VR/AR技术与教育融合的发展与思考
蔡苏 吴硕 吴淑敏
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)与增强现实(Augmented Reality，简称AR)是综合计算机图形学、人机接口技术、传感器技术等多领域成果的新兴技术。在国家政策的大力推广支持下，VR/AR成为近年来教育领域的热点。2017年《国家教育事业发展“十三五”规划》提出要全力推动信息技术与教育教学深度融合，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式。2018年《工业和信息化部关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》对“VR+教育”重点描述。
《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》(教高厅〔2017〕4号)、《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》(教基函〔2019〕16号)分别对高等教育(含职业教育)、基础教育中借助AR、VR等技术手段呈现的实验教学提出了明确要求。近年来，随着各地学校VR/AR实验室的建设与使用，VR/AR教育应用已经从概念逐步走向落地。因此，在当前信息技术与教育教学深度融合的背景下，如何将VR/AR与课堂教学相融合成为摆在教育工作者面前的一个现实问题。
一、VR/AR概述
VR可以被定义为一种高度交互的三维数字媒体环境，用户能够感知虚拟环境，并与环境中的对象交互作用，获得一种视觉、听觉、触觉多感官的体验(杨青，等，2021)。VR的特征可以归纳为3I，即沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)。沉浸感指用户通过辅助的输入输出设备获取综合感官体验，从而达成身临其境般的感受;交互性指VR技术提供的不同于键盘鼠标、更贴近自然的交互方式，使用户有更深的代入感;想象性指VR模拟的场景不仅限于真实生活，还可以实现人通过想象、创造形成的场景(刘德建，等，2016)。赵沁平院士在《虚拟现实中的10个科学技术问题》一文中进一步阐述了VR系统所具有的3I特征向4I发展，即未来VR系统将具有更多的智能特征(赵沁平，2017)。
AR技术是VR技术的延伸，是指利用计算机、手持设备或头戴显示器将计算机生成的虚拟对象或环境叠加至真实物理空间中，呈现一种虚实相交的新环境，从而增强用户对现实的体验(沈阳，等，2020)。Milgram等(1994)提出了真实环境与虚拟环境之间的连接关系，如图1所示，纯粹的真实环境与虚拟环境之间存在一块连续的区域，AR位于区域偏左的位置，强调虚拟元素是对现实空间的增强，而非替代。
图1 Milgram提出的“虚拟现实连续统一体”概念
AR技术以虚实结合、实时交互和三维注册为标准，其中三维注册指的是将虚拟的物体在真实空间中定位的技术，通过感知用户方位姿态变化的信息，随之呈现对应的虚实结合的场景。相较于VR提供的沉浸式环境，AR立足于真实环境，在现实基础上加以标注和丰富，实现虚拟抽象元素的可视化，在交互中加深使用者与空间环境和他人之间的联系。早期AR研究者倾向于使用特定的头戴式设备，如今随着移动设备的不断更新迭代，轻量级的移动AR在各个领域都得到了极大的发展。
二、VR/AR教育应用现状
由于VR/AR在情境营造、交互体验上的优势，其在教育领域的应用成为近年来的研究热点。根据WoS数据库中2014—2019年的检索信息，医学类、计算机类、教育技术类、工程技术类是VR/AR文献涉及的主要学科领域，其中教育领域内的学科教学领域是主要应用阵地，在数学、化学、物理、英语等多个学科，通过3D数字技术呈现立体图形空间、微观化学结构、物理磁场等抽象、难以观察的对象，并进一步利用技术搭建起项目式学习、协作学习、探究式学习的平台环境(高伟，等，2020)。而大量的文献也能证明VR/AR技术在激发学习动机、提升学生参与度与存在感、提高学习成绩等方面的显著影响(蔡苏，等，2016;李宝敏，等，2019)。
下面，本文将介绍国内外VR/AR技术的软硬件以及教育应用发展现状。
(一)国外现状
国外VR设备主要分为两大类：以Oculus和Cardboard为代表的VR眼镜，提供虚拟视听觉效果;以Kinect和Leap motion为代表的交互设备，捕捉手部动作或身体姿势(李琳，等，2018)。国外VR应用在教育中，大多是形成了完整融洽的虚拟世界，或是在虚拟空间中形成虚拟角色，或是通过传感器亲自操作，以实现自身在虚拟世界的投射，支撑了学生的沉浸感与存在感。除了感知环境，国外VR应用还重视人与人在环境中的交互协作，组成了贴近自然的学习社区。以美国为例，新冠肺炎疫情期间，美国高通公司为美国高等教育开设了生物、历史、科学学科的校园VR课程;科罗拉多州立大学为解剖课程部署了专门的VR实验室，可供100人同时操作，并形成学习小组围绕虚拟实体进行协作。此外，还存在一些VR教育应用厂商利用VR的特性辅助教学，或是提供视频会议、远程教学的虚拟空间，或是支持在线协作，或是利用VR塑造学习与操作的情景。
现阶段的AR或是以手机、平板为载体，便于获取;或是配合AR头显，提供更自然的操作体验。前者主要的开发平台包括谷歌ARCore、苹果ARKit以及高通Vuforia，后者有微软公司开发和制造的AR一体机HoloLens以及Magic Leap等头显设备。AR教育应用也得到了开拓发展，SeekXR推出教育平台Seek Education，为K-12教育提供动物、艺术、生物、历史、物理等主题学科的AR模型;由Infinite Z公司开发的zSpace3D显示屏，能让学生和3D物体之间进行顺畅地互动，还可利用操作笔让学生通过拾取操作进行学习;印度PlayShifu公司则将AR与地球仪玩具结合起来，在Shifu Orboot应用程序上获得附着于地球仪上的增强信息，包括动物、文化、美食等六个知识体系。目前国外的AR教育研究更集中于教学环节与教学方式方面，在教学原理与教学设计方面的作用尚显不足。
(二)国内现状
国内VR/AR技术及应用也层出不穷。如HTC与VALVE合作推出的Vive VR眼镜，与爱尔兰教育机构Immersive VR Education达成合作，推动其在教育领域的发展。百度也研发了VR一体机，结合人工智能、云平台的技术优势，为学校提供了丰富的VR教学内容，在虚拟空间中操作实验、探索太空。联想煦象教育推出多款VR、AR头显设备，聚焦于K-12教育，推出“大象创新教室”，并已形成上千课时的VR课程，与百余所学校进行合作。未来立体则针对VR软硬件进行开发设计，与多所高校、职校、博物馆等机构达成合作，研发了桌面级虚拟交互教学一体机。
在AR领域，华为河图通过对实景数据的收集，呈现出更精确贴合的虚拟元素，可用于景点、博物馆、场馆等场合。北京师范大学“VR/AR+教育”实验室团队结合AR技术和自然交互技术开发了很多覆盖K-12全学段、全学科的进课堂、上课桌的探究式AR教学案例。四川寰视乾坤设计的“妙懂初中地理”等应用，成为学科教学实验的教学用具。4D书城将图书绘本与AR技术结合，丰富了学生的阅读体验。目前国内的VR/AR教育应用还未出现开创性、颠覆性、结构性的软硬件产品，虽然开发方积极与学校机构开展试点合作，但对教学原理、过程、方法的重视尚需提高。
三、中小学AR教学案例评述
本节所涉及案例均为笔者所在的北京师范大学“VR/AR+教育”实验室团队实践过的AR课堂教学典型实证案例。
(一)小学
(1)英语。北京师范大学“VR/AR+教育”实验室与清华大学附属小学联合设计了一堂基于移动AR应用程序的小学英语课——The Sun and the Eight Planets(LIU，etal，2018)。该堂课设置了三个环节：情境导入——通过平板将太阳系置入教室，突破了传统的物理学习空间;感知跟读——使用AR应用感知太阳系，自主点击星球跟读识记单词，让单词学习更加个性化;合作探究——两名学生组成小组直接在课桌上使用自然交互方式操作八大行星，自主、协作探究星球位置。课后访谈显示教师认同AR在语言学习中的独特优势，学生们也对该技术持积极态度。
(2)科学。在2018年全国新教育年会上，成都市机投小学和北京师范大学“VR/AR+教育”实验室共同设计了一节小学科学课，由只有两年教龄的青年教师带来了一节基于AR环境下的科学课——“彩虹的秘密”。在这节课中，老师有3处约10分钟运用了AR技术：一是在课堂引入阶段将乌云、下雨、太阳和彩虹带到教室里，突破了物理学习空间，强化了学生的感知;二是由两名学生组成小组通过改变时间控制太阳运动，并可旋转改变人的视野方向，深入探究彩虹和太阳的联系;三是由两名学生组成小组在课桌上使用自然交互的方式控制两个小人的位置，主动探究观测者与彩虹的关系。用AR技术将自然现象重现在教室里可以让学生感受到平时没有关注的问题，将生活中不能完成的模拟实验引入课堂，激发学生主动探究的兴趣和积极性。
(二)初中
(1)数学。北京师范大学“VR/AR+教育”实验室与哥伦比亚大学教育学院数学、科学与技术系共同合作，使用AR技术开发完成了一套指导初中生学习概率知识的移动应用软件(CAI，et al，2020;CAI，et al，2019)。以抛硬币游戏为例，硬币的两面用AR识别来记录结果，每次结果被成功记录后，系统会给出提示，应用会自动生成此时硬币正面朝上的频率曲线，既简化了记录、计算、绘图的过程，又保留了学生的参与感。此案例中，AR并非仅仅用于展示，更重要的是用于交互和探究，体现了信息技术与课程深层次整合的信息获取、多重交互、自我探究和协作学习等特征，也给AR在教与学中的应用提供了新思路。
(2)生物。北京师范大学“VR/AR+教育”实验室设计和开发了基于平板电脑的轻量级AR软件“细胞的秘密”，展现了光学显微镜无法显示的、微小且复杂的细胞结构。该软件包括细胞结构、呼吸作用、光合作用三个模块，不仅体现了AR的演示性优势，还有效利用了其自然交互的特性，做到了定性研究与定量研究相结合，让学生通过软件体会“功能与结构相适应”的生物学思想，并通过自主探究培养了学生的实验精神与科学素养(蔡苏，等，2018)。
(三)高中
(1)物理。北京师范大学“VR/AR+教育”实验室设计并开发了一套用于高中光学的波粒二象性学习的AR应用，以探讨AR技术融入物理学习环境对学生物理学习自我效能及学习物理概念的影响。该研究采用准实验研究的方法，98名年龄在16—18岁的高中生参与了实验。学生被随机划入实验组和对照组中，两组各49名学生。在为时5周的教学干预完成之后，采用定量的数据收集工具对实验数据进行收集。数据分析结果表明，AR技术融入物理课堂有以下优势：能够显著增强学生在概念理解、高阶认知技能、实践和交流等方面的自我效能感;能够引导学生更倾向于高阶概念，而非低阶概念;能够激发学生深层学习动机。
(2)化学。传统化学课上，教师经常使用“球棍模型”演示物质分子的结合，且基本局限于静态展示层面。北京师范大学“VR/AR+教育”实验室应用AR技术制作了一个物质分子结构实验的AR软件，通过该软件学生不仅能看得到原子和分子，还可以把它们拿在手上亲自操作，找寻正确的结合方式。AR学习环境改变了学生随着教师的整体实验思路学习的学习模式。自主探究的模式，让学习者通过亲身体验来加强记忆，并进行更深层次知识内容的探寻。
四、VR/AR技术融入课堂教学的问题分析与思考
整体来看，经过近些年的发展，我国的VR/AR技术取得了巨大进步，呈现出良好的发展态势。但与此同时，将VR/AR技术融入教育机制仍存在一些问题，这些问题在一定程度上限制了基于VR/AR的中小学课堂创新教学的探索和实践。因此，需要在充分了解现实问题的基础上进行研究和实践，寻求相关问题的解决方法。
(一)问题分析
(1)从系统管理层面看，顶层设计和评估机制有待提升。目前我国对于如何将VR/AR运用到中小学教育中没有形成系统性规划，缺乏明确的发展目标和市场机制，缺乏对于各个学科和学段教材内容与VR/AR教学方式适配情况的系统性整理，没有形成系统性的方案。此外，相关实践和理论研究大多处于分散状态，缺乏相应的课程标准和评估机制。
(2)从软件设计层面看，技术难点和需求满足亟待突破。设计和实现一个VR/AR教育系统，一般需要数据采集、分析建模、绘制呈现、传感交互四方面的技术，现存的很多技术难点阻碍了软件设计和实现层面的进程。例如，缺乏教学内容快速从云端向大量智能终端传递的技术，只能进行单机交互，缺乏数据互传。此外，目前校园课堂的VR/AR教学应用产品大多以科普和体验为主，对于课程教学内容的深入探究不足。
(3)从课堂应用层面看，操作难度需降低，教学设计需更丰富。软件的功能丰富就容易出现操作复杂的问题，而在VR/AR教学方式尚未普及的当下，师生对软件的操作较为陌生。应当进一步完善软件功能的合理性和易于操作性，根据学段等因素细分定位。此外，相应的教学活动设计还需要进一步丰富。
(4)从理论研究层面看来，负面影响相关研究欠缺。目前对于引进VR/AR的研究多为具体案例的实践应用研究，集中于探索二者对于中小学课堂教学的教学效果、学习动机、学习态度等方面的影响，多为正面作用的探究，缺乏对负面作用和伦理问题的研究，例如，VR/AR的方式是否会影响幼儿对于现实世界的认知、是否会导致内容和形式的致瘾性、是否会因为虚实边界模糊导致道德失范等。
(二)发展建言
(1)机制展望。经济发达的地区可以先行先试，由地方教研单位牵头联合高校和科研单位，制定VR/AR技术运用到中小学课堂中的发展目标和具体指引，即明确通过VR/AR的方式培养学生何种核心素质和能力;围绕核心素养设立相应的课程内容，在各个学科和学段之间达到衔接和贯穿的效果;明确师资的培养与鼓励机制。在此过程中，需明确VR/AR融入教育体制的关键不在于替代，而是补充，VR/AR教学案例应遵循“能实不虚”的原则。
(2)教学展望。VR/AR的教育探索应当更加重视自然交互，如何在绘制并呈现了虚拟对象后开展探究式交互才是重点。教学设计和活动是重中之重，要真正发挥出VR/AR在教学中的应用价值，就必须加强教学活动的设计。需充分考虑设备对教学环境的要求，避免或减少使用诸如VR眼镜此类对于教学环境要求高的专用设备，应尽量采用对教学环境无明显要求的平板电脑等设备进行教学活动;还要充分考虑教学效率，避免出现因VR/AR设备数量不够或使用难度高等原因带来的教学效率低、课堂秩序混乱等情况。在此基础上，再通过相应研究，探索出适合各个学科及学段的教学内容、教学环节和注意事项，以期指导VR/AR深度融入中小学课堂教学中。
(作者单位：北京师范大学教育学部“VR/AR+教育”实验室)
参考文献
[1]CAI S，LIU C，WANG T，et al.Effects of learning physics using Augmented Reality on students'selfefficacyand conceptions of learning[J].British Journal of Educational Technology，2021，52(1)：235-251.
[2]CAI S，LIU E，SHEN Y，et al.Probability learning in mathematics using Augmented Reality：impacton student’s learning gains and attitudes[J].Interactive Learning Environments，2020，28(5)：560-573.
[3]CAI S，LIU E，YANG Y，et al.Tablet-based AR technology：impacts on students’conceptions andapproaches to learning mathematics according to their self-efficacy[J].British Journal of EducationalTechnology，2019，50(1)：248-263.
[4]CAI S，WANG X，CHIANG F.A case study of Augmented Reality simulation system application in achemistry course[J].Computers in Human Behavior，2014，37(8)：31-40.
[5]LIU E，LIU C，YANG Y，et al.Design and implementation of an Augmented Reality application withan English learning lesson[C].2018 IEEE International Conference on Teaching，Assessment，andLearning for Engineering(TALE)，2018：494-499.
[6]MILGRAM P，TAKEMURA H，UTSUMI A.，et al.Augmented reality：a class of displays on thereality-virtuality continuum[J].Telemanipulator and Telepresence Technologies，1994：2351.
[7]O’CONNOR T，RAWAT S，MARKMAN A，et al.Automatic cell identification and visualizationusing digital holographic microscopy with head mounted Augmented Reality devices[J].AppliedOptics，2018，57(7)：B197-B204.
[8]蔡苏，李毓檀，赵茜，等.增强现实技术探秘微观细胞：增强现实(AR)在K-12教育的实证案例之十一[J].中小学信息技术教育，2018(12)：66-68.
[9]蔡苏，王沛文，杨阳，等.增强现实(AR)技术的教育应用综述[J].远程教育杂志，2016，34(05)：27-40.
[10]高伟，王昱霖，郭瑾.国外虚拟现实与增强现实技术教育研究热点及启示[J].开放学习研究，2020，25(02)：47-54，62.
[11]国家自然科学基金委员会.2018年度国家自然科学基金项目指南[M].北京：科学出版社，2018.
[12]李宝敏，王钰彪，任友群.虚拟现实教学对学生学习成绩的影响研究：基于40项实验和准实验的元分析[J].开放教育研究，2019，25(04)：82-90.
[13]李琳，王泊谦，曾睿，等.面向虚拟环境的VR设备比较研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2018，41(02)：169-175.
[14]刘德建，刘晓琳，张琰，等.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016，22(04)：25-31.
[15]沈阳，逯行，曾海军.虚拟现实：教育技术发展的新篇章——访中国工程院院士赵沁平教授[J].电化教育研究，2020，41(01)：5-9.
[16]杨青，钟书华.国外“虚拟现实技术发展及演化趋势”研究综述[J].自然辩证法通讯，2021，43(03)：97-106.
[17]赵沁平.虚拟现实中的10个科学技术问题[J].中国科学：信息科学，2017，47(06)：800-803.
