林涌波

摘 要：人工智能作為智慧校園的重要組成部分，讓教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)更加精準(zhǔn)高效。文章根據(jù)教育部教育信息化2.0行動計劃等文件精神，結(jié)合長沙市岳麓區(qū)德潤園實踐應(yīng)用，運用人工智能虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助課堂教學(xué)，以“技術(shù)融合、學(xué)科融合、師生應(yīng)用融合”14字為核心方針，為人工智能虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合教學(xué)應(yīng)用實踐提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：人工智能;虛擬現(xiàn)實;互聯(lián)網(wǎng)+教育

0引言

2017年1月，國務(wù)院發(fā)布《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，支持各級各類學(xué)校建設(shè)智慧校園，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(shù)探索未來教育教學(xué)新模式。

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—? ? ? ? ? 2020年）》明確要求強化信息技術(shù)應(yīng)用，提高教師應(yīng)用信息技術(shù)水平，更新教學(xué)觀念，改進教學(xué)方法，提高教學(xué)效果;鼓勵學(xué)生利用信息手段主動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，增強運用信息技術(shù)分析解決問題能力。而虛擬現(xiàn)實VR的沉浸感能全面調(diào)動同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，符合該綱要所要求的主動學(xué)習(xí)，自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新教育思想、教育模式和教育方法的要求。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的帶領(lǐng)下，教育領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場深層次改革，技術(shù)正在重新塑造教育的新形態(tài)。推動教師主動適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)的變革，積極有效開展教育教學(xué)，促進和激發(fā)教師主動應(yīng)用信息技術(shù)去改變課堂教學(xué)的積極性和創(chuàng)造性，打造“技術(shù)創(chuàng)新課堂”，分享新媒體、新技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用方式、特點和作用，促進信息技術(shù)與課堂教學(xué)的深度融合創(chuàng)新，破解教育教學(xué)重難點問題，提升教師信息技術(shù)應(yīng)用能力與素養(yǎng)。在此背景下，研究如何應(yīng)用人工智能等新技術(shù)推動教育事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 人工智能虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合教育的現(xiàn)狀與發(fā)展分析

1.1 人工智能虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合教育現(xiàn)狀分析

1.1.1 國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)使用情況

根據(jù)被視為教育信息化建設(shè)與發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)《國際教育信息化地平線報告》預(yù)測，近兩三年來能夠?qū)虒W(xué)和創(chuàng)造性研究產(chǎn)生重要推動作用的6項主流應(yīng)用信息技術(shù)中，移動應(yīng)用、增強現(xiàn)實、3D打印等占據(jù)主要部分[1]。英國的開放大學(xué)開放科學(xué)實驗室已經(jīng)實現(xiàn)了線上實驗功能，學(xué)生下載實驗所需虛擬的儀器硬件后即可進行線上實驗[2]。我國在《國家中長期教育和改革發(fā)展綱要2020—2020）》中明確指出要大力發(fā)展虛擬實驗室，用虛擬實驗教學(xué)解決真實實驗、訓(xùn)練中所存在的高污染、高風(fēng)險、高損耗、長周期等諸多問題。虛擬仿真技術(shù)在我國也有十余年的發(fā)展歷程，虛擬仿真實驗室案例有很多，例如清華大學(xué)的“電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真”實驗室。隨著“增強現(xiàn)實技術(shù)”與“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在學(xué)科中的應(yīng)用與實踐研究的案例愈來愈多。

1.1.2 VR在教學(xué)中的研究現(xiàn)狀分析

經(jīng)文獻搜索可知，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中由來已久，主要運用在中學(xué)的學(xué)科中，如中學(xué)生物、地理、物理、英語和科學(xué)教學(xué)的應(yīng)用研究。德潤園的課題研究內(nèi)容為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中應(yīng)用策略研究。科學(xué)課程中有很多宇宙與空間領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容，主要培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力。但是由于認(rèn)知差異及思維發(fā)展的差異，并不是所有的學(xué)生都能理解，而通過人工智能及虛擬現(xiàn)實技術(shù)能直觀體驗，在科學(xué)教學(xué)中發(fā)揮巨大優(yōu)勢。

1.2 人工智能虛擬現(xiàn)實教育的未來發(fā)展分析

1.2.1 注重有機結(jié)合，確保資源的實用性

充分運用VR、AR、3D、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，確保資源與最新技術(shù)的有機結(jié)合，讓資源可廣泛應(yīng)用于各類教學(xué)設(shè)備，一定程度上能領(lǐng)先于其他傳統(tǒng)教育教學(xué)輔助手段[3]。

1.2.2 推動人機交互，促進群體的協(xié)助性

教育部教育信息化2.0行動計劃中強調(diào)了人機交互和群體協(xié)助。VR教學(xué)中的雙向交流模式將知識性、趣味性和自主性相結(jié)合，教師的教學(xué)將更加充分全面地考慮學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律，促進其在新技術(shù)的體驗中更好地實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和群體協(xié)助，提升合作能力與意識，同時，實現(xiàn)教師信息技術(shù)能力的全面快速提升。

1.2.3 用好新技術(shù)，實現(xiàn)VR價值的最大化

VR不僅僅是技術(shù)，更是資源的集合體[4]。通過新技術(shù)的使用、研究和新資源的開發(fā)、創(chuàng)作，新技術(shù)、新設(shè)備最終成為能可持續(xù)服務(wù)于全學(xué)科、全體學(xué)生的有效手段，從“我想看，我喜歡看”到“我想做，我也能做”。

1.2.4 學(xué)科交互融合，創(chuàng)新（課堂教學(xué)）目標(biāo)的高效性

基于新技術(shù)和新課程，用項目或主題等方式，集合不同學(xué)科的同類型、同素材教學(xué)內(nèi)容，組建全新的備課組，嘗試創(chuàng)設(shè)學(xué)科融合型課程（60～90分鐘），創(chuàng)設(shè)融合學(xué)科的教學(xué)綜合目標(biāo)（三維目標(biāo)）和教學(xué)過程，以此減少知識重復(fù)，加強學(xué)科間的交流，實現(xiàn)跨學(xué)科發(fā)展。在打造高品質(zhì)的學(xué)科融合型課堂的同時，實現(xiàn)師生共同發(fā)展，真正實現(xiàn)學(xué)以致用。

2 教育信息化2.0時代的人工智能虛擬現(xiàn)實融合教學(xué)應(yīng)用實踐案例

為認(rèn)真落實《教育信息化2.0行動計劃》的總體目標(biāo)，湖南省長沙市岳麓區(qū)教育局一直致力于探索通過技術(shù)變革教育教學(xué)的路徑，區(qū)域內(nèi)的德潤園人工智能VR/AR超感教室作為湖南省首個人工智能虛擬現(xiàn)實融合教育項目，對加速新時代智慧教育創(chuàng)新發(fā)展與創(chuàng)新教學(xué)師資隊伍建設(shè)提供了很好的研究示范。

2.1 德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實超感教室實踐概況

德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實超感教室自2020年11月底正式落地以來，學(xué)校通過首席信息官的設(shè)立，組織建設(shè)了一個32人的虛擬現(xiàn)實創(chuàng)客項目組，吸納了多學(xué)科老師（語文、數(shù)學(xué)、信息、美術(shù)、音樂、體育等）進行理念和技術(shù)學(xué)習(xí)培訓(xùn)，突破學(xué)科教育的邊界，提升了技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用實踐水平。

德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實融合教學(xué)應(yīng)用項目具有多套操作系統(tǒng)及系列資源支撐，涵蓋AI虛擬動漫創(chuàng)客系統(tǒng)、VR創(chuàng)客編程系統(tǒng)、VR/AR互動教學(xué)系統(tǒng)、VR全景720相機、3D “U安全”教育及VR測評反饋系統(tǒng)等。歷時2周，項目組開展了20個課時的產(chǎn)品和教學(xué)融合培訓(xùn)，項目組老師能熟練使用虛擬現(xiàn)實超感教室的信息化輔助教學(xué)設(shè)備和系統(tǒng)。經(jīng)過3個月的項目實踐，學(xué)校師生通過多技術(shù)應(yīng)用、跨學(xué)科融合、師生共協(xié)作的方式創(chuàng)作的作品已超50個，并榮獲省、市、區(qū)教育部門的高度評價。

2.2 德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實超感教室實踐應(yīng)用

2.2.1 深度踐行新課標(biāo)“互動”“倡導(dǎo)探究”理念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新型的數(shù)字化教學(xué)媒體，可以對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中所涉及的宏觀、微觀教學(xué)應(yīng)用場景進行現(xiàn)實虛擬，學(xué)生可直觀地體驗到抽象、難以理解的教學(xué)內(nèi)容，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行體驗式探索學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和想象力，與科學(xué)新課標(biāo)中倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)相一致。

2.2.2 完善課程資源體系

完整的課堂教學(xué)，教師應(yīng)不僅僅局限于開發(fā)校內(nèi)課程資源，更需要去應(yīng)用校外課程資源，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能體現(xiàn)出大量的校外課程資源，學(xué)生在虛擬現(xiàn)實技術(shù)當(dāng)中，一起體驗在課堂當(dāng)中到達不了的地方，如：科技館、天文館、博物館、生態(tài)動物園等，學(xué)生課堂中的當(dāng)場體驗更加直觀有效，更好地促進學(xué)生的知識遷移和前概念轉(zhuǎn)化。德潤園通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)操作系統(tǒng)及系列資源完善課程資源體系，讓學(xué)生有更直觀的體驗。

2.2.3 提高課堂教學(xué)效益

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是課堂授課過程中一種輔助性的教學(xué)手段，它能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，如建造人體模型、太空旅行、極地風(fēng)光、太陽系模型等，在生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程4個領(lǐng)域提供虛擬體驗，從而加快和牢固學(xué)生的學(xué)習(xí)。它可起到引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機，促進抽象思維的發(fā)展，考察學(xué)生理解程度的作用。從而提高課堂40分鐘的教學(xué)效果， 加強學(xué)生的探究意識，提升思維能力和解決問題的能力。

2.2.4 解決課堂實踐中的實際問題

目前課堂實踐中的主要問題有：①學(xué)生在課堂中“動腦”不足;②儀器的配備與課堂教學(xué)不相匹配，導(dǎo)致很多的探究實驗無法開展;③課堂中許多教學(xué)內(nèi)容緊跟科技前沿，高出學(xué)生的理解能力;④實驗教學(xué)內(nèi)容閉塞，缺乏科學(xué)性;⑤教學(xué)內(nèi)容難以做到證據(jù)性資料的收集，教師講解過多。

動腦的強弱不僅和認(rèn)知任務(wù)的難易程度有關(guān)，也和師生互動的水平高低有關(guān)。要開拓學(xué)生的思維，首先要引起他們的注意，讓學(xué)生對探究的問題產(chǎn)生興趣，不能只有教師提問、學(xué)生回答;一些科學(xué)實驗的儀器配備問題，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以解決，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬實驗環(huán)境、豐富教學(xué)資源內(nèi)容等，增強教學(xué)效果以及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實超感教室實踐成果與意義

2.3.1 突破邊界，信息化技術(shù)“相加”與“相融”實踐

自德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實超感教室項目落地，進行理念和技術(shù)學(xué)習(xí)培訓(xùn)，突破學(xué)科教育的邊界，運用以技術(shù)為支撐的STEAM教學(xué)模式，促進了跨學(xué)科融合，提升了技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)藝術(shù)的“相加”與“相融”。

2.3.2 技術(shù)應(yīng)用實踐成果

①促進虛擬現(xiàn)實與信息科學(xué)、教育學(xué)、學(xué)習(xí)科學(xué)、生命科學(xué)、藝術(shù)學(xué)等領(lǐng)域的深度交叉融合，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實理論和技術(shù)的突破。

②注重虛擬現(xiàn)實與信息技術(shù)及領(lǐng)域的融合，包括大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、可穿戴技術(shù)、3D打印等有機融合，為構(gòu)建教育新生態(tài)奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

③注重虛擬現(xiàn)實新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，進一步開拓新的研究方向，大力開展人工智能與相關(guān)學(xué)科的交叉研究，構(gòu)建智慧教育新生態(tài)。

2.3.3 教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用實踐成果

①物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域：了解物質(zhì)的組成以及其變化的本質(zhì);知道不同能量之間的轉(zhuǎn)換，對抽象的能量概念有具體的認(rèn)知。

②生命科學(xué)領(lǐng)域：直觀體會生物身體構(gòu)造的作用，認(rèn)識人體的主要生命活動，了解生物之間的相互關(guān)系。

③地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域：了解太陽系及宇宙中一些行星的基本情況，體驗宇宙的無窮奧妙;通過真實體驗、更加深入了解地球地殼運動、大氣運動、水循環(huán)等有關(guān)自然現(xiàn)象的形成原因;明白人類需要珍惜愛護我們賴以生存的家園。

④技術(shù)與工程領(lǐng)域：利用VR技術(shù)，學(xué)生能直觀體驗到技術(shù)制作的成品的精妙之處;技術(shù)是人們改造周邊環(huán)境的方法，工程是依據(jù)科學(xué)原理設(shè)計和制造物品、解決技術(shù)應(yīng)用的難題、創(chuàng)造豐富的人工世界等一系列活動;科學(xué)技術(shù)推動著人類社會的發(fā)展和文明進程。

⑤拓展課程：通過具體問題分析科學(xué)概念，以及對環(huán)境情況了解，樹立正確的科學(xué)觀念。

2.3.4 學(xué)科融合，為教育方式的多元化開辟了智慧路徑

德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實超感教室基于國家課題—《虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科學(xué)教學(xué)的應(yīng)用策略研究》，融合多學(xué)科虛擬現(xiàn)實教學(xué)資源體系輔助支撐，以物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域、生命科學(xué)領(lǐng)域、地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域、技術(shù)與工程領(lǐng)域、拓展課程5個方向為研究重點，讓學(xué)生體驗抽象微觀概念、直觀了解物質(zhì)維度內(nèi)部的構(gòu)成;體驗真實場景、深入了解生物的奧秘;通過虛擬現(xiàn)實了解抽象的宇宙空間概念以及地球相關(guān)知識;學(xué)習(xí)并了解機械內(nèi)部構(gòu)造、體驗工作原理、實地參觀體驗建筑之妙;體驗活動，對科學(xué)活動產(chǎn)生濃厚興趣。

利用豐富的虛擬現(xiàn)實數(shù)字資源，基于智能化VR設(shè)備的人機交互，讓課堂更生動、形象、有趣，盡可能還原兒童認(rèn)識世界的真實性和整體性，打開孩子們的視野。除了系統(tǒng)自帶的豐富資源，教師和學(xué)生在使用過程中創(chuàng)造出的成果亦不斷為資源庫注入新鮮的血液，資源的不斷沉淀、發(fā)掘、復(fù)用、再創(chuàng)新，為資源的眾創(chuàng)、共享提供了無限的空間和可能。

2.3.5 師生應(yīng)用融合，人工智能虛擬現(xiàn)實教育教學(xué)模式融合創(chuàng)新

在德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實教學(xué)應(yīng)用中，跨學(xué)科學(xué)習(xí)及項目協(xié)作型教學(xué)模式得到越來越多的關(guān)注和研究。隨著人工智能虛擬現(xiàn)實教學(xué)應(yīng)用項目的發(fā)展，新型信息技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)、AI虛擬創(chuàng)客技術(shù)、體感技術(shù)等在教育中的應(yīng)用，新型的教育方式應(yīng)運而生，包括創(chuàng)客教學(xué)、STEAM教學(xué)、基于項目學(xué)習(xí)（PBL），以及基于設(shè)計思維跨學(xué)科教學(xué)等模式，進一步促進了AI與教育的融合創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)從“PCK”（學(xué)科教學(xué)知識）到“TPaCK”（技術(shù)整合的學(xué)科教學(xué)知識）的轉(zhuǎn)變。

將教學(xué)課堂“以教師為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)，改變?yōu)榧饶艹浞职l(fā)揮教師在課堂教學(xué)中的主導(dǎo)作用，又能顯著突出學(xué)生主體地位的“主導(dǎo)—主體相結(jié)合”教學(xué)結(jié)構(gòu)。利用項目式學(xué)習(xí)與跨學(xué)科融合課堂，教師由課堂教學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)者和知識的灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂教學(xué)的組織者、指導(dǎo)員，學(xué)生建構(gòu)意義的輔導(dǎo)者、促進者，學(xué)生良好情操的培育者;學(xué)生由知識灌輸?shù)膶ο蠛屯獠看碳さ谋粍咏邮苷咿D(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識意義的主動建構(gòu)者和情感體驗與培育的主體;教學(xué)內(nèi)容由只是依賴一本教材轉(zhuǎn)變?yōu)橐越滩臑橹?、師生共同?chuàng)造豐富的信息化教學(xué)校本資源相配合;教學(xué)媒體由只是輔助教師突破重點、難點的形象化教學(xué)工具轉(zhuǎn)變?yōu)榧仁禽o助教的工具，又是促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)的認(rèn)知工具、協(xié)作交流工具與情感體驗與內(nèi)化的工具。

3 結(jié)語

人工智能虛擬現(xiàn)實教學(xué)實踐項目在全面提升學(xué)校課程質(zhì)量，服務(wù)于全課程、服務(wù)于全體學(xué)生方面有相當(dāng)大的研究價值和可操作空間，既有助于推動學(xué)校教育信息化建設(shè)，又能豐富虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于新課程、新課改的表現(xiàn)方式。同時，在應(yīng)用資源、創(chuàng)造資源、整合資源上，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行項目化（主題式）多學(xué)科融合教學(xué)，能有效解決各學(xué)科教學(xué)中知識交叉、內(nèi)容重復(fù)、高效課堂等問題。教育工作者更應(yīng)該積極做好人工智能在教育的普及、變革，促進人工智能與教育融合發(fā)展。

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（編輯 王永超）