呂 云，洪玉潔，孫 偉

（成都威愛新經(jīng)濟技術研究院有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

將虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality Technology）應用于教育可以追溯到20 世紀80 年代。VR 技術自2000 年得到了迅猛發(fā)展[1]。虛擬現(xiàn)實VR應當包含更為廣義的AR（增強現(xiàn)實）和MR（混合現(xiàn)實）。在許多情況下，人們把它們統(tǒng)稱為XR。一些發(fā)達的西方國家紛紛設立了相關研究項目。相比較，國內相關的研究和應用還停留在較為初始的階段。Burdea G 和Philippe Coiffet 在1994 年提出了虛擬現(xiàn)實的3 個基本特征：想象性（Imagination）、交互性（Interaction）和沉浸性（Immersion）[2]，即虛擬現(xiàn)實的3I 特征。虛擬現(xiàn)實技術能夠幫助顛覆傳統(tǒng)教學內容的學習方式，讓學生在虛擬的環(huán)境中與教學內容互動，解決傳統(tǒng)課堂中互動性、情境性、沉浸性不強的問題，在教學實踐中擁有廣闊的應用前景。

“威愛教育”（簡稱“威愛”）團隊在過去的幾年時間里，對虛擬現(xiàn)實應用到教育領域以及未來教育做了一些探索。2016 年，“威愛教育”發(fā)布全球首個VR 一體化教育解決方案，為各學科創(chuàng)新課堂學習和技術技能訓練提供解決方案，目前已被美國加州大學伯克利分校、哈佛大學等世界頂級名校認可并部署，并在國內的清華大學、北京航空航天大學、廈門大學、東北大學等高校以及北京市十一中、人大附中、清華附小、成都泡桐樹小學等800 多所義務教育中小學校師生運用。

2018 年，“威愛VR 智慧開放教室”成功入選英特爾全球未來智慧教室最佳推薦案例（全球3 個入選，亞洲唯一）。同時，威愛攜手中國兒童少年基金會開啟“VR 新視界·點亮計劃”公益項目，利用VR/AR 前沿技術為貧困地區(qū)引入優(yōu)質的教育資源，助力當?shù)亓x務教育信息化的跨越式發(fā)展。2018 年秋，首個項目正式在遵義落地并啟動，該地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級以上620 余所義務教育中小學校及百萬師生從中受益；威愛聯(lián)合東北大學打造核物理綜合實驗被認定為“2018 年度國家虛擬仿真實驗教學項目”。

我國移動通信技術正處在高速發(fā)展的狀態(tài)，2019 年是“5G”商用元年，目前正在全國普及。“以科技賦能教育，促進教育優(yōu)質均衡”，在5G（以及未來的6G 或未來網(wǎng)絡技術）的支持下，VR 教育擁有更為廣闊的發(fā)展前景和應用空間。5G 的“大帶寬”優(yōu)勢能夠提供超高的數(shù)據(jù)傳輸速率[3]，廣覆蓋下的移動性保證，能夠支持VR高清教學音視頻的實時傳輸，易于打造“身臨其境”的沉浸式教學體驗，幫助學生更好捕捉課堂細節(jié)。此外，5G 超穩(wěn)定的廣域數(shù)據(jù)傳輸，能夠讓遠程多課堂即時通訊成為可能，讓身處天南海北的學子，通過高速、高清、實時的傳輸，實現(xiàn)跨地域的優(yōu)質教育資源共享，在提高教育資源應用效率的同時，進一步消除教育的不均衡矛盾，成為解決教育均衡問題的關鍵技術手段。

1 虛擬現(xiàn)實對教育均衡化的重要作用

由于歷史因素、經(jīng)濟水平發(fā)展不均等原因，中國教育具有較為嚴重的城鄉(xiāng)差異和區(qū)域差異問題，不利于教育的均衡發(fā)展，這也是阻礙我國教育進步的主要因素。教育機構及學校教育資源存在嚴重不均衡現(xiàn)象。長江三角洲地區(qū)所開展的“網(wǎng)絡結對計劃”，便是通過結對方式，利用城市學校教育資源優(yōu)勢，對農(nóng)村教育資源進行補充和完善，以此促進城鄉(xiāng)教育資源均衡[4]。

眾所周知，虛擬現(xiàn)實的沉浸性可以讓用戶對虛擬空間產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實課堂讓用戶感覺自己仿佛置身于遠端的教室中，和遠端的學生一起學習，共享優(yōu)秀的教師資源。所有的老師和學生還可以在虛擬空間里互動交流，教師可以學習到教學的技巧，增強自身教學能力。虛擬現(xiàn)實技術沉浸性、互動性和情境性強的優(yōu)勢，使其能夠從不同角度和不同層面促進教育均衡發(fā)展。下面是我們過去3 年多實踐的幾個典型案例，這些虛擬現(xiàn)實教育應用都在多個學校得到部署，較好地解決了一些地區(qū)教育資源不均衡的問題。

2 一個5G+XR虛擬現(xiàn)實智慧教育解決方案

經(jīng)過3 年多的努力，威愛研發(fā)中心團隊和中國移動5G 研究院密切合作開發(fā)出了一種未來教室形態(tài)，全面支持5G 應用（支持多路4K/8K 高清）和XR 應用（沉浸式教學）。這個教室被全球最大的5G 運營商中國移動集團在全球范圍競選后選擇作為中國移動5G+XR 智慧教育標準教室和教育解決方案，目前已經(jīng)在全球推出。2018 年Intel 公司開啟全球搜尋“未來教室”的活動，這個教室入選全球三大“未來教室”，亞太地區(qū)唯一。這個教室/智慧教育解決方案已經(jīng)成功部署到了百余所大學和職業(yè)學院，包括加州大學伯克利分校、哈佛大學、東北大學、廈門大學、茅臺學院等；教室已經(jīng)成功部署到了800 多所中小學。這個項目受到媒體的高度關注，獲得CCTV 等一大批媒體的多次重點報道。在國家5G 牌照頒發(fā)日當日國資委、中國移動集團發(fā)布的新聞稿中，這個項目也被作為最重大的項目列在最顯著的位置。

5G+XR 智慧教育解決方案如圖1 所示，由至少1 個直/錄播授課教室+N 個接收教室組成，利用5G 技術高速率、低延時、大容量的特點，將授課教室的實時上課畫面通過5G+XR 教室核心終端傳輸?shù)浇邮战淌?，再利用虛擬現(xiàn)實技術讓接收教室學生進行多視角的沉浸式教學，讓遠在千里之外的學生也可以近距離觀看教師的實驗操作、重難點講解。授課教室的老師也可利用5G+XR 教室核心終端實時查看接收教室的情況，進行實時互動。

圖1 “5G+XR”智慧教育解決方案架構圖

通過5G+XR 教育公共服務云平臺（云端教學管理/存儲系統(tǒng)）可實現(xiàn)兩端教室實時分發(fā)各類教學資源與應用，讓異地多校多人同時進行實時測評、實時匯總學習情況和教學數(shù)據(jù)成為可能。

2.1 5G+XR直/錄播授課教室

5G+XR 直/錄播授課教室主要是建設優(yōu)質教學資源直播/錄播源，讓名師名校授課過程通過該教室得以直播和錄播。5G+XR 接收教室多視角直播/錄播課程示例如圖2 所示。

圖2 5G+XR接收教室多視角直播/錄播課程示例

該教室通過搭配多路高清（全景和平面）直播錄播系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實頭顯、5G+XR 智慧教室終端等軟硬件設備實現(xiàn)直/錄播授課教室上課過程多角度、全方位地展示給接收教室端，不僅可以實現(xiàn)遠程直播、實時互動，還可將日常上課過程進行錄制，以此形成大批量的多路高清教學視頻資源上傳到5G+XR 教育公共服務云平臺上，供全國各地其他學校師生學習和參考。5G+XR直/錄播授課教室效果圖示例如圖3 所示。

2.2 5G+XR接收教室

5G+XR 接收教室是相對于直/錄播教室而言的，主要接收直/錄播教室直播申請，與授課教室所有學生同步進行教學授課，也可以自行在5G+XR 教育公共服務云平臺上查找相關教學資源，戴上虛擬現(xiàn)實頭顯，學生們就能體驗到多視角的教學體驗，如圖4 所示。

圖3 5G+XR直/錄播授課教室效果圖示例

2019 年3 月28 日威愛和中國移動利用5G+XR 技術，使得涼山州昭覺縣解放鄉(xiāng)中心校實現(xiàn)與成都名校泡桐樹小學師生同步學習。2019 年6月6 日國務院國資委在中國移動5G 牌照發(fā)放日上的新聞稿也以這個活動作為5G 重大應用案例。

3 人工智能英語老師機器人

經(jīng)過3 年的努力，威愛研發(fā)中心團隊開發(fā)出AI 老師機器人系統(tǒng)，于2019 年2 月成功推出商業(yè)服務，其目標是幫助英語教師授課，幫助學生學習英語和支持學生個性化英語學習。該系統(tǒng)的主要特點包括學生英語發(fā)音自動評估打分（基于騰訊、百度和訊飛的相關引擎和服務）、錯誤讀音標示和糾正訓練等。該系統(tǒng)在英語的聽、說、讀方面目前已經(jīng)超越絕大多數(shù)英語教師的能力，尤其是義務教育階段中鄉(xiāng)村英語教師。預期在以后的幾年內，AI 英語教師機器人在聽、說、讀、寫方面將全面超越英語教師。相關學術研究和我們通常的實踐認知都要求英語學習需要在真實環(huán)境下學習，而VR 是最有效的工具，營造真實語境環(huán)境來支持教師教學和學生自學。機器人的快速發(fā)展導致我們人類達成了共識：機器人將毫無疑問替代藍領簡單重復性的勞動。中國在過去40 年的發(fā)展受惠于大量廉價藍領勞動力的供應。AI 機器人，尤其在5G 開始廣泛部署和應用的加速下，正在快速替代許多簡單教師的工作。這個未來教育的趨勢不可逆轉。

威愛聯(lián)合電子科技大學基于AI 老師機器人系統(tǒng)共建了創(chuàng)新的沉浸式虛擬仿真情境口譯實訓與智能評測實驗項目，能夠為外語學院口譯類課程師生提供豐富口譯實訓虛仿情境，并通過AI技術提供口譯自動評測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等多維度輔助能力。未來還將繼續(xù)拓展多個專業(yè)學科的虛擬仿真人工智能創(chuàng)新融合，提供更為豐富的跨平臺語言實驗實訓。

目前全國已有20 多所大學和職業(yè)學院部署使用威愛AI 老師機器人系統(tǒng)，600 多所中小學部署這個系統(tǒng)，8 000 個中小學英語教師接受了培訓。全國三大語言出版社之一北語社的全國交流會也采用了這個教學系統(tǒng)。

4 教育扶貧與教育均衡

貴州遵義市是一個欠發(fā)達地區(qū)，有800 多萬人口。為促進遵義中小學生教育均衡發(fā)展，推動先進的教育科學技術和教學方法在遵義落地推廣，落實科技公益項目，中國兒童少年基金會、遵義市人民政府、威愛教育于2018 年9 月19 日簽署了《“VR 新視界·點亮遵義”教育均衡科技扶貧項目合作框架協(xié)議》，在每個遵義市鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以上的公辦義務教育階段中小學（共約630 多所）部署一套“威愛移動式虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)（含50個VR 課件等）”，并在以后的3 年內，免費提供所有已捐贈的VR 課件的升級和維護，以及免費提供技術支持服務，同時開展鄉(xiāng)村教師培訓。截止2019 年8 月，全部的部署完成，遵義市4 000人次的教師得到培訓。

5 VR應用提升學生注意力，提高學生專注力，提高教學有效性

沉浸式VR 教學環(huán)境相對于傳統(tǒng)教學環(huán)境更有助于學生集中學習注意力，不受周邊情況的影響。學生課上課下不專注是學習失敗的最主要原因之一。威愛實施的注意力量化測試和專注力訓練（VR 色詞挑戰(zhàn)訓練）應用將有效幫助檢測學生注意力缺乏癥和訓練學生提高注意力。VR色詞挑戰(zhàn)訓練內容利用色彩文字干擾的方式并結合虛擬現(xiàn)實技術為體驗者提供注意力訓練內容。色彩文字干擾的訓練方式源于1935 年美國心理學家John Riddly Stroop 發(fā)現(xiàn)的Stroop 效應，即字義對字體顏色的干擾效應。VR 色詞挑戰(zhàn)訓練內容設計了一個相對不受外界干擾的沉浸式空間環(huán)境，采用不同顏色的物體加上字形、字色、字音等干擾元素，以達到訓練提升體驗者注意力的目的[5]。行為實驗表明，注意力水平和學習焦慮成負相關，提升注意力有助于降低學生學習焦慮，提升學習效果；心理行為實驗表明，基于Stroop 實驗范式的注意力訓練能夠提高注意力水平，降低無關信息帶來的干擾，提高學習效率；腦認知科學實驗表明，注意力訓練能夠幫助學生提高認知控制能力，此種能力在學習中扮演著非常重要的角色，有助于提升老師教學效果。

5.1 相關研究工作

VIVE Immersive Lab（中國）聯(lián)合佐賀大學（Saga University）進行了一項“沉浸式環(huán)境對學生專注度的影響”研究，研究人員發(fā)現(xiàn)沉浸式的VR 環(huán)境能讓學生更好地集中注意力（專注度）[6]。研究小組通過觀察和分析在虛擬環(huán)境下的學生腦電波信息發(fā)現(xiàn)：學生在沉浸式VR 環(huán)境中學習專注度（THETA 分心波、SMR 注意力以及Hi-beta緊張波）是傳統(tǒng)學習環(huán)境的6 倍[6]，并且在沉浸式VR 環(huán)境中學習的學生增強了獲取知識的能力以及保留知識的能力。虛擬現(xiàn)實可以給人創(chuàng)造一個生動、逼真、身臨其境的環(huán)境，更容易給學生留下深刻的印象。大腦很容易記住直觀和容易理解的東西，這是大腦的本能反應。沉浸式教學就是對大腦投其所好。

5.2 VR注意力訓練課程設計

VR 注意力訓練課程設計了一個相對不受干擾的沉浸式空間環(huán)境，利用不同顏色的行星運動加上字形、字色、字音等元素訓練體驗者的注意力，模塊分為字形測試和字色測試，同時加入相對運動、行星顏色和字音實現(xiàn)干擾，在規(guī)定的時間下測試記錄體驗者的準確率及反應時間，并對不同的測試結果作對應的解讀和分析。

該課程設計了幾個關鍵訓練元素：行星（有時間限制的、運動的、不同顏色的）、文字意思（如紅、綠、黃）、字體顏色、文字讀音，4 種干擾元素互相配合以加強注意力訓練的效果，如圖5 所示。VR 注意力訓練課程在幫助學習者提升專注力問題上起到了良好的效果。

6 5G+XR虛擬仿真教學項目

2017 年7 月13 日，教育部下發(fā)《教育部辦公廳關于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，要求虛擬仿真實驗教學項目的研發(fā)要以完成教學要求和內容為目標，綜合應用多媒體、大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能、人機交互、傳感器、超級計算、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云計算等網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化技術手段，提高實驗教學項目的吸引力和教學有效度；要求在2017—2020 年間要建設1 000 項示范性虛擬仿真教學項目，還將依托國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，對國家虛擬仿真實驗教學項目的對外聯(lián)通和服務進行持續(xù)監(jiān)管，以促進優(yōu)質的虛擬仿真教學資源共享，促進優(yōu)質教育均衡化發(fā)展。

示范性虛擬仿真實驗教學項目主要是以真實實驗項目條件不具備或實際運行困難、涉及高危或極端環(huán)境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題為導向，緊密結合專業(yè)特色和行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新成果，凝煉原理準確、內容緊湊、時長合理、難度適宜的虛擬仿真實驗教學項目。

威愛聯(lián)合東北大學打造核物理綜合實驗被認定為2018 年度國家虛擬仿真實驗教學項目，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)了核物理綜合實驗所需的各種實驗環(huán)境。2019 年，威愛聯(lián)合電子科技大學等高校打造5G+XR 的虛擬仿真實驗平臺，引入云渲染技術使得虛擬仿真教學實驗平臺進一步升級，如“基于衛(wèi)星推進的場致發(fā)射中和器虛擬仿真實驗”，借助5G+XR 云渲染技術，本需要強大算力才能支撐的實驗模擬可以跨平臺在幾乎任何瀏覽器、客戶端和XR 頭顯上流暢運行，輕松實現(xiàn)高品質擬真效果、云端安全數(shù)據(jù)存儲，并支持多人協(xié)同，如圖6 所示。

圖6 基于衛(wèi)星推進的場致發(fā)射中和器虛擬仿真實驗

類似這樣的利用5G+XR 技術構建各學科所要求的實驗場景和實驗內容，具有開放性、擴展性、兼容性和前瞻性。虛擬仿真平臺部署在云端，虛擬仿真實驗教學項目可以對外開放，訪問者通過不同終端看到的是經(jīng)過云渲染的實時視頻流，這樣既能滿足優(yōu)質教育資源共享的需求，又能充分保護知識產(chǎn)權。

7 結語

通過將虛擬現(xiàn)實技術應用到教育領域：威愛虛擬現(xiàn)實智慧教育解決方案，人工智能英語老師機器人，教育扶貧與教育均衡，Stroop VR 應用提升學生注意力以及XR 虛擬仿真實驗教學平臺，分析這些案例中采用的技術手段、應用場景以及產(chǎn)生的影響力，驗證了虛擬現(xiàn)實沉浸式學習不僅有效，而且促進了教育事業(yè)優(yōu)質均衡發(fā)展。

未來我們計劃做系列化的XR 課件開發(fā)，進一步做一些量化的研究，分析虛擬現(xiàn)實教育怎樣提高學生積極性、教學有效性、教育公平與均衡等。未來我們會把虛擬現(xiàn)實教育應用部署到更多的高等教育和義務教育學校，尤其是經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)，參與國家的扶貧和鄉(xiāng)村振興計劃，解決高品質的教師缺少和教師業(yè)務能力有限的問題，助力教育均衡。