VR/AR/MR技术助力课堂教学新变革*

刘胜峰

（厦门实验小学，福建 厦门 361001）

引言

传统的学习都是基础知识的习得和基本技能的培养，而能力的发展基本上等同于解题能力的训练。面对势不可挡的科技创新浪潮，面对世界的急剧变化和充满各种可能与未知的未来，传统的学校教学模式已经很难适应时代的变化。VR/AR/MR 技术创建起事物发展变化的虚拟环境，生成具有沉浸感、临场感和多维感的高级人机界面，能让学习者在计算机仿真系统里与虚拟的人、物或景进行互动。VR/AR/MR 已经不再是一种单纯的技术手段，而是一种全新的思维方式。借助VR/AR/MR 技术实施的教学具有多感官参与、突破时空限制、完全沉浸感、真实学习情境等特点，该技术与教育结合正在颠覆和创造出一些新的教学方式。

一、模拟情境，创生实景教学

多数学科的教材往往比较抽象、微观，或是因为知识情境的转换空间跨度很大，有些知识离学生的真实世界较远，不是学生所熟悉的现实生活。如果教师仅仅借助图片或者教具来口头讲解，由于讲授者言语转换的局限、学习者视听角度的不同，很可能会出现学生难以理解或者难以体会等问题，致使学生对知识的理解出现偏差。VR（虚拟现实）是利用多源信息融合交互实现三维动态视景和实体行为系统仿真，使用户沉浸在模拟环境中，让人和互联网之间能够进行深度的互动和沟通。AR(增强现实)是通过计算机图形学和视觉技术，将虚拟的信息应用到真实世界，使得真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间。MR（混合现实）包括增强现实和增强虚拟，指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。它们都是创设真实情景的有效工具，虚拟的环境不仅对学生产生视觉、触觉、嗅觉等各种感官刺激，也给学生一种超越现实、身临其境的感觉，还能让学生通过感官、语言、手势甚至表情，以比较“自然”的方式与计算机进行实时交互，使学生置身于一种逼真效果的综合学习环境中。让学生在课堂里互动、沉浸体验，不再是只有抽象而乏味的文字教学，原本抽象的知识变得立体可见，学生可以在富于感性和趣味性的三维虚拟世界里，启发构思，引发出更多的灵感，让自己的学习表现更加优异。

教师可以用VR/AR/MR 开展实景教学。让学生戴上“VR”眼镜，形形色色的海底世界立刻展现在眼前，学生可以360 度全景式“游览”海底的珊瑚以及千奇百怪的鱼儿，仿佛一切都是触手可及。有时可以让学生看到土壤里植物种子发芽变化的全过程，沉浸在种子发芽需要的各种环境之中，还可以让学生仿佛置身于大自然中，飞禽猛兽在自己身边擦肩而过等等。学生在智能模拟的实景学习环境里，总是不断地摘下眼镜又戴上眼镜，反复对比“VR”场景与现实场景，确认自己确确实实“穿越了”不同的时空，然后“啊、呀、哇”地感叹。如此的沉浸体验，给学生带来了前所未有的感观刺激，增强了学生的学习体验，深受学生的喜欢。

传统的安全教育多为言传身教，缺少学生可以亲身观察试验的场景，难以让学生深刻理解危险行为导致的严重后果。可以借助VR/AR/MR，模拟真实的高危或极端火灾环境，学生戴上VR 眼镜，置身于火灾“现场”，学生尖叫、拍扯自己的衣服、惊恐、哭泣，情绪变化之大，体验之深刻让人难忘。在虚拟现实的实景里开展安全教育，学生这种实时的交互性体验学习效果远远超过往常的传统德育说教课堂效果。而且可以去到以前去不了的地方，让学生体验不易接触或观察的事物，没有危险，不必繁琐地组织安排活动，又非常的经济。

当今的学生被称为“数字原住民”，他们喜欢好玩的、立体的、动态的东西，三维场景正好能够满足这一代学生的喜好。VR/AR/MR 技术支持下的实景教学，利用技术将虚拟场景融入真实世界，学生有机会观察微观世界，能够在丰富的情景下感知抽象概念，学生的投入大幅提升，从情感、态度与价值观方面去激发学生的学习热情、探究兴趣，并保持持续且高昂的学习欲望，学习就不再是一种负担。当学生将知识融会贯通应用，所获得的学习体验将会转化为内在的学习能力，即会迸发出创新火花。

二、虚实融合，重组教学结构

一线教师总是在思考如何把前沿的信息技术或概念用在实际课堂的哪个环节，许多信息技术融合的课堂教学也都只是停留在这样的层面，缺少利用信息技术实现课堂结构的真正变革。改变教学结构是信息技术与教学融合的必经之路，更是技术与教学深入融合的高价值成果。VR/AR/MR 打破了传统的单向传授知识的教学模式，让教学内容外在形式的生动性与内在结构的科学性更加紧密地结合起来，可以促进学生在虚实融合的环境中与学习内容互动，最大限度地从传统的“被动接受式”改变为“自主探索式”。教师引入该技术改变课堂学习结构，首先要创设虚拟现实或增强现实的情境，接着组织学生体验、实践、讨论、对比等来学习知识，最后通过表达、交流和反思等获得成长。

以往，小学语文教师教授《望天门山》时，都是先利用生字学习软件，帮助学生理解生字；再抓住“望天门山”四句诗中重点字词，利用图片和视频资料理解各句诗词的含义，进而发现诗句中语言的精妙；接着教师会组织学生朗读交流古诗，感受诗中所表达的壮丽山河、诗人的乐观豪迈等情感。教师把VR/AR/MR 技术引入课堂后，先组织学生观看“李白游天门山”的视频，通过三维场景，让学生发表看到“天门山”各个景象之后的感想，然后引导学生用古诗词的格式与语言呈现自己所要表达的含义；接着组织学生把自己所创作的“古诗”与李白的“望天门山”这首古诗进行逐句对比分析，找出差距，通过比较发现李白诗词的主要特征。震撼的视觉效果，身临其境的现场感，让学生对古诗中的内容有了更加深刻的感受，学生对文本的理解也更加直观、具体。如此“化静为动”，哲学式对比和感悟诗词之美交融并发，学生敏锐而深刻的理性精神将会获得更好的培育。

在实验教学方面，借助VR/AR/MR 技术提供模拟客观世界的微缩场景，能弥补科学课里由于实验条件难以规范、实验过程难以控制、实验结果难以观察等不足，使原本难以理解、不易观察，只能通过想象、假设、推演的实验活动，以直观逼真的方式呈现。教授《简单电路》一课时，教师通过VR 创设小明“新家装修”的情境，以设计安装电路为任务，引导学生一步步将纸质的设计图转变为KT 板上的“真实”电路。借助VR 技术360°模拟真实客厅环境，让墙体透明化显露出埋在里面的电路排布，学生沉浸在“真实房子的电路”里，能更加努力地探索和设计。利用高科技撬动课堂教学的结构，学生好像拥有“瞬间移动”的超能力，从课堂环境瞬间来到“新家”，学习结构也自然发生了重大的变化。

三、过程监测，实现云技术评价

在生动、逼真、自然交互的VR/AR/MR 技术虚拟环境中，学生接触的学习材料不再是抽象的知识符号，而是进行与学习本质关联的实践活动，参与者与虚拟环境能够融为一体。在VR/AR/MR 技术支持下的智慧平台上开展评价活动，通过对学生的学习过程进行动态监控和实时记录，伴随数据采集和大数据分析，深度挖掘学生学习过程的信息，精准获得学生的学习结果，发现学生存在的问题，并对今后的学习进行预测、干预。这种全样本的数据采集，为形成完整个人学习档案和评价体系提供了现实依据。

小学数学教师在测评学生作图能力水平时，可以让学生在VR 空间环境中画“长方体”，评价系统根据学生画图过程中使用的工具，“为什么两条平行线画不准确，四条高的长度长短不一”，对学生的操作能力和动作技能进行评价。这比以前让学生先画个长方体再进行作品评分更精准科学。

VR/AR/MR 技术可以安全和有效地帮助学生聚焦行为，认识自我。因此在心理健康教育方面使用VR 等技术能有效支持心理测评工作，增强学生在咨询情境中的自我效能感。心理健康教育教师可以把学生带到一个装有虚拟现实设备的房间里，让学生与虚拟人进行交流（包括吃饭、聊天、争论等），或者让学生坐在一个很舒服的椅子上，打开相关设备，让学生感觉进入到一个崭新的、安详的环境中，比如海边、田野、星空，融入到场景当中后，教师再运用专业的知识，通过虚拟现实的设备传导给学生语音信息，配合着身临其景的环境，开展心理诊断活动。

虚拟现实技术引入心理咨询和普通心理咨询技术相比，其能够最大程度地还原现实场景，当事人不必陷入想象和回忆，咨询辅导会更加的真实、立体。即使当事人遇到曾经的创伤场景时，因为只身在VR 空间中，不需要顾及自己的形象，可以无负担地去回忆，效果更具有可迁移性和时效性。

由于学生各自有不同文化背景、个性特征和知识结构，因而每个人的学习基础与思维方式也有较大的差别。传统的教学模式，教室不可能为每一位学生定制个性化的教育评价，但VR/AR/MR 所提供的人机交互技术却可以用于个体化评价及个性化教育。英语教师利用VR 让每个学生在沉浸式语言测评环境中，通过与虚拟角色对话而得到英语听说能力水平的评价等级，许多学生因为是在单独的虚拟环境里考试，都敢开口对话，口语诊断与纠错效果也非常明显。

随着大数据技术的介入，脑机接口、各种智能感知设备和技术应用，认知心理学的理论与技术实现了融合，学生的身体行为、性格、精神将被更全面地感知，更全面地记录。教师不仅可以收集到具体学习过程中的环境、资源信息，还可以收集到详细的学习成果信息，为深入剖析影响学生学习效果的因素提供了依据。因此，教师要主动寻找信息技术和数字学习资源的支持，实验形成性评价和过程性评价，通过挖掘和分析数据，对学生进行科学的诊断和动态辅助。

四、拓宽渠道，消解时空界限

与传统课堂教学相比，引入VR/AR/MR 技术改变最多的还是拓宽了学习的渠道，使得学生的学习不再受到时间、空间的限制，有较大优势可以拓宽学生的视野。笔者通过对十几个班级学生开展的问卷访谈，发现在应用了VR/AR/MR 技术后，学生的视野（兴趣面）从原来的75.4%上升到96.1%，学生主动认识世界和主动发展兴趣明显得到提高。

以往，我们的书本是线性的，现在VR/AR/MR 呈现的是立体的。用VR/AR/MR 技术开设图画剧场，借助计算机系统虚拟历史人物、名人、教师、学生等各种人物形象，可以实现立体的实景体验馆，学生不用离开教室，不用去真实的场馆，便能在虚拟的环境里参观美术馆、造访太空。比如：虚拟博物馆里“兵马俑”的现实画面，让学生远观俑坑之大，又让学生走近每一个兵马俑，甚至站在兵马俑之间，仔细观察他们的神情和体态；虚拟科技馆里的“太阳系”，让学生变身“宇航员”，驾驶太空飞船穿梭于行星之中，感受太空飞行的速度，在无垠的太空中近距离观测土星、木星等等各个行星的表面特征。学生随着头部转动，眼前的画面也随之转变方向，学生可以看到场馆里的全景空间，耳边还伴有语音讲解，经历一场穿越立体时空的旅行。

这些与学生的生活实际和经历，与课堂教学的时间和空间有着相当大距离的图画剧场，通过VR/AR/MR技术把抽象的文字变为立体多维，将静态的图片转化为动态的全景视频，在声画同步的学习环境里获得浸润式体验是在传统的课堂上无法实现的。我们可以利用技术的力量突破时空限制，开展在线实时交流，个性化选择课程学习等等，实施跨学科整合课程，开设基于体验类应用为支持的虚拟网络学习空间，让学生自主地在虚拟世界里探索世界的奥秘。

VR/AR/MR 技术对于构建教育新生态有着十分突出的优势，但也有需要进一步改进的地方。限于技术原因，这些设备都还比较重，不适合久戴，甚至有的人佩戴后会产生不适感，出现头晕、恶心等不良反应，价格也较高，对儿童近视率的影响有待论证，这些都阻碍了其在教育领域里的普及应用。