“VR+學(xué)前教育”的融合發(fā)展可行性研究

岳 瑋，周玉鋒，侯文元

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261000）

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代教育技術(shù)給學(xué)生提供了豐富多彩的信息資源，這對充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)和探究的主動性和積極性都有著重要作用，大力推動了信息化教學(xué)改革的發(fā)展步伐。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》將VR 技術(shù)列入信息領(lǐng)域優(yōu)先支持的三大前沿技術(shù)之一，這將為傳統(tǒng)行業(yè)帶來顛覆性的變革?！癡R+產(chǎn)業(yè)”融合創(chuàng)新發(fā)展模式[1]的提出，對傳統(tǒng)實體經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級起到積極的作用，為“VR+ 教育”的融合與創(chuàng)新性發(fā)展提供了無限可能。

一、教育技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展

（一）教育技術(shù)發(fā)展進入了VR 階段

教育技術(shù)作為重要的一環(huán)貫穿了教學(xué)改革發(fā)展的全過程?；仡櫧逃夹g(shù)發(fā)展的歷程及其所處的社會歷史背景（見表1），我們不難發(fā)現(xiàn)，教育的發(fā)展和改革，除了每個階段新的教育理論的促進作用以外，更是教育技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然要求。因此，目前開發(fā)空間潛力巨大的VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將作為新一代的信息技術(shù)，與教育產(chǎn)業(yè)進行新一輪的創(chuàng)新與融合發(fā)展，為“VR+教育”創(chuàng)造出新技術(shù)、新模式和新機遇。

（二）VR 技術(shù)與教育產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外已在廣泛研究并開發(fā)VR 技術(shù)在教育領(lǐng)域的各項應(yīng)用。比如，美國基礎(chǔ)教育已開始全面推行VR 教育計劃，多所K-12 院校已經(jīng)開始搭建虛擬現(xiàn)實實驗室，有上萬的學(xué)生正式用zSpace STEAM 實驗室進行學(xué)習(xí)；日本建立了龐大規(guī)模的VR 知識庫，并將編程課程納入到小學(xué)課程體系當(dāng)中，為下一代能夠順利迎接已經(jīng)到來的VR/AI 時代做好準(zhǔn)備；在我國VR+教育的開發(fā)目前主要應(yīng)用于高等教育，如建筑專業(yè)學(xué)生可通過虛擬現(xiàn)實的交互性來對未完工的辦公大樓進行觀摩以激發(fā)靈感，醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生通過虛擬尸體進行解剖實訓(xùn)等，都是利用 VR 進行人機交互的情景教學(xué)，通過體驗式的學(xué)習(xí)方式將枯燥的教育體驗形象化、具體化、趣味化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進學(xué)習(xí)成果的有效轉(zhuǎn)化。

表1 教育技術(shù)發(fā)展歷程表

但是信息化教育一般首先啟動于應(yīng)用類學(xué)科，而學(xué)前教育是一門綜合性強、實踐性強的學(xué)科，目前VR 技術(shù)與學(xué)前教育的聯(lián)合開發(fā)還處在比較初級的水平?！癡R+學(xué)前教育”無論是對于學(xué)前教育專業(yè)本身，還是早教行業(yè)市場來說，未來深度融合和開發(fā)的潛力空間都很大。隨著VR 價值在教育領(lǐng)域的不斷發(fā)掘，在學(xué)前教育這一細(xì)分領(lǐng)域，筆者總結(jié)出VR 技術(shù)所帶來的優(yōu)勢更是完美匹配了這一年齡段學(xué)生群體的生理和心理發(fā)展特點。因此，二者的融合創(chuàng)新發(fā)展成為教學(xué)信息化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，必將推進教育教學(xué)改革與行業(yè)的發(fā)展，對提高教育技術(shù)水平、改善教學(xué)環(huán)境、豐富教學(xué)資源起到重要作用。

二、VR 技術(shù)與學(xué)前教育融合發(fā)展的可行性分析

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）

VR 技術(shù)是一種綜合計算機圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種技術(shù)而發(fā)展起來的綜合性技術(shù)。VR 通過多傳感器和可視化設(shè)備，將畫面、聲音等作用于用戶的視覺、聽覺、觸覺，對其真實情況進行虛擬模擬，讓大腦皮層認(rèn)為我們處于一個真實的環(huán)境里；同時，在虛擬場景中，使用者還可以即時的進行相關(guān)操作和互動，讓人仿佛“身臨其境”。本世紀(jì)以來VR 技術(shù)為了提高渲染質(zhì)量和傳輸速度，整合了快速發(fā)展的XML、JAVA 等先進數(shù)字開發(fā)技術(shù)，應(yīng)用了強大的3D 計算能力和交互式技術(shù)后，VR 進入了快速發(fā)展的嶄新時代。

（二）VR 技術(shù)優(yōu)勢與學(xué)前教育需求的完美融合

《中國兒童發(fā)展綱要（2011-2020）》中明確指出：“要加快發(fā)展3-6 歲兒童學(xué)前教育，優(yōu)化教育資源，拓展數(shù)字化學(xué)習(xí)的空間，全面推進教育現(xiàn)代化和信息化”。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于學(xué)前教育中能發(fā)揮出其獨特的價值和意義。筆者在了解VR 技術(shù)3I 特點[2]（Immersion,Imagination,Interaction）的基礎(chǔ)上，總結(jié)出其展現(xiàn)了傳統(tǒng)媒體不可替代的技術(shù)優(yōu)勢。結(jié)合學(xué)前兒童的生理及心理發(fā)展特點，發(fā)現(xiàn)這些優(yōu)勢與幼兒因成長規(guī)律引發(fā)的受教育需求又存在高度的一致性。因此，將VR 融入學(xué)前教育進行開發(fā)應(yīng)用，既可以規(guī)避傳統(tǒng)教育模式受限的弊端，還最大限度順應(yīng)了兒童的習(xí)得特性，二者融合可謂是珠聯(lián)璧合。如圖1 示：

圖1 “VR 學(xué)前教育”融合優(yōu)勢

1.沉浸性化被動接受為主動探索

沉浸性（Immersion），是指通過虛擬技術(shù)和虛擬數(shù)據(jù)生成的虛擬環(huán)境，對視覺、觸覺、聽覺等感官高度模擬，讓用戶獲得身臨其境的感受。由于VR 技術(shù)的沉浸性較強，可以充分實現(xiàn)知識的可視化，激發(fā)學(xué)習(xí)者興趣，促使其成為主動學(xué)習(xí)者而非被動觀察者，從而更好地正確地重構(gòu)、記憶和應(yīng)用知識。傳統(tǒng)教育模式受限于教學(xué)形式與教學(xué)場景，較之則較為單一、枯燥，不能通過靈活多樣的教育手段實現(xiàn)最佳的教育效果。

我國學(xué)前兒童受教育年齡主要集中在2~7歲，其中幼兒園教育集中在3～6 歲，早教市場年齡范圍較之更大。這個年齡段幼兒的注意特征主要是無意注意，即引起其注意的主要為刺激物的物理特征或者是與幼兒愛好及需求相關(guān)的刺激物，認(rèn)知活動主要受興趣驅(qū)使，注意力穩(wěn)定性較差易分散，且維持時間較短，通常為10~20 分鐘不等。因此，新奇的刺激對引起幼兒注意并延長注意時間具有重要作用?？墒牵瑐鹘y(tǒng)教學(xué)往往因為受限于教學(xué)形式與場景導(dǎo)致幼兒對知識的接受能力不強，無法通過直觀手段最大程度實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

融合后：VR 技術(shù)的沉浸性可以在虛擬環(huán)境中賦予刺激物強烈的聲音、鮮明的顏色、生動的形象等鮮明的特征，[3]甚至可以創(chuàng)造出真實世界中不存在的，但是能夠引發(fā)幼兒高度興奮的任何事物。強烈的沉浸性能調(diào)動兒童的全部感覺器官，營造出的真實場景不僅可以吸引長時間的關(guān)注，還可以充分啟發(fā)孩子主動地、獨立地發(fā)現(xiàn)問題、探索問題和解決問題。這種由體驗得來的知識并非教師間接的經(jīng)驗傳授，而是由幼兒自身感知得來的，實現(xiàn)了杜威主張的“以學(xué)生為中心”的啟發(fā)式學(xué)習(xí)，以高度的真實感和沉浸性實現(xiàn)真正的自由探索與翱翔。

2.構(gòu)想性助形象認(rèn)知破時空限制

構(gòu)想性（Imagination），指通過特殊的VR 傳感設(shè)備，多感官刺激用戶，逼真地構(gòu)建甚至超越客觀世界，打破時間與空間的限制，將抽象的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為更為直觀具體的形象。用戶可以自由想象和創(chuàng)建，實現(xiàn)了個性化發(fā)展。而在傳統(tǒng)教學(xué)中，由于教學(xué)設(shè)備和教學(xué)場地的限制，無法打破時空限制創(chuàng)建靈活豐富的情景化教學(xué)。

皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論認(rèn)為2~7 歲的幼兒的認(rèn)知發(fā)展處在前運算階段，已經(jīng)逐步掌握了符號、表象的概念，思維特征以形象思維為主，即理解是在直接觀察事物表象的基礎(chǔ)上進行的。卡爾·雅思貝爾斯在《什么是教育》中提道：“對于兒童來說，最重要的不是掌握科學(xué)，而是以直觀的圖片和形象來充實他們的精神世界”。建構(gòu)主義同樣認(rèn)為情境對于知識的建構(gòu)有著重要作用，提倡以學(xué)生為中心的主動建構(gòu)。而傳統(tǒng)學(xué)前教育中對于很多跨時空的知識不能得到很好的直觀展示與情景體驗，大大限制了孩子想象力和創(chuàng)新力的發(fā)展，無法實現(xiàn)真正的“做中學(xué)，玩中學(xué)”。

融合后：VR 技術(shù)的構(gòu)想性可以實現(xiàn)虛擬空間中的自由構(gòu)建，可以將抽象的事物形象化，跨時空的事物直觀化。兒童在虛擬的游戲和學(xué)習(xí)情境中實現(xiàn)自主控制并自由探索，通過主動對信息進行加工，獲取關(guān)于客觀事物的感性甚至理性認(rèn)識，完成知識的建構(gòu)并獲取知識。這種在逼真世界中探索體驗的過程將大大激發(fā)兒童發(fā)散思維、創(chuàng)新思維和研究性思維的發(fā)展。

3.交互性遷知識習(xí)得移社會能力

交互性（Interaction）指人可以利用VR 技術(shù)的交互設(shè)備在虛擬世界中與任何虛擬物體進行交流，通過動作捕捉識別和反饋實現(xiàn)無障礙實時互動，而傳統(tǒng)的人機交互只能通過鼠標(biāo)、鍵盤和顯示器與計算機進行交互。VR 技術(shù)自然逼真的交互性實現(xiàn)了對虛擬環(huán)境的駕馭和操縱，實踐操作不僅成本低，還安全有效，很好地解決了目前線上教育和遠(yuǎn)程教育在空間體驗以及實操訓(xùn)練方面的受限的問題。

學(xué)前兒童生長發(fā)育雖然迅速，但身體各器官系統(tǒng)尤其是大腦的機能還沒有發(fā)育成熟，接收的信息在大腦中停留的時間相對較短，記憶方式多為具體、形象、機械的短時記憶。又受無意注意和形象思維的影響，幼兒的理解力和抽象邏輯思維能力水平不高，通過傳統(tǒng)的間接學(xué)習(xí)模式很難總結(jié)經(jīng)驗、獲得長時記憶并形成知識遷移。戴爾的“經(jīng)驗之塔”認(rèn)為學(xué)習(xí)主要通過直接經(jīng)驗和間接經(jīng)驗兩種方式獲得。前者需要通過直接參與獲得“做的經(jīng)驗”，后者需要通過以觀察者的身份見習(xí)獲取“觀察的經(jīng)驗”，然后把具體的直接經(jīng)驗與直觀的間接經(jīng)驗結(jié)合形成一個抽象符號，從而實現(xiàn)遷移。桑代克的“試誤說”認(rèn)為知識的習(xí)得就是刺激與反應(yīng)的聯(lián)結(jié)，不僅需要間接的刺激，更需要直接的反應(yīng)和反復(fù)的體驗總結(jié)。因此，趣味性較強的游戲互動教學(xué)更適合學(xué)前兒童，而傳統(tǒng)的教學(xué)模式仍以教師主導(dǎo)的間接傳授為主，游戲教學(xué)體驗的時間和空間有很大的局限，互動性也較差。

融合后：VR 技術(shù)的交互性不僅能為幼兒設(shè)計合理有趣的學(xué)習(xí)情境，使其獲得間接經(jīng)驗，更能夠通過互動游戲開展情景化教學(xué)，使幼兒以濃烈的興趣參與其中，獲得直接經(jīng)驗。與真實環(huán)境相比，VR 打破時空限制的同時又能最大限度保證了幼兒的安全。這種深刻逼真的互動體驗可以充分發(fā)揮和鍛煉幼兒的記憶水平，促使感性認(rèn)識到理性經(jīng)驗的遷移，通過知行合一獲得社會性發(fā)展。

三、VR+學(xué)前教育融合應(yīng)用探索

《幼兒園教育指導(dǎo)綱要》中指出,學(xué)前教育教學(xué)主要涉及健康、語言、社會、科學(xué)、藝術(shù)五個領(lǐng)域。結(jié)合學(xué)前兒童的生理及心理發(fā)展特點，可以充分利用VR 技術(shù)的優(yōu)勢，將教學(xué)內(nèi)容以虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬實訓(xùn)室[1]等各種靈活多樣的數(shù)字化形式呈現(xiàn)在逼真的場景中進行真實教學(xué)和體驗，打破傳統(tǒng)的教師室內(nèi)授課的種種局限，從而帶來更好的教學(xué)效果和更有價值的教學(xué)體驗。

（一）融合應(yīng)用的場景模式

1.虛擬課堂

基于學(xué)前兒童形象化、情景化的認(rèn)知特征，可以通過VR 技術(shù)將教學(xué)課堂可視化、符號化，并最大程度實現(xiàn)不同場景的自由切換。利用VR 構(gòu)建的逼真的學(xué)習(xí)場景來提升教學(xué)內(nèi)容的趣味性和體驗性，吸引幼兒持續(xù)關(guān)注的同時，還能引導(dǎo)其自主性發(fā)散思維的發(fā)展，真實場景的體驗學(xué)習(xí)會比空洞抽象的描述場景教學(xué)帶來更好的學(xué)習(xí)遷移。如在科學(xué)領(lǐng)域教學(xué)中，可以打破時間與空間的限制讓兒童暢游太空、深海與史前時代，教學(xué)場景的自由切換將科研資源發(fā)揮出最大的共享價值。

2.虛擬實驗室

科學(xué)的頭腦要從娃娃抓起，由于傳統(tǒng)實驗室受限于場地、設(shè)備、成本和安全性等問題，傳統(tǒng)教學(xué)方式無法給幼兒提供此類高風(fēng)險、高成本的實驗操作教學(xué)體驗。但是，利用VR 幼兒可以低成本、零風(fēng)險地進行實驗操作學(xué)習(xí)，并且可以反復(fù)嘗試，不斷探索科學(xué)的奧秘，達(dá)到提升兒童動眼、動腦、動手能力的目的。例如在社會領(lǐng)域教學(xué)中，通過虛擬實驗室的尾氣實驗真實感受大氣污染的嚴(yán)重性，讓幼兒理解提倡環(huán)保綠色出行的社會責(zé)任；在科學(xué)領(lǐng)域教學(xué)中，可以科普物理知識，通過將抽象的齒輪動力結(jié)構(gòu)進行可視化立體呈現(xiàn)，幼兒可以實現(xiàn)自由拼插搭建，拓展其動腦動手和創(chuàng)新探究能力。

3.虛擬實訓(xùn)基地

我國學(xué)前教育堅持“保教結(jié)合”的原則，即要促進幼兒的身心和諧發(fā)展。因此，如何做到既要教育幼兒基本的生活常識與生活技能，還要創(chuàng)設(shè)愉悅健康的環(huán)境來培養(yǎng)和激發(fā)幼兒良好的感情，成為當(dāng)前學(xué)前教育的基本目標(biāo)。但是，抽象空洞的說教式教學(xué)場景很難實現(xiàn)以形象思維為主的幼兒做到學(xué)以致用，只有主動交互才能填補被動灌輸?shù)娜毕?。VR 技術(shù)建立的虛擬實訓(xùn)基地可以同時解決上述安全性和有效性這兩個問題。如在社會領(lǐng)域教學(xué)中，通過設(shè)置虛擬情景任務(wù)進行模擬訓(xùn)練，培養(yǎng)幼兒的社會規(guī)則意識與交往協(xié)作能力，例如在虛擬馬路上反復(fù)進行幼兒過馬路或乘車的訓(xùn)練，使其掌握基本的交通安全法規(guī)，培養(yǎng)幼兒的生存技能，甚至可以通過構(gòu)建虛擬高風(fēng)險社會生活場景，如火災(zāi)、地震等，進行現(xiàn)場躲避或逃生等自救訓(xùn)練，低成本模擬實訓(xùn)幼兒自我保護意識與逃生技能。

（二）融合應(yīng)用教學(xué)案例設(shè)計

通過VR 技術(shù)的自由構(gòu)建可以實現(xiàn)主題性發(fā)散式多領(lǐng)域教學(xué)，滿足了學(xué)前教育5 大教學(xué)領(lǐng)域?qū)Σ煌虒W(xué)場景模式的需求，場景的任意切換將學(xué)前教育的教育性、游戲性和挑戰(zhàn)性進行了有機的融合。下面將以學(xué)前教育主題性教學(xué)“身邊的植物”為例進行VR+學(xué)前教育的教學(xué)實施設(shè)計，并梳理出其實現(xiàn)模式（圖2）。

圖2 “VR+身邊的植物”主題教學(xué)實現(xiàn)模式

第一，在教學(xué)設(shè)計方面，依據(jù)學(xué)前五大教學(xué)領(lǐng)域，制定出主題教育在每個領(lǐng)域中需要達(dá)成甚至可以拓展實現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)，并提出所需場景需求和技術(shù)支撐。例如一，在健康教育領(lǐng)域中，虛擬實驗室可以讓孩子們直觀感受植物在陽光下制造氧氣的過程，將葉綠素置換氧分子的微觀靜態(tài)行為構(gòu)建出宏觀動態(tài)的直觀視覺效果，基本目標(biāo)是讓孩子充分理解植物的存在對于人類生存的重要性，進一步實現(xiàn)提倡兒童愛護花草樹木的拓展目標(biāo)。二在社會教育領(lǐng)域中，虛擬教室可以帶領(lǐng)孩子們認(rèn)識身邊各種常見的植物，拓展學(xué)習(xí)身邊艷麗但有毒的植物，引導(dǎo)實現(xiàn)幼兒自我防護的目標(biāo)。三在科學(xué)教育領(lǐng)域中，虛擬實訓(xùn)可以在較短時間內(nèi)科普植物生長周期之類的生物常識，規(guī)避了幼兒注意力時間較短的問題，孩子們從親手翻土埋下自己的種子，到澆水、施肥、驅(qū)蟲、裁剪、結(jié)果、收貨等等接地氣但又觸手不及的原始生存技能，都可以打破空間限制得到充分的嘗試與體驗，反復(fù)練習(xí)的同時又最大程度降低了糾錯成本，拓展實現(xiàn)了幼兒珍惜勞動果實和勤儉節(jié)約的目標(biāo)。四在藝術(shù)領(lǐng)域中，虛擬教室可以跨時空構(gòu)建出不同地域、不同時期甚至是已經(jīng)滅絕的稀有植物，幼兒通過模擬親臨現(xiàn)場，零距離接觸千奇百態(tài)的自然物種，領(lǐng)略各異自然風(fēng)光和所處歷史背景文化的熏陶，進行自由插花和園藝創(chuàng)作，實現(xiàn)發(fā)散性創(chuàng)新思維培養(yǎng)的拓展目標(biāo)。五在語言領(lǐng)域中，虛擬教室可以通過將思維導(dǎo)圖立體化以實現(xiàn)各要素自由拖拽組詞造句等虛擬闖關(guān)游戲場景來訓(xùn)練幼兒進行“身邊的植物”主題造句，通過模擬“沒有植物的地球?qū)兂墒裁礃幼印庇?xùn)練孩子的想象與演講能力，通過虛擬實訓(xùn)拓展幼兒面對踐踏草坪的路人時如何主動自信上前勸誡和傳遞正能量的溝通與表達(dá)能力。

第二，在平臺數(shù)據(jù)處理方面，將以上“身邊的植物”主題教學(xué)場景構(gòu)建所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行采集和輸入，結(jié)合專業(yè)的虛擬技術(shù)對其進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理，轉(zhuǎn)化后通過數(shù)據(jù)的可視化實現(xiàn)教學(xué)體感的沉浸性，通過虛擬數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建實現(xiàn)教學(xué)場景的構(gòu)想性，通過虛擬空間交互操作實現(xiàn)教學(xué)體驗的交互性。數(shù)據(jù)處理后可以通過專業(yè)的虛擬傳感設(shè)備導(dǎo)出，并呈現(xiàn)出“身邊的植物”教學(xué)所需的虛擬教室、虛擬實訓(xùn)室和虛擬實驗室等多種教學(xué)場景，用來輔助達(dá)成以上五大教學(xué)領(lǐng)域中的基本教學(xué)目標(biāo)和拓展目標(biāo)。

四、總結(jié)

通過分析發(fā)現(xiàn)，VR 技術(shù)與學(xué)前教育的融合開發(fā)可行性程度較高。結(jié)合學(xué)前兒童的生理及心理發(fā)展特點，可以利用VR 技術(shù)打破傳統(tǒng)的教師室內(nèi)授課的種種局限，平掃地域差異造成的教育不均衡[4]，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的整合與共享，最終促進幼兒的可持續(xù)發(fā)展。但是，二者在融合開發(fā)初期過程中，必然會出現(xiàn)技術(shù)上、資源上以及效果上的種種不足。所以，如何建立完善的VR+教育生態(tài)系統(tǒng)來協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)鏈上各要素，從而推動VR 與學(xué)前教育的融合發(fā)展，成為教育從業(yè)者的又一道功課，唯有堅持推進教育教學(xué)改革才能不斷探索科技引領(lǐng)教育發(fā)展的新篇章。