豐富與教學(xué)效果更佳，有利于強化學(xué)生對知識點的掌握，擴大學(xué)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(zhuǎn)換，更多學(xué)校通過購置硬件設(shè)備、建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，利用增強現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)生構(gòu)建一個新的智慧教育環(huán)境。

3.3促進教師專業(yè)技能提升

未來教育一定伴隨著科技創(chuàng)新、人工智能與VR/AR技術(shù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，僅2016年國內(nèi)高校就建立了200多個VR實驗室，少部分高校已經(jīng)進入VR/AR專業(yè)的建設(shè)階段。教育應(yīng)用、VR/AR課程資源建設(shè)、軟硬件基礎(chǔ)與教師專技能力提升成為VR教育領(lǐng)域4大需求[7]，而教師專業(yè)能力的高低決定了技術(shù)的發(fā)揮與教學(xué)效果。一個好的教學(xué)設(shè)計不僅僅是情景再現(xiàn)與知識呈現(xiàn)，它要求教師在應(yīng)用VR/AR教學(xué)時，能夠?qū)⒄n程中的難點、疑點設(shè)置成場景性的問題懸疑，好似游戲打通關(guān)一般，在懸念、興奮、恐懼之后發(fā)出“原來如此”的感嘆，既能做到“織繭”又能做到“化繭”，善于與學(xué)生打虛實空間心理戰(zhàn)。為此，教師需要更加專業(yè)的技術(shù)支持，學(xué)習(xí)如何在課堂中運用AR/VR技術(shù)知識，具有教學(xué)資源開發(fā)與設(shè)計的能力以及利用媒介與資源解決各類教學(xué)問題的能力。培育雙師型師資隊伍、提高教師信息技術(shù)應(yīng)用能力，成為推動信息技術(shù)與高校教學(xué)深度融合的關(guān)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(tǒng)的以課堂講授為主，向更加重視學(xué)生學(xué)習(xí)能力、解決問題能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面轉(zhuǎn)變，亦師亦友間更像是策劃、導(dǎo)游與導(dǎo)航。

4結(jié)語

隨著 VR/AR技術(shù)快速發(fā)展以及在教育教學(xué)中深入應(yīng)用，人們看到VR/AR的價值并不在于技術(shù)炫耀，而是實實在在解決教育中存在的問題。主動式學(xué)習(xí)、場景化體驗、多維情境教學(xué)，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(lǐng)域的時間并不長，還需要在理論研究、教學(xué)應(yīng)用、人才培養(yǎng)、資源建設(shè)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(shè)備價格更加便宜時，VR/AR技術(shù)對現(xiàn)有教學(xué)體系帶來極大沖擊甚至顛覆不是不可能。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：何麗）endprint