VR/AR技術與教育融合的發展與思考
蔡蘇 吳碩 吳淑敏
虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)與增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)是綜合計算機圖形學、人機接口技術、傳感器技術等多領域成果的新興技術。在國家政策的大力推廣支持下，VR/AR成為近年來教育領域的熱點。2017年《國家教育事業發展“十三五”規劃》提出要全力推動信息技術與教育教學深度融合，綜合利用互聯網、大數據、人工智能和虛擬現實技術探索未來教育教學新模式。2018年《工業和信息化部關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》對“VR+教育”重點描述。
《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》(教高廳〔2017〕4號)、《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》(教基函〔2019〕16號)分別對高等教育(含職業教育)、基礎教育中借助AR、VR等技術手段呈現的實驗教學提出了明確要求。近年來，隨著各地學校VR/AR實驗室的建設與使用，VR/AR教育應用已經從概念逐步走向落地。因此，在當前信息技術與教育教學深度融合的背景下，如何將VR/AR與課堂教學相融合成為擺在教育工作者面前的一個現實問題。
一、VR/AR概述
VR可以被定義為一種高度交互的三維數字媒體環境，用戶能夠感知虛擬環境，并與環境中的對象交互作用，獲得一種視覺、聽覺、觸覺多感官的體驗(楊青，等，2021)。VR的特征可以歸納為3I，即沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)。沉浸感指用戶通過輔助的輸入輸出設備獲取綜合感官體驗，從而達成身臨其境般的感受;交互性指VR技術提供的不同于鍵盤鼠標、更貼近自然的交互方式，使用戶有更深的代入感;想象性指VR模擬的場景不僅限于真實生活，還可以實現人通過想象、創造形成的場景(劉德建，等，2016)。趙沁平院士在《虛擬現實中的10個科學技術問題》一文中進一步闡述了VR系統所具有的3I特征向4I發展，即未來VR系統將具有更多的智能特征(趙沁平，2017)。
AR技術是VR技術的延伸，是指利用計算機、手持設備或頭戴顯示器將計算機生成的虛擬對象或環境疊加至真實物理空間中，呈現一種虛實相交的新環境，從而增強用戶對現實的體驗(沈陽，等，2020)。Milgram等(1994)提出了真實環境與虛擬環境之間的連接關系，如圖1所示，純粹的真實環境與虛擬環境之間存在一塊連續的區域，AR位于區域偏左的位置，強調虛擬元素是對現實空間的增強，而非替代。
圖1 Milgram提出的“虛擬現實連續統一體”概念
AR技術以虛實結合、實時交互和三維注冊為標準，其中三維注冊指的是將虛擬的物體在真實空間中定位的技術，通過感知用戶方位姿態變化的信息，隨之呈現對應的虛實結合的場景。相較于VR提供的沉浸式環境，AR立足于真實環境，在現實基礎上加以標注和豐富，實現虛擬抽象元素的可視化，在交互中加深使用者與空間環境和他人之間的聯系。早期AR研究者傾向于使用特定的頭戴式設備，如今隨著移動設備的不斷更新迭代，輕量級的移動AR在各個領域都得到了極大的發展。
二、VR/AR教育應用現狀
由于VR/AR在情境營造、交互體驗上的優勢，其在教育領域的應用成為近年來的研究熱點。根據WoS數據庫中2014—2019年的檢索信息，醫學類、計算機類、教育技術類、工程技術類是VR/AR文獻涉及的主要學科領域，其中教育領域內的學科教學領域是主要應用陣地，在數學、化學、物理、英語等多個學科，通過3D數字技術呈現立體圖形空間、微觀化學結構、物理磁場等抽象、難以觀察的對象，并進一步利用技術搭建起項目式學習、協作學習、探究式學習的平臺環境(高偉，等，2020)。而大量的文獻也能證明VR/AR技術在激發學習動機、提升學生參與度與存在感、提高學習成績等方面的顯著影響(蔡蘇，等，2016;李寶敏，等，2019)。
下面，本文將介紹國內外VR/AR技術的軟硬件以及教育應用發展現狀。
(一)國外現狀
國外VR設備主要分為兩大類：以Oculus和Cardboard為代表的VR眼鏡，提供虛擬視聽覺效果;以Kinect和Leap motion為代表的交互設備，捕捉手部動作或身體姿勢(李琳，等，2018)。國外VR應用在教育中，大多是形成了完整融洽的虛擬世界，或是在虛擬空間中形成虛擬角色，或是通過傳感器親自操作，以實現自身在虛擬世界的投射，支撐了學生的沉浸感與存在感。除了感知環境，國外VR應用還重視人與人在環境中的交互協作，組成了貼近自然的學習社區。以美國為例，新冠肺炎疫情期間，美國高通公司為美國高等教育開設了生物、歷史、科學學科的校園VR課程;科羅拉多州立大學為解剖課程部署了專門的VR實驗室，可供100人同時操作，并形成學習小組圍繞虛擬實體進行協作。此外，還存在一些VR教育應用廠商利用VR的特性輔助教學，或是提供視頻會議、遠程教學的虛擬空間，或是支持在線協作，或是利用VR塑造學習與操作的情景。
現階段的AR或是以手機、平板為載體，便于獲取;或是配合AR頭顯，提供更自然的操作體驗。前者主要的開發平臺包括谷歌ARCore、蘋果ARKit以及高通Vuforia，后者有微軟公司開發和制造的AR一體機HoloLens以及Magic Leap等頭顯設備。AR教育應用也得到了開拓發展，SeekXR推出教育平臺Seek Education，為K-12教育提供動物、藝術、生物、歷史、物理等主題學科的AR模型;由Infinite Z公司開發的zSpace3D顯示屏，能讓學生和3D物體之間進行順暢地互動，還可利用操作筆讓學生通過拾取操作進行學習;印度PlayShifu公司則將AR與地球儀玩具結合起來，在Shifu Orboot應用程序上獲得附著于地球儀上的增強信息，包括動物、文化、美食等六個知識體系。目前國外的AR教育研究更集中于教學環節與教學方式方面，在教學原理與教學設計方面的作用尚顯不足。
(二)國內現狀
國內VR/AR技術及應用也層出不窮。如HTC與VALVE合作推出的Vive VR眼鏡，與愛爾蘭教育機構Immersive VR Education達成合作，推動其在教育領域的發展。百度也研發了VR一體機，結合人工智能、云平臺的技術優勢，為學校提供了豐富的VR教學內容，在虛擬空間中操作實驗、探索太空。聯想煦象教育推出多款VR、AR頭顯設備，聚焦于K-12教育，推出“大象創新教室”，并已形成上千課時的VR課程，與百余所學校進行合作。未來立體則針對VR軟硬件進行開發設計，與多所高校、職校、博物館等機構達成合作，研發了桌面級虛擬交互教學一體機。
在AR領域，華為河圖通過對實景數據的收集，呈現出更精確貼合的虛擬元素，可用于景點、博物館、場館等場合。北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室團隊結合AR技術和自然交互技術開發了很多覆蓋K-12全學段、全學科的進課堂、上課桌的探究式AR教學案例。四川寰視乾坤設計的“妙懂初中地理”等應用，成為學科教學實驗的教學用具。4D書城將圖書繪本與AR技術結合，豐富了學生的閱讀體驗。目前國內的VR/AR教育應用還未出現開創性、顛覆性、結構性的軟硬件產品，雖然開發方積極與學校機構開展試點合作，但對教學原理、過程、方法的重視尚需提高。
三、中小學AR教學案例評述
本節所涉及案例均為筆者所在的北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室團隊實踐過的AR課堂教學典型實證案例。
(一)小學
(1)英語。北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室與清華大學附屬小學聯合設計了一堂基于移動AR應用程序的小學英語課——The Sun and the Eight Planets(LIU，etal，2018)。該堂課設置了三個環節：情境導入——通過平板將太陽系置入教室，突破了傳統的物理學習空間;感知跟讀——使用AR應用感知太陽系，自主點擊星球跟讀識記單詞，讓單詞學習更加個性化;合作探究——兩名學生組成小組直接在課桌上使用自然交互方式操作八大行星，自主、協作探究星球位置。課后訪談顯示教師認同AR在語言學習中的獨特優勢，學生們也對該技術持積極態度。
(2)科學。在2018年全國新教育年會上，成都市機投小學和北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室共同設計了一節小學科學課，由只有兩年教齡的青年教師帶來了一節基于AR環境下的科學課——“彩虹的秘密”。在這節課中，老師有3處約10分鐘運用了AR技術：一是在課堂引入階段將烏云、下雨、太陽和彩虹帶到教室里，突破了物理學習空間，強化了學生的感知;二是由兩名學生組成小組通過改變時間控制太陽運動，并可旋轉改變人的視野方向，深入探究彩虹和太陽的聯系;三是由兩名學生組成小組在課桌上使用自然交互的方式控制兩個小人的位置，主動探究觀測者與彩虹的關系。用AR技術將自然現象重現在教室里可以讓學生感受到平時沒有關注的問題，將生活中不能完成的模擬實驗引入課堂，激發學生主動探究的興趣和積極性。
(二)初中
(1)數學。北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室與哥倫比亞大學教育學院數學、科學與技術系共同合作，使用AR技術開發完成了一套指導初中生學習概率知識的移動應用軟件(CAI，et al，2020;CAI，et al，2019)。以拋硬幣游戲為例，硬幣的兩面用AR識別來記錄結果，每次結果被成功記錄后，系統會給出提示，應用會自動生成此時硬幣正面朝上的頻率曲線，既簡化了記錄、計算、繪圖的過程，又保留了學生的參與感。此案例中，AR并非僅僅用于展示，更重要的是用于交互和探究，體現了信息技術與課程深層次整合的信息獲取、多重交互、自我探究和協作學習等特征，也給AR在教與學中的應用提供了新思路。
(2)生物。北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室設計和開發了基于平板電腦的輕量級AR軟件“細胞的秘密”，展現了光學顯微鏡無法顯示的、微小且復雜的細胞結構。該軟件包括細胞結構、呼吸作用、光合作用三個模塊，不僅體現了AR的演示性優勢，還有效利用了其自然交互的特性，做到了定性研究與定量研究相結合，讓學生通過軟件體會“功能與結構相適應”的生物學思想，并通過自主探究培養了學生的實驗精神與科學素養(蔡蘇，等，2018)。
(三)高中
(1)物理。北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室設計并開發了一套用于高中光學的波粒二象性學習的AR應用，以探討AR技術融入物理學習環境對學生物理學習自我效能及學習物理概念的影響。該研究采用準實驗研究的方法，98名年齡在16—18歲的高中生參與了實驗。學生被隨機劃入實驗組和對照組中，兩組各49名學生。在為時5周的教學干預完成之后，采用定量的數據收集工具對實驗數據進行收集。數據分析結果表明，AR技術融入物理課堂有以下優勢：能夠顯著增強學生在概念理解、高階認知技能、實踐和交流等方面的自我效能感;能夠引導學生更傾向于高階概念，而非低階概念;能夠激發學生深層學習動機。
(2)化學。傳統化學課上，教師經常使用“球棍模型”演示物質分子的結合，且基本局限于靜態展示層面。北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室應用AR技術制作了一個物質分子結構實驗的AR軟件，通過該軟件學生不僅能看得到原子和分子，還可以把它們拿在手上親自操作，找尋正確的結合方式。AR學習環境改變了學生隨著教師的整體實驗思路學習的學習模式。自主探究的模式，讓學習者通過親身體驗來加強記憶，并進行更深層次知識內容的探尋。
四、VR/AR技術融入課堂教學的問題分析與思考
整體來看，經過近些年的發展，我國的VR/AR技術取得了巨大進步，呈現出良好的發展態勢。但與此同時，將VR/AR技術融入教育機制仍存在一些問題，這些問題在一定程度上限制了基于VR/AR的中小學課堂創新教學的探索和實踐。因此，需要在充分了解現實問題的基礎上進行研究和實踐，尋求相關問題的解決方法。
(一)問題分析
(1)從系統管理層面看，頂層設計和評估機制有待提升。目前我國對于如何將VR/AR運用到中小學教育中沒有形成系統性規劃，缺乏明確的發展目標和市場機制，缺乏對于各個學科和學段教材內容與VR/AR教學方式適配情況的系統性整理，沒有形成系統性的方案。此外，相關實踐和理論研究大多處于分散狀態，缺乏相應的課程標準和評估機制。
(2)從軟件設計層面看，技術難點和需求滿足亟待突破。設計和實現一個VR/AR教育系統，一般需要數據采集、分析建模、繪制呈現、傳感交互四方面的技術，現存的很多技術難點阻礙了軟件設計和實現層面的進程。例如，缺乏教學內容快速從云端向大量智能終端傳遞的技術，只能進行單機交互，缺乏數據互傳。此外，目前校園課堂的VR/AR教學應用產品大多以科普和體驗為主，對于課程教學內容的深入探究不足。
(3)從課堂應用層面看，操作難度需降低，教學設計需更豐富。軟件的功能豐富就容易出現操作復雜的問題，而在VR/AR教學方式尚未普及的當下，師生對軟件的操作較為陌生。應當進一步完善軟件功能的合理性和易于操作性，根據學段等因素細分定位。此外，相應的教學活動設計還需要進一步豐富。
(4)從理論研究層面看來，負面影響相關研究欠缺。目前對于引進VR/AR的研究多為具體案例的實踐應用研究，集中于探索二者對于中小學課堂教學的教學效果、學習動機、學習態度等方面的影響，多為正面作用的探究，缺乏對負面作用和倫理問題的研究，例如，VR/AR的方式是否會影響幼兒對于現實世界的認知、是否會導致內容和形式的致癮性、是否會因為虛實邊界模糊導致道德失范等。
(二)發展建言
(1)機制展望。經濟發達的地區可以先行先試，由地方教研單位牽頭聯合高校和科研單位，制定VR/AR技術運用到中小學課堂中的發展目標和具體指引，即明確通過VR/AR的方式培養學生何種核心素質和能力;圍繞核心素養設立相應的課程內容，在各個學科和學段之間達到銜接和貫穿的效果;明確師資的培養與鼓勵機制。在此過程中，需明確VR/AR融入教育體制的關鍵不在于替代，而是補充，VR/AR教學案例應遵循“能實不虛”的原則。
(2)教學展望。VR/AR的教育探索應當更加重視自然交互，如何在繪制并呈現了虛擬對象后開展探究式交互才是重點。教學設計和活動是重中之重，要真正發揮出VR/AR在教學中的應用價值，就必須加強教學活動的設計。需充分考慮設備對教學環境的要求，避免或減少使用諸如VR眼鏡此類對于教學環境要求高的專用設備，應盡量采用對教學環境無明顯要求的平板電腦等設備進行教學活動;還要充分考慮教學效率，避免出現因VR/AR設備數量不夠或使用難度高等原因帶來的教學效率低、課堂秩序混亂等情況。在此基礎上，再通過相應研究，探索出適合各個學科及學段的教學內容、教學環節和注意事項，以期指導VR/AR深度融入中小學課堂教學中。
(作者單位：北京師范大學教育學部“VR/AR+教育”實驗室)
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