虚拟现实教育应用促进教育均衡发展

吕 云，洪玉洁，孙 伟

（成都威爱新经济技术研究院有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

将虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）应用于教育可以追溯到20 世纪80 年代。VR 技术自2000 年得到了迅猛发展[1]。虚拟现实VR应当包含更为广义的AR（增强现实）和MR（混合现实）。在许多情况下，人们把它们统称为XR。一些发达的西方国家纷纷设立了相关研究项目。相比较，国内相关的研究和应用还停留在较为初始的阶段。Burdea G 和Philippe Coiffet 在1994 年提出了虚拟现实的3 个基本特征：想象性（Imagination）、交互性（Interaction）和沉浸性（Immersion）[2]，即虚拟现实的3I 特征。虚拟现实技术能够帮助颠覆传统教学内容的学习方式，让学生在虚拟的环境中与教学内容互动，解决传统课堂中互动性、情境性、沉浸性不强的问题，在教学实践中拥有广阔的应用前景。

“威爱教育”（简称“威爱”）团队在过去的几年时间里，对虚拟现实应用到教育领域以及未来教育做了一些探索。2016 年，“威爱教育”发布全球首个VR 一体化教育解决方案，为各学科创新课堂学习和技术技能训练提供解决方案，目前已被美国加州大学伯克利分校、哈佛大学等世界顶级名校认可并部署，并在国内的清华大学、北京航空航天大学、厦门大学、东北大学等高校以及北京市十一中、人大附中、清华附小、成都泡桐树小学等800 多所义务教育中小学校师生运用。

2018 年，“威爱VR 智慧开放教室”成功入选英特尔全球未来智慧教室最佳推荐案例（全球3 个入选，亚洲唯一）。同时，威爱携手中国儿童少年基金会开启“VR 新视界·点亮计划”公益项目，利用VR/AR 前沿技术为贫困地区引入优质的教育资源，助力当地义务教育信息化的跨越式发展。2018 年秋，首个项目正式在遵义落地并启动，该地区乡镇级以上620 余所义务教育中小学校及百万师生从中受益；威爱联合东北大学打造核物理综合实验被认定为“2018 年度国家虚拟仿真实验教学项目”。

我国移动通信技术正处在高速发展的状态，2019 年是“5G”商用元年，目前正在全国普及。“以科技赋能教育，促进教育优质均衡”，在5G（以及未来的6G 或未来网络技术）的支持下，VR 教育拥有更为广阔的发展前景和应用空间。5G 的“大带宽”优势能够提供超高的数据传输速率[3]，广覆盖下的移动性保证，能够支持VR高清教学音视频的实时传输，易于打造“身临其境”的沉浸式教学体验，帮助学生更好捕捉课堂细节。此外，5G 超稳定的广域数据传输，能够让远程多课堂即时通讯成为可能，让身处天南海北的学子，通过高速、高清、实时的传输，实现跨地域的优质教育资源共享，在提高教育资源应用效率的同时，进一步消除教育的不均衡矛盾，成为解决教育均衡问题的关键技术手段。

1 虚拟现实对教育均衡化的重要作用

由于历史因素、经济水平发展不均等原因，中国教育具有较为严重的城乡差异和区域差异问题，不利于教育的均衡发展，这也是阻碍我国教育进步的主要因素。教育机构及学校教育资源存在严重不均衡现象。长江三角洲地区所开展的“网络结对计划”，便是通过结对方式，利用城市学校教育资源优势，对农村教育资源进行补充和完善，以此促进城乡教育资源均衡[4]。

众所周知，虚拟现实的沉浸性可以让用户对虚拟空间产生身临其境的感觉。虚拟现实课堂让用户感觉自己仿佛置身于远端的教室中，和远端的学生一起学习，共享优秀的教师资源。所有的老师和学生还可以在虚拟空间里互动交流，教师可以学习到教学的技巧，增强自身教学能力。虚拟现实技术沉浸性、互动性和情境性强的优势，使其能够从不同角度和不同层面促进教育均衡发展。下面是我们过去3 年多实践的几个典型案例，这些虚拟现实教育应用都在多个学校得到部署，较好地解决了一些地区教育资源不均衡的问题。

2 一个5G+XR虚拟现实智慧教育解决方案

经过3 年多的努力，威爱研发中心团队和中国移动5G 研究院密切合作开发出了一种未来教室形态，全面支持5G 应用（支持多路4K/8K 高清）和XR 应用（沉浸式教学）。这个教室被全球最大的5G 运营商中国移动集团在全球范围竞选后选择作为中国移动5G+XR 智慧教育标准教室和教育解决方案，目前已经在全球推出。2018 年Intel 公司开启全球搜寻“未来教室”的活动，这个教室入选全球三大“未来教室”，亚太地区唯一。这个教室/智慧教育解决方案已经成功部署到了百余所大学和职业学院，包括加州大学伯克利分校、哈佛大学、东北大学、厦门大学、茅台学院等；教室已经成功部署到了800 多所中小学。这个项目受到媒体的高度关注，获得CCTV 等一大批媒体的多次重点报道。在国家5G 牌照颁发日当日国资委、中国移动集团发布的新闻稿中，这个项目也被作为最重大的项目列在最显著的位置。

5G+XR 智慧教育解决方案如图1 所示，由至少1 个直/录播授课教室+N 个接收教室组成，利用5G 技术高速率、低延时、大容量的特点，将授课教室的实时上课画面通过5G+XR 教室核心终端传输到接收教室，再利用虚拟现实技术让接收教室学生进行多视角的沉浸式教学，让远在千里之外的学生也可以近距离观看教师的实验操作、重难点讲解。授课教室的老师也可利用5G+XR 教室核心终端实时查看接收教室的情况，进行实时互动。

图1 “5G+XR”智慧教育解决方案架构图

通过5G+XR 教育公共服务云平台（云端教学管理/存储系统）可实现两端教室实时分发各类教学资源与应用，让异地多校多人同时进行实时测评、实时汇总学习情况和教学数据成为可能。

2.1 5G+XR直/录播授课教室

5G+XR 直/录播授课教室主要是建设优质教学资源直播/录播源，让名师名校授课过程通过该教室得以直播和录播。5G+XR 接收教室多视角直播/录播课程示例如图2 所示。

图2 5G+XR接收教室多视角直播/录播课程示例

该教室通过搭配多路高清（全景和平面）直播录播系统、虚拟现实头显、5G+XR 智慧教室终端等软硬件设备实现直/录播授课教室上课过程多角度、全方位地展示给接收教室端，不仅可以实现远程直播、实时互动，还可将日常上课过程进行录制，以此形成大批量的多路高清教学视频资源上传到5G+XR 教育公共服务云平台上，供全国各地其他学校师生学习和参考。5G+XR直/录播授课教室效果图示例如图3 所示。

2.2 5G+XR接收教室

5G+XR 接收教室是相对于直/录播教室而言的，主要接收直/录播教室直播申请，与授课教室所有学生同步进行教学授课，也可以自行在5G+XR 教育公共服务云平台上查找相关教学资源，戴上虚拟现实头显，学生们就能体验到多视角的教学体验，如图4 所示。

图3 5G+XR直/录播授课教室效果图示例

2019 年3 月28 日威爱和中国移动利用5G+XR 技术，使得凉山州昭觉县解放乡中心校实现与成都名校泡桐树小学师生同步学习。2019 年6月6 日国务院国资委在中国移动5G 牌照发放日上的新闻稿也以这个活动作为5G 重大应用案例。

3 人工智能英语老师机器人

经过3 年的努力，威爱研发中心团队开发出AI 老师机器人系统，于2019 年2 月成功推出商业服务，其目标是帮助英语教师授课，帮助学生学习英语和支持学生个性化英语学习。该系统的主要特点包括学生英语发音自动评估打分（基于腾讯、百度和讯飞的相关引擎和服务）、错误读音标示和纠正训练等。该系统在英语的听、说、读方面目前已经超越绝大多数英语教师的能力，尤其是义务教育阶段中乡村英语教师。预期在以后的几年内，AI 英语教师机器人在听、说、读、写方面将全面超越英语教师。相关学术研究和我们通常的实践认知都要求英语学习需要在真实环境下学习，而VR 是最有效的工具，营造真实语境环境来支持教师教学和学生自学。机器人的快速发展导致我们人类达成了共识：机器人将毫无疑问替代蓝领简单重复性的劳动。中国在过去40 年的发展受惠于大量廉价蓝领劳动力的供应。AI 机器人，尤其在5G 开始广泛部署和应用的加速下，正在快速替代许多简单教师的工作。这个未来教育的趋势不可逆转。

威爱联合电子科技大学基于AI 老师机器人系统共建了创新的沉浸式虚拟仿真情境口译实训与智能评测实验项目，能够为外语学院口译类课程师生提供丰富口译实训虚仿情境，并通过AI技术提供口译自动评测、数据统计分析等多维度辅助能力。未来还将继续拓展多个专业学科的虚拟仿真人工智能创新融合，提供更为丰富的跨平台语言实验实训。

目前全国已有20 多所大学和职业学院部署使用威爱AI 老师机器人系统，600 多所中小学部署这个系统，8 000 个中小学英语教师接受了培训。全国三大语言出版社之一北语社的全国交流会也采用了这个教学系统。

4 教育扶贫与教育均衡

贵州遵义市是一个欠发达地区，有800 多万人口。为促进遵义中小学生教育均衡发展，推动先进的教育科学技术和教学方法在遵义落地推广，落实科技公益项目，中国儿童少年基金会、遵义市人民政府、威爱教育于2018 年9 月19 日签署了《“VR 新视界·点亮遵义”教育均衡科技扶贫项目合作框架协议》，在每个遵义市乡镇及以上的公办义务教育阶段中小学（共约630 多所）部署一套“威爱移动式虚拟现实教学系统（含50个VR 课件等）”，并在以后的3 年内，免费提供所有已捐赠的VR 课件的升级和维护，以及免费提供技术支持服务，同时开展乡村教师培训。截止2019 年8 月，全部的部署完成，遵义市4 000人次的教师得到培训。

5 VR应用提升学生注意力，提高学生专注力，提高教学有效性

沉浸式VR 教学环境相对于传统教学环境更有助于学生集中学习注意力，不受周边情况的影响。学生课上课下不专注是学习失败的最主要原因之一。威爱实施的注意力量化测试和专注力训练（VR 色词挑战训练）应用将有效帮助检测学生注意力缺乏症和训练学生提高注意力。VR色词挑战训练内容利用色彩文字干扰的方式并结合虚拟现实技术为体验者提供注意力训练内容。色彩文字干扰的训练方式源于1935 年美国心理学家John Riddly Stroop 发现的Stroop 效应，即字义对字体颜色的干扰效应。VR 色词挑战训练内容设计了一个相对不受外界干扰的沉浸式空间环境，采用不同颜色的物体加上字形、字色、字音等干扰元素，以达到训练提升体验者注意力的目的[5]。行为实验表明，注意力水平和学习焦虑成负相关，提升注意力有助于降低学生学习焦虑，提升学习效果；心理行为实验表明，基于Stroop 实验范式的注意力训练能够提高注意力水平，降低无关信息带来的干扰，提高学习效率；脑认知科学实验表明，注意力训练能够帮助学生提高认知控制能力，此种能力在学习中扮演着非常重要的角色，有助于提升老师教学效果。

5.1 相关研究工作

VIVE Immersive Lab（中国）联合佐贺大学（Saga University）进行了一项“沉浸式环境对学生专注度的影响”研究，研究人员发现沉浸式的VR 环境能让学生更好地集中注意力（专注度）[6]。研究小组通过观察和分析在虚拟环境下的学生脑电波信息发现：学生在沉浸式VR 环境中学习专注度（THETA 分心波、SMR 注意力以及Hi-beta紧张波）是传统学习环境的6 倍[6]，并且在沉浸式VR 环境中学习的学生增强了获取知识的能力以及保留知识的能力。虚拟现实可以给人创造一个生动、逼真、身临其境的环境，更容易给学生留下深刻的印象。大脑很容易记住直观和容易理解的东西，这是大脑的本能反应。沉浸式教学就是对大脑投其所好。

5.2 VR注意力训练课程设计

VR 注意力训练课程设计了一个相对不受干扰的沉浸式空间环境，利用不同颜色的行星运动加上字形、字色、字音等元素训练体验者的注意力，模块分为字形测试和字色测试，同时加入相对运动、行星颜色和字音实现干扰，在规定的时间下测试记录体验者的准确率及反应时间，并对不同的测试结果作对应的解读和分析。

该课程设计了几个关键训练元素：行星（有时间限制的、运动的、不同颜色的）、文字意思（如红、绿、黄）、字体颜色、文字读音，4 种干扰元素互相配合以加强注意力训练的效果，如图5 所示。VR 注意力训练课程在帮助学习者提升专注力问题上起到了良好的效果。

6 5G+XR虚拟仿真教学项目

2017 年7 月13 日，教育部下发《教育部办公厅关于2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，要求虚拟仿真实验教学项目的研发要以完成教学要求和内容为目标，综合应用多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、传感器、超级计算、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术手段，提高实验教学项目的吸引力和教学有效度；要求在2017—2020 年间要建设1 000 项示范性虚拟仿真教学项目，还将依托国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，对国家虚拟仿真实验教学项目的对外联通和服务进行持续监管，以促进优质的虚拟仿真教学资源共享，促进优质教育均衡化发展。

示范性虚拟仿真实验教学项目主要是以真实实验项目条件不具备或实际运行困难、涉及高危或极端环境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题为导向，紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果，凝炼原理准确、内容紧凑、时长合理、难度适宜的虚拟仿真实验教学项目。

威爱联合东北大学打造核物理综合实验被认定为2018 年度国家虚拟仿真实验教学项目，在虚拟环境中实现了核物理综合实验所需的各种实验环境。2019 年，威爱联合电子科技大学等高校打造5G+XR 的虚拟仿真实验平台，引入云渲染技术使得虚拟仿真教学实验平台进一步升级，如“基于卫星推进的场致发射中和器虚拟仿真实验”，借助5G+XR 云渲染技术，本需要强大算力才能支撑的实验模拟可以跨平台在几乎任何浏览器、客户端和XR 头显上流畅运行，轻松实现高品质拟真效果、云端安全数据存储，并支持多人协同，如图6 所示。

图6 基于卫星推进的场致发射中和器虚拟仿真实验

类似这样的利用5G+XR 技术构建各学科所要求的实验场景和实验内容，具有开放性、扩展性、兼容性和前瞻性。虚拟仿真平台部署在云端，虚拟仿真实验教学项目可以对外开放，访问者通过不同终端看到的是经过云渲染的实时视频流，这样既能满足优质教育资源共享的需求，又能充分保护知识产权。

7 结语

通过将虚拟现实技术应用到教育领域：威爱虚拟现实智慧教育解决方案，人工智能英语老师机器人，教育扶贫与教育均衡，Stroop VR 应用提升学生注意力以及XR 虚拟仿真实验教学平台，分析这些案例中采用的技术手段、应用场景以及产生的影响力，验证了虚拟现实沉浸式学习不仅有效，而且促进了教育事业优质均衡发展。

未来我们计划做系列化的XR 课件开发，进一步做一些量化的研究，分析虚拟现实教育怎样提高学生积极性、教学有效性、教育公平与均衡等。未来我们会把虚拟现实教育应用部署到更多的高等教育和义务教育学校，尤其是经济欠发达地区和乡村地区，参与国家的扶贫和乡村振兴计划，解决高品质的教师缺少和教师业务能力有限的问题，助力教育均衡。