VR/AR在中小学的应用现状研究

刘鑫 李耀锋 金彩云

摘  要 为了进一步了解VR/AR技术在中小学的应用现状，以zSpace为例，深入访谈未使用过zSpace的中小学教师六名，使用过zSpace的中小学教师八名。结果显示：受访教师中，科学和信息技术课中抽象的课程内容大多还是采取讲授课的形式，辅助的教学工具较少;受访教师都愿意积极尝试zSpace;设备自带的课件与教材融合度较低;使用zSpace上课时，教师身份需要发生较大转变;部分学校的支持力度较大，但是整体的氛围还是有所欠缺。最后针对应用现状中存在的问题提出一些有针对性的完善建议。

关键词 虚拟现实;增强现实;人工智能;zSpace;中小学;智慧教室

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）02-0043-03

Research on Application Status of VR/AR in Primary and Secon-dary Schools： Taking zSpace as Example//LIU Xin， LI Yaofeng， JIN Caiyun

Abstract In order to understand the application status of VR/AR technology in primary and secondary schools， the article uses zSpace as an example to conduct in-depth interviews with 6 primary and secondary school teachers who have not used zSpace， and 8 primary and secondary school teachers who have used zSpace. The results show that most of the abstract curriculum contents in the current science and information technology courses are still in the form of lectures， and there are fewer auxiliary teaching tools; the interviewedteachers are willing to actively try zSpace. The self-contained course-ware has a low degree of integration of teaching materials; when using zSpace， the teachers identity needs to change a lot; some schools have greater support， but the overall atmosphere is still lacking. Finally， some targeted suggestions for improvement in the application status are proposed.

Key words virtual reality; augmented reality; artificial intelligence; zSpace; primary and secondary schools; smart classroom

1 前言

近年來，无论是在产业领域还是在教育领域，虚拟现实和增强现实技术（VR/AR技术）都是当之无愧的热点。目前，产业领域投身虚拟现实的创业团队呈爆发式增长。工信部2016年发布的《虚拟现实产业发展白皮书》显示，2015年中国虚拟现实行业市场规模为15.4亿元，2016年预计达56.6亿元，2020年预计超过550亿元，因此，2016年也被称为“VR元年”[1]。在教育领域，为了推进教育信息化建设，国务院和教育部等相关部门也制定了一系列的鼓励政策。其中，2017年1月，《国家教育事业发展“十三五”规划》首次在国家文件中提出虚拟现实及其教育应用，并将虚拟现实技术列为未来教育发展的增长点[2];2018年，教育信息化和网络安全工作要点提出推动大数据、人工智能等新技术在教育教学中的深入应用;2019年2月23日，国务院颁布《中国教育现代化2035》，将虚拟现实与增强现实技术作为支撑智能学习空间和学习体验中心等学习环境的重要技术[3]，这些技术得到快速发展并正在渗透于教育教学的重要环节。

2 研究背景

在虚拟仿真环境中，学生能做他们在真实世界中无法做到的事，例如：可以触碰按钮，从而改变虚拟森林环境四季的变化，观察环境按照生命线移动的各种变化;可以学习操作真实环境中危险而不能触碰的大型机器。VR/AR技术为师生创设了直观的学习环境，便于学生理解和应用知识，便于教师及时调整教学方法，教学计划、教学法都围绕模拟的环境进行设计。虚拟仿真环境适合教师教授程序性知识，使学生应用所学到的技能完成包含多个行为序列的学习任务。桌面型VR设备的优点是建模软件较为成熟，制作较为容易，应用得当便能取得良好的教学效果。

zSpace是一款基于VR/AR技术的桌面式虚拟现实与增强现实设备，能让使用者在高度的沉浸感和交互感下，更加有效地进行学习。zSpace是一款集硬件与软件于一体的产品，其硬件包括采用zSpace头部跟踪立体显示技术的显示器、含反光点并且能帮助使用者看到立体效果的3D眼镜、能够与场景中的对象交互的zSpace触笔，通过增强现实技术，能把主操作者的zSpace体验分享给更多的观众，可以投影到任何2D投影机、显示器或者电视上的zView等。在美国本土已有上万的学生正使用zSpace STEAM实验室课件进行学习，全美有超过100多个学区在使用zSpace产品。在国内，2016年3月，zSpace正式与上海市高安路第一小学建立合作关系，成立了zSpaceCOE（卓越中心）;2016年3月29日，北京汇文中学举行zSpaceCOE（卓越中心）、3D虚拟现实探究实验室落成仪式[4]。目前，国内也有其他学校引进了zSpace，为了了解以zSpace为代表的VR/AR技术在中小学的应用现状，进行了有针对性的访谈调查。

3 研究过程

研究方法  为了获得真实的原始资料，整体把握基于VR/AR技术的设备在中小学的应用现状，此次研究采用了访谈法。访谈就是研究性交谈，是以口头形式，根据被问询者的答复搜集客观的、不带偏见的事实材料，以准确地说明样本所要代表的总体的一种方式[5]，尤其是在研究比较复杂的问题时需要向不同类型的人了解不同类型的材料。

研究工具  研究主要采用的是访谈法，因此有针对性地设计了访谈提纲来进行调查，访谈提纲的主要框架如图1所示。

整个访谈提纲的设计主要分为两个方面，分别针对未使用过zSpace的教师和使用过zSpace的教师。对于没有使用过zSpace的教师，主要是从授课现状和使用意愿两个方面进行深入了解，比如目前相关课程的主要内容、教师的授课形式以及对zSpace有了一个初步了解后在未来课堂上的使用意愿等。对于使用过zSpace的教师，则是从设备与课件、教师和外部环境三个方面进行深入了解，比如教师使用zSpace的体验感，zSpace上自带的软件和课件与学校使用教材的匹配度，在使用zSpace进行授课时需要做出的转变，学校以及整个外部大环境的支持程度。

研究对象  研究分别选取六名未使用过zSpace的教师和八名使用过zSpace的教师进行半结构式访谈，其中对位于研究者所在地区的访谈对象进行了面对面的访谈，对于其他地区的访谈对象则是采取在线访谈。访谈对象的基本情况分别如表1、表2所示。

此次选取的未使用过zSpace的教师，在其教授学科选择上也是有侧重地选择了科学和信息技术这样操作性强、学科知识抽象广泛的学科。在这样的学科背景下，教师能够有机会更好地将课堂与VR/AR这样的新技术相结合，希望通过访谈了解中小学信息技术和科学学科的授课现状。

由于目前zSpace在中小学的使用并不广泛，使用过zSpace的教师也还比较少，因此，此次参与访谈调查的教师分布地区比较广，并且可以看出zSpace的应用也不仅仅局限于信息技术和科学学科，在其他很多学科也有教师在尝试应用。

4 现状分析

通過对一线教师的访谈调查后，从以下两个方面对VR/AR在中小学的应用现状进行分析。

对未使用过zSpace的教师的访谈内容分析  通过对六名访谈对象进行调查后，可以看出目前中小学科学和信息技术课程内容随着时间的推移有过多次较大变化，比如信息技术课在小学阶段增设了关于Scratch和机器人的相关课程，而科学课程则是内容广泛，不仅包括像星球、宇宙这样的宏观知识，还涵盖了骨骼、细胞这些微观的知识。在此基础上，进一步对受访教师进行询问，了解到目前教师对于这些新的、有些抽象的课程内容大多还是采取讲授课的形式，辅助的教学工具大多还是PPT结合视频，因此，最终取得的效果可能并不是那么理想。

在对zSpace有了一定的了解之后，受访教师都表示对这款设备很感兴趣，希望能够在以后的课堂教学中将一些抽象、难理解的内容与zSpace相结合。

对使用过zSpace的教师的访谈内容分析  通过对八名访谈对象进行调查后，可以看出目前各个地方都有教师在使用zSpace进行授课，无论是常规课还是社团课，都在积极进行尝试应用。

1）关于zSpace的课件设计。由于zSpace是从美国引进的，其在美国已经有了一个相对较为成熟的应用，因此也有了一套相对完整的适合于美国教育现状的课件资源。但是在国内近两年引进zSpace的同时，美国方面进行了知识产权的保护，并没有分享整套的课件，所以现阶段zSpace设备上的自带课件都是比较基本的内容呈现，并没有与国内中小学教材实际相结合。

通过访谈，目前多数教师直接使用zSpace自带课件进行授课，但是使用的教师都表示自带课件与教材结合度很低，因此基本用于社团课。只有少数教师表示对zSpace的自带课件进行了修改，部分教师还表示学校的相关学科团队会集体进行备课，完成课件的二次设计，以取得更好的教学效果。

2）教师身份的变化。在与zSpace相结合的课堂中，教师表示留给自己讲课的时间减少了，留给学生操作思考的时间变多了。受访教师基本上都表示，在上课前需要花费更多的时间和精力去设计课件，但是在课堂中处在一个辅助者和引导者的位置，最后通过学生的反馈来看，取得的效果是不错的。

VR/AR技术在课堂中的应用让原来教材中比较抽象的内容能够直观地呈现在学生面前，教师不再像以前那样基于PPT去讲授这些知识，使得学生的学习过程不再空洞和乏味。

3）外部环境的支持情况。通过对受访教师的询问调查，可以得知受访对象所在学校在新技术产品支持方面的力度是比较大的。比如：来自南昌的林老师表示，整个南昌市只有三所学校引进了zSpace设备，其所在学校就是其中之一，校领导对于这方面还是大力支持的;来自山东的李老师也表示学校引进了较多数量的zSpace用于常规课授课，涉及科目不仅包括信息技术、科学，也包括生物、物理和地理等众多课程，都取得很好的教学效果。

除了来自学校的大力支持外，很多受访教师也表示，国家各部门对互联网以及人工智能在各个领域的全面推进和资源投入，也是很重要的一个外部助力，比如国务院和教育部在近几年相继颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》《中国教育现代化2035》等文件都提出要重视人工智能、VR/AR技术在教育领域的应用。

5 应用建议

增强zSpace中课件与教材的融合度  目前看来，zSpace在引进时由于受到美国方面知识产权的限制，以及美国中小学教授内容与国内的差别的影响，其自带课件与国内中小学各科教材的结合度是较低的。为了能够更加有效地提高课堂教学效率和课后教学质量，有必要增强zSpace中自带课件与教材的融合度。一方面，对于设备引进方，有必要投入更多的时间与精力去对zSpace的软件进行开发设计，引进更多计算机领域和教育领域的人才，合力对zSpace的软件及课件进行二次完善，进而增强zSpace中软件的可操作性和课件与教材的深度融合;另一方面，教师可以自主对课件进行修改设计，因为教师是最熟悉教材的，也知道在整个教学过程中，哪些知识是重点，可以更加有针对性地去对课件进行整改，进而达到更好的使用效果。

开展教师培训以提升教师技能  在人工智能迅猛发展的背景下，基于人工智能技术的很多产品被引进大中小学的课堂，比如虚拟现实和增强现实技术、大数据的使用以及智慧教室的推广，科技发展的脚步已经迈进教育领域。因此，作为一名新时代的教师，应该接受新的教育理念，感受和使用新的教育技术。为了能够更好地利用VR/AR技术，更好地将zSpace与课堂相结合，有必要针对性地开展相应的培训和讲座，以便提升教师的相应技能水平。

营造zSpace的使用氛围  要想zSpace能够有更好的应用，必然少不了整个大环境的支持。一方面，除了需要教师的努力外，也少不了学校和相关部门的支持，正如前面所提到的，上级部门给予相关政策上的支持，把新的技术应用规划到教育领域未来的发展中，这是一个非常大的助力;另一方面，各级各单位可以多开展相关的活动和比赛，让各级教师在相互交流中成长，进一步营造zSpace的使用氛围。

6 结语

智能化时代已经到来，要抓住机遇，不断摸索虚拟现实和增强现实技术在教育领域的应用模式。以zSpace为代表的基于VR/AR技术的桌面式设备能够让原本教材里比较抽象和难以呈现的内容直观地展示给学生，帮助教师更好地完成教学，亦能帮助学生更好地掌握所学内容。相信随着VR/AR技术的不断完善以及各界人士的共同努力，目前所面临的问题会迎刃而解，实现VR/AR技术的更高效运用。

参考文献

[1]虚拟现实产业发展白皮书[EB/OL].[2016-04-14].http：//www.cesi.cn/201612/1698.html.

[2]国家教育事業发展“十三五”规划[EB/OL].[2017-01-19].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-01/19/content_5161341.htm.

[3]中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》[EB/OL].[2019-02-23].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/content_5367987.htm.

[4]zSpace中国[EB/OL].http：//zspace.asia/.

[5]裴娣娜.教育研究方法导论[M].合肥：安徽教育出版社，1995：180.