信息技术教育应用的潜力、效果和挑战——基于“VR“”AR”“MR”的分析

张子涵

（华中师范大学 教育学院，湖北武汉 430079）

0 引言

自2002 年我国颁布《教育信息化“十五”发展规划（纲要）》以来，我国对教育信息化的认识逐步加深，教育信息化在“实现一国经济和社会发展”“实现教育现代化和跨越式发展”中的重要地位已经成为共识。2012 年，教育部印发《教育信息化十年发展规划（2011-2020 年）》的通知，提出要“推进信息技术与教育教学深度融合”。2016 年，教育部制定了《教育信息化“十三五”规划》，指出教育信息化在提高教育质量、促进教育公平方面的重要作用。2018 年，《教育信息化2.0 行动计划》进一步围绕“网络学习空间覆盖”“数字校园规范建设”“信息素养全面提升”等八大行动进行了探讨。2020 年，在新冠疫情的特殊冲击下，教育部连续下发了多份“停课不停学”相关通知，使得在线教育得到前所未有的关注。

教育部等11 部门在《关于促进在线教育健康发展的指导意见》中指出：“在线教育是运用互联网、人工智能等现代信息技术进行教与学互动的新型教育方式”，“发展在线教育，有利于构建网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系，有利于建设‘人人皆学、处处能学、时时可学’的学习型社会”。2020 年，中国亿万学生在家接受大规模在线教育，据《2020 年中国在线教育行业研究报告》统计，2020 年在线教育行业市场规模同比增长35.5%，达2 573 亿元；在线教育融资金额1 034 亿元，占教育行业全部融资额的89%。

教育信息化时代推动的是人与技术的共同发展，基于大数据智能的在线教育平台，将信息技术与教师教学全面融合，有助于建立以学习者为中心的教育环境，满足不同个体个性化的教育需求，但同时也对政府、教师、学生等全体参与者提出了高要求。因此，本文选择了当前较为前瞻的“虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，VR）”“增强现实技术（Augmented Reality，AR）”和“混合现实技术（Mixed Reality，MR）”，探讨其在教育应用中的潜力、效果和挑战，以便发现如何真正实现教育信息化的育人价值，为推进教育现代化作出努力。

1 三类信息技术的特性及教育潜力

1.1 虚拟现实技术（VR）

虚拟现实技术通过计算机自动虚拟环境（CAVE）和头戴式显示器（HMD）等设备，增强了使用者的感官刺激，将所创造的虚拟环境与真实世界融为一体，为使用者提供了一种身临其境的体验。VR 技术具有沉浸性（Immersive）、交互性（Interactive）和想象性（Imagination）3 种特征，这使得该技术极适合应用于开放自由的教学空间。具体而言，VR 技术的“沉浸性”特征，可以帮助学生多视角感知和实际操作现实世界中的事物，从而获得真实体感；VR 技术的“交互性”特征，为学生之间跨越时空合作提供了支持，有利于学生的社会性发展；而VR 技术的“想象性”特征，给予了学生创设新事物的空间，能够激发学生的创造力。

VR 技术将传统以教师为中心的教学模式转变为以学生为中心的新范式，促进学生基于已有的知识经验自主构建学科知识，并培养学生独立解决问题和自主学习的能力。但是，如高媛等指出，“‘VR+教育’并非一种新的教学方法，而是一种教育工具”。运用VR 技术开展教育教学是为了产生更好的学习效果，因而仍然需要教师设计和考虑学习的目标、内容和情境，提高学生的参与性和积极性。

1.2 增强现实技术

增强现实（AR）技术指通过计算机生成图像，从而增强融入现实世界的对象，包括虚实结合、实时交互和3D 注册3个特性。换言之，AR 技术需要带有软件应用程序的计算机设备才能将虚拟图像融入现实，并以此增强人类的视觉、听觉、触觉和嗅觉，现如今许多AR 程序已能在移动设备中使用，体现了AR 技术的便携性。

由于AR 技术能够对现实世界进行补充，因此可以为学习者创建丰富的学习情境，鼓励学生从不同角度探索世界，并将抽象或不可见的学习内容（如昼夜交替）可视化。在AR 技术的帮助下，教师能够通过网络数据以更为真实的游戏体验增强学生对现实世界的认识，当学生使用移动设备或网络摄像头时，便可以直接从摄像头中将“现实场景”转化为3D 设置的“游戏场景”（或“游戏地图”），以便学生能够结合具体环境作出决策。

1.3 混合现实技术

混合现实（MR）技术是将用户置于增强现实或增强虚拟的交互环境中，因此该技术同样具有虚实结合、交互性和3D 注册3个基本特征。由此可见，MR 技术与VR 技术、AR 技术之间联系紧密，并且更加强调现实世界和虚拟世界间的无缝融合。不同的是，MR 技术在显示效果、真实体感和实时交互上更胜一筹，是自然人机交互的天然场所，能够帮助学习者快速沉浸于学习之中。

在虚实难分的交互环境下，MR 技术可以为学生提供建构知识的多种场景，将过去的“听觉学习”转变为“视觉盛宴”。但是，MR 技术必须利用学生已有的知识经验，通过特定的学习目标开展教学，使学生渐进式地从浅层学习步入深度学习，以避免增加学生的工作记忆负荷。

基于上述分析可知，无论采取何种信息技术，其逼真的环境创设和身临其境般的沉浸式体验均能为学生带来自主学习的动力，使学生在感官体验中完成对已有知识的检验和建构，提升学生自主探究、合作探究的能力。

Table 1 Characteristics and educational potential of VR，AR and MR technology表1 VR 技术、AR 技术、MR 技术的特征及教育潜力

2 三类信息技术在教育应用中的效果

VR 技术的课堂应用能够帮助学生更好地理解学科知识。在一项探讨VR 技术与学生地理课学习效果的研究中，第一组学生作为控制组使用传统学习方法，第二组学生作为实验组使用VR 技术与创建的球形全景进行学习。结果显示，使用VR 技术学习的学生展现出了极大的学习兴趣，且有更多的学生希望在之后的课堂中使用VR 技术。VR 技术的应用优势还体现在能够针对不同学龄段的学生进行学科教学。例如：针对肯塔基州加文科克伦小学五年级学生的研究表明，虚拟现实耳机能够帮助学生理解立方体体积的计算过程，让学生沉浸在学习中，避免了视觉和听觉的干扰，专注于结构化的学习体验。而在另一项“体验欧洲虚拟社区”（Learning @ Europe）的研究中，研究人员将来自于不同国家的1 000 名高中生分为两队进行合作式的英语课程学习，并通过文化竞赛检验学生的学习成效。学生的反馈结果显示，VR 技术强化了他们的课堂参与感和团队意识。VR 技术在学习物理方面同样起着重要作用，通过对86 名在校大学生的测试结果表明，在虚拟实验室中开展物理教学为学生提供了安全的操作环境，支持学生重复练习相关物理实验且不会损坏设备。

从AR 技术的教育应用效果看，该技术对不同教育阶段学生学习不同科目的成效均有显著影响，能够同时促进学生认知能力和非认知能力发展，尤其当教师使用探究性的教学策略进行教学时，能够大幅度提升学生的学习效果。可以说，在课程条件允许的情况下，不同专业的中学教师完全可以对AR 技术进行教育应用和教育开发。并且，AR 技术可以提高学生的参与性、互动性和创造性，促使学生积极达成学习目标。以等高线地形图进行教学的地理课对比实验为例，相比于使用传统二维视频上课的学生，接受AR 三维教学视频的学生具有更高的等高线知识技能水平。而在另一项“AR 技术与艺术教学”的研究中，研究者选取了保加利亚索菲亚的一所公立中学，通过探讨两种不同的教学模式——“允许学生坐在教室里探索艺术品”和“允许学生通过添加虚拟维度到艺术品中进行创作”，结果发现使用AR 技术的教学形式在较大程度上满足了学生的个性化学习需求，激发了学生的创造力。

与传统幻灯片式的教学课件相比，“MR+”教育能够增强对动态教育内容的支持。有学者对比了能够在演示文稿中增加动态教学内容的Chalktalk 软件平台和“MR+”教育平台的优劣，结果表明“MR+”教育能够帮助学生减少视线转移，从而专注于学习内容。将MR 技术引入课堂还能够帮助学生理解课堂知识，培养学生的批判性思维。例如：在ICT 课程学习中，学生们经常接触到很多有关数据通过网络传输方式的理论，但这些理论并没有相应的物理模型以帮助学生理解，为此一些教育者开始将MR 技术引入课堂，通过建模路由器和交换机等物理设备，让学生理解抽象的理论数据是如何在设备之间运行。此外，MR 技术还可以应用于传统的高中教学。有学者联合当地高中开展的教学实验显示，参与MR 课堂的高中生显著提高了空间推理能力。

基于此，从VR 技术、AR 技术和MR 技术对学生的影响结果看，在认知层面，三类信息技术能帮助学生建构学科知识，理解抽象的学科概念；在非认知层面，可以增加学生的学习兴趣，鼓励学生的好奇心和想象力。从VR 技术、AR技术和MR 技术在不同学龄段的应用情况看，三类信息技术能较好地与各学段的学科教学相结合，适应于各教育阶段的学生发展。

3 三类信息技术教育应用的挑战

VR 技术、AR 技术与MR 技术在教育教学中的渗透不可避免，借助于三类信息技术在教育中的应用，学习者可以自由地选择学习时间、学习地点和学习形式，并且能够避免危险性大或后果严重的教学实验。通过将仿真技术、传感技术、多媒体技术等多种技术相结合，这些交叉技术对不同的教学模式带来了颠覆性的改变和挑战。

有学者总结了VR 技术教育应用中出现的教学模式，包括协作学习模式、桌面VR 在线管理系统、VR 培训综合课程等。虽然VR 技术的加入变革了当前教育教学的场景和模式，但它同样存在约束性因素。例如：在情境教学中，教师可以通过VR 教育游戏的形式，设计特定的故事情节和情景，帮助学习者完成知识建构，但这需要学习者佩戴沉重的头盔、使用专用定位器和特定的活动场所。一方面，计算机、HMD、控制器和辅助显示屏等VR 硬件成本较高；另一方面，头戴式设备存在技术缺陷，会因为连接主机数据线而不方便学习者转身和行动。

AR 技术的教学应用涵盖正式学习和非正式学习，包括基于角色扮演（协作式）、基于位置和基于任务设计（游戏式和问题式）三类教学方式，与基于VR 技术的教学模式部分相似。但有学者认为，虚实融合的AR 环境要优于纯现实环境和纯VR 环境。相对于纯VR 环境，AR 环境仅需要一部配有摄像头的手机或平板。AR 技术并非完美无缺，以教师AR 物理教学为例，虽然研究人员将Matlab、Simulink 等AR 技术与微软Kinect 体感交互技术结合，可以帮助学生肉眼看到音响发出的声波，但对于目前的课堂设备而言，教师运用AR 技术教学并非完全便利，对AR 设备的运行也不完全熟悉。以学生阅读AR 图书为例，尽管这类产品能给课堂教学带来益处，但上传图片、识别文本等过程会因为算法或网速的限制而花费较长时间，光照等因素也会影响摄像头对文本的识别。

Table 2 Application form，characteristics and advantages/disadrantages of VR，AR，MR technology表2 VR 技术、AR 技术、MR 技术的教育应用形式、特点与优/劣

MR 技术融合了VR 技术和AR 技术的优势，可以应用于情境教学、探究式学习、合作学习、在线学习等多种教学形式。但与此同时，MR 技术仍处于探索阶段。例如在数学教学中，学习者可以借助MR 技术多方位观察几何形状，但这一课程的开展需要教师掌握学习内容设计、3D 建模和场景构建等技术。并且在渲染技术上，MR 技术的最终目的是将虚拟环境和现实环境完美融合，但目前大多数MR应用都无法实现，光照、材质和物理模型都会使得不同MR应用的教学效果存在区别。

4 三类信息技术在教育中的推广

4.1 提高教师信息技术应用能力，依托网络空间组织课堂教学

在有限的物理环境中，如何更好地将信息技术应用于学科教学内容是教师的主要任务。“信息技术+”教育可以激发学生的学习兴趣，但其开展的前提是需要教师针对每节课的学科内容选择合适的信息化教育工具加以应用，这对教师的信息素养提出了较高要求。自2013 年教育部启动“全国中小学教师信息技术应用能力提升工程”以来，据教育部统计，截至2017 年底，共培训全国中小学教师1 000余万名，基本完成全员培训任务，普遍提高了中小学教师应用信息技术改进教育教学的意识和能力。然而，经过进一步考核和分析可知，当前培训中仍存在“学与用未能紧密结合”“教师信息化教学创新能力不足”“支持服务体系不够健全”等问题。

因此，为了帮助教师更为轻松地制作出丰富的“VR”“AR”“MR”交互式课程内容，可以通过以下路径：一是继续将教师的信息技术能力作为教师培训的必修科目，以如何进行信息技术与教育教学深度融合的课堂为基准，针对性地培养教师运用信息技术进行个性化教学和情境化教学的能力，确保教师能够有效指导学生进行学科学习，避免“信息技术+”这类教育工具成为课堂的负担；二是寻求跨学科的人才共同合作设计教学内容。教育技术化涉及各种专业知识和教学技能的整合，因而需要各学科领域的人才共同合作。以教学设计环节为例，一方面，虚拟软件自带“知识点”“学习材料”“练习”“录音”等界面功能，虽然可以帮助学生完成课程学习、培训和课程评估等环节，但课堂人物的建模和情境环境创建仍需要专业技术人员的支持；另一方面，各种课堂内容的先后呈现顺序仍需要有经验的教师进行指导和安排。

4.2 加强学生信息意识培养，帮助学生掌握基本信息技能

2016 年发布的《中国学生发展核心素养》框架提出中国学生适应终身学习和社会发展所需要的必备品格和关键能力，在六大核心素养中，学生的“信息意识”作为细化的要点之一被提出。良好的“信息意识”意味着学生能自觉、有效地获取、评估、鉴别和使用信息，具有数字化生存能力，能够主动适应“互联网+”等社会信息化发展趋势。传统的课堂教学形式以教师传授作为学生学习的主要渠道，虽然可以使学生掌握基本的知识内容，但对培养学生基本信息意识和信息技能的支持度不足，可以从以下几个方面着手。

其一，以小组合作形式进行“信息技术+”教育，通过将具体的任务细化，安排小组内的学生协作分工开展学习。由于参与者致力于同一个目标，因而他们最终的成功与否取决于每一位学生。这不仅使学生贡献了自己的知识和价值，而且帮助小组成员加深彼此了解。

其二，注重学生学习前的信息技术指导和学习后的课堂反馈。在正式课堂之前，学校应组织学生观看信息技术的操作视频，并对学生进行操作考核。在确定学生基本掌握信息技术操作后，正式将信息技术融入课堂教学。在结束学习后，应及时搜集学习者的课堂评估信息和测试成绩，检验学习者的学习效果。

总之，在信息化时代，“信息技术+”教育作为一种新事物具有不可小觑的力量。众多的研究结果已经显示了“信息技术+”教育的教学优势以及对学生发展的促进作用。虽然VR 技术、AR 技术、MR 技术等信息技术由于设备昂贵、应用较少、场地限制等因素而被大多数学校拒之门外，使得很难将其在短时间内推广，但是随着物联网、大数据、网络安全等技术的迅猛发展和硬件设备制造成本的降低，“信息技术+”教育将会逐渐普及。由此可见，未来技术问题很可能不再是阻碍信息技术大规模推广的障碍，而技术应用的环境以及教师和学生对三类信息技术的接受与使用才是关键。为了将信息技术深度融合于教育领域，有必要让教育者和受教育者具有基本信息素养和信息技术操作能力，并正确认识信息技术在教育中的应用。