現(xiàn)代社會的電子信息技術自從計算機誕生以來就得到了飛速發(fā)展，人們不滿足于二維平面等級的人機交互界面，開發(fā)了一系列幫助人們進行多元化人機交互的輔助工具。輸入設備從最傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標，發(fā)展到今天的觸摸板、眼球測位儀、語音識別，輸出設備也從簡單的顯示屏、揚聲器發(fā)展出各種形態(tài)。在硬件設備進化的同時，人機交互的“內容”即軟件與信息層面也發(fā)生著急速變化。從最初的二進制數(shù)字到后來的命令提示符字符串，再到后來的桌面化操作系統(tǒng)及多媒體聲像，時至今日人們已經掌握了足夠頂層的技術以使用計算機來模擬日常所見的真實場景，而這種技術的代表作之一、同樣也是未來信息技術領域最有發(fā)展前景的技術之一，就是虛擬現(xiàn)實技術。

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，對培育創(chuàng)新型人才和教育普及產生了深遠的影響。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，介紹了經典的VR/AR 教育案例開發(fā)與實證結果，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)新實踐提供經驗和啟示。

虛擬現(xiàn)實在教育領域的應用

不難看出VR技術在傳遞信息方面是多媒體技術的一大突破。VR所傳遞的信息不僅僅是簡單的圖形、聲音或者超文本，而是一系列實時生成的擬真聲像信息、觸覺和運動感知（未來還要加上嗅覺和味覺）等。VR最大的特點就是“身臨其境”，這和教育原理中的“情景構建”理論不謀而合，因此將VR應用到教育領域也成為一個較為熱門的研究方向。

早期的探索中，人們可以利用VR技術構建虛擬場景及理想實驗，在輸入參數(shù)后運行就可以觀察演化過程，美國就曾有利用3D場景復現(xiàn)推翻傳統(tǒng)火災救援理論的實例，且成本相比真實的火災實驗大為降低。而在現(xiàn)在，VR技術由于其高度擬真和不受時空限制的特性，可以為學習者提供各種各樣的虛擬場景供他們細致觀察，甚至投入其中進行實驗或操作。

下面列舉了幾種典型的VR在教育領域的應用：

1 VR訓練場和實驗臺

顧名思義，VR訓練場和實驗臺就是在虛擬世界中構建出實驗場所來供學習者進行活動與操作。由于操作對象從實際存在的物體變成了虛擬世界中的模型，允許操作方式會隨著教學設計者的設計精細程度而增加或者減少（一般是減少），設計者可以給出較為精簡的操作流程提示告知學習者應當怎樣控制和處理“眼前”的對象。同時，即使學習者由于失誤導致實驗失敗，也不會造成實際的財產損毀甚至生命危險，是一種相對安全的訓練方法。例如，我們可以在3D實驗室中進行制造TNT并試爆的化學實驗。由于真實世界中的一些操作要根據(jù)操作對象的力的反饋（嚴格來說是除聲光形式以外的反饋）獲取信息，對硬件就提出了一定要求。現(xiàn)在已經投入應用的力反饋裝置包括內置振動器的手套、外形仿真的筆等裝置。

2 科技研究與模擬觀測

這種應用主要是上一種應用的改版。相比高度的可操作性，科技研究與實驗觀測更注重讓用戶觀察到更多更精確的有效數(shù)據(jù)以供后續(xù)分析或使用。因此，這種應用重在以高度擬真的方式，將一些難以觀測的現(xiàn)象放到虛擬世界中，讓用戶以更為舒適便捷的視角或時間測度進行觀測，相應地也要由系統(tǒng)給出真實實驗中應當觀測到的數(shù)據(jù)。例如，我們可以利用VR系統(tǒng)重建某次天體碰撞的場面及數(shù)據(jù)分析。這種應用對硬件設備的要求不高，主要還是對計算機系統(tǒng)的運算能力提出了要求。

3 虛擬校園

“不出門便知天下事”在前互聯(lián)網(wǎng)時代已經開始逐步實現(xiàn)，而VR系統(tǒng)將賦予這句中國古諺以更新的內涵。相比傳統(tǒng)的主要提供音視頻及超文本內容的遠程教育系統(tǒng)來說，若能用VR系統(tǒng)構建高度仿真的校園，我們就可以克服由于交互性或互動性不足所帶來的一系列問題。世界各地的師生可以使用VR校園的軟硬件客戶端，通過互聯(lián)網(wǎng)鏈接到同一個虛擬校園中，像真實處在相同地理位置的學生一樣進行他們早已適應的學習活動。

綜合上述實例，我們可以看到VR系統(tǒng)在教育領域的應用前景有多么廣闊。然而技術本身的發(fā)展還不足以創(chuàng)建完全擬真和完全沉浸的虛擬現(xiàn)實世界。

典型VR/AR教學案例

國內外對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學習環(huán)境，SL 應用在合作式學習中具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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。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。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 的面向對象分布式學習環(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。如圖1 展示了Sloodle 的體系結構，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。

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。因學習的復雜性，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）。它根據(jù)書本內容制作成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合的場景，如圖2 所示。

頓瑟和霍納科爾以寓言故事為載體，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，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。

蔡蘇、宋倩和唐瑤 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)虛實相結合的效果，如圖3 所示。作為國內最早的增強現(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。

（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。克拉瓦拉等人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虛擬地球探究太陽和地球、白天和黑夜的關系。蔡蘇等人將AR 和Kinect 體感設備相結合能使磁場可視化。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，通過AR 物理引擎模擬力學領域的物理實驗，分析物體質量、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。基于AR 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1u 1 + = v 1f 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。實驗結果表明AR 對成績較落后的學生具有更大的影響。

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。實驗設計包含如表2 所示的四個部分。

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。

在認識和學習金剛石的內部結構時，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構就是鉆石的內部結構，這將化學和日常社會生活聯(lián)系到了一起。

研究表明AR 工具可以較好地幫助學生記憶原子的結構。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。

李淑惠等人實施了中學數(shù)學概率知識點中的經典拋硬幣實驗。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。

（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。該系統(tǒng)信息架構設計如圖8 所示。

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，如圖9 所示。該系統(tǒng)基于Java 1.7、Android SDK 和Wikitude SDK 設計開發(fā)。

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

江蕙楨等人完成了一個中學科學教育探究活動。活動中不同組的學生分別使用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。

王曉玲等人開發(fā)了一款在戶外調查的增強現(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。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。

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。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，并作為學習內容呈現(xiàn)給用戶。

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查。調查表明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地圖時的資源浪費問題，并認為該軟件是替代紙質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。