教育信息化2.0时代的人工智能虚拟现实技术融合教学应用实践研究

林涌波

摘 要：人工智能作为智慧校园的重要组成部分，让教师教学、学生学习更加精准高效。文章根据教育部教育信息化2.0行动计划等文件精神，结合长沙市岳麓区德润园实践应用，运用人工智能虚拟现实技术辅助课堂教学，以“技术融合、学科融合、师生应用融合”14字为核心方针，为人工智能虚拟现实技术融合教学应用实践提供参考借鉴。

关键词：人工智能;虚拟现实;互联网+教育

0引言

2017年1月，国务院发布《国家教育事业发展“十三五”规划》，支持各级各类学校建设智慧校园，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—          2020年）》明确要求强化信息技术应用，提高教师应用信息技术水平，更新教学观念，改进教学方法，提高教学效果;鼓励学生利用信息手段主动学习、自主学习，增强运用信息技术分析解决问题能力。而虚拟现实VR的沉浸感能全面调动同学们的学习兴趣，符合该纲要所要求的主动学习，自主学习及创新教育思想、教育模式和教育方法的要求。

在“互联网+”的带领下，教育领域正在经历一场深层次改革，技术正在重新塑造教育的新形态。推动教师主动适应信息化、人工智能等新技术的变革，积极有效开展教育教学，促进和激发教师主动应用信息技术去改变课堂教学的积极性和创造性，打造“技术创新课堂”，分享新媒体、新技术在课堂教学中的应用方式、特点和作用，促进信息技术与课堂教学的深度融合创新，破解教育教学重难点问题，提升教师信息技术应用能力与素养。在此背景下，研究如何应用人工智能等新技术推动教育事业的发展具有重要意义。

1 人工智能虚拟现实技术融合教育的现状与发展分析

1.1 人工智能虚拟现实技术融合教育现状分析

1.1.1 国内外虚拟现实技术使用情况

根据被视为教育信息化建设与发展的风向标《国际教育信息化地平线报告》预测，近两三年来能够对教学和创造性研究产生重要推动作用的6项主流应用信息技术中，移动应用、增强现实、3D打印等占据主要部分[1]。英国的开放大学开放科学实验室已经实现了线上实验功能，学生下载实验所需虚拟的仪器硬件后即可进行线上实验[2]。我国在《国家中长期教育和改革发展纲要2020—2020）》中明确指出要大力发展虚拟实验室，用虚拟实验教学解决真实实验、训练中所存在的高污染、高风险、高损耗、长周期等诸多问题。虚拟仿真技术在我国也有十余年的发展历程，虚拟仿真实验室案例有很多，例如清华大学的“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真”实验室。随着“增强现实技术”与“互联网+”的发展，虚拟现实技术在学科中的应用与实践研究的案例愈来愈多。

1.1.2 VR在教学中的研究现状分析

经文献搜索可知，虚拟现实技术应用于教学中由来已久，主要运用在中学的学科中，如中学生物、地理、物理、英语和科学教学的应用研究。德润园的课题研究内容为虚拟现实技术在科学教学中应用策略研究。科学课程中有很多宇宙与空间领域的教学内容，主要培养学生的抽象思维能力。但是由于认知差异及思维发展的差异，并不是所有的学生都能理解，而通过人工智能及虚拟现实技术能直观体验，在科学教学中发挥巨大优势。

1.2 人工智能虚拟现实教育的未来发展分析

1.2.1 注重有机结合，确保资源的实用性

充分运用VR、AR、3D、大数据等新一代信息技术，确保资源与最新技术的有机结合，让资源可广泛应用于各类教学设备，一定程度上能领先于其他传统教育教学辅助手段[3]。

1.2.2 推动人机交互，促进群体的协助性

教育部教育信息化2.0行动计划中强调了人机交互和群体协助。VR教学中的双向交流模式将知识性、趣味性和自主性相结合，教师的教学将更加充分全面地考虑学生的认识规律，促进其在新技术的体验中更好地实现自主学习和群体协助，提升合作能力与意识，同时，实现教师信息技术能力的全面快速提升。

1.2.3 用好新技术，实现VR价值的最大化

VR不仅仅是技术，更是资源的集合体[4]。通过新技术的使用、研究和新资源的开发、创作，新技术、新设备最终成为能可持续服务于全学科、全体学生的有效手段，从“我想看，我喜欢看”到“我想做，我也能做”。

1.2.4 学科交互融合，创新（课堂教学）目标的高效性

基于新技术和新课程，用项目或主题等方式，集合不同学科的同类型、同素材教学内容，组建全新的备课组，尝试创设学科融合型课程（60～90分钟），创设融合学科的教学综合目标（三维目标）和教学过程，以此减少知识重复，加强学科间的交流，实现跨学科发展。在打造高品质的学科融合型课堂的同时，实现师生共同发展，真正实现学以致用。

2 教育信息化2.0时代的人工智能虚拟现实融合教学应用实践案例

为认真落实《教育信息化2.0行动计划》的总体目标，湖南省长沙市岳麓区教育局一直致力于探索通过技术变革教育教学的路径，区域内的德润园人工智能VR/AR超感教室作为湖南省首个人工智能虚拟现实融合教育项目，对加速新时代智慧教育创新发展与创新教学师资队伍建设提供了很好的研究示范。

2.1 德润园人工智能虚拟现实超感教室实践概况

德润园人工智能虛拟现实超感教室自2020年11月底正式落地以来，学校通过首席信息官的设立，组织建设了一个32人的虚拟现实创客项目组，吸纳了多学科老师（语文、数学、信息、美术、音乐、体育等）进行理念和技术学习培训，突破学科教育的边界，提升了技术与教学内容应用实践水平。

德润园人工智能虚拟现实融合教学应用项目具有多套操作系统及系列资源支撑，涵盖AI虚拟动漫创客系统、VR创客编程系统、VR/AR互动教学系统、VR全景720相机、3D “U安全”教育及VR测评反馈系统等。历时2周，项目组开展了20个课时的产品和教学融合培训，项目组老师能熟练使用虚拟现实超感教室的信息化辅助教学设备和系统。经过3个月的项目实践，学校师生通过多技术应用、跨学科融合、师生共协作的方式创作的作品已超50个，并荣获省、市、区教育部门的高度评价。

2.2 德润园人工智能虚拟现实超感教室实践应用

2.2.1 深度践行新课标“互动”“倡导探究”理念

虚拟现实技术作为一种新型的数字化教学媒体，可以对学生学习过程中所涉及的宏观、微观教学应用场景进行现实虚拟，学生可直观地体验到抽象、难以理解的教学内容，利用虚拟现实技术进行体验式探索学习，有利于激发学生的创造性思维和想象力，与科学新课标中倡导探究式学习相一致。

2.2.2 完善课程资源体系

完整的课堂教学，教师应不仅仅局限于开发校内课程资源，更需要去应用校外课程资源，虚拟现实技术能体现出大量的校外课程资源，学生在虚拟现实技术当中，一起体验在课堂当中到达不了的地方，如：科技馆、天文馆、博物馆、生态动物园等，学生课堂中的当场体验更加直观有效，更好地促进学生的知识迁移和前概念转化。德润园通过虚拟现实技术操作系统及系列资源完善课程资源体系，让学生有更直观的体验。

2.2.3 提高课堂教学效益

虚拟现实技术是课堂授课过程中一种辅助性的教学手段，它能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、太空旅行、极地风光、太阳系模型等，在生命科学、物质科学、地球与宇宙科学、技术与工程4个领域提供虚拟体验，从而加快和牢固学生的学习。它可起到引发学生学习动机，促进抽象思维的发展，考察学生理解程度的作用。从而提高课堂40分钟的教学效果， 加强学生的探究意识，提升思维能力和解决问题的能力。

2.2.4 解决课堂实践中的实际问题

目前课堂实践中的主要问题有：①学生在课堂中“动脑”不足;②仪器的配备与课堂教学不相匹配，导致很多的探究实验无法开展;③课堂中许多教学内容紧跟科技前沿，高出学生的理解能力;④实验教学内容闭塞，缺乏科学性;⑤教学内容难以做到证据性资料的收集，教师讲解过多。

动脑的强弱不仅和认知任务的难易程度有关，也和师生互动的水平高低有关。要开拓学生的思维，首先要引起他们的注意，让学生对探究的问题产生兴趣，不能只有教师提问、学生回答;一些科学实验的仪器配备问题，通过虚拟现实技术可以解决，通过虚拟现实技术模拟实验环境、丰富教学资源内容等，增强教学效果以及学生的学习兴趣。

2.3 德润园人工智能虚拟现实超感教室实践成果与意义

2.3.1 突破边界，信息化技术“相加”与“相融”实践

自德润园人工智能虚拟现实超感教室项目落地，进行理念和技术学习培训，突破学科教育的边界，运用以技术为支撑的STEAM教学模式，促进了跨学科融合，提升了技术与教学内容、教学艺术的“相加”与“相融”。

2.3.2 技术应用实践成果

①促进虚拟现实与信息科学、教育学、学习科学、生命科学、艺术学等领域的深度交叉融合，实现虚拟现实理论和技术的突破。

②注重虚拟现实与信息技术及领域的融合，包括大数据、互联网、可穿戴技术、3D打印等有机融合，为构建教育新生态奠定重要的技术基础。

③注重虚拟现实新的研究和应用领域的拓展，进一步开拓新的研究方向，大力开展人工智能与相关学科的交叉研究，构建智慧教育新生态。

2.3.3 教学内容应用实践成果

①物质科学领域：了解物质的组成以及其变化的本质;知道不同能量之间的转换，对抽象的能量概念有具体的认知。

②生命科学领域：直观体会生物身体构造的作用，认识人体的主要生命活动，了解生物之间的相互关系。

③地球与宇宙科学领域：了解太阳系及宇宙中一些行星的基本情况，体验宇宙的无穷奥妙;通过真实体验、更加深入了解地球地壳运动、大气运动、水循环等有关自然现象的形成原因;明白人类需要珍惜爱护我们赖以生存的家园。

④技术与工程领域：利用VR技术，学生能直观体验到技术制作的成品的精妙之处;技术是人们改造周边环境的方法，工程是依据科學原理设计和制造物品、解决技术应用的难题、创造丰富的人工世界等一系列活动;科学技术推动着人类社会的发展和文明进程。

⑤拓展课程：通过具体问题分析科学概念，以及对环境情况了解，树立正确的科学观念。

2.3.4 学科融合，为教育方式的多元化开辟了智慧路径

德润园人工智能虚拟现实超感教室基于国家课题—《虚拟现实技术在科学教学的应用策略研究》，融合多学科虚拟现实教学资源体系辅助支撑，以物质科学领域、生命科学领域、地球与宇宙科学领域、技术与工程领域、拓展课程5个方向为研究重点，让学生体验抽象微观概念、直观了解物质维度内部的构成;体验真实场景、深入了解生物的奥秘;通过虚拟现实了解抽象的宇宙空间概念以及地球相关知识;学习并了解机械内部构造、体验工作原理、实地参观体验建筑之妙;体验活动，对科学活动产生浓厚兴趣。

利用丰富的虚拟现实数字资源，基于智能化VR设备的人机交互，让课堂更生动、形象、有趣，尽可能还原儿童认识世界的真实性和整体性，打开孩子们的视野。除了系统自带的丰富资源，教师和学生在使用过程中创造出的成果亦不断为资源库注入新鲜的血液，资源的不断沉淀、发掘、复用、再创新，为资源的众创、共享提供了无限的空间和可能。

2.3.5 师生应用融合，人工智能虚拟现实教育教学模式融合创新

在德润园人工智能虚拟现实教学应用中，跨学科学习及项目协作型教学模式得到越来越多的关注和研究。随着人工智能虚拟现实教学应用项目的发展，新型信息技术包括虚拟现实技术、AI虚拟创客技术、体感技术等在教育中的应用，新型的教育方式应运而生，包括创客教学、STEAM教学、基于项目学习（PBL），以及基于设计思维跨学科教学等模式，进一步促进了AI与教育的融合创新发展，实现从“PCK”（学科教学知识）到“TPaCK”（技术整合的学科教学知识）的转变。

将教学课堂“以教师为中心”的传统教学结构，改变为既能充分发挥教师在课堂教学中的主导作用，又能显著突出学生主体地位的“主导—主体相结合”教学结构。利用项目式学习与跨学科融合课堂，教师由课堂教学的领导者和知识的灌输者转变为课堂教学的组织者、指导员，学生建构意义的辅导者、促进者，学生良好情操的培育者;学生由知识灌输的对象和外部刺激的被动接受者转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者和情感体验与培育的主体;教学内容由只是依赖一本教材转变为以教材为主、师生共同创造丰富的信息化教学校本资源相配合;教学媒体由只是辅助教师突破重点、难点的形象化教学工具转变为既是辅助教的工具，又是促进学生自主学习的认知工具、协作交流工具与情感体验与内化的工具。

3 结语

人工智能虚拟现实教学实践项目在全面提升学校课程质量，服务于全课程、服务于全体学生方面有相当大的研究价值和可操作空间，既有助于推动学校教育信息化建设，又能丰富虚拟现实技术应用于新课程、新课改的表现方式。同时，在应用资源、创造资源、整合资源上，基于虚拟现实技术进行项目化（主题式）多学科融合教学，能有效解决各学科教学中知识交叉、内容重复、高效课堂等问题。教育工作者更应该积极做好人工智能在教育的普及、变革，促进人工智能与教育融合发展。

[参考文献]

[1]李建荣，孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].实验室科学，2014（3）：98-100，103.

[2]许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].现代商贸工业，2009（2）：279-280.

[3]徐媛.增强现实技术的教学应用研究[J].中国远程教育，2007（10）：68-70.

[4]刘德建，刘晓琳，张琰，等.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016（4）：25-31.

（编辑 王永超）