【学术论文】VR与AR技术教育应用研究-安徽智能学习技术与系统工程研究中心

【学术论文】VR与AR技术教育应用研究

点击量：时间：2017-10-15 编辑：罗添

摘要：随着信息技术的快速发展, 虚拟现实与增强现实技术在教育领域的应用越来越广泛深入, 其对高等教育变革的影响必须引起高度重视。应紧紧围绕我国高等教育教学改革发展的总体要求, 实现信息技术与教学的深度融合。VR/AR技术提供的沉浸式场景让课堂及线上教育场景更加丰富、生动, 带来的场景化体验、多维情境教学让众多学生有了独特的学习体验, 并且学习成效显著。VR/AR技术进入教育领域, 还需在理论研究、教学应用、人才培养、资源建设等方面进行长期探索与实践, 通过提升教师专业技能, 让VR/AR技术的教育应用更多地体现为丰富教学内容与提升教学效果。

关键词：虚拟现实技术;增强现实技术:教育应用;

0 引言

进入信息化时代, 科技革命总会带来令人惊叹的成果。近年来VR/AR技术的快速发展正在全球掀起浪潮, 其应用前景受到世界各国高度关注。虚拟现实技术 (Virtual Reality, 简称VR) 与增强现实技术 (Augmented Reality, 简称AR) 是近年来发展最快的高新技术之一。虚拟现实技术是利用计算机模拟产生一个多维空间的虚拟场景, 向使用者提供关于视觉、听觉、触觉等多感官的模拟, 从而让使用者仿佛身临其境, 可以随时随地无限制地观察三度空间内的事物。增强现实技术则是利用计算机将虚拟信息应用到真实信息中, 二者有机叠加产生新的三维信息, 增强人们对真实世界的感知与认知。

从技术层面看, AR与VR是两种不同的事物, VR技术通过智能手段构造出纯虚拟环境, 为使用者提供视觉、听觉、触觉等感官模拟以及意念控制, 完全脱离现实环境, 无论是游戏还是观影, 更重要的是能帮助人们直观地认识事物、学习知识。AR技术是将虚拟放在现实中, 通过摄像机拍摄画面或输入现实场景, 使虚拟与真实的信息巧妙地结合或匹配, 进行展示与交互, 达到增强现实的效果。其应用如高品质VR电影制作与光场显示技术、高端装备制造等。

1 VR/AR技术发展现状

VR/AR技术为人们所熟识, 一个节点性事件是2015年9月美国Magic Leap公司在网上发布了一段视频, 视频中一只鲸鱼跃出水面又一头扎了回去。Magic Leap所展示的这段视频发生在一家室内体育馆, 用其自身研发的增强现实技术实现, 观者无需佩戴3D眼镜, 一切都是裸眼可见。令人称艳的画面一度引爆互联网, 也让VR/AR变成了热度极高的技术名词, 甚至成为2016年浙江省高考语文试卷的命题作文。

VR/AR技术实用化已走过50多年, 随着技术进步与发展、产品成本的降低, 特别是近年来人工智能逐渐兴起, 搭载人工智能技术的智能终端VR/AR装备需求开始普及, 终于迎来了实用化产品的春天。围绕技术发展脉络, 人们不难发现从用收音机、电视机、PC到手机, 应用平台离人眼的距离越来越近, 而VR/AR技术产品化与应用将会是下一代计算终端的终极形态。VR/AR技术的核心是人机交互, 人机交互的演变从PC到手机再到移动VR眼镜, 未来可能到视网膜眼镜, 甚至通过脑电波、皮肤的电流产生一些互动, 实现通过眼神、手势、语音、意念等多种方式控制各种智能设备。目前脑波控制技术已进入产品研发阶段, 美国硅谷EyeMyndn脑波公司近期展示了其成果, 在发布的视频中可以看到, 团队成员头戴金箍模样的传感器和一副VR眼镜, 成员眨眨眼, 另一界面里的虚拟美女也眨眨眼, 他皱皱眉, 美女也皱皱眉。依此技术, 两个相隔万里的人戴上传感器和VR眼镜也可在同一个虚拟世界里互动。移动VR一体机的发展已不再依赖手机, 清晰度更高且重量控制在200多g, 假以时日移动VR一体机能控制在50g以下成为VR眼镜, 且能够长时间佩戴, 就可以成为下一代智能终端。

2016年《中国VR行为用户行为研究报告》显示, 中国VR潜在用户已经达2.86亿, 而在过去一年接触或体验过虚拟现实设备的VR浅度用户约为1 700万人, 购买过各种VR虚拟现实设备的用户约为96万人。目前VR/AR技术已广泛应用到视频游戏、事件直播、视频娱乐、医疗保健、房地产、零售、教育、工程及军事等领域, 不断改变着人类生活的方方面面, 全球正在掀起AR/VR热潮。面对这一浪潮, 2017年1月, 中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于促进移动互联网健康有序发展的意见》, 明确提到要加快人工智能、虚拟现实、增强现实、微机电系统等新兴移动互联网关键技术布局, 尽快实现部分前沿技术、颠覆性技术在全球率先取得突破。《意见》从战略高度有针对性地做出了科学规划与产业布局。

2 VR/AR技术在教育中的应用与成效

目前VR/AR在基础教育中的应用多于在职业教育与高等教育中的应用。国内有条件的中小学围绕部分课程引导学生在真实场景下学习, 通过虚拟现实技术为学生创设更加真实的学习情境, 通过具体直观表征形式及生动的交互体验, 让学生在虚拟环境中学会观察、探索与实验, 从而加深学生理解知识, 激发学生兴趣, 为他们带来丰富的学习体验。通过可穿戴设备, 利用增强现实技术、移动情景感知技术、物联网技术以及教育游戏等手段, 为学生构建一个全新的智慧教育环境。与此同时, 各级教育主管部门与学校之间相继组织研讨会、交流会等活动, 提升中小学教师对虚拟现实技术的认识, 促进新科技教学实践的研究与应用。如2017年4月, 南京市教育局举行了“VR/AR技术在教育教学中的应用研讨活动”。研讨活动中既有小学校长汇报学校将虚拟现实技术运用于教育教学的探索与思考, 又有任课老师现场示范, 直观展示VR/AR技术如何在教学中解决难点问题、如何提升课堂效率。

STEAM教育是2016年国内教育领域热度较高的一个词, 也是近年来在国际上非常流行的教育模式。作为跨学科教育, 它融合了科学、技术、工程、艺术和数学门类, 对培养学生的科技知识技能、创新思维以及实践能力有非常好的帮助。在美国K12课堂 (从小学一年级到高中三年级的12年中小学教育) 中, AR增强现实技术与VR虚拟现实技术也处在实验性应用阶段^[1]。2016年12月, Project Tomorrow发布一篇针对圣地亚哥一个VR应用项目的评估报告, 探讨了AR增强现实技术环境如何增强学生在STEAM领域的学习意识与学习兴趣。应用项目选在一所建筑于图书馆两层的高中, 项目名称叫作STEAMing Ahead with Mobile Learning, 考虑到学生对情境学习更感兴趣, 项目计划利用图书馆圆顶的独特结构, 为开展AR增强现实试点项目、鼓励与推动STEAM学习提供了天然条件, 也为学生带来丰富的学习体验。具体做法是, 利用移动情景感知技术, 充分发挥AR增强现实的优势, 在图书馆内部创造出科学、数学、机械与艺术相关的虚拟情境, 在教师指导下, 学生与数字信息之间可以有效地互动交换。建筑团队施工之前先用AR增强现实技术构想出房子的图案, 学生在图书馆情境中学习STEAM理念时, 就可以获得图书馆建造知识。评估报告所做的调查发现:参与学习中央图书馆半球形建筑的相关知识, 学生将自己的进步归因于移动AR增强现实技术带来的丰富学习体验。大多数学生认为, 在AR增强现实技术环境中使用4G平板电脑能够提高他们的积极性。在整个学习过程中, 学生发现学习更有趣味性, 自己的协作能力有了提高, 对难点知识的掌握变得容易许多。经过一段时间学习体验, 10%学生表示他们对STEAM领域更加感兴趣;参与项目的教师认为, 如果与教学大纲紧密结合, AR增强现实营造的环境能在更多学术领域成功应用, 进而提升学生的学习效果与效率。

评估报告统计, 目前K12所有课程在课堂中使用AR与VR技术的教师占5%。而在中学计算机科学/技术课堂上, 教师使用AR、VR技术的比例更高, 分别达到11%与9%;6-8年级学生中有9%在课堂上体验过AR增强现实与VR虚拟现实技术, 9-12年级学生中, 使用VR与AR技术的比例为8%。

3 VR/AR技术发展对教育的影响

高等教育发展在不同时期都受到技术发展的影响, 从传统的课堂教学发展到图文教学、视听教学, 再到多媒体技术的广泛应用, 无不看到技术的推动作用^[2]。随着计算机技术与网络技术快速发展, 2012年在国内兴起的大型开放式网络课程慕课 (MOOC) , 更是掀起了一场教育领域信息化的革命。如今, 技术突破二维图像局限, 带给人们跨越时空、多维立体、真实与虚拟交融的体验, 必将带来教育理念、手段、方式与方法的变革。

3.1 革新教育形式, 重构教育理念与教育思维

借助VR/AR技术让医学院学生在课堂上真切感受人体脏器的内部结构与机能, 近距离观察病理的形成、发展过程及对症治疗效果, 让海洋大学学生身临其境地感受千米深海下的斑斓世界, 这种教学效果无疑生动直观、令人印象深刻。于教育而言, 使学习具有个性化、智能化、沉浸式等多维度必将成为主要发展潮流。情境认知理论 (Situated Cognition) 认为, 大多数知识都是人的活动与情境互动的产物^[3]。如果能为学习者提供接近于真实的学习环境或仿真情境, 对提高学习者学习热情与对所学知识的理解掌握大有益处^[4]。VR/AR教育思维不是告诉学习者什么叫知识, 而是让学习者自己尝试直接体验知识, 从学习知识到体验知识是一种学习方式的转变^[5]。要VR/AR技术恰如其分地融入到教育中, 不断发挥其影响力, 没有精妙的教学设计是很难实现的。而设计的理念、方式方法、手段需要不断改进。有学者提出, VR支持的学习空间交互设计模型包括战略层、结构层、框架层、表现层、体验层^[6], 这种以层级递进的图示可直观地告诉人们VR/AR技术与教育深度融合的过程与目的。

3.2 丰富教学内容, 提升教学效果, 推动传统教育创新发展

VR/AR技术在国内高校与职业院校中应用越来越广泛, 如外语、医学、影视传媒、生物、动力机械、水利电力、仿真等课程教学。特别是在人才培养过程中强调真实场景下学习的部分, 虚拟现实技术为学生创设更加直观真实的学习任务与情境, 由表及里、由内到外地交互体验, 让学生在虚拟环境中观察、探索与实验, 从而加深其对知识的理解, 激发学习兴趣。提升学生学习主动性、强化课堂互动是很好的方法与手段。在VR技术的帮助下, 教师与学生一同走进课程内容设定的虚拟情境中享受真实感的交流互动, 将远胜于传统课堂上师生之间的问与答, VR技术大大提升了教育效率, 同时降低了实训成本与风险性。VR/AR技术教育应用体现在教学内容丰富与教学效果更佳, 有利于强化学生对知识点的掌握, 扩大学生的知识面。目前, 更多教师都在研究, 如何在高度吻合的情况下进行VR/AR与课程的无痕迹转换, 更多学校通过购置硬件设备、建立物联网系统, 利用增强现实技术为学生构建一个新的智慧教育环境。

3.3 促进教师专业技能提升

未来教育一定伴随着科技创新、人工智能与VR/AR技术发展。据统计, 仅2016年国内高校就建立了200多个VR实验室, 少部分高校已经进入VR/AR专业的建设阶段。教育应用、VR/AR课程资源建设、软硬件基础与教师专技能力提升成为VR教育领域4大需求^[7], 而教师专业能力的高低决定了技术的发挥与教学效果。一个好的教学设计不仅仅是情景再现与知识呈现, 它要求教师在应用VR/AR教学时, 能够将课程中的难点、疑点设置成场景性的问题悬疑, 好似游戏打通关一般, 在悬念、兴奋、恐惧之后发出“原来如此”的感叹, 既能做到“织茧”又能做到“化茧”, 善于与学生打虚实空间心理战。为此, 教师需要更加专业的技术支持, 学习如何在课堂中运用AR/VR技术知识, 具有教学资源开发与设计的能力以及利用媒介与资源解决各类教学问题的能力。培育双师型师资队伍、提高教师信息技术应用能力, 成为推动信息技术与高校教学深度融合的关键所在。与此同时, 这种提升也会促进教师角色的重塑, 让教师从传统的以课堂讲授为主, 向更加重视学生学习能力、解决问题能力与创新能力培养方面转变, 亦师亦友间更像是策划、导游与导航。

4 结语

随着VR/AR技术快速发展以及在教育教学中深入应用, 人们看到VR/AR的价值并不在于技术炫耀, 而是实实在在解决教育中存在的问题。主动式学习、场景化体验、多维情境教学, VR/AR教育将会开启一个崭新的教育时代。虽然有了一些成果, 但VR/AR进入教育领域的时间并不长, 还需要在理论研究、教学应用、人才培养、资源建设等方面进行长期探索与实践, 当各级教育部门对VR/AR认知程度提升、教师接受新科技不再有难度、VR/AR教育普及率极大提高、硬件设备价格更加便宜时, VR/AR技术对现有教学体系带来极大冲击甚至颠覆不是不可能。