季至宇
摘要:隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛深入,其對(duì)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(guó)高等教育教學(xué)改革發(fā)展的總體要求,實(shí)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(chǎng)景讓課堂及線上教育場(chǎng)景更加豐富、生動(dòng),帶來(lái)的場(chǎng)景化體驗(yàn)、多維情境教學(xué)讓眾多學(xué)生有了獨(dú)特的學(xué)習(xí)體驗(yàn),并且學(xué)習(xí)成效顯著。VR/AR技術(shù)進(jìn)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(jìn)行長(zhǎng)期探索與實(shí)踐,通過(guò)提升教師專(zhuān)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(shí)技術(shù);增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù):教育應(yīng)用
DOIDOI:10.11907/rjdk.172305
中圖分類(lèi)號(hào):G434
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):16727800(2017)010022003
0引言
進(jìn)入信息化時(shí)代,科技革命總會(huì)帶來(lái)令人驚嘆的成果。近年來(lái)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(guó)高度關(guān)注。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality,簡(jiǎn)稱(chēng)VR)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augmented Reality,簡(jiǎn)稱(chēng)AR)是近年來(lái)發(fā)展最快的高新技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)多維空間的虛擬場(chǎng)景,向使用者提供關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多感官的模擬,從而讓使用者仿佛身臨其境,可以隨時(shí)隨地?zé)o限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是利用計(jì)算機(jī)將虛擬信息應(yīng)用到真實(shí)信息中,二者有機(jī)疊加產(chǎn)生新的三維信息,增強(qiáng)人們對(duì)真實(shí)世界的感知與認(rèn)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(guò)智能手段構(gòu)造出純虛擬環(huán)境,為使用者提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官模擬以及意念控制,完全脫離現(xiàn)實(shí)環(huán)境,無(wú)論是游戲還是觀影,更重要的是能幫助人們直觀地認(rèn)識(shí)事物、學(xué)習(xí)知識(shí)。AR技術(shù)是將虛擬放在現(xiàn)實(shí)中,通過(guò)攝像機(jī)拍攝畫(huà)面或輸入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,使虛擬與真實(shí)的信息巧妙地結(jié)合或匹配,進(jìn)行展示與交互,達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。其應(yīng)用如高品質(zhì)VR電影制作與光場(chǎng)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(shí),一個(gè)節(jié)點(diǎn)性事件是2015年9月美國(guó)Magic Leap公司在網(wǎng)上發(fā)布了一段視頻,視頻中一只鯨魚(yú)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn),觀者無(wú)需佩戴3D眼鏡,一切都是裸眼可見(jiàn)。令人稱(chēng)艷的畫(huà)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(yǔ)文試卷的命題作文。
VR/AR技術(shù)實(shí)用化已走過(guò)50多年,隨著技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展、產(chǎn)品成本的降低,特別是近年來(lái)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(kāi)始普及,終于迎來(lái)了實(shí)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(jī)、電視機(jī)、PC到手機(jī),應(yīng)用平臺(tái)離人眼的距離越來(lái)越近,而VR/AR技術(shù)產(chǎn)品化與應(yīng)用將會(huì)是下一代計(jì)算終端的終極形態(tài)。VR/AR技術(shù)的核心是人機(jī)交互,人機(jī)交互的演變從PC到手機(jī)再到移動(dòng)VR眼鏡,未來(lái)可能到視網(wǎng)膜眼鏡,甚至通過(guò)腦電波、皮膚的電流產(chǎn)生一些互動(dòng),實(shí)現(xiàn)通過(guò)眼神、手勢(shì)、語(yǔ)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(jìn)入產(chǎn)品研發(fā)階段,美國(guó)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(tuán)隊(duì)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(gè)相隔萬(wàn)里的人戴上傳感器和VR眼鏡也可在同一個(gè)虛擬世界里互動(dòng)。移動(dòng)VR一體機(jī)的發(fā)展已不再依賴(lài)手機(jī),清晰度更高且重量控制在200多g,假以時(shí)日移動(dòng)VR一體機(jī)能控制在50g以下成為VR眼鏡,且能夠長(zhǎng)時(shí)間佩戴,就可以成為下一代智能終端。
2016年《中國(guó)VR行為用戶行為研究報(bào)告》顯示,中國(guó)VR潛在用戶已經(jīng)達(dá)2.86億,而在過(guò)去一年接觸或體驗(yàn)過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的VR淺度用戶約為1 700萬(wàn)人,購(gòu)買(mǎi)過(guò)各種VR虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的用戶約為96萬(wàn)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(lè)、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(lèi)生活的方方面面,全球正在掀起AR/VR熱潮。面對(duì)這一浪潮,2017年1月,中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)健康有序發(fā)展的意見(jiàn)》,明確提到要加快人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、微機(jī)電系統(tǒng)等新興移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)布局,盡快實(shí)現(xiàn)部分前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)在全球率先取得突破?!兑庖?jiàn)》從戰(zhàn)略高度有針對(duì)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(guó)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(shí)場(chǎng)景下學(xué)習(xí),通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更加真實(shí)的學(xué)習(xí)情境,通過(guò)具體直觀表征形式及生動(dòng)的交互體驗(yàn),讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)會(huì)觀察、探索與實(shí)驗(yàn),從而加深學(xué)生理解知識(shí),激發(fā)學(xué)生興趣,為他們帶來(lái)豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。通過(guò)可穿戴設(shè)備,利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、移動(dòng)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(gè)全新的智慧教育環(huán)境。與此同時(shí),各級(jí)教育主管部門(mén)與學(xué)校之間相繼組織研討會(huì)、交流會(huì)等活動(dòng),提升中小學(xué)教師對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的認(rèn)識(shí),促進(jìn)新科技教學(xué)實(shí)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(dòng)”。研討活動(dòng)中既有小學(xué)校長(zhǎng)匯報(bào)學(xué)校將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于教育教學(xué)的探索與思考,又有任課老師現(xiàn)場(chǎng)示范,直觀展示VR/AR技術(shù)如何在教學(xué)中解決難點(diǎn)問(wèn)題、如何提升課堂效率。
STEAM教育是2016年國(guó)內(nèi)教育領(lǐng)域熱度較高的一個(gè)詞,也是近年來(lái)在國(guó)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(mén)類(lèi),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科技知識(shí)技能、創(chuàng)新思維以及實(shí)踐能力有非常好的幫助。在美國(guó)K12課堂(從小學(xué)一年級(jí)到高中三年級(jí)的12年中小學(xué)教育)中,AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也處在實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用階段[1]。2016年12月,Project Tomorrow發(fā)布一篇針對(duì)圣地亞哥一個(gè)VR應(yīng)用項(xiàng)目的評(píng)估報(bào)告,探討了AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)環(huán)境如何增強(qiáng)學(xué)生在STEAM領(lǐng)域的學(xué)習(xí)意識(shí)與學(xué)習(xí)興趣。應(yīng)用項(xiàng)目選在一所建筑于圖書(shū)館兩層的高中,項(xiàng)目名稱(chēng)叫作STEAMing Ahead with Mobile Learning,考慮到學(xué)生對(duì)情境學(xué)習(xí)更感興趣,項(xiàng)目計(jì)劃利用圖書(shū)館圓頂?shù)莫?dú)特結(jié)構(gòu),為開(kāi)展AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)試點(diǎn)項(xiàng)目、鼓勵(lì)與推動(dòng)STEAM學(xué)習(xí)提供了天然條件,也為學(xué)生帶來(lái)豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。具體做法是,利用移動(dòng)情景感知技術(shù),充分發(fā)揮AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì),在圖書(shū)館內(nèi)部創(chuàng)造出科學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)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(dòng)交換。建筑團(tuán)隊(duì)施工之前先用AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)想出房子的圖案,學(xué)生在圖書(shū)館情境中學(xué)習(xí)STEAM理念時(shí),就可以獲得圖書(shū)館建造知識(shí)。評(píng)估報(bào)告所做的調(diào)查發(fā)現(xiàn):參與學(xué)習(xí)中央圖書(shū)館半球形建筑的相關(guān)知識(shí),學(xué)生將自己的進(jìn)步歸因于移動(dòng)AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)的豐富學(xué)習(xí)體驗(yàn)。大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為,在AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(gè)學(xué)習(xí)過(guò)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(duì)難點(diǎn)知識(shí)的掌握變得容易許多。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間學(xué)習(xí)體驗(yàn),10%學(xué)生表示他們對(duì)STEAM領(lǐng)域更加感興趣;參與項(xiàng)目的教師認(rèn)為,如果與教學(xué)大綱緊密結(jié)合,AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)營(yíng)造的環(huán)境能在更多學(xué)術(shù)領(lǐng)域成功應(yīng)用,進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與效率。endprint
評(píng)估報(bào)告統(tǒng)計(jì),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(jì)算機(jī)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(dá)到11%與9%;6-8年級(jí)學(xué)生中有9%在課堂上體驗(yàn)過(guò)AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),9-12年級(jí)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(duì)教育的影響
高等教育發(fā)展在不同時(shí)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(tīng)教學(xué),再到多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用,無(wú)不看到技術(shù)的推動(dòng)作用[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展,2012年在國(guó)內(nèi)興起的大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程慕課(MOOC),更是掀起了一場(chǎng)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(shí)空、多維立體、真實(shí)與虛擬交融的體驗(yàn),必將帶來(lái)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(jī)能,近距離觀察病理的形成、發(fā)展過(guò)程及對(duì)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(wú)疑生動(dòng)直觀、令人印象深刻。于教育而言,使學(xué)習(xí)具有個(gè)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(rèn)知理論(Situated Cognition)認(rèn)為,大多數(shù)知識(shí)都是人的活動(dòng)與情境互動(dòng)的產(chǎn)物[3]。如果能為學(xué)習(xí)者提供接近于真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境或仿真情境,對(duì)提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)熱情與對(duì)所學(xué)知識(shí)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(shí),而是讓學(xué)習(xí)者自己嘗試直接體驗(yàn)知識(shí),從學(xué)習(xí)知識(shí)到體驗(yàn)知識(shí)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(méi)有精妙的教學(xué)設(shè)計(jì)是很難實(shí)現(xiàn)的。而設(shè)計(jì)的理念、方式方法、手段需要不斷改進(jìn)。有學(xué)者提出,VR支持的學(xué)習(xí)空間交互設(shè)計(jì)模型包括戰(zhàn)略層、結(jié)構(gòu)層、框架層、表現(xiàn)層、體驗(yàn)層[6],這種以層級(jí)遞進(jìn)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(guò)程與目的。
3.2豐富教學(xué)內(nèi)容,提升教學(xué)效果,推動(dòng)傳統(tǒng)教育創(chuàng)新發(fā)展
VR/AR技術(shù)在國(guó)內(nèi)高校與職業(yè)院校中應(yīng)用越來(lái)越廣泛,如外語(yǔ)、醫(yī)學(xué)、影視傳媒、生物、動(dòng)力機(jī)械、水利電力、仿真等課程教學(xué)。特別是在人才培養(yǎng)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)真實(shí)場(chǎng)景下學(xué)習(xí)的部分,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更加直觀真實(shí)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(yàn),讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中觀察、探索與實(shí)驗(yàn),從而加深其對(duì)知識(shí)的理解,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、強(qiáng)化課堂互動(dòng)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(jìn)課程內(nèi)容設(shè)定的虛擬情境中享受真實(shí)感的交流互動(dòng),將遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)課堂上師生之間的問(wèn)與答,VR技術(shù)大大提升了教育效率,同時(shí)降低了實(shí)訓(xùn)成本與風(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握,擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。目前,更多教師都在研究,如何在高度吻合的情況下進(jìn)行VR/AR與課程的無(wú)痕跡轉(zhuǎn)換,更多學(xué)校通過(guò)購(gòu)置硬件設(shè)備、建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)新的智慧教育環(huán)境。
3.3促進(jìn)教師專(zhuān)業(yè)技能提升
未來(lái)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(jì),僅2016年國(guó)內(nèi)高校就建立了200多個(gè)VR實(shí)驗(yàn)室,少部分高校已經(jīng)進(jìn)入VR/AR專(zhuān)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(zhuān)技能力提升成為VR教育領(lǐng)域4大需求[7],而教師專(zhuān)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(gè)好的教學(xué)設(shè)計(jì)不僅僅是情景再現(xiàn)與知識(shí)呈現(xiàn),它要求教師在應(yīng)用VR/AR教學(xué)時(shí),能夠?qū)⒄n程中的難點(diǎn)、疑點(diǎn)設(shè)置成場(chǎng)景性的問(wèn)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(lái)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(shí)空間心理戰(zhàn)。為此,教師需要更加專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支持,學(xué)習(xí)如何在課堂中運(yùn)用AR/VR技術(shù)知識(shí),具有教學(xué)資源開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的能力以及利用媒介與資源解決各類(lèi)教學(xué)問(wèn)題的能力。培育雙師型師資隊(duì)伍、提高教師信息技術(shù)應(yīng)用能力,成為推動(dòng)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(shí),這種提升也會(huì)促進(jìn)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(wèn)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(yǔ)
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(jià)值并不在于技術(shù)炫耀,而是實(shí)實(shí)在在解決教育中存在的問(wèn)題。主動(dòng)式學(xué)習(xí)、場(chǎng)景化體驗(yàn)、多維情境教學(xué),VR/AR教育將會(huì)開(kāi)啟一個(gè)嶄新的教育時(shí)代。雖然有了一些成果,但VR/AR進(jìn)入教育領(lǐng)域的時(shí)間并不長(zhǎng),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(jìn)行長(zhǎng)期探索與實(shí)踐,當(dāng)各級(jí)教育部門(mén)對(duì)VR/AR認(rèn)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(jià)格更加便宜時(shí),VR/AR技術(shù)對(duì)現(xiàn)有教學(xué)體系帶來(lái)極大沖擊甚至顛覆不是不可能。
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