VR/AR在兒童教育中的應(yīng)用研究綜述

雷晴晴　王梓希

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；兒童教育

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）20-0141-03

0 引言

近年來(lái)，隨著科技進(jìn)步和信息網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的傳統(tǒng)行業(yè)得到升級(jí)和進(jìn)步，兒童教育行業(yè)也迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。新的科技手段和教學(xué)模式的出現(xiàn)，正在深刻地改變著兒童教育行業(yè)的面貌。VR和AR技術(shù)是信息時(shí)代下衍生的重要產(chǎn)物，已經(jīng)對(duì)我們的生活、學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生了重要影響。在教育產(chǎn)業(yè)中，其多樣的互動(dòng)性及真實(shí)的感官體驗(yàn)讓學(xué)習(xí)者更加深入地了解各種概念和主題，在虛擬交互的學(xué)習(xí)中充分理解所學(xué)內(nèi)容。目前，VR/AR技術(shù)在推動(dòng)兒童教育信息化發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，教育者將媒介技術(shù)貼近兒童實(shí)際需要，構(gòu)建逼真立體的虛擬世界，使兒童能夠在開(kāi)放式的環(huán)境中自由學(xué)習(xí)、探索、互動(dòng)和創(chuàng)造，從而培養(yǎng)他們的興趣、好奇心和探索精神[1]。本文擬通過(guò)梳理過(guò)去二十年間國(guó)內(nèi)外VR/AR技術(shù)應(yīng)用于兒童教育的相關(guān)研究文獻(xiàn)，了解VR/AR兒童教育研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)當(dāng)下VR/AR技術(shù)應(yīng)用于兒童教育的優(yōu)勢(shì)與不足之處，為今后虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在兒童教育中應(yīng)用的研究提供參考和借鑒。

1 VR/AR 技術(shù)

1.1 VR 技術(shù)

VR技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）是從計(jì)算機(jī)技術(shù)出發(fā)，通過(guò)數(shù)字信息建構(gòu)一個(gè)具有高度仿真的虛擬環(huán)境，能調(diào)動(dòng)人在其中的視、聽(tīng)、觸多感官系統(tǒng)[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一般包括以下幾個(gè)方面的技術(shù)支持。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：用于創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境，包括地形、建筑、物體等的建模和渲染。

交互設(shè)備和算法：用于實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境的交互，包括手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、觸覺(jué)反饋等。

虛擬現(xiàn)實(shí)引擎：用于開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序，提供場(chǎng)景搭建、物理引擎、渲染和聲音等功能。

1.2 AR 技術(shù)

AR技術(shù)（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的信息增加用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知。它通過(guò)在實(shí)際場(chǎng)景上疊加計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或?qū)嶋H物體的非幾何特征來(lái)達(dá)到對(duì)實(shí)際場(chǎng)景的增強(qiáng)。與此同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)與現(xiàn)實(shí)的連接并沒(méi)有中斷，因此互動(dòng)的模式也變得更為自然。

2 VR/AR 在兒童教育領(lǐng)域應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 生動(dòng)直觀性

可以通過(guò)模擬真實(shí)場(chǎng)景，讓兒童身臨其境，從而更直觀、生動(dòng)地了解所學(xué)的知識(shí)。

2.2 互動(dòng)性

可以讓兒童在虛擬環(huán)境中互動(dòng)參與，比如通過(guò)手勢(shì)、語(yǔ)音等方式進(jìn)行交互，激發(fā)兒童學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

2.3 安全性

可以提供一個(gè)安全、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓兒童在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、體驗(yàn)，而不必?fù)?dān)心受到傷害或造成損失。

2.4 多樣性

可以提供豐富多樣的學(xué)習(xí)資源，比如動(dòng)畫(huà)、游戲、模擬實(shí)驗(yàn)等，滿足不同兒童的學(xué)習(xí)需求和興趣。

2.5 個(gè)性化

可以根據(jù)兒童的學(xué)習(xí)興趣和能力，提供更深入、個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，幫助兒童更好地掌握知識(shí)和技能。

3 VR/AR 在兒童教育中的應(yīng)用

VR/AR技術(shù)的出現(xiàn)為兒童教育領(lǐng)域注入了新力量，在一定程度上滿足了兒童成長(zhǎng)中探索世界的需求。依據(jù)兒童發(fā)展心理學(xué)界定，兒童為3-15歲的孩子，主要為幼兒與小學(xué)生[3]。兒童的認(rèn)知發(fā)展包括思維能力、信息處理和問(wèn)題解決等方面的成長(zhǎng)，認(rèn)知發(fā)展水平會(huì)影響他們對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)的理解和處理能力。在其認(rèn)知發(fā)展初期可能更注重感官和運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，隨著認(rèn)知能力的提升，他們逐漸能夠理解抽象概念、邏輯推理和符號(hào)表示等學(xué)習(xí)內(nèi)容。使用VR/AR技術(shù)可以最大限度地模擬出一個(gè)內(nèi)容豐富、易于體驗(yàn)的教育環(huán)境和背景。教育者采用VR/AR技術(shù)開(kāi)展教學(xué)，呈現(xiàn)知識(shí)信息，輔助教學(xué)活動(dòng)，兒童與虛擬環(huán)境互動(dòng)，可以獲得身臨其境的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)體驗(yàn)，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)直觀認(rèn)知，促進(jìn)思維步步深入地發(fā)展，有助于他們主動(dòng)參與學(xué)習(xí)、積極探索和構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)。目前， VR/AR在兒童教育領(lǐng)域中已有較多的應(yīng)用實(shí)踐。

3.1 VR/AR 兒童教育游戲

寓教于樂(lè)，以樂(lè)促學(xué)是教育游戲的設(shè)計(jì)理念，教育游戲廣泛用于兒童的能力鍛煉和知識(shí)探索中，具有極高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。VR/AR 兒童教育游戲是以VR/AR技術(shù)為支撐，通過(guò)模擬學(xué)習(xí)情境構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，基于學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)游戲情節(jié)，兒童通過(guò)扮演游戲中的角色與游戲人物等進(jìn)行互動(dòng)交流，在完成游戲任務(wù)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。舒雯在 HIVEPOT、Steam VR等虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺(tái)搜索發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)兒童教育游戲內(nèi)容相對(duì)較豐富，涵蓋了學(xué)科教育類、科普知識(shí)類、生活技能類等多種類型游戲[4]。Ori Inbar 開(kāi)發(fā)了一款適合4～7歲兒童的AR拼寫(xiě)游戲，這款拼寫(xiě)游戲的教學(xué)內(nèi)容與孩子的身心發(fā)展及感知能力相適應(yīng)，目的是讓兒童在任何時(shí)候都可以進(jìn)行拼寫(xiě)訓(xùn)練。田元等人分析了AR技術(shù)支持下的教育游戲特征，開(kāi)發(fā)了一款針對(duì)學(xué)齡前兒童的移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育游戲，對(duì)提高教育游戲水平提出了新戰(zhàn)略[5]。何聚厚等人開(kāi)發(fā)了一款全沉浸式VR英語(yǔ)學(xué)習(xí)游戲，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)將VR教育游戲應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)對(duì)兒童的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生積極影響[6]。

3.2 VR/AR 應(yīng)用于兒童學(xué)科教育

VR/AR技術(shù)可以提供更生動(dòng)的學(xué)習(xí)材料和工具，以培養(yǎng)兒童在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的技能和認(rèn)知能力，有很多研究者采用VR/AR技術(shù)進(jìn)行兒童學(xué)科教育的嘗試。Chien將AR內(nèi)容制作成“ 魔法之書(shū)”用于兒童的計(jì)數(shù)相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)，用情境化的故事教學(xué)模式和AR技術(shù)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，證明AR技術(shù)可在學(xué)前教育中發(fā)揮良好作用[7]。Hye Sun Lee將韓國(guó)游戲的豐富經(jīng)驗(yàn)融合進(jìn)數(shù)學(xué)教學(xué)過(guò)程中，借助 AR 手段大大增強(qiáng)了小學(xué)階段兒童學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識(shí)過(guò)程中的趣味性[8]。Edo? ardo等人研究證明移動(dòng)VR技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方法協(xié)同使用可以使兒童在音樂(lè)課上主動(dòng)聆聽(tīng)、注意力更集中[9]。梁博使用扎根理論的方法研究VR技術(shù)在小學(xué)教育中的應(yīng)用，提出在小學(xué)科學(xué)、小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)中，可以使用VR技術(shù)讓兒童跨越時(shí)空身臨其境地感受課文中的景象，克服科學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)際條件的限制，遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)，使兒童產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，從而更好地進(jìn)行接下來(lái)的課堂學(xué)習(xí)。謝穎基于情境認(rèn)知理論、沉浸學(xué)習(xí)理論等，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于 AR 的小學(xué)英語(yǔ)案例教學(xué)資源“Lets eat”。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出將 AR技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)英語(yǔ)課堂能夠激發(fā)學(xué)生的英語(yǔ)學(xué)習(xí)興趣和提升學(xué)生的英語(yǔ)學(xué)習(xí)效果的研究結(jié)論。

3.3 VR/AR 應(yīng)用于兒童安全教育

兒童的心智尚未成熟，易受傷害，安全意識(shí)比較薄弱，普遍缺乏防范與處理事故能力。傳統(tǒng)安全教育通常采用口頭訓(xùn)誡、圖文故事、動(dòng)畫(huà)視頻等方式，缺乏互動(dòng)和體驗(yàn)，效率低下。安全演習(xí)基于情境，容易取得效果，但組織工作量巨大，不宜作為常規(guī)訓(xùn)練手段。采用VR/AR技術(shù)能夠讓兒童安全地體驗(yàn)一些火災(zāi)、地震、溺水、交通事故等場(chǎng)景，并且能夠在其中找到安全逃生和預(yù)防的方法。張雪等人以城市、城郊和農(nóng)村地區(qū)三所小學(xué)的 79 名兒童為研究對(duì)象，通過(guò)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了VR技術(shù)在識(shí)別和改善兒童危險(xiǎn)交通行為方面的有效性[10]。任楠楠構(gòu)建了沉浸式 VR 在小學(xué)安全教育中的課堂應(yīng)用新模式，選取“地震VR體驗(yàn)”資源進(jìn)行教學(xué)分析與VR 環(huán)境創(chuàng)設(shè)，實(shí)踐研究證明VR技術(shù)與安全教育相結(jié)合，并實(shí)施合適的教學(xué)模式，能夠讓教學(xué)過(guò)程變得更加有趣，提高學(xué)習(xí)效果。胡越基于交互敘事，研究設(shè)計(jì)了AR 游戲《不可思議的大冒險(xiǎn)》，兒童利用移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用程序，通過(guò)攝像頭識(shí)別并掃描具有安全教育知識(shí)的游戲卡片，進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。解決了傳統(tǒng)安全教育存在的方式單調(diào)、枯燥、內(nèi)容吸收差等問(wèn)題。還有學(xué)者將VR技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村留守兒童防性侵安全教育，解決留守兒童的家庭和學(xué)校有關(guān)性知識(shí)傳授的難題。

3.4 VR/AR 應(yīng)用于兒童特殊教育

VR/AR技術(shù)應(yīng)用于兒童特殊教育主要在孤獨(dú)癥兒童、智力障礙兒童的早期干預(yù)等方面，為特殊兒童提供沉浸式、個(gè)性化和互動(dòng)式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，幫助他們克服認(rèn)知和行為障礙，提高學(xué)習(xí)能力和生活技能。VR技術(shù)所創(chuàng)設(shè)的虛擬環(huán)境主要分為單用戶環(huán)境和多用戶環(huán)境，其中多用戶環(huán)境可以為個(gè)體提供更多社會(huì)交往和角色扮演的機(jī)會(huì)，更真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)生活中的互動(dòng)情境[11]。Kijima的研究顯示特殊兒童可以在模擬的環(huán)境中運(yùn)用并適應(yīng)一些簡(jiǎn)單的互動(dòng)[12]。Wuang 等人采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的體感裝置 Wii，對(duì)唐氏綜合征患兒進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)VR-Wii的療效明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的作業(yè)療法，并可明顯提高患兒的粗肌肉活動(dòng)量。Strickland對(duì)兩名孤獨(dú)癥兒童進(jìn)行過(guò)馬路的訓(xùn)練，結(jié)果表明，兒童能在虛擬環(huán)境中辨認(rèn)出日常生活中常見(jiàn)的物體，并完成過(guò)馬路的任務(wù)。北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了基于手勢(shì)識(shí)別設(shè)備的自然交互系列游戲?qū)陋?dú)癥兒童的干預(yù)研究，證明VR/ AR技術(shù)的使用能夠有效提高孤獨(dú)癥兒童精細(xì)動(dòng)作水平和認(rèn)知水平。

3.5 VR/AR 應(yīng)用于兒童德育

VR/AR應(yīng)用于兒童德育主要是通過(guò)模擬情境和互動(dòng)體驗(yàn)，幫助兒童進(jìn)行道德決策、共情與人際關(guān)系、責(zé)任感和公民意識(shí)以及價(jià)值觀教育的培養(yǎng)。紅色文化是思想政治教育、思想品德教育的珍貴資源，陳佳佳等人認(rèn)為將VR/AR技術(shù)與紅色文化的宣傳與學(xué)習(xí)相結(jié)合，進(jìn)行多樣化的宣傳紅色文化，可以加強(qiáng)兒童對(duì)紅色文化的學(xué)習(xí)認(rèn)知， 樹(shù)立良好的三觀。并且他們?cè)O(shè)計(jì)了結(jié)合VR、AR與H5的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)平臺(tái)用于兒童的紅色文化學(xué)習(xí)[13]。李宣霖等人提到要帶給學(xué)齡前兒童真正的學(xué)習(xí)地點(diǎn)“無(wú)界”，以重慶渣滓洞集中營(yíng)為例，利用AR技術(shù)重現(xiàn)烈士牢房、拷問(wèn)室，真實(shí)再現(xiàn)景區(qū)歷史遺物獨(dú)特性，增強(qiáng)兒童對(duì)歷史學(xué)習(xí)及紅色文化的培養(yǎng)。Shim Jaekwoun以韓國(guó)162名小學(xué)生為調(diào)查對(duì)象，研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR） 的品德教育項(xiàng)目在培養(yǎng)小學(xué)生品德方面是否有效，結(jié)果表明兒童在道德敏感性上有顯著提高[14]。

4 VR/AR 應(yīng)用于兒童教育領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

4.1 提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣

VR和AR技術(shù)能夠?yàn)閮和瘎?chuàng)造身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。通過(guò)互動(dòng)和沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，兒童更加投入，并對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容產(chǎn)生濃厚的興趣。

4.2 提升學(xué)習(xí)效果和記憶力

研究表明，與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，VR和AR技術(shù)能夠提高學(xué)習(xí)效果和記憶力。由于兒童可以親身體驗(yàn)和操作學(xué)習(xí)內(nèi)容，他們更容易理解和記住所學(xué)知識(shí)。

4.3 促進(jìn)多感官學(xué)習(xí)

VR和AR技術(shù)能夠刺激兒童的多種感官，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等，從而促進(jìn)多感官學(xué)習(xí)。這種多感官的學(xué)習(xí)方式可以幫助兒童更全面地理解和吸收知識(shí)。

4.4 提供自主學(xué)習(xí)和探索機(jī)會(huì)

VR和AR技術(shù)提供了兒童進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探索的機(jī)會(huì)。他們可以根據(jù)自己的興趣和節(jié)奏，自由地選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和進(jìn)行實(shí)踐操作，從而培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力。

4.5 支持特殊教育和個(gè)性化學(xué)習(xí)

VR和AR技術(shù)可以根據(jù)兒童的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和需求提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。對(duì)于有學(xué)習(xí)障礙或特殊教育需求的兒童，這些技術(shù)能夠提供更具適應(yīng)性和差異化的學(xué)習(xí)支持。

4.6 培養(yǎng)實(shí)踐技能和創(chuàng)造力

通過(guò)與虛擬世界中的對(duì)象和情境互動(dòng)，兒童可以培養(yǎng)實(shí)踐技能和創(chuàng)造力。他們可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)、藝術(shù)創(chuàng)作、設(shè)計(jì)構(gòu)建等活動(dòng)，從而發(fā)展實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)造性思維。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著VR/AR技術(shù)的不斷成熟和普及，越來(lái)越多的學(xué)校、教育機(jī)構(gòu)和教育工作者認(rèn)識(shí)到它應(yīng)用于兒童教育的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)始采用VR/AR技術(shù)來(lái)豐富教學(xué)內(nèi)容和提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)，VR/AR技術(shù)在兒童教育領(lǐng)域的應(yīng)用正呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)。VR/AR技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用不僅助力了兒童教育的信息化進(jìn)程，而且為兒童教育開(kāi)啟了數(shù)字化時(shí)代的新篇章。但任何技術(shù)都具有雙面性，我們需要積極正視VR/AR技術(shù)在兒童教育中的不足之處和面臨的挑戰(zhàn)。

VR/AR技術(shù)的過(guò)度使用和錯(cuò)誤應(yīng)用可能會(huì)在一定程度上阻礙兒童的深層認(rèn)知發(fā)展，對(duì)其認(rèn)知能力產(chǎn)生不利影響。如果兒童過(guò)度沉迷于技術(shù)設(shè)備和虛擬世界，可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)真實(shí)世界的體驗(yàn)和交互的缺乏，限制他們的社交技能和情感發(fā)展。此外，一些兒童可能過(guò)度依賴技術(shù)工具來(lái)解決問(wèn)題，缺乏獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力，還會(huì)產(chǎn)生注意力分散和學(xué)習(xí)效果下降的問(wèn)題[3]。VR/AR教育產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者應(yīng)考慮的是如何根據(jù)兒童的身心發(fā)展規(guī)律設(shè)計(jì)適宜兒童使用的產(chǎn)品，將教育價(jià)值納入設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程確保其產(chǎn)品符合教育標(biāo)準(zhǔn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的教育效果。教育者需要思考如何合理地將VR/AR技術(shù)融入課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)，以及活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短等，既實(shí)現(xiàn)教育目的，又防止兒童沉迷其中。

技術(shù)的可持續(xù)性和普及性也是一個(gè)挑戰(zhàn)。VR/ AR設(shè)備的成本較高，限制了其在許多學(xué)校和家庭中的普及程度。此外，技術(shù)的維護(hù)和更新也需要持續(xù)投入和專業(yè)知識(shí)。解決這些問(wèn)題需要政府、教育機(jī)構(gòu)和行業(yè)合作，共同努力降低成本并提供可持續(xù)的技術(shù)支持。

在教育研究和政策制定方面也存在挑戰(zhàn)，雖然VR/AR技術(shù)在兒童教育效果中呈現(xiàn)出許多優(yōu)勢(shì)，但我們?nèi)孕枰嗟难芯亢驮u(píng)估來(lái)深入了解其對(duì)兒童學(xué)習(xí)和發(fā)展的具體影響。同時(shí)，制定相關(guān)政策和法規(guī)以規(guī)范兒童教育中的VR/AR應(yīng)用，確保內(nèi)容的合法性、安全性和教育性。VR/AR技術(shù)涉及個(gè)人數(shù)據(jù)的收集和處理，特別是在兒童教育中，保護(hù)兒童的隱私成為重要問(wèn)題。政策制定者需要制定隱私保護(hù)措施和數(shù)據(jù)安全規(guī)定，以確保VR/AR技術(shù)在兒童教育中的合理、安全和有效使用。