張子涵

（華中師范大學(xué) 教育學(xué)院，湖北武漢 430079）

0 引言

自2002 年我國頒布《教育信息化“十五”發(fā)展規(guī)劃（綱要）》以來，我國對教育信息化的認(rèn)識逐步加深，教育信息化在“實現(xiàn)一國經(jīng)濟和社會發(fā)展”“實現(xiàn)教育現(xiàn)代化和跨越式發(fā)展”中的重要地位已經(jīng)成為共識。2012 年，教育部印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020 年）》的通知，提出要“推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合”。2016 年，教育部制定了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，指出教育信息化在提高教育質(zhì)量、促進(jìn)教育公平方面的重要作用。2018 年，《教育信息化2.0 行動計劃》進(jìn)一步圍繞“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間覆蓋”“數(shù)字校園規(guī)范建設(shè)”“信息素養(yǎng)全面提升”等八大行動進(jìn)行了探討。2020 年，在新冠疫情的特殊沖擊下，教育部連續(xù)下發(fā)了多份“停課不停學(xué)”相關(guān)通知，使得在線教育得到前所未有的關(guān)注。

教育部等11 部門在《關(guān)于促進(jìn)在線教育健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出：“在線教育是運用互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行教與學(xué)互動的新型教育方式”，“發(fā)展在線教育，有利于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個性化、終身化的教育體系，有利于建設(shè)‘人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)’的學(xué)習(xí)型社會”。2020 年，中國億萬學(xué)生在家接受大規(guī)模在線教育，據(jù)《2020 年中國在線教育行業(yè)研究報告》統(tǒng)計，2020 年在線教育行業(yè)市場規(guī)模同比增長35.5%，達(dá)2 573 億元；在線教育融資金額1 034 億元，占教育行業(yè)全部融資額的89%。

教育信息化時代推動的是人與技術(shù)的共同發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)智能的在線教育平臺，將信息技術(shù)與教師教學(xué)全面融合，有助于建立以學(xué)習(xí)者為中心的教育環(huán)境，滿足不同個體個性化的教育需求，但同時也對政府、教師、學(xué)生等全體參與者提出了高要求。因此，本文選擇了當(dāng)前較為前瞻的“虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technology，VR）”“增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）”和“混合現(xiàn)實技術(shù)（Mixed Reality，MR）”，探討其在教育應(yīng)用中的潛力、效果和挑戰(zhàn)，以便發(fā)現(xiàn)如何真正實現(xiàn)教育信息化的育人價值，為推進(jìn)教育現(xiàn)代化作出努力。

1 三類信息技術(shù)的特性及教育潛力

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過計算機自動虛擬環(huán)境（CAVE）和頭戴式顯示器（HMD）等設(shè)備，增強了使用者的感官刺激，將所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境與真實世界融為一體，為使用者提供了一種身臨其境的體驗。VR 技術(shù)具有沉浸性（Immersive）、交互性（Interactive）和想象性（Imagination）3 種特征，這使得該技術(shù)極適合應(yīng)用于開放自由的教學(xué)空間。具體而言，VR 技術(shù)的“沉浸性”特征，可以幫助學(xué)生多視角感知和實際操作現(xiàn)實世界中的事物，從而獲得真實體感；VR 技術(shù)的“交互性”特征，為學(xué)生之間跨越時空合作提供了支持，有利于學(xué)生的社會性發(fā)展；而VR 技術(shù)的“想象性”特征，給予了學(xué)生創(chuàng)設(shè)新事物的空間，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

VR 技術(shù)將傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的新范式，促進(jìn)學(xué)生基于已有的知識經(jīng)驗自主構(gòu)建學(xué)科知識，并培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題和自主學(xué)習(xí)的能力。但是，如高媛等指出，“‘VR+教育’并非一種新的教學(xué)方法，而是一種教育工具”。運用VR 技術(shù)開展教育教學(xué)是為了產(chǎn)生更好的學(xué)習(xí)效果，因而仍然需要教師設(shè)計和考慮學(xué)習(xí)的目標(biāo)、內(nèi)容和情境，提高學(xué)生的參與性和積極性。

1.2 增強現(xiàn)實技術(shù)

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)指通過計算機生成圖像，從而增強融入現(xiàn)實世界的對象，包括虛實結(jié)合、實時交互和3D 注冊3個特性。換言之，AR 技術(shù)需要帶有軟件應(yīng)用程序的計算機設(shè)備才能將虛擬圖像融入現(xiàn)實，并以此增強人類的視覺、聽覺、觸覺和嗅覺，現(xiàn)如今許多AR 程序已能在移動設(shè)備中使用，體現(xiàn)了AR 技術(shù)的便攜性。

由于AR 技術(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)實世界進(jìn)行補充，因此可以為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建豐富的學(xué)習(xí)情境，鼓勵學(xué)生從不同角度探索世界，并將抽象或不可見的學(xué)習(xí)內(nèi)容（如晝夜交替）可視化。在AR 技術(shù)的幫助下，教師能夠通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以更為真實的游戲體驗增強學(xué)生對現(xiàn)實世界的認(rèn)識，當(dāng)學(xué)生使用移動設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)攝像頭時，便可以直接從攝像頭中將“現(xiàn)實場景”轉(zhuǎn)化為3D 設(shè)置的“游戲場景”（或“游戲地圖”），以便學(xué)生能夠結(jié)合具體環(huán)境作出決策。

1.3 混合現(xiàn)實技術(shù)

混合現(xiàn)實（MR）技術(shù)是將用戶置于增強現(xiàn)實或增強虛擬的交互環(huán)境中，因此該技術(shù)同樣具有虛實結(jié)合、交互性和3D 注冊3個基本特征。由此可見，MR 技術(shù)與VR 技術(shù)、AR 技術(shù)之間聯(lián)系緊密，并且更加強調(diào)現(xiàn)實世界和虛擬世界間的無縫融合。不同的是，MR 技術(shù)在顯示效果、真實體感和實時交互上更勝一籌，是自然人機交互的天然場所，能夠幫助學(xué)習(xí)者快速沉浸于學(xué)習(xí)之中。

在虛實難分的交互環(huán)境下，MR 技術(shù)可以為學(xué)生提供建構(gòu)知識的多種場景，將過去的“聽覺學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙曈X盛宴”。但是，MR 技術(shù)必須利用學(xué)生已有的知識經(jīng)驗，通過特定的學(xué)習(xí)目標(biāo)開展教學(xué)，使學(xué)生漸進(jìn)式地從淺層學(xué)習(xí)步入深度學(xué)習(xí)，以避免增加學(xué)生的工作記憶負(fù)荷。

基于上述分析可知，無論采取何種信息技術(shù)，其逼真的環(huán)境創(chuàng)設(shè)和身臨其境般的沉浸式體驗均能為學(xué)生帶來自主學(xué)習(xí)的動力，使學(xué)生在感官體驗中完成對已有知識的檢驗和建構(gòu)，提升學(xué)生自主探究、合作探究的能力。

Table 1 Characteristics and educational potential of VR，AR and MR technology表1 VR 技術(shù)、AR 技術(shù)、MR 技術(shù)的特征及教育潛力

2 三類信息技術(shù)在教育應(yīng)用中的效果

VR 技術(shù)的課堂應(yīng)用能夠幫助學(xué)生更好地理解學(xué)科知識。在一項探討VR 技術(shù)與學(xué)生地理課學(xué)習(xí)效果的研究中，第一組學(xué)生作為控制組使用傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法，第二組學(xué)生作為實驗組使用VR 技術(shù)與創(chuàng)建的球形全景進(jìn)行學(xué)習(xí)。結(jié)果顯示，使用VR 技術(shù)學(xué)習(xí)的學(xué)生展現(xiàn)出了極大的學(xué)習(xí)興趣，且有更多的學(xué)生希望在之后的課堂中使用VR 技術(shù)。VR 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢還體現(xiàn)在能夠針對不同學(xué)齡段的學(xué)生進(jìn)行學(xué)科教學(xué)。例如：針對肯塔基州加文科克倫小學(xué)五年級學(xué)生的研究表明，虛擬現(xiàn)實耳機能夠幫助學(xué)生理解立方體體積的計算過程，讓學(xué)生沉浸在學(xué)習(xí)中，避免了視覺和聽覺的干擾，專注于結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)體驗。而在另一項“體驗歐洲虛擬社區(qū)”（Learning @ Europe）的研究中，研究人員將來自于不同國家的1 000 名高中生分為兩隊進(jìn)行合作式的英語課程學(xué)習(xí)，并通過文化競賽檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。學(xué)生的反饋結(jié)果顯示，VR 技術(shù)強化了他們的課堂參與感和團隊意識。VR 技術(shù)在學(xué)習(xí)物理方面同樣起著重要作用，通過對86 名在校大學(xué)生的測試結(jié)果表明，在虛擬實驗室中開展物理教學(xué)為學(xué)生提供了安全的操作環(huán)境，支持學(xué)生重復(fù)練習(xí)相關(guān)物理實驗且不會損壞設(shè)備。

從AR 技術(shù)的教育應(yīng)用效果看，該技術(shù)對不同教育階段學(xué)生學(xué)習(xí)不同科目的成效均有顯著影響，能夠同時促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知能力和非認(rèn)知能力發(fā)展，尤其當(dāng)教師使用探究性的教學(xué)策略進(jìn)行教學(xué)時，能夠大幅度提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果?？梢哉f，在課程條件允許的情況下，不同專業(yè)的中學(xué)教師完全可以對AR 技術(shù)進(jìn)行教育應(yīng)用和教育開發(fā)。并且，AR 技術(shù)可以提高學(xué)生的參與性、互動性和創(chuàng)造性，促使學(xué)生積極達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。以等高線地形圖進(jìn)行教學(xué)的地理課對比實驗為例，相比于使用傳統(tǒng)二維視頻上課的學(xué)生，接受AR 三維教學(xué)視頻的學(xué)生具有更高的等高線知識技能水平。而在另一項“AR 技術(shù)與藝術(shù)教學(xué)”的研究中，研究者選取了保加利亞索菲亞的一所公立中學(xué)，通過探討兩種不同的教學(xué)模式——“允許學(xué)生坐在教室里探索藝術(shù)品”和“允許學(xué)生通過添加虛擬維度到藝術(shù)品中進(jìn)行創(chuàng)作”，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用AR 技術(shù)的教學(xué)形式在較大程度上滿足了學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力。

與傳統(tǒng)幻燈片式的教學(xué)課件相比，“MR+”教育能夠增強對動態(tài)教育內(nèi)容的支持。有學(xué)者對比了能夠在演示文稿中增加動態(tài)教學(xué)內(nèi)容的Chalktalk 軟件平臺和“MR+”教育平臺的優(yōu)劣，結(jié)果表明“MR+”教育能夠幫助學(xué)生減少視線轉(zhuǎn)移，從而專注于學(xué)習(xí)內(nèi)容。將MR 技術(shù)引入課堂還能夠幫助學(xué)生理解課堂知識，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。例如：在ICT 課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生們經(jīng)常接觸到很多有關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的理論，但這些理論并沒有相應(yīng)的物理模型以幫助學(xué)生理解，為此一些教育者開始將MR 技術(shù)引入課堂，通過建模路由器和交換機等物理設(shè)備，讓學(xué)生理解抽象的理論數(shù)據(jù)是如何在設(shè)備之間運行。此外，MR 技術(shù)還可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的高中教學(xué)。有學(xué)者聯(lián)合當(dāng)?shù)馗咧虚_展的教學(xué)實驗顯示，參與MR 課堂的高中生顯著提高了空間推理能力。

基于此，從VR 技術(shù)、AR 技術(shù)和MR 技術(shù)對學(xué)生的影響結(jié)果看，在認(rèn)知層面，三類信息技術(shù)能幫助學(xué)生建構(gòu)學(xué)科知識，理解抽象的學(xué)科概念；在非認(rèn)知層面，可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵學(xué)生的好奇心和想象力。從VR 技術(shù)、AR技術(shù)和MR 技術(shù)在不同學(xué)齡段的應(yīng)用情況看，三類信息技術(shù)能較好地與各學(xué)段的學(xué)科教學(xué)相結(jié)合，適應(yīng)于各教育階段的學(xué)生發(fā)展。

3 三類信息技術(shù)教育應(yīng)用的挑戰(zhàn)

VR 技術(shù)、AR 技術(shù)與MR 技術(shù)在教育教學(xué)中的滲透不可避免，借助于三類信息技術(shù)在教育中的應(yīng)用，學(xué)習(xí)者可以自由地選擇學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)地點和學(xué)習(xí)形式，并且能夠避免危險性大或后果嚴(yán)重的教學(xué)實驗。通過將仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)等多種技術(shù)相結(jié)合，這些交叉技術(shù)對不同的教學(xué)模式帶來了顛覆性的改變和挑戰(zhàn)。

有學(xué)者總結(jié)了VR 技術(shù)教育應(yīng)用中出現(xiàn)的教學(xué)模式，包括協(xié)作學(xué)習(xí)模式、桌面VR 在線管理系統(tǒng)、VR 培訓(xùn)綜合課程等。雖然VR 技術(shù)的加入變革了當(dāng)前教育教學(xué)的場景和模式，但它同樣存在約束性因素。例如：在情境教學(xué)中，教師可以通過VR 教育游戲的形式，設(shè)計特定的故事情節(jié)和情景，幫助學(xué)習(xí)者完成知識建構(gòu)，但這需要學(xué)習(xí)者佩戴沉重的頭盔、使用專用定位器和特定的活動場所。一方面，計算機、HMD、控制器和輔助顯示屏等VR 硬件成本較高；另一方面，頭戴式設(shè)備存在技術(shù)缺陷，會因為連接主機數(shù)據(jù)線而不方便學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)身和行動。

AR 技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用涵蓋正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)，包括基于角色扮演（協(xié)作式）、基于位置和基于任務(wù)設(shè)計（游戲式和問題式）三類教學(xué)方式，與基于VR 技術(shù)的教學(xué)模式部分相似。但有學(xué)者認(rèn)為，虛實融合的AR 環(huán)境要優(yōu)于純現(xiàn)實環(huán)境和純VR 環(huán)境。相對于純VR 環(huán)境，AR 環(huán)境僅需要一部配有攝像頭的手機或平板。AR 技術(shù)并非完美無缺，以教師AR 物理教學(xué)為例，雖然研究人員將Matlab、Simulink 等AR 技術(shù)與微軟Kinect 體感交互技術(shù)結(jié)合，可以幫助學(xué)生肉眼看到音響發(fā)出的聲波，但對于目前的課堂設(shè)備而言，教師運用AR 技術(shù)教學(xué)并非完全便利，對AR 設(shè)備的運行也不完全熟悉。以學(xué)生閱讀AR 圖書為例，盡管這類產(chǎn)品能給課堂教學(xué)帶來益處，但上傳圖片、識別文本等過程會因為算法或網(wǎng)速的限制而花費較長時間，光照等因素也會影響攝像頭對文本的識別。

Table 2 Application form，characteristics and advantages/disadrantages of VR，AR，MR technology表2 VR 技術(shù)、AR 技術(shù)、MR 技術(shù)的教育應(yīng)用形式、特點與優(yōu)/劣

MR 技術(shù)融合了VR 技術(shù)和AR 技術(shù)的優(yōu)勢，可以應(yīng)用于情境教學(xué)、探究式學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、在線學(xué)習(xí)等多種教學(xué)形式。但與此同時，MR 技術(shù)仍處于探索階段。例如在數(shù)學(xué)教學(xué)中，學(xué)習(xí)者可以借助MR 技術(shù)多方位觀察幾何形狀，但這一課程的開展需要教師掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計、3D 建模和場景構(gòu)建等技術(shù)。并且在渲染技術(shù)上，MR 技術(shù)的最終目的是將虛擬環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境完美融合，但目前大多數(shù)MR應(yīng)用都無法實現(xiàn)，光照、材質(zhì)和物理模型都會使得不同MR應(yīng)用的教學(xué)效果存在區(qū)別。

4 三類信息技術(shù)在教育中的推廣

4.1 提高教師信息技術(shù)應(yīng)用能力，依托網(wǎng)絡(luò)空間組織課堂教學(xué)

在有限的物理環(huán)境中，如何更好地將信息技術(shù)應(yīng)用于學(xué)科教學(xué)內(nèi)容是教師的主要任務(wù)?！靶畔⒓夹g(shù)+”教育可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但其開展的前提是需要教師針對每節(jié)課的學(xué)科內(nèi)容選擇合適的信息化教育工具加以應(yīng)用，這對教師的信息素養(yǎng)提出了較高要求。自2013 年教育部啟動“全國中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程”以來，據(jù)教育部統(tǒng)計，截至2017 年底，共培訓(xùn)全國中小學(xué)教師1 000余萬名，基本完成全員培訓(xùn)任務(wù)，普遍提高了中小學(xué)教師應(yīng)用信息技術(shù)改進(jìn)教育教學(xué)的意識和能力。然而，經(jīng)過進(jìn)一步考核和分析可知，當(dāng)前培訓(xùn)中仍存在“學(xué)與用未能緊密結(jié)合”“教師信息化教學(xué)創(chuàng)新能力不足”“支持服務(wù)體系不夠健全”等問題。

因此，為了幫助教師更為輕松地制作出豐富的“VR”“AR”“MR”交互式課程內(nèi)容，可以通過以下路徑：一是繼續(xù)將教師的信息技術(shù)能力作為教師培訓(xùn)的必修科目，以如何進(jìn)行信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的課堂為基準(zhǔn)，針對性地培養(yǎng)教師運用信息技術(shù)進(jìn)行個性化教學(xué)和情境化教學(xué)的能力，確保教師能夠有效指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)科學(xué)習(xí)，避免“信息技術(shù)+”這類教育工具成為課堂的負(fù)擔(dān)；二是尋求跨學(xué)科的人才共同合作設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。教育技術(shù)化涉及各種專業(yè)知識和教學(xué)技能的整合，因而需要各學(xué)科領(lǐng)域的人才共同合作。以教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)為例，一方面，虛擬軟件自帶“知識點”“學(xué)習(xí)材料”“練習(xí)”“錄音”等界面功能，雖然可以幫助學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)、培訓(xùn)和課程評估等環(huán)節(jié)，但課堂人物的建模和情境環(huán)境創(chuàng)建仍需要專業(yè)技術(shù)人員的支持；另一方面，各種課堂內(nèi)容的先后呈現(xiàn)順序仍需要有經(jīng)驗的教師進(jìn)行指導(dǎo)和安排。

4.2 加強學(xué)生信息意識培養(yǎng)，幫助學(xué)生掌握基本信息技能

2016 年發(fā)布的《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》框架提出中國學(xué)生適應(yīng)終身學(xué)習(xí)和社會發(fā)展所需要的必備品格和關(guān)鍵能力，在六大核心素養(yǎng)中，學(xué)生的“信息意識”作為細(xì)化的要點之一被提出。良好的“信息意識”意味著學(xué)生能自覺、有效地獲取、評估、鑒別和使用信息，具有數(shù)字化生存能力，能夠主動適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”等社會信息化發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)形式以教師傳授作為學(xué)生學(xué)習(xí)的主要渠道，雖然可以使學(xué)生掌握基本的知識內(nèi)容，但對培養(yǎng)學(xué)生基本信息意識和信息技能的支持度不足，可以從以下幾個方面著手。

其一，以小組合作形式進(jìn)行“信息技術(shù)+”教育，通過將具體的任務(wù)細(xì)化，安排小組內(nèi)的學(xué)生協(xié)作分工開展學(xué)習(xí)。由于參與者致力于同一個目標(biāo)，因而他們最終的成功與否取決于每一位學(xué)生。這不僅使學(xué)生貢獻(xiàn)了自己的知識和價值，而且?guī)椭〗M成員加深彼此了解。

其二，注重學(xué)生學(xué)習(xí)前的信息技術(shù)指導(dǎo)和學(xué)習(xí)后的課堂反饋。在正式課堂之前，學(xué)校應(yīng)組織學(xué)生觀看信息技術(shù)的操作視頻，并對學(xué)生進(jìn)行操作考核。在確定學(xué)生基本掌握信息技術(shù)操作后，正式將信息技術(shù)融入課堂教學(xué)。在結(jié)束學(xué)習(xí)后，應(yīng)及時搜集學(xué)習(xí)者的課堂評估信息和測試成績，檢驗學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。

總之，在信息化時代，“信息技術(shù)+”教育作為一種新事物具有不可小覷的力量。眾多的研究結(jié)果已經(jīng)顯示了“信息技術(shù)+”教育的教學(xué)優(yōu)勢以及對學(xué)生發(fā)展的促進(jìn)作用。雖然VR 技術(shù)、AR 技術(shù)、MR 技術(shù)等信息技術(shù)由于設(shè)備昂貴、應(yīng)用較少、場地限制等因素而被大多數(shù)學(xué)校拒之門外，使得很難將其在短時間內(nèi)推廣，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)的迅猛發(fā)展和硬件設(shè)備制造成本的降低，“信息技術(shù)+”教育將會逐漸普及。由此可見，未來技術(shù)問題很可能不再是阻礙信息技術(shù)大規(guī)模推廣的障礙，而技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境以及教師和學(xué)生對三類信息技術(shù)的接受與使用才是關(guān)鍵。為了將信息技術(shù)深度融合于教育領(lǐng)域，有必要讓教育者和受教育者具有基本信息素養(yǎng)和信息技術(shù)操作能力，并正確認(rèn)識信息技術(shù)在教育中的應(yīng)用。