VR/AR教育應用案例及發(fā)展趨勢

蔡蘇張晗

特稿

VR/AR教育應用案例及發(fā)展趨勢

蔡蘇1,2張晗1

(1.北京師范大學 教育學部,北京 100875；2.北京師范大學 “移動學習”教育部—中國移動聯(lián)合實驗室，北京 100875)

隨著教育形式的多樣化以及前沿信息技術在教育領域的深入應用，VR/AR學習環(huán)境推動越來越多的教育學者通過重塑學習方式回歸教育本質(zhì)，對培育創(chuàng)新型人才和教育普及產(chǎn)生了深遠的影響。本文在介紹VR/AR概念的基礎上，闡述了國際VR/AR的教育應用現(xiàn)狀，介紹了經(jīng)典的VR/AR教育案例開發(fā)與實證結(jié)果，有助于我們更加深刻地認識信息化教學模式構建的一般規(guī)律。當然，VR/AR在教育領域的應用還處于早期階段，在教育領域的應用既有發(fā)展機遇，也還面臨著一些挑戰(zhàn)。在未來的研究中，應該深入研究VR/AR學習環(huán)境如何支持學與教，以提升學生在課堂教學中的學習效果，為教育教學模式的改革創(chuàng)新實踐提供經(jīng)驗和啟示。

增強現(xiàn)實；虛擬現(xiàn)實；教育應用

一、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實

在計算機誕生之初就有人做過虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）相關的嘗試，但直到20世紀80年代初，美國VPL公司的創(chuàng)始人杰倫·拉尼爾首次提出“Virtual Reality”一詞，虛擬現(xiàn)實技術的研究才開啟了新時代。VR是綜合利用圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制接口設備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術。格里戈雷·博迪和菲利普·科菲特最早在他們的著作《虛擬現(xiàn)實技術》[1]中指出虛擬現(xiàn)實有三個特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和構想性（Imagination），即虛擬現(xiàn)實的“3I”特征。

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）是廣義上虛擬現(xiàn)實的擴展。AR通過計算機技術將虛擬的信息疊加到真實世界，真實的環(huán)境和虛擬的物體實時融合到同一個畫面中。VR呈現(xiàn)的場景全部是計算機生成的虛擬畫面，而AR允許用戶看到真實世界以及融合于真實世界之中的虛擬對象[2]，因此增強現(xiàn)實是“增強”了現(xiàn)實中的體驗，而不是“替代”現(xiàn)實。

二、國際VR/AR教育應用現(xiàn)狀

著名投資銀行高盛集團在投資者報告中對于VR/ AR市場規(guī)模、人口規(guī)模做了數(shù)據(jù)分析，其中教育領域K-12階段和高等教育階段的當前市場規(guī)模分別為50億美元和70億美元，僅在發(fā)達國家就約有2億所中小學使用VR/AR輔助教育活動。高盛集團還對教育領域VR/AR的人口規(guī)模和市場規(guī)模做出了預測：至2020年用戶數(shù)將會增長至700萬，2025年將會達到1500萬；2020年軟件營收為3億美元，2025年增長至7億美元[3]。

盡管VR/AR技術的教育應用時間不長，但它與教育理論如行為主義、建構主義的觀點比較吻合：①在行為主義理論中，學習是由知識和外界相互聯(lián)系，從而建立刺激—反應的聯(lián)結(jié)[4]。VR/AR創(chuàng)造的學習環(huán)境可以促使學習者在與環(huán)境交互的同時得到反饋，獲得接下來的動作指令，這樣知識和反應之間的聯(lián)系就能充分地構建。②VR/AR虛擬學習情境所提供的大量建構工具體系和表現(xiàn)區(qū)域，加以學習者的主觀能動性，與皮亞杰“把實驗室搬到課堂中去”的構想與實踐，以及“學習是一種真實情境的體驗”的建構主義觀是相符合的。[5][6][7]AR與全虛擬的VR技術相比，不僅可以將學習對象及時仿真呈現(xiàn)，更行之有效的是將其置于真實環(huán)境中，并可對模型進行操縱，能讓學生以一種自然的交互手段進行自主探索，獲得認知。它的優(yōu)點在于能呈現(xiàn)真實環(huán)境中難以表現(xiàn)的信息，并將這種信息與真實環(huán)境無縫融合，讓學習互動就像在現(xiàn)實中互動那樣自然。這對于抽象內(nèi)容教學和提升學習者興趣非常具有啟發(fā)意義。

新媒體聯(lián)盟（The New Media Consortium，簡稱NMC）是教育領域的著名組織，它每年發(fā)布《地平線報告》，介紹可能對教育產(chǎn)生重大影響的各種技術。在最近幾年發(fā)布的《地平線報告》中，AR都被列為未來幾年最具潛力的六項技術之一，如表1所示，并且從“簡單增強現(xiàn)實技術”到“增強現(xiàn)實技術”的字眼變化可以看出這門技術正在迅速走向成熟。值得注意的是2016年該報告將VR和AR并列提出，這表明了VR和AR這兩種技術在教育領域?qū)⒒ハ嗳诤蠎谩?/p>

表1 NMC組織發(fā)布的教育領域技術趨勢年度報告

三、典型VR/AR教學案例

國內(nèi)外對VR/AR技術在教育領域應用的關注與日俱增，一些團隊也對VR/AR的教育應用做了嘗試，下面通過一些典型案例來展示VR/AR的教育應用情況。

（一）三維虛擬學習環(huán)境

第二人生（Second Life，簡稱SL）是一部模擬真實社會的大型多人在線角色扮演平臺，作為一種沉浸式游戲?qū)W習環(huán)境，SL應用在合作式學習中具有較大的發(fā)展?jié)摿8]。

有研究發(fā)現(xiàn)，教育技術學、媒體研究、定性研究方法、計算機科學、歷史學、女性研究、寫作與出版、文化研究和管理學等學科都曾在SL中被教授過[9]。以語言學為例，學習英語的學生與以英語為母語者在SL中通過虛擬化身進行口語交流，達到了現(xiàn)實生活中很難實現(xiàn)的效果。

趙晶晶[10]以建構主義為理論支撐，對虛擬現(xiàn)實中開展對外漢語教學活動的要素進行了梳理歸納。以SL平臺為研究載體，選取一個中文教學虛擬島嶼與一個英語教學虛擬島嶼作為案例進行對比分析，重點探討了開展對外漢語教學的教學環(huán)境特征、教學活動特征以及人機交互界面的特點及局限。

基于SL的學習環(huán)境有三個特點：①包含交互和知識建構的沉浸式環(huán)境；②所有用戶創(chuàng)造維護；③注重網(wǎng)絡社交[11]。盡管作為目前用戶最多、最流行、相對開放的平臺，SL中卻缺乏支持學習過程的管理工具。因此，Sloodle應運而生。Sloodle，即基于Second Life的面向?qū)ο蠓植际綄W習環(huán)境，它整合了SL和目前最具開放特點的網(wǎng)絡教學平臺Moodle中的若干功能，構建了一個方便、有趣的三維學習環(huán)境[12]。如圖1展示了Sloodle的體系結(jié)構，它將Moodle中的二維碼功能模塊對應改造成自身的三維工具，并用HTTP協(xié)議和XML遠程調(diào)用進行通信。

Sloodle中包含Web-Intercom、MetaGloss、Choicer、Translator等工具，可支持角色扮演和模擬、協(xié)同合作、問題呈現(xiàn)、活動構建（自創(chuàng)對象和屬性開發(fā)）等教學活動，并能在活動前后和活動過程中對學生進行任務指導。

除了SL，北京師范大學蔡蘇等人[13]自主設計開發(fā)了一個跨平臺的三維虛擬學習環(huán)境平臺i3DVLE，并在中小學中開展準實驗研究，旨在分析和評估三維虛擬學習環(huán)境下教學的有效性、學生的學習動機和參與度。針對中小學的學科教學對于三維虛擬學習環(huán)境的潛在需求，i3DVLE中設計了若干教育案例，如太陽系行星運動規(guī)律、牛頓運動規(guī)律、虛擬大講堂等。

圖1 Sloodle體系結(jié)構

i3DVLE被運用到中小學的實際教學中，研究團隊通過面對面的交流和網(wǎng)絡答疑等方式對學習過程進行協(xié)助，了解到了教師和學生的實際應用狀況。但是，部分學生的學習成效并不如預期那樣好，他們在正式的課堂中能夠較好掌握的一些概念，在三維虛擬學習環(huán)境中的學習效果卻不甚理想。因此，根據(jù)教師和學生的一些反饋，團隊也做出了很多改進，如添加虛擬教師，給予虛擬教師更多的權限去控制和把握課堂，改進用戶的交互工具界面等，完善了i3DVLE平臺的功能。

當前三維虛擬學習環(huán)境的發(fā)展趨勢為：一是用戶參與創(chuàng)作，即完全由用戶創(chuàng)作學習內(nèi)容。二是提供探究的空間，與學習管理系統(tǒng)整合。前文介紹的Sloodle就是一個典型案例，當然它還做得不夠完美，為把三維虛擬環(huán)境和學習管理系統(tǒng)兩種異構的環(huán)境更好地融合，還需要有更多的研究工作者和實踐人員的努力。三是虛擬與真實的融合。虛擬環(huán)境的真實感有賴于圖形學的發(fā)展，但不管它如何發(fā)展，虛擬的畢竟都是虛擬的，而我們的學習活動還都是發(fā)生在真實物理世界里，“增強現(xiàn)實”能使學習者進行學習活動時有更好的體驗，應該在教育領域更加普及該種技術。四是三維和人工智能技術深度整合。因?qū)W習的復雜性，三維虛擬學習環(huán)境若要能完全做到像人類行為，比如自動答疑、自動組卷、自動判卷等，還是比較困難的，需要人工智能界技術的突破。

（二）AR圖書

在教育領域里最早運用增強現(xiàn)實技術的案例是畢靈赫斯特制作的魔法書（Magic Book）[14]。它根據(jù)書本內(nèi)容制作成3D場景和動畫，并且利用一個特殊的眼鏡就能讓兒童看到虛實相結(jié)合的場景，如圖2所示。

圖2 Magic Book

頓瑟和霍納科爾[15]以寓言故事為載體，通過閱讀來完成故事設定的挑戰(zhàn)性任務，對兒童的學習行為進行觀測和分析。研究發(fā)現(xiàn)，兒童普遍認為AR環(huán)境新穎有趣。而后他們又根據(jù)數(shù)據(jù)反饋，設計了針對七歲兒童閱讀的AR書[16]，主要分析兒童是如何將真實世界的知識技能與AR環(huán)境建立起有意義的聯(lián)系的。研究得出，AR交互與真實世界的交互基本一致，而這種新奇的顯示效果使得他們的閱讀興趣大大提升。

在這之后有團隊又設計開發(fā)了填色繪本，書中圖片被涂色后，使用平板拍攝即可顯示涂顏色的3D模型[17]。

蔡蘇、宋倩和唐瑤[18]在2010年提出增強現(xiàn)實學習環(huán)境的架構，并基于此實現(xiàn)了一本增強現(xiàn)實概念演示書——未來之書。書中選取了物理學科中的單擺、牛頓定律等實驗呈現(xiàn)虛實相結(jié)合的效果，如圖3所示。作為國內(nèi)最早的增強現(xiàn)實書，未來之書參展2010年第十七屆北京國際圖書博覽會，獲得了與會者的好評。

圖3 書上浮現(xiàn)的牛頓第二定律三維模擬

（三）AR理科教學

有大量學者把AR運用在理科教學中，以此增強學習者對現(xiàn)實情境的視覺感知能力[19]。克拉瓦拉等人[20]演示過一個天文學教學的例子，在AR環(huán)境中老師和學生可通過旋轉(zhuǎn)虛擬地球探究太陽和地球、白天和黑夜的關系。蔡蘇等人[21]將AR和Kinect體感設備相結(jié)合能使磁場可視化。學生在學習有關磁場的知識時，通過手勢能與設備進行實時交互，從而了解磁場的分布和變化。維也納理工大學研究人員就曾做過專門的力學教學展示[22]，通過AR物理引擎模擬力學領域的物理實驗，分析物體質(zhì)量、受力、運動路徑等參數(shù)。但利用該系統(tǒng)教學需要配置較昂貴的頭盔、立體眼鏡等設備。

北京師范大學蔡蘇團隊研發(fā)的基于AR的凸透鏡成像實驗通過實證探索了AR技術對八年級學生物理學習效果以及深層次認知方面的影響[23]?；贏R的凸透鏡成像教具通過使用三個不同的標記卡片來模擬蠟燭、凸透鏡和熒光屏。當攝像機捕獲到標記卡片時，凸透鏡的3D模型與用于標記焦距和兩倍焦距數(shù)據(jù)的平行數(shù)軸等參數(shù)都將顯示在屏幕上。將蠟燭標記卡片和屏幕標記卡片分別放置于凸透鏡標記卡片的兩邊，屏幕將基于蠟燭和凸透鏡之間的距離自動呈現(xiàn)相關的圖像，如果調(diào)節(jié)蠟燭和凸透鏡之間的距離，屏幕上的圖像將根據(jù)凸透鏡成像規(guī)則實時變化。假設物距為u，像距為v，焦距為f。根據(jù)凸透鏡成像的公式當u＜f時，成虛像；當u=f時，光屏不呈現(xiàn)像；當u＞f時，光屏會呈現(xiàn)實像。實驗結(jié)果表明AR對成績較落后的學生具有更大的影響。

圖4 AR模擬凸透鏡成像實驗

北京師范大學蔡蘇團隊研發(fā)的微觀粒子交互式實驗主要是對中學化學課程中基于增強現(xiàn)實的學習工具的補救性學習效果的研究[24]。實驗設計包含如表2所示的四個部分。

表2 實驗設計

該軟件使用Java語言開發(fā)，使用了NyArToolkit、Java3D以及JMF(Java Media Framework,Java媒體框架)的軟件包。通過捕獲標簽的位置來呈現(xiàn)不同的結(jié)構層次以及原子的各種組合。圖5和圖6展示了水和鉆石兩個實例的操作。如圖5(a)所示，屏幕中放入了兩個氫原子和一個氧原子。當慢慢將兩個氫原子向氧原子靠近時，一個水分子便形成了，如圖5(b)所示。學生可以拿起水分子靠近攝像頭來觀察它的結(jié)構，若將標簽向上抬高，即可看到屏幕出現(xiàn)一滴水滴，如圖5(c)和圖5(d)所示。

圖5 水分子的形成

在認識和學習金剛石的內(nèi)部結(jié)構時，探究活動要求學生使用碳原子構造金剛石晶體。首先，使用碳原子和化學鍵搭建金剛石的正四面體單元，如圖6(a)所示。此外，研究者將使用學生搭建的正四面體單元組建一個完整的金剛石結(jié)構，如圖6(b)所示。學生可以從桌子上的另一個標簽所呈現(xiàn)的物體得到提示，他們搭建的金剛石結(jié)構就是鉆石的內(nèi)部結(jié)構，這將化學和日常社會生活聯(lián)系到了一起。

圖6 金剛石的內(nèi)部結(jié)構

研究表明AR工具可以較好地幫助學生記憶原子的結(jié)構。在傳統(tǒng)課堂上，僅通過老師的簡單指導，學生對于知識的理解程度和記憶持久性較低。但基于AR的軟件教學可調(diào)動學生積極性，促使其注意力更加集中。在直觀地看到仿真模型并與其交互后，學生對所學知識的印象也更加深刻。AR工具能提高學生在實驗探究中的操作能力。相比于鍵盤、鼠標與計算機的操作，直接通過AR技術提高活動參與感的這種方式對程序性知識的識記效果更好。同時，學生也對這個工具提出了一些建議，例如他們希望物質(zhì)的模擬現(xiàn)象能更加逼真，另外還可以加入一些卡通或者動畫元素使軟件變得更有趣。

李淑惠等人[28]實施了中學數(shù)學概率知識點中的經(jīng)典拋硬幣實驗。實驗工具為研究者開發(fā)的基于AR的Android平臺上的應用程序——拋硬幣。在游戲開始前，學生可以設定兩個參數(shù)：間隔時間與識別時間。其中，間隔時間是指攝像頭兩次識別硬幣之間的最短間隔時間，識別時間為攝像頭成功識別一次硬幣的最短停留時間。游戲啟動后，移動設備的攝像頭能夠捕捉并識別畫面中硬幣的正、反面狀態(tài)，并在屏幕中顯示相應的3D模型以提示用戶該硬幣已被成功識別。一旦識別成功，系統(tǒng)會為硬幣的當前狀態(tài)自動計數(shù)，同時更新已識別的正、反面次數(shù)和頻率。如圖7所示，系統(tǒng)左上角記錄硬幣的正、反面次數(shù)，右下角折線圖可實時更新正面頻率。將實驗對象分為兩人一組，分別負責硬幣的拋擲和識別，進行多次數(shù)據(jù)統(tǒng)計。當學生退出游戲后，此次游戲的歷史數(shù)據(jù)將被保存在數(shù)據(jù)庫中。硬幣拋的次數(shù)越多，其正、反面出現(xiàn)的概率就均越接近50%。這個實驗既能快速統(tǒng)計大樣本實驗的數(shù)據(jù)，又能讓學生真正體驗到游戲動作“拋”的感覺。研究結(jié)果表明，當使用AR工具進行數(shù)學教學時，學生的學習積極性均有顯著的提高。

圖7 拋硬幣游戲界面圖

（四）AR語言教學

北京郵電大學的李鐵萌等針對幼兒園兒童漢字和英語學習開發(fā)了AR識字系統(tǒng)，旨在探究學齡前兒童的識字能力和對生字學習的記憶效果[29]。該系統(tǒng)信息架構設計如圖8所示。

圖8 增強現(xiàn)實兒童識字系統(tǒng)的功能信息架構

該實驗有兩項任務：①從操作方式、學習應用和效果三方面測試不同年齡兒童對識字系統(tǒng)的態(tài)度。②使用AR識字系統(tǒng)的學習效果測試。實驗表明，AR識字系統(tǒng)能夠提高學前兒童的生字認知能力、提升記憶效果，而且教學效果對較大年齡學前兒童更好。

北京師范大學蔡蘇團隊研發(fā)了“快樂記單詞”軟件[30]，如圖9所示。該系統(tǒng)基于Java 1.7、Android SDK和Wikitude SDK設計開發(fā)。

圖9 “快樂記單詞”軟件界面

使用平板電腦或手機掃描卡片識別單詞，然后浮現(xiàn)對應的圖片或三維模型，并發(fā)出讀音，能很好地幫助兒童進行詞匯的拼寫和發(fā)音學習。研究表明，這種學習將觸覺、聽覺和視覺結(jié)合在一起，較傳統(tǒng)教學方式更容易激發(fā)孩子的熱情，對非英語母語學習者的單詞學習效果顯著。使用手機掃描單詞，呈現(xiàn)匹配的圖片和發(fā)音也符合兒童的認知規(guī)則，但是手機可能會分散兒童的注意力。這種類型的教學可能更適合一對一的情況。

（五）基于地理位置的AR學習

江蕙楨等人[31]完成了一個中學科學教育探究活動?；顒又胁煌M的學生分別使用GPS位置獲取不同區(qū)域的信息，信息就會以增強現(xiàn)實的方式呈現(xiàn)并上傳至服務器。其他組成員來到同一地點時，可以查看已有的分享內(nèi)容。這個實驗提升了學生學習體驗，也促進了知識共享。

蕭顯勝等人[32]開發(fā)了一個增強現(xiàn)實的系統(tǒng)天氣觀察員（Weather Observers），輔助學生進行大氣系統(tǒng)等地理知識的學習。比如，在博物館的教學環(huán)節(jié)中，學生可掃描識別卡片，進而獲得相應天氣元素的模型。研究發(fā)現(xiàn)，該增強現(xiàn)實系統(tǒng)對學習者地理學科的學習興趣和學習效果的提升都有較大的幫助。

王曉玲等人[33]開發(fā)了一款在戶外調(diào)查的增強現(xiàn)實定位工具，實踐表明該應用可協(xié)助學生實時定位和信息共享，深受他們歡迎。

華東師范大學開發(fā)了一款叫做“快樂尋寶”的教育游戲[34]。這是一款基于移動增強現(xiàn)實技術的教育游戲，參與者可通過任務驅(qū)動、在線答題進行闖關。游戲的相關設置更為靈活自由，如學科知識、任務地點都可由老師進行學情分析后自主設定。游戲主要設計思路如圖10所示。

圖10 “快樂尋寶”游戲主要設計思路

實踐表明，學生能更好地沉浸于游戲中，實時交互，快速反饋。當然，游戲依然有待進一步完善與開發(fā)，存在的問題有模型真實感不強，交互有延遲，學習內(nèi)容不完善，等等。

北京師范大學王沛文等人基于移動增強現(xiàn)實和位置服務技術，設計并實現(xiàn)了地理導航與文化導覽一體化的服務系統(tǒng)，并在大學校園部署應用。研究選取了小樣本實驗設計，請實驗對象對系統(tǒng)平臺進行試用和評價，旨在探索移動增強現(xiàn)實技術應用于校園導覽的效果[35]。使用者試用系統(tǒng)平臺2—3個小時。使用過程中用戶可以根據(jù)攝像頭中捕獲到的真實場景去尋找校園相關建筑物，如圖11所示。在到達目標建筑物后，攝像頭通過捕獲圖像自動識別出該建筑物信息，并作為學習內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶。

圖11 周邊相關建筑物信息

該實驗分別從可獲取性、宣傳效果、可用性、美觀性、環(huán)保性、可交互性、可推廣性以及功能性八個方面對軟件進行調(diào)查。調(diào)查表明AR導覽軟件方便美觀。絕大多數(shù)被試者都提到使用手機可以隨時隨地獲取信息，而且定位技術與增強現(xiàn)實技術的結(jié)合使得搜索過程和呈現(xiàn)方式變得更加自然，不僅省去了手動輸入的過程，而且所見即所得；絕大多數(shù)被試者都提到目前使用紙質(zhì)地圖時的資源浪費問題，并認為該軟件是替代紙質(zhì)媒介的比較好的手段之一；絕大多數(shù)被試者都提到使用手機攝像頭與真實物理環(huán)境進行交互的方式非常新穎有趣，之前并沒有接觸過，信息的快速即時呈現(xiàn)的特點也讓校園文化隨手可及。使用者對軟件也提出了很多建設性意見，有些意見限于目前硬件技術能力還不能解決，比如校園無線網(wǎng)網(wǎng)速慢速導致加載信息過慢，手機GPS定位所需時間過長且有時定位不準確等。

四、VR/AR教育應用的前景及挑戰(zhàn)

在我國，近年來“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等紛紛在相關領域嶄露頭角。而在被稱為“VR元年”的2016年里關于VR的報道也接連不斷，引起了政府的足夠重視。政府的大力支持推動了VR的進一步發(fā)展，國務院、發(fā)改委、工信部、文化部及各級地方政府均制定了相關的配套文件，對VR創(chuàng)業(yè)團隊、VR技術進行政策鼓勵，如產(chǎn)業(yè)標準、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟方面的支持，可以說VR受到了來自政府方面前所未有的支持。2016年12月27日“國務院關于印發(fā)《‘十三五’國家信息化規(guī)劃》的通知”里“強化戰(zhàn)略性前沿技術超前布局”一章提到要“超前布局前沿技術、顛覆性技術”，要“加強全息顯示、虛擬現(xiàn)實等新技術基礎研發(fā)和前沿布局，構筑新賽場先發(fā)主導優(yōu)勢”。[36]2017年1月15日中共中央和國務院辦公廳發(fā)布的《關于促進移動互聯(lián)網(wǎng)健康有序發(fā)展的意見》里提到“加緊人工智能、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等新興移動互聯(lián)網(wǎng)關鍵技術布局，盡快實現(xiàn)部分前沿技術、顛覆性技術在全球率先取得突破”。[37]最值得提出的是2017年1月19日“國務院關于印發(fā)《國家教育事業(yè)發(fā)展‘十三五’規(guī)劃》的通知”[38]里提到“要全力推動信息技術與教育教學深度融合。……綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術探索未來教育教學新模式”。從以上政策可以看出，現(xiàn)在正是VR/AR產(chǎn)業(yè)的萌芽時期，在前期行業(yè)技術和資本市場的帶動下，政府也通過政策利好扶持虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)，并推動行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。2016年VR在國內(nèi)市場的火爆程度超乎預期，在教育領域也不例外。2016年大學英語六級、浙江高考、北京中考等大型考試都以虛擬現(xiàn)實為主題做過命題，很多學校也開始建立虛擬現(xiàn)實教學實驗室，這些都表明虛擬現(xiàn)實教育已經(jīng)從“概念”開始走向“落地”。

不過，“VR+教育”是有技術門檻的，人們對VR的認知普遍不多，在市場上VR容易被仿冒及誤導使用，從而讓大家對VR的期待值一降再降，導致最后VR還未真正問世，就已經(jīng)淪為了供過于求的“垃圾”科技，這讓正牌VR的損失難以估量。產(chǎn)品內(nèi)容方面，硬件配置與學科教育契合度偏低，VR教育課程的開發(fā)缺乏學科教育專家和老師的參與。而相對于使用Oculus、 HTC Vive等純虛擬現(xiàn)實環(huán)境來說，增強現(xiàn)實環(huán)境不需要佩戴沉重的頭盔，不需要放置捕獲用戶空間位置的專用定位器和特定的活動范圍空間。它僅需要一臺電腦配合一個普通攝像頭，或者僅需要平板電腦或手機(本身自帶攝像頭)，即可做到真實環(huán)境和虛擬對象的融合互動。因此，這種對硬件條件要求不高的學習技術更容易在學校落地，并擁有更多的受眾用戶。更重要的是，增強現(xiàn)實環(huán)境將虛擬的學習內(nèi)容與現(xiàn)實環(huán)境進行了有意義的關聯(lián)。所以，AR技術作為當前研究熱點之一的VR技術的分支，更能為學生創(chuàng)設出一個科學探究的環(huán)境[39]。著名刊物《經(jīng)濟學人》在2017年初就撰文預測AR比VR更有發(fā)展前景[40]。

AR應用于教育還處于呈現(xiàn)簡單、交互不成熟的初級階段，對于AR實證研究主題的研究設計也依然有很多亟待開發(fā)的部分。值得提出的是北京師范大學現(xiàn)代教育研究所團隊對于增強現(xiàn)實教育應用中的3D建模、虛擬行為交互等關鍵技術難題進行了長期的實證研究，且目前已取得了突破性的成果。通過其實證研究可以看出，絕大部分學生對于VR/AR教學工具或環(huán)境表現(xiàn)出正面的態(tài)度，這也符合努涅斯等人[41]的研究結(jié)果。因此，在未來教育中，我們應深掘教育規(guī)律，借助VR/AR學習環(huán)境，構建技術平臺支撐下的新型教學模式，探求VR/AR學習環(huán)境如何支持學與教，以提升學生在課堂教學中的學習效果，通過重塑學習方式回歸教育本質(zhì)，對培育創(chuàng)新型人才和教育提供支持。

[1]BURDEA G,COIFFET P.Virtual Reality Technology [M]. Hoboken:John Wiley & Sons,2003.

[2]AZUMA R T.A Survey of Augmented Reality [J].Presence:Teleoperators and Virtual Environments(S1054-7460),1997,6(4)：355-385.

[3]GOLDMAN SACHS.Virtual & Augmented Reality Understanding the Race for the Next Computing Platform[DB/OL]. (2016-03-09)[2017-02-20].http://www.goldmansachs.com/ our-thinking/pages/virtual-and-augmented-reality-report.html.

[4]WATSON J B.Psychology as the Behaviorist Views It[J].Psychological Review(S0033-295X),1913,20(2)：158.

[5]PIAGET J.The Stages of the Intellectual Development of the Child.Educational Psychology in Context:Readings for Future Teachers [M].1965.

[6]JONASSEN D H.Thinking Technology:Toward a Constructivist Design Model[J].Educational Technology(S0013-1962), 1994,34(4)：34-37.

[7]蔡蘇,王沛文,楊陽,等.增強現(xiàn)實(AR)技術的教育應用綜述 [J].遠程教育雜志,2016,(5)：27-40.

[8]DELUCIA A,FRANCESE R,PASSERO I,et al.Development and Evaluation of a Virtual Campus on Second Life:The Case of SecondDMI[J].Computers & Education（S0360-1315）,2009,52(1)：220-233.

[9]LUO L,KEMP J.Second Life:Exploring the Immersive Instruct-ional Venue for Library and Information Science Education [J].Journal of Education for Library and Information Science（S0748-5786）,2008，(49)：147-166.

[10]趙晶晶.虛擬現(xiàn)實在對外漢語教學中的應用——以“第二人生”為例 [D].濟南：山東大學，2015.

[11]SKIBA D J.Nursing Education 2.0:Second Life[J].Nursing Education Perspectives(S1536-5026),2007,28(3)：156.

[12]蔡蘇,余勝泉.從Sloodle看三維虛擬學習環(huán)境的發(fā)展趨勢[J].開放教育研究,2010,(2)：98-104.

[13]CAI S,YAO Y.I3DVLE:A Case for 3D Interactive Virtual Learning Environment [C].2nd Annual Conference on Electrical and Control Engineering,Yichang,Elsevier，2011：1-8.

[14]BILLINGHURST M,KATO H.Collaborative Augmented Reality[J].Communications of the ACM(S0001-0782),2002,45(7)：64-70.

[15]DUNSER A,HORNECKER E.An Observational Study of Children Interacting with an Augmented Story Book [M]// HUI K C,PAN Z,CHUNG R K,et al.Technologies for E-Learning and Digital Entertainment.Springer Berlin Heidelberg，2007：305-315.

[16]HORNECKER E,DUNSER A.Of Pages and Paddles: Children’s Expectations and Mistaken Interactions with Physical-digital Tools [J].Interacting with Computers (S0953-5438),2009,21(1)：95-107.

[17]RYFFEL M,MAGNENAT S.Augmented Creativity: Bridging the Real and Virtual Worlds to Enhance Creative Play[C].Proceedings of the SIGGRAPH Asia 2015 Mobile Graphics and Interactive Applications,Kobe:ACM，2015：1-12.

[18]蔡蘇,宋倩,唐瑤.增強現(xiàn)實學習環(huán)境的架構與實踐 [J].中國電化教育,2011，(8)：114-119，33.

[19]ARVANITIS T N,PETROU A,KNIGHT J F,et al.Human Factors and Qualitative Pedagogical Evaluation of a Mobile Augmented Reality System for Science Education Used by Learners with Physical Disabilities [J].Personal and Ubiquitous Computing(S1617-4909),2009,13(3)：243-250.

[20]KERAWALLA L,LUCKIN R,SELJEFLOT S,et al.“Making It Real”:Exploring the Potential of Augmented Reality for Teaching Primary School Science [J].Virtual Reality (S1434-9957),2006,10(3-4)：163-174.

[21]CAI S,CHIANG F K,SUN Y,et al.Applications of Augmented Reality-based Natural Interactive Learning in Magnetic Field Instruction [J].Interactive Learning Environments (S1049-4820),2016(5)：1-14.

[22]KAUFMANN H,MEYER B.Simulating Educational Physical Experiments in Augmented Reality [C].ACM SIGGRAPH ASIA 2008 Educators Programme,Singapore:ACM，2008：1-8.

[23]CAI S,CHIANG F-K,WANG X.Using the Augmented Reality 3D Technique for a Convex Imaging Experiment in a Physics Course [J].International Journal of Electrical Engineering Education(S0020-7209),2013,29(4)：856-865.

[24]CAI S,WANG X.A Case Study of Augmented Reality Simulation System Application in a Chemistry Course[J].Computers in Human Behavior(S0747-5632),2014，(37)：31-40.

[25]HWANG G J,CHANG H F.A Formative Assessment-based Mobile Learning Approach to Improving the Learning Attitudes and Achievements of Students [J].Computers & Education (S0360-1315),2011,56(4)：1023-1031.

[26]CHU H C,HWANG G J,TSAI C C.A Knowledge Engineering Approach to Developing Mindtools for Contextaware Ubiquitous Learning [J].Computers & Education(S0360-1315),2010,54(1)：289-297.

[27]CHU H C,HWANG G J,TSAI C C,et al.A Two-tier Test Approach to Developing Location-aware Mobile Learning Systems for Natural Science Courses [J].Computers & Education (S0360-1315),2010,55(4)：1618-1627.

[28]LI S,SHEN Y,WANG P,et al.A Case Study of Teaching Probability Using Augmented Reality in Secondary School [C].Proceedings of the 24th International Conference on Computers in Education,India:Asia-Pacific Society for Computers in Education,2016：340-344.

[29]李鐵萌,蘇力博,呂菲,等.基于增強現(xiàn)實的學前兒童識字教育系統(tǒng)及實驗研究 [J].軟件,2015,(4)：44-49.

[30]HE J,REN J,ZHU G,et al.Mobile-Based AR Application Helps to Promote EFL Children’s Vocabulary Study[C].Proceedings of the 2014 IEEE 14th International Conference on Advanced Learning Technologies,Athens:IEEE，2014.

[31]CHIANG T H,YANG S J.Students’ Online Interactive Patterns in Augmented Reality-based Inquiry Activities [J]. Computers & Education(S0360-1315),2014,(78)：97-108.

[32]HSIAO H S,CHANG C S.Weather Observers:A Manipulative Augmented Reality System for Weather Simulations at Home,in the Classroom,and at a Museum [J].Interactive Learning Environments(S1049-4820),2016,24(1)：1-19.

[33]WANG X,KRAAK M J.Progress in Cartography:User Requirements Analysis for a Mobile Augmented Reality Tool Supporting Geography Fieldwork [M].Berlin:Springer International Publishing,2016：30-68.

[34]陳向東,曹楊璐.移動增強現(xiàn)實教育游戲的開發(fā)——以“快樂尋寶”為例 [J].現(xiàn)代教育技術,2015,25(4)：101-107.

[35]WANG P,OUYANG S,ZHANG X,et al.A Study on Campus Cultural Learning and Navigation System Using Mobile Augmented Reality and Location Based Services[C].Association for the Advancement of Computing in Education,New Orleans:AACE,2014.

[36]國務院.國務院關于印發(fā)“十三五”國家信息化規(guī)劃的通知[DB/ OL].（2016-12-27）[2017-02-20].http://www.gov.cn/zhengce/ content/2016-12/27/content_5153411.htm.

[37]國務院.關于促進移動互聯(lián)網(wǎng)健康有序發(fā)展的意見[DB/ OL].（2017-01-15）[2017-02-23].http://www.gov.cn/ zhengce/2017-01/15/content_5160060.htm.

[38]國務院.國務院關于印發(fā)國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃的通知[DB/OL].(2017-01-19)[2017-02-23].http://www.gov.cn/zhengce/ content/2017-01/19/content_5161341.htm.

[39]WU H K,LEE S W Y,CHANG H Y,et al.Current Status,Opportunities and Challenges of Augmented Reality in Education[J].Computers & Education(S0360-1315),2013,62(3)：41-49.

[40]The Economics.The Promise of Augmented Reality[DB/OL]. (2017-02-04)[2017-02-28].http://www.economist.com/news/ science-and-technology/21716013-replacing-real-world-virtualone-neat-trick-combining-two.

[41]NUNEZ M,QUIROS R,NUNEZ I,et al.Collaborative Augmented Reality for Inorganic Chemistry Education In 5th WSEAS/IASME International Conference on Engincering Education,Heraklion,Greece,July 22-24,2008.

(責任編輯 孫志莉)

The Educational Application Cases and Development Trend of VR/AR

CAI Su1,2,ZHANG Han1
(1.Faculty of Education,Beijing Normal University,Beijing,China 100875; 2.Joint Laboratory for Mobile Learning,Mimstry of Education-China Mobile Communications Corporation,Beijing Normal University,Beijing,China 100875)

With the diversification of educational forms and the deep application of cutting-edge information technology in the field of education,the VR/AR learning environment has promoted more and more educators to return to the nature of education through reshaping the way of learning. It has a profound influence on innovative talents cultivation and education universalization.Based on the introduction of the concept of VR/AR,this paper expounds the current situation of international VR/AR educational application,introduces the development and empirical results of some classic VR/ AR education cases,and helps us have a further understanding of the general law of constructing information-based teaching model.Apparently,the application of VR/AR in the field of education is still in its early stages.It not only has development opportunities,but also faces some challenges.In the future,in-depth studies on the VR/AR learning environment should be conducted to support learning and teaching with the aim to enhance students’ learning effect in the classroom teaching,and to provide experience and inspiration for the reform and practice of educational teaching mode.

Augmented Reality;Virtual Reality;educational application

G4

A

2096-0069（2017）03-0001-10

2017-03-01

蔡蘇（1981— ），男，湖北洪湖人，碩士生導師，研究方向為VR/AR教育應用、STEM教育；張晗（1995— ），女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，碩士生，研究方向為VR/AR教育應用、科學教育。