現(xiàn)代社會的電子信息技術(shù)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(shè)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(shè)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(shè)備進化的同時，人機交互的“內(nèi)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(jīng)掌握了足夠頂層的技術(shù)以使用計算機來模擬日常所見的真實場景，而這種技術(shù)的代表作之一、同樣也是未來信息技術(shù)領(lǐng)域最有發(fā)展前景的技術(shù)之一，就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

隨著教育形式的多樣化以及前沿信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的深入應(yīng)用，VR/AR 學(xué)習(xí)環(huán)境推動越來越多的教育學(xué)者通過重塑學(xué)習(xí)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(chǔ)上，闡述了國際VR/AR 的教育應(yīng)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(xué)模式構(gòu)建的一般規(guī)律。當然，VR/AR 在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還處于早期階段，在教育領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)該深入研究VR/AR 學(xué)習(xí)環(huán)境如何支持學(xué)與教，以提升學(xué)生在課堂教學(xué)中的學(xué)習(xí)效果，為教育教學(xué)模式的改革創(chuàng)新實踐提供經(jīng)驗和啟示。

虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

不難看出VR技術(shù)在傳遞信息方面是多媒體技術(shù)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(gòu)建”理論不謀而合，因此將VR應(yīng)用到教育領(lǐng)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(shù)構(gòu)建虛擬場景及理想實驗，在輸入?yún)?shù)后運行就可以觀察演化過程，美國就曾有利用3D場景復(fù)現(xiàn)推翻傳統(tǒng)火災(zāi)救援理論的實例，且成本相比真實的火災(zāi)實驗大為降低。而在現(xiàn)在，VR技術(shù)由于其高度擬真和不受時空限制的特性，可以為學(xué)習(xí)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(lǐng)域的應(yīng)用： 1 VR訓(xùn)練場和實驗臺

顧名思義，VR訓(xùn)練場和實驗臺就是在虛擬世界中構(gòu)建出實驗場所來供學(xué)習(xí)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(xué)設(shè)計者的設(shè)計精細程度而增加或者減少（一般是減少），設(shè)計者可以給出較為精簡的操作流程提示告知學(xué)習(xí)者應(yīng)當怎樣控制和處理“眼前”的對象。同時，即使學(xué)習(xí)者由于失誤導(dǎo)致實驗失敗，也不會造成實際的財產(chǎn)損毀甚至生命危險，是一種相對安全的訓(xùn)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(xué)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(jīng)投入應(yīng)用的力反饋裝置包括內(nèi)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(yīng)用主要是上一種應(yīng)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(yīng)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(yīng)地也要由系統(tǒng)給出真實實驗中應(yīng)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(yīng)用對硬件設(shè)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(jīng)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(nèi)涵。相比傳統(tǒng)的主要提供音視頻及超文本內(nèi)容的遠程教育系統(tǒng)來說，若能用VR系統(tǒng)構(gòu)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(xué)生一樣進行他們早已適應(yīng)的學(xué)習(xí)活動。

綜合上述實例，我們可以看到VR系統(tǒng)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用前景有多么廣闊。然而技術(shù)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(xué)案例

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

（一）三維虛擬學(xué)習(xí)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(xí)環(huán)境，SL 應(yīng)用在合作式學(xué)習(xí)中具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

有研究發(fā)現(xiàn)，教育技術(shù)學(xué)、媒體研究、定性研究方法、計算機科學(xué)、歷史學(xué)、女性研究、寫作與出版、文化研究和管理學(xué)等學(xué)科都曾在SL 中被教授過。以語言學(xué)為例，學(xué)習(xí)英語的學(xué)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(gòu)主義為理論支撐，對虛擬現(xiàn)實中開展對外漢語教學(xué)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(xué)虛擬島嶼與一個英語教學(xué)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(xué)的教學(xué)環(huán)境特征、教學(xué)活動特征以及人機交互界面的特點及局限。

基于SL 的學(xué)習(xí)環(huán)境有三個特點：①包含交互和知識建構(gòu)的沉浸式環(huán)境；②所有用戶創(chuàng)造維護；③注重網(wǎng)絡(luò)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(xué)習(xí)過程的管理工具。因此，Sloodle 應(yīng)運而生。Sloodle，即基于Second Life 的面向?qū)ο蠓植际綄W(xué)習(xí)環(huán)境，它整合了SL 和目前最具開放特點的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺Moodle 中的若干功能， 構(gòu)建了一個方便、有趣的三維學(xué)習(xí)環(huán)境。如圖1 展示了Sloodle 的體系結(jié)構(gòu)，它將Moodle 中的二維碼功能模塊對應(yīng)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(gòu)建（自創(chuàng)對象和屬性開發(fā)）等教學(xué)活動，并能在活動前后和活動過程中對學(xué)生進行任務(wù)指導(dǎo)。

除了SL，北京師范大學(xué)蔡蘇等人自主設(shè)計開發(fā)了一個跨平臺的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境平臺i3DVLE，并在中小學(xué)中開展準實驗研究，旨在分析和評估三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下教學(xué)的有效性、學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和參與度。針對中小學(xué)的學(xué)科教學(xué)對于三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的潛在需求，i3DVLE 中設(shè)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(xué)的實際教學(xué)中，研究團隊通過面對面的交流和網(wǎng)絡(luò)答疑等方式對學(xué)習(xí)過程進行協(xié)助，了解到了教師和學(xué)生的實際應(yīng)用狀況。但是，部分學(xué)生的學(xué)習(xí)成效并不如預(yù)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(xué)習(xí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)效果卻不甚理想。因此，根據(jù)教師和學(xué)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(quán)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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)內(nèi)容。二是提供探究的空間，與學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)管理系統(tǒng)兩種異構(gòu)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(xué)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(xué)習(xí)活動還都是發(fā)生在真實物理世界里，“增強現(xiàn)實” 能使學(xué)習(xí)者進行學(xué)習(xí)活動時有更好的體驗，應(yīng)該在教育領(lǐng)域更加普及該種技術(shù)。四是三維和人工智能技術(shù)深度整合。因?qū)W習(xí)的復(fù)雜性，三維虛擬學(xué)習(xí)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(shù)的突破。

（二）AR 圖書

在教育領(lǐng)域里最早運用增強現(xiàn)實技術(shù)的案例是畢靈赫斯特制作的魔法書（Magic Book）。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。

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(shè)定的挑戰(zhàn)性任務(wù)，對兒童的學(xué)習(xí)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(shè)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(shè)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(xué)習(xí)環(huán)境的架構(gòu)，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(xué)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。