王同聚

（廣州市教育信息中心，廣東 廣州 510091）

虛擬和增強現(xiàn)實（VR/AR）技術在教學中的應用與前景展望

王同聚

（廣州市教育信息中心，廣東 廣州 510091）

2016年被稱為“虛擬現(xiàn)實元年”，虛擬現(xiàn)實作為近年來極為火熱的科技話題，給人們帶來煥然一新的感官享受，激發(fā)了許多關于“虛擬現(xiàn)實+”行業(yè)的發(fā)展想象與前景構想。同時，增強現(xiàn)實的出現(xiàn)，也讓人們獲得了極佳的體驗感。本研究梳理了虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術的起源、概念和應用領域，分析了虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教育中的應用、優(yōu)勢和存在的問題，闡述了虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在創(chuàng)客教育和STEAM教育中的作用，并對未來的發(fā)展前景進行了展望。

虛擬現(xiàn)實；增強現(xiàn)實；VR；AR；創(chuàng)客教育；STEAM教育；人工智能；大數(shù)據(jù)

一、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術的起源、概念和應用領域

（一）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術的起源

2016年被業(yè)界稱為“虛擬現(xiàn)實元年”，可能有人會誤認為這項技術是近年來才發(fā)展起來的新技術。其實不然，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術最早起源于美國，1965年虛擬現(xiàn)實之父伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）在國際信息處理聯(lián)合會（IFIP）會議上發(fā)表的一篇名為《終極的顯示》的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，描述的就是我們現(xiàn)在熟悉的“虛擬現(xiàn)實”，早在虛擬現(xiàn)實技術研究的初期，蘇澤蘭就在其“達摩克利斯之劍”系統(tǒng)中實現(xiàn)了三維立體顯示。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）是指在真實環(huán)境之上提供信息性和娛樂性的覆蓋，它是蘇澤蘭在進行有關頭戴式顯示器的研究中引入的[1]。1966年美國麻省理工學院（MIT）的林肯實驗室正式開始了頭戴式顯示器（HMD）的研制工作。在這第一個頭戴式顯示器的樣機完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。1970年，出現(xiàn)了第一個功能較齊全的頭戴式顯示器系統(tǒng)。1989年，VPL公司的Jaron Lanier提出用“Virtual Reality”來表示虛擬現(xiàn)實一詞，并且把虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)為商品，推動了虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展和應用[2]。虛擬現(xiàn)實技術興起于20世紀90年代。2000年以后，虛擬現(xiàn)實技術在整合發(fā)展中引入了XML、JAVA等先進技術，應用強大的3D計算能力和交互式技術，提高渲染質量和傳輸速度，進入了嶄新的發(fā)展時代。虛擬現(xiàn)實技術是經(jīng)濟和社會生產(chǎn)力發(fā)展的產(chǎn)物，有著廣闊的應用前景。2008年2月，美國國家工程院(NAE)公布了一份題為“21世紀工程學面臨的14項重大挑戰(zhàn)”的報告。虛擬現(xiàn)實技術是其中之一，與新能源、潔凈水、新藥物等技術相并列。為了獲得虛擬現(xiàn)實技術優(yōu)勢，美、英、日等國政府及大公司不惜巨資在該領域進行研發(fā)。

我國虛擬現(xiàn)實技術的研究起步于20世紀90年代初。隨著計算機圖形學、計算機系統(tǒng)工程等的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術得到相當?shù)闹匾暋?016年3月17日全國

兩會授權發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中指出：“大力推進先進半導體、機器人、增材制造、智能系統(tǒng)、新一代航空裝備、空間技術綜合服務系統(tǒng)、智能交通、精準醫(yī)療、高效儲能與分布式能源系統(tǒng)、智能材料、高效節(jié)能環(huán)保、虛擬現(xiàn)實與互動影視等新興前沿領域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，形成一批新增長點。”[3]“虛擬現(xiàn)實”位列其中，同時，投身于虛擬現(xiàn)實的創(chuàng)業(yè)團隊呈爆發(fā)式增長。有人在展望2020年重要新興核心科技的發(fā)展時也把虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術列入當前重要的八項新興核心科技（八項新興核心科技如圖1所示）。國家廣告研究院等多家機構聯(lián)合發(fā)布的《2016上半年中國VR用戶行為研究報告》顯示，2016年上半年國內虛擬現(xiàn)實潛在用戶達4.5億，淺度用戶約為2700萬，重度用戶約237萬，預計國內虛擬現(xiàn)實市場將迎來爆發(fā)式增長。虛擬現(xiàn)實用戶群體以80后、90后為主，集中在26～30歲之間的85后，占比達到28.4%，這與年青一族樂于接觸新鮮事物的特點有關。另外，用戶群體有從北上廣等經(jīng)濟發(fā)達城市逐漸向全國擴散的趨勢[4]。

圖1 當前重要的八項新興核心科技

（二）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的概念、特征和應用領域

1.虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實，是一種基于多媒體計算機技術、傳感技術、仿真技術的沉浸式交互環(huán)境。具體地說，就是采用計算機技術生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗[5]。

虛擬現(xiàn)實具有3I特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、構想性(Imagination)，是一個學科高度綜合交叉的科學技術領域。虛擬現(xiàn)實與人工智能 (AI)技術及其他相關領域技術結合，將會使其還具有智能(Intelligent)和自我演進演化(Evolution)特征[6]。頭戴式虛擬現(xiàn)實設備如圖2所示，用手機掃描圖3二維碼即可觀看虛擬現(xiàn)實視頻介紹。

圖2 頭戴式虛擬現(xiàn)實設備

圖3 虛擬現(xiàn)實視頻介紹二維碼

虛擬現(xiàn)實涉及門類眾多的學科，整合了很多相關技術。虛擬現(xiàn)實是未來科技發(fā)展的方向之一，它可以從人的感覺系統(tǒng)上改變現(xiàn)有的空間感。虛擬現(xiàn)實現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)鏈大致可分為硬件設計開發(fā)、軟件設計開發(fā)、資源設計開發(fā)和資源運營平臺等幾種類別。通過虛擬現(xiàn)實關鍵技術的突破以及“虛擬現(xiàn)實+”的帶動，會產(chǎn)生大量行業(yè)和領域的虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)，為網(wǎng)絡與移動終端應用帶來全新發(fā)展，將會推動許多行業(yè)實現(xiàn)升級換代式的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實可以應用于國防軍事、航空航天、智慧城市、裝備制造、教育培訓、醫(yī)療健康、商務消費、文化娛樂、公共安全、社交生活、休閑旅游、電視直播等領域中。如2016年10月17日中央電視臺運用虛擬現(xiàn)實全息技術直播了“天宮二號”和“神舟十一號”交會對接及其共同建立組合體的過程，采用虛擬追蹤技術，讓“天宮二號”從大屏幕中“鉆”了出來，通過機位的景別變換，觀眾可以直觀地看到”“天宮二號”的數(shù)據(jù)和設計細節(jié)，使觀眾身臨其境地全面了解“神舟十一號”“天宮二號”及其組合體內部構造和控制面板，同時主播文靜還“走進”“天宮二號”實驗室內，逐一向觀眾介紹“天宮二號”的內部結構信息，與傳統(tǒng)的新聞播報相比，電視直播應用虛擬現(xiàn)實技術顯得更加生動活潑，視覺沖擊力更強，觀眾感受更直觀。

2.增強現(xiàn)實技術

增強現(xiàn)實是在虛擬現(xiàn)實的基礎上發(fā)展起來的一種新興技術。增強現(xiàn)實技術基于計算機的顯示與交互、網(wǎng)絡的跟蹤與定位等技術，將計算機形成的虛擬信息疊加到現(xiàn)實中的真實場景，以對現(xiàn)實世界進行補充，使人們在視覺、聽覺、觸覺等方面增強對現(xiàn)實世界的體驗[7]。

增強現(xiàn)實具有三大特點，即虛實結合、實時交互和三維配準[8]。

增強現(xiàn)實具有三種呈現(xiàn)顯示方式，按距離眼睛由近到遠劃分分別為頭戴式（head-attached）、手持式（hand-held）、空間展示（spatial）[9]。增強現(xiàn)實智能眼鏡如圖4所示，掃描圖5二維碼可以觀看Magic Leap 增強現(xiàn)實演示視頻。

圖4 Meta 2 增強現(xiàn)實智能眼鏡二維碼

圖5 Magic Leap 增強現(xiàn)實演示視頻二維碼

增強現(xiàn)實的應用領域非常廣泛。如在教育領域增強現(xiàn)實可以為學生呈現(xiàn)全息圖像、虛擬實驗、虛擬環(huán)境等；在旅游業(yè)增強現(xiàn)實可以幫助游客自助游玩景區(qū)，以虛擬影像的形式為游客講解景區(qū)概況、發(fā)展歷史、人文景觀等內容；在零售業(yè)中增強現(xiàn)實技術可以實現(xiàn)一鍵試穿，在網(wǎng)上銷售中具有極大的應用空間。增強現(xiàn)實在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、市政、電視、游戲、展覽等領域都表現(xiàn)出了良好的應用前景。

3.混合現(xiàn)實技術

混合現(xiàn)實（Mixed Reality，簡稱MR）是虛擬現(xiàn)實技術的進一步發(fā)展，該技術通過在現(xiàn)實場景呈現(xiàn)虛擬場景信息，在現(xiàn)實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。混合現(xiàn)實技術結合了虛擬現(xiàn)實技術與增強現(xiàn)實技術的優(yōu)勢，能夠更好地將增強現(xiàn)實技術體現(xiàn)出來。根據(jù)史蒂夫·曼恩的理論，智能硬件最后都會從增強現(xiàn)實技術逐步向混合現(xiàn)實技術過渡?；旌犀F(xiàn)實技術和增強現(xiàn)實技術的區(qū)別在于混合現(xiàn)實技術通過一個攝像頭讓你看到裸眼都看不到的現(xiàn)實，增強現(xiàn)實技術只管疊加虛擬環(huán)境而不管現(xiàn)實本身[10]。混合現(xiàn)實技術效果如圖6所示，掃描圖7二維碼可觀看混合現(xiàn)實演示動畫和視頻。

圖6 混合現(xiàn)實演示效果圖

圖7 混合現(xiàn)實演示動畫和視頻二維碼

4.擴展現(xiàn)實技術

擴展現(xiàn)實（Expander Reality,簡稱 ER）是人聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的整合，是虛擬現(xiàn)實發(fā)展的高級階段，虛擬現(xiàn)實發(fā)展到擴展現(xiàn)實階段，現(xiàn)實和虛擬的邊界被抹去，人們很難分辨自己是生活在虛擬世界還是現(xiàn)實世界[11]。擴展現(xiàn)實場景如圖8所示。

圖8 擴展現(xiàn)實演示效果

5.虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實、擴展現(xiàn)實的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實、擴展現(xiàn)實四者間的區(qū)別是：虛擬現(xiàn)實的主戰(zhàn)場是“虛擬世界”，人們使用虛擬現(xiàn)實設備探索人為因素所建立的虛擬世界，追求沉浸感，虛擬現(xiàn)實是純虛擬數(shù)字畫面；增強現(xiàn)實的主戰(zhàn)場是“現(xiàn)實世界”，人們使用增強現(xiàn)實設備產(chǎn)生的虛擬信息來提升探索現(xiàn)實世界的能力，具有極強的移動屬性，增強現(xiàn)實是虛擬數(shù)字畫面加上裸眼現(xiàn)實；混合現(xiàn)實是數(shù)字化現(xiàn)實加上虛擬數(shù)字畫面，從概念上來說，混合現(xiàn)實與增強現(xiàn)實更為接近，都是一半現(xiàn)實一半虛擬影像；擴展現(xiàn)實是人聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的整合，是虛擬現(xiàn)實發(fā)展的高級階段，現(xiàn)實和虛擬的邊界將被抹去。

二、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教學中的具體應用

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教學中的應用潛力巨大、前景廣闊，主要體現(xiàn)在運用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術具有激發(fā)學習動機、創(chuàng)設學習情境、增強學習體驗、感受心理沉浸、跨越時空界限、動感交互穿越和跨界知識融合等多方面的優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術的應用，能夠為教育工作者提供全新的教學工具，同時，能激發(fā)學生學習新知識的興趣，讓學生在動手體驗中迸發(fā)出創(chuàng)新的火花。因此虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術應用于教育行業(yè)是教育技術發(fā)展的一個新的飛躍，它營造了自主學習的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式演變?yōu)閷W生通過新型信息化環(huán)境和工具來獲取知識和技能的新型學習方式，符合新一輪教學改革的教育理念，有助于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設備有多種，這里分別介紹各種設備在教學中的具體應用。

（一）頭戴式虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設備在教學中的應用

頭戴式虛擬現(xiàn)實設備一般包含頭戴式顯示器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和其他設備等，分為移動虛擬現(xiàn)實頭盔和分體式虛擬現(xiàn)實頭盔。國外有臉譜、谷歌、微軟、三星等公司的虛擬現(xiàn)實頭盔產(chǎn)品，國內有微視酷、蟻視、暴風魔鏡、中興、樂視、華為、小米等100多種虛擬現(xiàn)實頭盔產(chǎn)品。結合國內外的研究報告以及目前虛擬現(xiàn)實教育實踐情況，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在生物、物理、化學、工程技術、工藝加工、飛行駕駛、語言、歷史、人文地理、文化習俗等教學中均可應用。

學生使用頭戴式虛擬現(xiàn)實設備體驗學習時具有置身真實情境的沉浸式感覺，能給學生以絕佳的真實體驗，使人如身臨其境，讓書本中的內容可觸摸、可互動、可感知。例如地理學科講述關于宇宙太空星際運行的課程時，在現(xiàn)實生活中學生無法遨游太空，如果戴上頭戴式虛擬現(xiàn)實設備，就可以讓學生從各個角度近距離觀察行星、恒星和衛(wèi)星的運行軌跡，觀察每個星球的地表形狀和內部結構，甚至能夠降落在火星或月球上進行“實地”考察、體驗星際之旅等。虛擬現(xiàn)實頭戴設備如圖9所示，手機掃描圖10二維碼觀可看虛擬現(xiàn)實效果視頻。

圖9 虛擬現(xiàn)實頭戴設備

圖10 虛擬現(xiàn)實頭戴設備中宇宙星空體驗二維碼

2016年，微視酷推出了一款虛擬現(xiàn)實課堂教學系統(tǒng)，在國內具有一定的代表性。該教學系統(tǒng)由一臺教師用的平板電腦主控端、多套學生用的虛擬現(xiàn)實眼鏡和IES教育軟件系統(tǒng)構成。系統(tǒng)具備一鍵操控、一鍵統(tǒng)計和一鍵打印功能，教師可根據(jù)教學進度需求，隨時控制學生虛擬現(xiàn)實眼鏡教學內容。微視酷開展了“VR課堂1工程”計劃，跨越了全國多個省市。其中在陜西省榆林市高新小學呈現(xiàn)的“神奇星球在哪里”虛擬現(xiàn)實示范教學觀摩課情景如圖11所示[12]。虛擬現(xiàn)實把學生從現(xiàn)實帶到了虛擬世界，虛擬現(xiàn)實技術讓學生成了一名宇航員，讓學生看到了許多平?？床坏降臇|西，與傳統(tǒng)的課堂相比，虛擬現(xiàn)實課堂讓學生獲得身臨其境的感受，有利于學生發(fā)揮想象力，能更直觀地呈現(xiàn)授課內容，提高學生學習的積極性。

圖11 觀摩課情景

頭戴式增強現(xiàn)實裝置代表產(chǎn)品有微軟HoloLens、Magic Leap和Meta 2等，均有酷炫的體驗感，能夠讓使用者在任何地方觀看虛擬電視，甚至可以把影像投影在墻上、手機屏幕或者面前的空氣中，這些增強現(xiàn)實設備應用將取代所有的“顯示器和屏幕”。以HoloLens頭戴式增強現(xiàn)實設備為例（如圖12所示），其主要硬件由全息處理單元（CPU+GPU+HPU）、光學投影系統(tǒng)（Lcos微投影儀+光導透明全息透鏡）、攝像頭與傳感器部分（6個攝像頭+慣性傳感器+環(huán)境光傳感器等）、存儲部分、其他部件（耳機+麥克風+電池+結構件）等組成。學生在使用HoloLens后，就可以扔掉電腦和手機，不用鍵盤、鼠標和顯示屏幕，雙手在空氣中操作即可完成現(xiàn)在人們在電腦和手機上的所有操作，懸空操作即可完成機器人的3D建模設計任務，如圖13所示。

圖12 HoloLens增強現(xiàn)實頭顯設備

圖13 用HoloLens進行機器人3D建模

（二）桌面式虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實設備在教學中的應用

桌面式虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實設備具有代表性的產(chǎn)品是美國zSpace公司的虛擬現(xiàn)實教育一體機，美國從2013年開始使用，現(xiàn)在使用的zSpace Z300為第三代產(chǎn)品。根據(jù)美國最新的《新一代科學教育標準》，zSpace開發(fā)出了包含 2～12 年級多門學科的課件，課件分布在六款軟件之中，教師可采用系統(tǒng)平臺自帶課件實施教學計劃，也可創(chuàng)造性地自主開發(fā)新課件。zSpace不僅可以成為教學工具，還為學生、老師提供了豐富的素材資源。在美國的小學、中學和大學有250多所學校上萬名學生正在使用zSpace STEAM實驗室課件來進行學習。我國的云尚互動公司2015年年底將zSpace Z300引入中國，2016年4月“智創(chuàng)空間”獲贈6套該設備用于創(chuàng)客教育和STEAM教育的推廣普及，至今共有2700多人次來體驗學習。zSpace Z300的內容覆蓋了小學、初中和高中的生命科學、數(shù)學、物理、化學、歷史、地理、地球與空間科學、藝術等多個學科，課件總數(shù)達440多個。該平臺還提供課件資源開發(fā)系統(tǒng)，教師可以根據(jù)需要將stl、obj等格式的3D模型文件導入系統(tǒng)，同時可以加入文本、圖片、聲音和視頻文件，教師可以像制作PPT課件一樣進行修改和自主開發(fā)能夠在Z300平臺上運行的課件資源。Z300平臺的使用方法有兩種：一種是戴上3D眼鏡（含追蹤和非追蹤眼鏡），戴追蹤眼鏡者用激光筆操作，其他人戴上非追蹤眼鏡都可以看到3D虛擬現(xiàn)實效果；另一種是增加一個全息攝像頭和平板電腦（或投影），將Z300設備的3D影像疊加投射到平板電腦上即可呈現(xiàn)出裸眼3D的增強現(xiàn)實效果。

（三）手持式虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實設備在教學中的應用

手持式增強現(xiàn)實設備多采用移動設備與APP軟件相結合的方式。APP有視+AR、AR、4D書城、幻視、視視AR、尼奧照照等，另外有多種增強現(xiàn)實圖書都有相配套的APP，如《機器人跑出來了》《實驗跑出來了》《恐龍爭霸賽來了》這套“科學跑出來”系列增強現(xiàn)實科普讀物有iRobotAR、iScienceAR、恐龍爭霸賽來了等多個APP，它們的原理都是采用手機攝像頭獲取現(xiàn)實世界影像，通過手機在現(xiàn)實世界上疊加虛擬形象的形式，實現(xiàn)增強現(xiàn)實的特殊顯示效果。有的APP中提供了豐富的教育資源，如安全教育、科普讀物、識字卡片、益智游戲等，特別適合兒童教育。使用方法有兩種：一種是手機APP與相配套的紙質圖書一起使用，用手機攝像頭掃描圖書上的圖片，在手機屏幕上即可呈現(xiàn)出如圖14的演示效果；另一種使用方法是運用APP下載增強現(xiàn)實資源并與外界實景疊加即可呈現(xiàn)出如圖15的演示效果。增強現(xiàn)實特效非常逼真，利用這些APP進行學習，學習過程具有真實感、體驗感、沉浸感，增強了學生學習知識的興趣，可以達到寓教于樂的教學效果。

圖14 恐龍爭霸掃描圖片顯示效果

圖15 4D書城虛擬與實景疊加效果

三、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術在教學中應用的優(yōu)勢分析

（一）虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術為學生自主學習提供了有利條件

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實教學資源存在形式多種多樣，根據(jù)采用的設備不同，可以將教學資源保存在網(wǎng)絡運營平臺、桌面式設備、移動設備和紙質圖書里，學生可以在不同的地方采用不同的設備調用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實教學資源進行隨時隨地的自主學習。如果學生在課堂上有些知識點未能掌握，可以重新學習一遍，增加對知識的鞏固和理解，有時學生因為特殊原因未能在課堂上學習，也可以課后彌補，同時可以將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設備作為載體采用“翻轉課堂”或“微課導學”教學模式[13][14]組織教學，為學生提供自主學習條件，教師也可以從繁重的重復性講解中解脫出來，有針對性地為學生答疑解惑，有助于傳統(tǒng)教學方式的變革。

（二）虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術為學生提供更加真實的情景

在傳統(tǒng)的教學課堂上，知識的傳輸主要通過文字、圖片、聲音、動畫和視頻的形式呈現(xiàn)。遇到比較復雜的情況，比如數(shù)學課的立體幾何、地理課的天體運動、物理課的磁力線和電力線、化學課的微觀粒子結構、生物課的細胞結構等，教師用語言很難把這些知識點表達得非常清晰，同時由于每個學生的理解力不同，教學效果也會因人而異，甚至初次學習這些知識的學生會得到“盲人摸象”般的感受。而采用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術組織教學，三維立體效果的呈現(xiàn)可以彌補這樣的缺憾，能夠把知識立體化，把難以想象的東西直接以三維形式呈現(xiàn)出來，讓學生直觀感受到文字所表達不出來的知識，真實的情景可以幫助學生對知識的理解和記憶，使學生的想象變得更加豐富。

（三）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術能提高學生的學習興趣

由于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術具有視覺、聽覺和觸覺一體化的感知效果，學生具有真實情境體驗、跨越時空界限、動感交互穿越的感受，能身臨其境般在書海里遨游，讓書本中的內容可觸摸、可互動、可感知。身臨其境的感受和自然豐富的交互體驗不僅極大地激發(fā)了學習者的學習動機，更給學習者提供了大量親身觀察、操作以及與他人合作學習的機會，促進了學生的認知加工過程及知識建構過程，有利于實現(xiàn)深層次理解[15]。傳統(tǒng)的學習方式讓很多學生覺得枯燥乏味，為了應付考試不得不去死記硬背，但很多知識學生考完之后很快會忘得一干二凈，而采用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術組織教學，新穎的學習方式和豐富多彩的學習內容能夠極大地提升課堂教學的趣味性，生動形象的場景會加強學生的記憶，激發(fā)學生的學習興趣。“興趣是最好的老師”，興趣也是學生學習新知識的不竭動力。

（四）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術應用能促進優(yōu)質資源均衡化

我國幅員遼闊，地區(qū)之間貧富差距較大，存在教學資源分配不均的情況。經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)無論是軟硬件配置，教學師資和教學資源都非常豐富，而經(jīng)濟落后、地域偏遠的山村學校學生連接受最基本的教育都難以實現(xiàn)。各級政府和教育主管部門都在大力推進教育均衡發(fā)展，加大教育投資力度，而虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術應用將是解決城鄉(xiāng)教育資源不均衡問題的一把金鑰匙，有利于緩解教育資源兩極分化，擴大優(yōu)質資源的分享范圍，能讓教育資源不再受限于地區(qū)和學校，讓教育發(fā)達地區(qū)的名教師通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實課堂走進山村學校，能通過整體優(yōu)化教育資源配置，來縮小城鄉(xiāng)差距，實現(xiàn)教育公平，同時這也是教育扶貧的較佳途徑。

四、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教學應用中存在的問題

雖然虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教學中的應用可以改變傳統(tǒng)的教學方式、提高學習興趣、實現(xiàn)教育均衡發(fā)展，但虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術發(fā)展還處在初級應用階段，在技術瓶頸、資源開發(fā)、教學內容和推廣普及等方面還存在很多問題。

（一）虛擬現(xiàn)實設備應用中的眩暈問題

人們在使用虛擬現(xiàn)實設備時會出現(xiàn)眩暈感，從硬件結構來看，由于現(xiàn)在的科技還無法做到高度還原真實場景，許多用戶使用配置達不到要求的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品時會產(chǎn)生眩暈感；虛擬現(xiàn)實界面中的視覺反差較大，實際運動與大腦運動不能夠正常匹配，影響大腦對所呈現(xiàn)影像的分析和判斷，從而產(chǎn)生眩暈感；虛擬現(xiàn)實設備的內容有相當一部分資源是從PC電腦版上移植過來的，UI界面不能很好地匹配虛擬現(xiàn)實設備，不同的系統(tǒng)處理上也無法達到協(xié)調統(tǒng)一，畫面感光線太強或太弱都不能讓用戶接受；虛擬現(xiàn)實設備幀間延遲跟不上人的運動，會有微小的延遲感，當感官與幀率不同步時也會讓使用者產(chǎn)生眩暈感。

（二）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教學中資源短缺

目前虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)剛起步，軟硬件設施不完備，開發(fā)人員技術力量不足，很多學校未配備虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設備；中小學校的很多教師還沒有接觸過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實，不知道如何在教學中應用，更談不上如何去開發(fā)虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實教學資源。因此，針對中小學教學所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實資源很少，課程資源短缺是虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實在中小學推廣的最大瓶頸。但隨著虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術的迅猛發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術應用于教學勢在必行，未來虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教學中的應用勢必帶來課堂教學方式的顛覆性改變。

（三）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實教學平臺和資源的設計重形式輕內容

當前很多虛擬現(xiàn)實教育平臺都只是在一個3D視頻或虛擬現(xiàn)實軟件游戲的基礎上構成虛擬現(xiàn)實教學。雖然學生在虛擬世界玩得津津有味，課堂氣氛很活躍，學生互動、交流和討論很熱烈，表面上看學生得到了沉浸式的體驗感，但是有些虛擬現(xiàn)實教育平臺所提供的知識點講解還停留在現(xiàn)實世界中，課本內容的單調、枯燥并沒有因軟件的存在而得到緩解，知識要點的講解沒有變得更加生動、有趣和有針對性，這種只重視形式而不重視內容、教與學完全脫節(jié)的虛擬現(xiàn)實課堂只能稱為“偽虛擬現(xiàn)實課堂”。

（四）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設備價格較高和技術條件限制導致普及困難

企業(yè)的前期研發(fā)成本較高、設備銷售量較少，導致多數(shù)虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設備銷售價格居高不下，很多學校因資金問題望而卻步，無力購買售價高昂的虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設備，進而導致虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在學校的推廣普及步履艱難。如zSpace Z300剛引入我國時每臺售價20多萬元，微軟的HoloLens還未上市，公布的預售價在每臺2萬元以上，普通頭戴式虛擬現(xiàn)實設備的價格也在2000～5000元之間。大多數(shù)虛擬現(xiàn)實軟件普遍存在語言專業(yè)性較強、通用性較差和易用性差等問題。受硬件局限性的影響，虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)花費巨大且效果有限。另外在新型傳感應用、物理建模方法、高速圖形圖像處理、人工智能等領域，都有很多問題亟待解決。三維建模技術也需進一步完善，大數(shù)據(jù)與人工智能技術的融合處理等都有待進一步提升。以上諸多原因的存在制約了虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在中小學教學中的推廣和普及。

五、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教學應用中的前景展望

（一）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術發(fā)展對未來教學形式的影響

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，在云計算、霧計算、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能突飛猛進的新時代背景下，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術與人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)融合，將會讓虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術應用如虎添翼。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司的預測，未來一年里，在以消費者為導向的全球2000強公司中，預計有30%的企業(yè)將在營銷活動中試驗虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術。2021年時，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術將獲得大規(guī)模應用，全球會有超過10億人通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實平臺經(jīng)常訪問應用程序、內容和數(shù)據(jù)[16]。

隨著虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實軟硬件設備的性能提升和價格降低，會有更多的教育投資公司開發(fā)出更加豐富多彩的教學資源，讓虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術快速走進中小學課堂，在教學中大面積應用普及。依托其具有的沉浸性、交互性、構想性、虛實結合、實時交互和三維配準等超級體驗感的優(yōu)勢，教師的教學方式和學生的學習方式都將會發(fā)生改變。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教學中的應用普及將會顛覆傳統(tǒng)的教育方法和教學形式，具有巨大的應用潛力與應用前景。

（二）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術發(fā)展對未來教學效率的提升

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術與教育的結合，將會提高未來課堂的教學效率。因為傳統(tǒng)教學模式是教師面向全班同學以灌輸式、無差異的方式組織教學，而采用虛擬現(xiàn)實技術教學將使課堂教學采用個性化、自主式、體驗式的方式組織教學，通過因材施教，每一位學生都可以在虛擬環(huán)境中，個性化地聽老師為自己講課，還能與虛擬環(huán)境中的老師互動交流。傳統(tǒng)課堂為一人講多人聽，而虛擬現(xiàn)實課堂則相當于每個學生面前都有一位自己的老師。同時增強現(xiàn)實技術還可以將靜態(tài)的文字、圖片讀物立體化，增加閱讀的互動性、趣味性和真實感，創(chuàng)設現(xiàn)實情境，通過3D模型使抽象的學習內容變得形象化、微觀的學習內容變得可視化、復雜的學習內容變得簡單化，幫助學生理解和識記抽象的概念。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實作為教育工具應用在課堂上，將為學生展現(xiàn)一個能夠交流互動的虛擬世界，既能滿足學生的體驗感和好奇心，又能以創(chuàng)新的方式傳授知識，從而可以大大提升教師的教學效果、激發(fā)學生的學習興趣、提高學生的學習效率。

（三）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術發(fā)展對未來教學的創(chuàng)新

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術能為學生提供多種形式的數(shù)字內容和虛實結合的情景化的學習環(huán)境，增強了學生在學習中的存在感和沉浸感。通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術能夠將虛擬場景與現(xiàn)實世界相結合，通過穿越時空的方式進行交流互動，增強了學生的動手操作能力，提升了學生的感性認識和真實體驗，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)了學生自主探究和自主學習的能力。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術是多種先進技術的應用和多學科知識的匯聚與融合，是創(chuàng)客教育和STEAM教育的較佳載體，將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術應用于教學中，為學生的創(chuàng)客學習創(chuàng)造了條件，學生在創(chuàng)客空間里利用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術通過主動探索、動手實踐、創(chuàng)新設計、跨界融合來學習新知識和掌握新技能，利用先進的虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術為載體開展創(chuàng)客教育和STEAM教育，學生在虛擬與現(xiàn)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(chuàng)”[17]，能夠拓展發(fā)散性思維，迸發(fā)出更加豐富的創(chuàng)新火花，創(chuàng)意“智”造出更加豐富的創(chuàng)客作品。新一輪教學改革已經(jīng)到來，“中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)”總體框架正式發(fā)布（如圖16所示），其中實踐創(chuàng)新作為六大綜合表現(xiàn)之一被提出。而虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在教學中的應用正是一種教學模式的創(chuàng)新，將有助于推動教學改革的進程，有助于創(chuàng)客教育和STEAM教育普及，有助于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

圖16 核心素養(yǎng)框架

六、結束語

人工智能、大數(shù)據(jù)分析與虛擬教育（VR教育）被稱為影響未來的三大科技創(chuàng)新方向。未來的虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術將結合更多高新科技元素如人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)和移動技術等，而隨著虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術的發(fā)展，其在教育領域的發(fā)展前景也將會越來越廣闊。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實學習環(huán)境帶給我們的不僅僅是一個技術平臺或工具，更會孕育出一種新型的教學模式和教學方法。將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術廣泛地應用到課堂教學中，對于貫徹落實教育部關于“發(fā)展未來學?！焙汀爸腔壅n堂改革”的設想有重大意義。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術能夠將虛擬對象與真實環(huán)境相融合，通過其較強的交互性能給學生帶來更多的學習樂趣，并為學生提供一種新的學習媒體和學習體驗，促使學生在愉悅的狀態(tài)下進行移動學習、自主學習、項目學習和創(chuàng)客學習。依托虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術為創(chuàng)客教育的載體，能讓學生通過自主探究、跨界融合、團隊協(xié)作、開拓創(chuàng)新來提升核心素養(yǎng)。讓虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術與教育完美結合，快速走進中小學課堂，將為開啟未來教育創(chuàng)新之路做出巨大貢獻。

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(責任編輯 孫震華)

Application and Prospect Forecast of VR/AR Technology in Education

WANG Tongju
（Guangzhou Educational Information Center,Guangzhou,Guangdong,China 510091）

2016 is called "the first year of virtual reality(VR)".As the hottest topic in the field of science and technology in recent years,VR has brought people a brand-new sensual enjoyment,stimulating a lot of "VR+"industry related development imagination and prospect vision.Meanwhile,the advent of augmented reality(AR) has also brought people tremendous sense of experience.This study first examines the origin,concept and application field of the VR/AR technology.Next,it analyzes the application,merits and problems of the VR/AR technology in education.Then,it elaborates the functions of the VR/AR technology in maker education and STEAM education.Finally,it puts forward the prospect forecast of its future development for the VR/AR technology.

virtual reality;augmented reality;maker education;STEAM education;artificial intelligence;big data

G434

A

2096-0069（2017）01-0001-10

2017-01-07

王同聚（1968— ），男，河南泌陽人，碩士生導師，中學高級教師，智創(chuàng)空間創(chuàng)始人，研究方向為智能機器人創(chuàng)客教育、STEAM教育、教育信息化應用等。