创客教育应用虚拟现实技术研究

刘明亮 杨建达

摘  要 虚拟现实技术能够为学习者创建一个接近真实的学习空间，让学习者在模拟仿真与协同互动中身临其境地学习。基于此，展开对“虚拟现实+创客教育”的研究，从创客教育的研究出发，通过分析在创客教育中应用虚拟现实技术的理论研究与实践两方面现状，对虚拟现实技术应用于创客教育提出建议。

关键词 虚拟现实技术;创客教育;STEAM

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）15-0032-03

1  创客教育相关研究

1.1  创客教育的理论研究

北京师范大学余胜泉教授在《STEAM教育理念与跨学科整合模式》一文中提出：STEAM教育应具备跨学科、情境性、协作性、趣味性、体验性、设计性、艺术性和技术增强性等核心特征。祝智庭、郑燕林、谢作如等学者在对创客教育进行深入研究后总结出创客教育是一种以物联网、云计算、大数据、虚拟现实等信息技术为基础，以培养创新型人才为目标，汲取具身理论、做中学、DIY理念、STEAM教育等先进教育理念，将创意、设计、实现、协作、团队、开放作为创造过程核心，让学生在创造中学习和提高创新思维的教育形态[1]。目前，创客和创客教育已经成为我国教育领域研究的热点话题，但是需要注意的是，在发展创客教育过程中要加强对创客教育的理性认识，加快教育理念和教学方式的更新，脚踏实地开展创客教育。

1.2  创客教育的实践研究

目前在教育领域的STAEM教育与创客教育应用实践中，国内的中小学首先从信息技术、通用技术、劳动技术等课程入手[2]，开始尝试探索之旅。学校除了为学生开设信息技术和通用技术课程外，还开设内容丰富、种类多样的综合实践课程，教授学生编程类、媒体制作类软件的使用，鼓励学生动手创造，锻炼创新思维。政府与企业联合为中小学校提供STEAM教育云平台与STEAM课程研发、项目学习活动、综合素质测评等方面相关的测试系统、创客学习空间设计和STEAM教师专业发展等一系列STEAM教育资源与服务支持。从目前STEAM教育和创客教育在教育实践领域的应用结果来看，我国在对STEAM教育与创客教育的实践探索上有很大发展空间，理论研究与我国现阶段的教育模式正处在应用融合阶段。

2  在创客教育中应用虚拟现实技术的相关研究

2.1  在创客教育中应用虚拟现实技术的理论研究

2.1.1  虚拟现实技术在创客教育中的应用前景  对虚拟现实技术在创客教育中的应用潜力，王同聚[3]认为：运用虚拟现实技术为学生创造新型信息化学习环境与学习工具，不仅能够激发学生对学习的兴趣，而且能够让学生在创客实验中更好地培养创新意识和动手能力。曾明星等[4]认为：创客教师利用虚拟现实技术开展创客教育实验，在虚拟的空间场景中进行体验式教学场景设计，能够使学生通过互动、感知和操作虚拟对象，实现知识内化，从而达到更好的学习效果。也有学者认为：虚拟现实搭建的虚拟世界提供的沉浸式的交互体验，有利于学生在学习过程中更好地建构自己对教学内容的理解;同时，教师易于通过平台的记录功能对学生操作、行为进行数据采集与分析。

此外，在教学活动中应用虚拟现实技术还能够帮助学生提高发现问题、探究问题、解决问题、沟通交流、团队协作的能力。国外许多研究也表明：教师利用虚拟现实技术，通过与新型教学方式相结合，能更好地向学生揭示事物的属性、特征本质和运动规律，帮助学生更好地理解事物间的联系及相互作用。将虚拟现实技术与教学过程相融合，能充分调动学生的多种感官，使学生接受更完整、具体、全面的信息，从而更深刻地认识事物，更好地理解所学知识，更熟练地掌握专业技能。

从虚拟现实技术应用于创客教育的前景研究结果来看，虚拟现实技术不仅能够为教师提供全新的教学工具，为学生提供通过新型信息化网络虚拟环境与工具获取知识和技能的新方式，还能够激发学生参加创客活动兴趣，增强学生创客体验，让学生感受心理沉浸，在动手实践中提高创新素养和创新能力。但在虚拟现实技术与创客教育结合过程中存在的难点方面，研究目前聚焦于技术、设备层面，缺少教学模式层面分析。

2.1.2  虚拟现实技术在创客教育中的应用研究

1）运用虚拟现实技术创建创客学习空间。在虚拟学习环境中，学生可以做到在真实世界中无法或难以做到的事，比如观察心脏的跳动，感受环境变化对生物种群的影响，开展具有一定危险性的操作等。此外，虚拟现实技术还可以支持多用户虚拟学习环境，学生可以在虚拟课堂、虚拟校园以第一视角开展种种互动，以小组的形式开展创客实践项目等，在仿真模拟实验中有效促进不同主体间的互动交流，增强学习体验[5]。

2）运用虚拟现实技术进行在线合作學习。传统的在线学习主要是通过视频、图像、文本实现的，尽管在一定程度上为终身学习和泛在学习提供了技术支持，但受学习环境局限性的影响，学生难以与学习环境进行交互，也很难进行及时的反馈、互动和交流。运用虚拟现实技术可以创设贴近于真实环境的沉浸式、高交互性数字化学习环境，让学生在网络空间也能进行合作探究，更有效地支持远程教育和在线学习的实施。

3）运用虚拟现实技术创建创客教育平台。虚拟现实技术为教师提供了更为理想的教学手段。结合远程教育中对教育平台的研究成果，国内外研究者都在竭力搭建可以应用于情境化教育教学和理论研究的虚拟教学平台，以满足学生泛在化、终身化学习需要，其经验多来自众多虚拟现实技术与教育的融合实践。例如：诺丁汉大学开设的VIRART

（Virtual Reality Application Research Team）项目，对虚拟现实技术在教育和学术上的运用进行融合;Lorenzo-

Alvarez等基于Second Life平臺的虚拟医学情境和实时互动，开展放射学同步、异步医学课程，激发学生学习的积极性和主动性，规避学生在真实情境下学习可能产生的风险，增强学生学习效果。

2.2  虚拟现实技术在创客教育中的应用实践

虚拟现实技术目前主要应用于创客空间建设，能够为学生提供与真实实验和创客工作坊高度相似，同时不受时间与空间限制的低成本个性化学习环境。目前，同济大学建筑学院搭建的虚拟现实实验室实现通过高端设备对建筑景观及其内部结构进行仿真，使学生使用新的方式学习更系统、更全面的知识。中国科技大学也在物理实验上广泛运用虚拟现实技术，搭建相关物理实验平台并形成几款较为成熟的产品。此外，武汉大学、中南大学、北京航空航天大学也建立起一系列数字地球、航空航天、汽车工业等领域的教学与科研实验平台。从应用结果来看，当前虚拟现实教育内容缺乏，很少有专门致力于开发虚拟现实教育内容的平台。同时，很多虚拟现实教育产品的学科教育与技术融合程度比较低，真正的学科教育专家、一线教师无法参与虚拟现实教育课程、教育产品的开发设计。

3  在创客教育中应用虚拟现实技术的建议

3.1  探索基于虚拟现实技术的创客教育教学应用模式

虚拟现实技术与创客教育的融合离不开科学的学习理论和合理的教学应用模式的指导。一方面，虚拟现实技术尽管能通过为学生创建虚拟仿真的学习环境来提供更好的交互体验，但也让学习过程中的交互效果成为影响学习效果的重要因素。复杂的虚拟交互方式和冗杂的虚拟信息都会增加学生的认知负荷，给学生带来负面的交互效果，从而对学习效果造成负面影响。因此，在这种学生与虚拟环境交互过程中，各个信息通道中呈现的内容需要教师在科学教学设计理论指导下进行设计和筛选，并选择可行的最佳方式进行呈现，使学生更多地将注意力集中在有效教学内容上。另一方面，教学系统具有复杂性，要素与要素之间联系的改变会对学习效果产生影响。虚拟现实技术的应用让学生与教师的心理状态、学习环境、学习资源呈现方式等方面都会发生变化，而让学生适应这些变化带来的学习影响则离不开科学教学设计理论的指导。

3.2  基于虚拟现实的创客教育资源设计开发

学生的学习需要不同，对教育资源的选择也不同。目前，虚拟现实教育资源缺乏，尚未形成系统的虚拟现实创客教育资源库，现有资源难以满足学生多种学习需要。在创客教育中，虚拟现实技术主要应用于创客空间建设，在建设过程中对资源的建设类型大都集中于虚拟实验的设计开发，教育游戏类、电子教材类、课件类等类型的学习资源设计开发相对较少;在虚拟现实技术与实验的结合中，技术的应用停留于对实验内容的呈现，学生在虚拟环境下的交互体验沉浸性不强，虚拟实验效果并不好。因此，设计、开发、汇聚虚拟现实创客学习资源，切实提高创客教育资源的质量，增加创客教育资源的种类，对实现虚拟现实技术与创客教育的深度融合更为重要。

3.3  构建基于虚拟现实技术的创客教育资源建设共同体

虚拟现实创客教育资源建设需要多方合作努力。优质的虚拟现实教育资源建设既离不开技术人员提供技术支持，也离不开学科教育专家提供学科教育教学规律，学科专家提供科学的学科知识辅助，一线教师提供教育实践经验，学生提供资源使用体验。仅凭高校研究者埋头苦研，缺少前沿技术支持和实际体验数据，难以形成虚拟现实技术与创客教育紧密结合的创客教育产品。优质虚拟现实教育资源需要通过多方的通力合作，构建基于虚拟现实技术的创客教育资源建设共同体。政府、高校和企业应汇聚各方力量，建设科学有效的虚拟现实创客教育资源库，优化学生在虚拟环境进行体验式学习的互动效果，充分调动学生的学习积极性，推动虚拟现实技术与创客教育的深度融合。

4  小结

总体来说，创客教育在与我国教育教学发展结合过程中，在为教育注入新鲜活力的同时也暴露出亟待解决的问题。例如：创客教育资源建设不完善，忽视学科内容的深度融合，实验室建设与资源准备不足，等等。在现实条件下，虚拟现实技术这一强调学生沉浸式学习体验的技术逐渐应用于教育，为创客教育的发展提供了新思路、新方法。但是目前关于虚拟现实技术应用于创客教育的相关研究与实践相对较少，尚未形成系统化沉浸式学习资源库和较为完备的支持服务平台或者虚拟实验室，因此也未能充分发挥虚拟现实技术对优化创客教育教学效果的作用。相信随着基于虚拟现实技术的创客教育教学应用模式开展深入研究，创客资源不断设计开发，共同体内多方深入配合，最终能够让虚拟现实技术更好地应用于创客教育，更好地提高学生的创新实践能力和水平。

参考文献

[1]钟柏昌.谈创客教育的背景、本质、形式与支持系统[J].现代教育技术，2016（6）：13-19.

[2]荆玲玲，刘庚.创客教育的内涵要素、问题反思及发展路径[J].教学与管理（理论版），2018（3）：1-4.

[3]王同聚.虚拟和现实（VR/AR）技术在教学中的应用与前景展望[J].数字教育，2017（1）：1-10.

[4]曾明星，宁小浩，周清平，等.面向大学生创客的网络学习空间构建[J].中国电化教育，2016.

[5]邹宏翊.虚拟现实（VR）在教育领域的应用与挑战[J].西部素质教育，2018，4（20）：128-131.