虚拟现实技术在智慧教育中的应用探索

吴亚军

（南通师范高等专科学校，江苏 如皋 226500）

1 引言

科技发展日新月异，给教育带来了更多的机遇和挑战。虚拟现实作为高新技术手段，在教育领域的应用，尤其是与智慧教育的融合，推动了教育向个性化、智能化的纵深方向发展，产生了深刻的影响。中国工程院院士赵沁平在第三届中美智慧教育大会上致辞，他指出，虚拟现实将在多媒体与计算机教学之后重新改造人们的学习方式，对整个教育领域的变革具有划时代的推动作用。未来，虚拟现实术与智慧教育的深度融合，必将带来教育教学模式的革新和重构，彻底改变传统的教育、学习方式。

当前的智慧教育项目多以技术和管理为中心，偏重基础设施的硬件建设和数据采集技术的软件建设，容易偏离以学习者为中心的主旨方向。为解决上述问题，本文从学习者需要出发，探寻虚拟现实技术与智慧教育特征的契合点，服务于智慧教育，满足学习者的个性化、专业化、智慧化的发展诉求，培养学习者的创新意识，提升创新思维，形成教育智慧。

2 虚拟现实与智慧教育概述

2.1 虚拟现实的概念、特征

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术起源于20世纪60年代，80年代初美国人杰伦·拉尼尔（Jaron Lanier）提出“虚拟现实”的概念，是一种创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统[1]。目前学术界并没有形成统一的共识，形成明确的定义，主要概括为：以计算机技术为核心，结合多媒体技术、图像技术、感知识别技术、仿真技术等相关技术，营造与在真实环境中多感官感受高度类似的虚拟化环境，参与者借助装备沉浸其中，并可实时交互，产生超越真实环境的逼真感受和体验[2]。

虚拟现实按照“沉浸”体验可分为三个层次：一是初级的、沉浸性很弱的桌面式虚拟现实；二是将真实物体植入虚拟环境中的增强式虚拟现实；三是借助特定设备，可在虚拟场景中进行体验或互动的沉浸式虚拟现实。为了提升虚拟现实的逼真度和人机交互的丰富性，在虚拟现实的基础上，又相继出现了AR、MR、XR等技术。

各类虚拟现实技术在“沉浸”程度上有深浅，目前在教育方面的应用主要关注沉浸式虚拟环境，沉浸式虚拟环境具有三个特性：（1）临场感，让用户有亲临现场的感受，将自身视为环境的一部分，交互完全自然。模拟真实的临场感，这是虚拟现实技术存在的价值所在。（2）自主性，即环境遵循自然规律，物体进行活动或与用户进行交互作用时能独立于用户的干预，自然地发生。（3）交互性，即用户与环境的交互是合乎逻辑的，三维立体式的，有一定逻辑规则的，且保持稳定。沉浸式虚拟学习系统在教学中的应用，具有三种优势：（1）场景构建仿真化，提供高度仿真的虚拟化场景；（2）感官体验多样化，提供多种感官的刺激；（3）思维方式深层化，引导学习者深度学习[3]。

随着新技术的涌现，虚拟现实的内涵正在完善和拓展，但其主要的特点还是体现在虚拟现实技术让参与者能够获得更加真实的体验上，即“沉浸性”和“交互性”。当学习者以第一视角置身于虚拟环境，有完全沉浸感和良好的互动性时，会造成更强烈的临场感，这时的学习是自发的、快乐的，从而产生积极的情绪，更利于学生创造力的产生。

2.2 智慧教育的概念、特征

随着教育改革步伐的加快，智慧教育正成为教育信息化的主旋律，学界对此也倾注了满腔的热情，各种研究成果纷纷出炉，其中较有影响的主要观点有：祝智庭教授[4]认为，智慧教育的理念归功于钱学森先生的“大成智慧”理念，认为智慧教育是在各种新技术支持的智慧学习环境下，教师运用有效的教学方法（智慧教学），引导学习者开展实践创新（智慧学习），培养具有正确价值观念、优秀思维品质和深厚创造潜能的智慧型人才。在此过程中，让学习者能够获取适宜自身发展的美好体验和个性化学习服务，积小成大，最终落实智慧教育理念，使其具备创新和创造的思维与能力。杨现民教授[5]从生态观的视角出发，认为智慧教育是在原有数字教育系统基础上的智慧化提升，是数字教育发展的高级阶段，是依托新一代信息技术所打造的教育信息生态系统，旨在实现信息技术与教育的深度融合，促进教育利益相关者生成智慧并可持续发展。黄荣怀教授[6]从“系统论”的角度剖析智慧教育，认为智慧教育包含智慧学习环境、新型教学模式和现代教育制度三重境界，是一种学习体验高、内容适配性高和教学效率高的教育系统，是教育信息化的高端形态，旨在培养智慧型卓越人才。

综合上述观点，本文研究者认为，智慧教育是运用新一代信息技术营造适宜于学习者智慧生成、发展的智能化教育环境，帮助学习者获取良好的学习体验，通过开发挖掘思维潜能的系列智慧程序，推送符合学习者特征的匹配学习资源，引导运用有效学习路径，推动个人认知结构完整有序地构建，培养和促进学习者自身生成智慧的教育实践过程。通过实现教学环境、教学资源、教学方法、教学管理的智慧化，为学习者提供智慧化的教育服务，有效提升创新创造能力，形成创造性思维，实现教育智慧。

2.3 虚拟现实运用于智慧教育的理论支撑

（1）建构主义理论(Constructivism)

建构主义是虚拟现实技术应用于教育技术领域最重要的理论基础。建构主义理论认为学生是知识建构的主体，一切学习活动应当以学生为中心来设计；教师是学生信息加工、意义建构的引导者和促进者，处于辅助地位。教师的作用就是运用各种方法激发学生主动探究、构建知识体系。建构主义学习环境中情境的设计、利用，各种活动和互动都是为了帮助学生利用先前的知识与已有的经验在当前情境中进行学习和认知，进而生成新知识。

由建构主义衍生出情境学习、体验学习、自主学习、合作学习、探究学习等学习方式，因其都具有与虚拟学习环境类似的一些特征，因此经常应用于虚拟现实环境的教学活动中。

（2）认知主义理论(cognitive theory)

认知主义理论的基本观点认为，人的认知是外部刺激与内部心理过程相互作用的产物。学习过程是学习者根据自己的需要和兴趣，对当前的外界刺激产生的体验与过去的知识经验顺应和同化的信息认知加工过程。从认知的过程来看，虚拟现实技术的应用，使得认知交互对象从现实世界的实物，变为虚拟世界的虚拟对象，发生了根本性的变化，把过去在课堂上不可能实现的情境变为了超现实，拓宽了认知范围，开辟了新的认知渠道。

虚拟现实与智慧教育相结合，可以从提升学习者的认知体验入手，创设贴近学习者已有知识经验的情境，实现新旧知识之间的协同，构建起自身的认知结构，促进学习者个人认知体系的完善与发展。

（3）具身认知理论（Embodied cognition）

具身认知理论认为生理体验与心理状态之间有着必然的关联，认知是具体的个体在环境中产生的，是具体、生动的。大量的研究表明，情境是影响学生学习效果不可或缺的重要因素。教师在教学活动中能否触发学生的具身效应，与教学情境的创设有着密切的关系，情境越逼真、越生动就越能引发学生的具身体验[7]。

在虚拟现实技术的支持之下，创设高度真实、生动的情境容易实现，教师可以根据需要随时切换理想场景，学生可以随之体验到丰富、逼真的虚拟情境。从这个角度上看，虚拟现实技术是具身认知观点下实现智慧教育的重要技术基础，两者的结合符合具身认知论。

（4）自主学习理论(Autonomous Learning)

学生是学习的主体，学习是学生自立、自为、自律的行为。学习过程中，学生是“自主的”“能动的”。学生处于主动和积极的状态，教师起引导、指导作用，强调学生自主探索、建构知识的过程。学生在学习过程中对外界环境刺激信息独立分析、思考，形成新的知识及解决具体问题的能力。

学习条件的创造是满足自主化学习的前提之一，虚拟现实技术完全可以满足自主学习对学习环境的要求，学生根据学习内容、学习目标以及个人的情况自主选择适合自己的工具和资源，依据知识掌握的情况选择重复模拟和反复练习，通过智慧教育环境实时反馈自身的学习状况，及时调整学习策略，选择最适合自身的条件，最终获得与学习目标相一致的学习结果。

3 基于VR技术的智慧教育环境

实现智慧教育的基础是环境，支撑是技术，关键是理念。积极的学习环境可激发学习者的学习兴趣，提高学习效率，消极的学习环境则对学习者的学习具有阻碍作用。正如鱼离不开水一样，智慧教育环境的架构，同样离不开新技术的支撑。虚拟现实技术对学习环境的重构具有驱动作用，可以创建具有交互效能多维化的信息环境[8]。移动互联与移动应用、物联网、云计算、大数据、感知识别、人工智能等技术，为虚拟环境的智慧化提供了技术保障。智慧教育环境中的智慧，主要体现在运用各种感应技术及时感知学习者的特征需求、营造学习情境、推送个性化学习资源、自动记录、及时反馈和评价学习结果。虚拟现实编辑器的开发，大大降低了对使用者专业素质的要求，通过简单学习，人人都能成为虚拟环境的创建者，为构建各种需求的虚拟情境提供了可能。依据虚拟现实技术的特性和智慧教育的环境特征，设计构建了三种基于虚拟技术的智慧教育环境。

3.1 创设情境化教育环境

生动的情境能激发学生的参与兴趣，运用虚拟现实技术构造出适合学习内容、学习对象的虚拟世界，能够实现情境化的智慧学习。情境教育源于认知与情境学习的理论与实践，核心在于借助环境激发学习者的情感。该理论指出在特定情境中通过亲身体验获取的知识比一般知识更深刻更有用，个人知识结构形成的源泉是学习者参与基于社会情境的一般文化实践，因此，最有效的学习是将学习过程放置于与知识相关的特定环境中[9]。虚拟现实技术打造的虚拟学习环境可以灵活呈现各种学习情境，能为学习者构造符合学习需求的虚拟场景。学习者借助虚拟设备，即可化身加入虚拟场景，学习者可以任意视角观察每个细节，如同身临其境，真正沉浸在虚拟情境当中，获得深刻的体验。现实中一些稍纵即逝的场景，一些难得一遇的现象，一些无法重复的画面，甚至是一些具有危险性的实境，都可在课堂中一一呈现，比如名胜游览、火山爆发、战争场面、微观世界等等。这种体验是立体的，全方位的，不是老师在课堂上用言语描述能比拟的。

随着技术的飞速发展，虚拟现实技术运用于智慧教育环境，让教学情境的实现变得越来越容易，这些场景不再是以图片和视频的方式简单呈现，而是以多维的方式打破时空限制立体再现，并能让学习者参与其中，领略技术带来的现场临境感，从而强化体验，高效地获取所需知识。

3.2 架构交互式教育环境

交互式是指运用虚拟技术搭建的智慧教育环境中的操作交互、自然交互和人际交互方式。虚拟现实技术能在一定程度上强化自然交互的效果。在虚拟技术支撑的智慧教育环境中，参与者可以使用眼睛、耳朵、皮肤、手势和语言等直接与环境中其他要素发生交互，强调交互主体的涉身感受，将单一的人机界面交互扩展到三维立体空间，让参与者与环境发生无障碍自然互动，增强教学交互感与学习者的临场沉浸感。交互的内在价值在于调用学习者多重感官参与学习活动、实现自身能力与思维上的高层次提升、促进学习者自身的全面发展，是知识的内化过程。

智慧教育强调深度交互、深度学习、深度思维，深度思维具有批判性、创新性，具体表现在对信息的深度加工、对复杂概念的理解，形成高阶思维，而深度学习则是需要并且能促进智慧学习环境中各要素间的深度交互[10]。深度交互引发深度学习，深度学习催生深度思维，同时又促进了深度交互的再次发生。智慧学习环境中主张多发生深度交互，利用虚拟现实技术打造的交互式教育环境呈现灵活多样的交互内容与形式，解决了一些传统工具无法呈现的问题，拓展了原有资源呈现方式的单一，节省了呈现教育资源的成本，还给学习者带来全身心的交互体验，促进了交互主体的深度交互。交互过程中伴随着问题的产生与解决，孕育着创新，这也正是智慧教育追求的核心价值所在。

3.3 打造个性化教育环境

智慧教育的显著特征是“以人为本”，也是智慧教育发展的本质属性。在智慧学习过程中，智慧教育环境主动搜集整理学习者的学习数据，科学分析学习者的学习特征，推断其学习需求，精准推送学习资源，并实时反馈调整，为学习者提供匹配的学习环境。学习者可以根据自己的兴趣爱好自由选择学习内容、学习方式、学习进度，最大程度满足学习者的个性需求，获得个性化的学习，实现学习者个性的充分发展。

虚拟学习环境可以根据学习者的个体差异来进行不同的设计，也可以由学习者按照自己的需求在虚拟环境中创建自己所需的物件和场景。比如一堂风景名胜学习课中，传统的课堂一般会挂贴几张图片，照本宣科；多媒体技术的加入可能是播放相关的图片或者视频；比较流行的做法是录制成微课，教师担任导游的角色进行讲解；有条件的学校或许会带领学生现场参观学习，但是成本高、时间消耗大且存在很多不确定因素。如果用虚拟现实技术来展示，学习者就可以借助虚拟设备，选择不同方式、不同视角进行全方位的观察学习，由此会产生不同的感受，在老师的引导下学习者再将不同视角收获的知识进行讨论和整合，去获得新知。在此过程中教师把学习者的兴趣、质疑、探究的精神保护起来，让学习者真正认知自己，扩展各种经验，扬长补短，丰富学习历程，培养核心素养，从而更好地促成个体认知自主建构，最终提升学习者的智慧。

4 虚拟现实技术在智慧教育中的应用

传统的教学活动多指向知识传授这一中心教学任务，智慧教育环境下的学习，则指向“创造”这一高级认知目标，强调将知识迁移到真实生活中，培养具有创新、创造力的学习者。美国教育家约翰·杜威(John Dewey)认为，知识是已经获得并存储下来的学问，而智慧则是运用知识去促进实践的能力[11]。从知识走向智慧是与时俱进的知识观对教育的新诉求，也是学习共同体的一致追求。一方面，虚拟现实技术可以方便再现真实世界中无法用肉眼随时观察到的现象或难以复制的演变过程，化抽象为形象，帮助学习者理解抽象概念、抽象事物。另一方面，虚拟现实技术可让学习者按自己的意愿学习，学习者由被动地接受知识转变为主动的参与探究，充分调动学习者的学习兴趣和主观能动性，不断激发学习者的创新的火花，开拓学生的新思维。

虚拟现实技术与智慧教育的有机融合，为教学模式的创新提供了新的舞台。信息化背景下的智慧教学模式倾向于任何人（Any one）、任何时间（Any time）、任何地点（Any where）、任意方式（Any mode）、任意内容（Any content）的5A模式。这种教学模式，呈现出三个基本特征：一是轻松学习，这是学习的基础条件，新技术的加入应当使学习变得轻松愉快。二是有效学习，这是信息化学习的目标，信息化教学应该促进学习者的有效学习。三是专注学习，这是有效学习的前提，学习者只有专注地学习，才能达到有效学习的目标[12]。

纵观教学模式的演进历史，技术在其中都是起辅助和促进作用的。新技术与教育的融合，目的在于促进知识的生成、智慧的形成，而智慧形成的关键又在于良好思维习惯的养成。如何利用虚拟现实技术构建智慧教育环境，搭建起知识与智慧的桥梁，打通知识—思维—智慧之间的通道，正是本文重点研究的内容。

4.1 体验式学习

体验式学习是指通过学习者亲历和体验来认知知识、发展能力、生成情感的学习方式[13]。体验式学习的关键要素就是要建立一种高度仿真化的学习环境，这将直接影响学习者的感受体验，甚至影响最终的学习效果。随着虚拟技术的发展，创设虚拟体验式学习环境已成为可能，其最大特点在于构成的学习环境可以打破时空的限制，学习环境具有仿真性、沉浸性、交互性等特征，能够极大地激发学习者的学习兴趣和参与热情，支持师生在特定的教学模式中和使用对象进行交互，能够提供师生在现实世界中无法获得的高度体验[14]。

虚拟技术构建的体验式学习环境能够有效促进学习，让学习者产生轻松、愉悦、兴趣浓等积极情绪，激发其学习的内部动机；能够提供丰富的感知线索以及多通道的反馈，促进其认知建构的完成；能够让学习者实现角色扮演，增强学习体验，实现知识迁移，将虚拟情境中所学运用到真实生活中去。比如，利用虚拟现实技术模仿创设各种英语环境，学习者不但能够身临其境在虚拟社区中穿行，还可扮演各种角色与各种设定对象交互对话，训练语境、语感，能起到事半功倍的效果。

4.2 探究式学习

探究式学习是学习者在预设的情境中，自己探索解决问题的学习方式。“问题”“体验”和“反思”是探究式学习的三个基本要素，它们体现了探究式学习的基本特征。基于虚拟技术的环境为探究式学习提供了丰富的资源和工具，虚拟技术环境可以创设所探究问题的学习情境，强化问题的驱动；虚拟技术环境可以提供完全拟真的体验情境，满足学习者沉浸式体验；虚拟技术环境提供多样的交流手段与工具，促进交流协作和反思。

探究式学习的核心价值在于在对事物的认知是建立在质疑、假设的基础上，通过实践进行体验和验证。虚拟技术可以创造出各种智慧学习所需的虚拟环境，学习者可以在虚拟环境中尝试解决真实问题，在这一过程中实现深层次知识建构。虚拟环境中趣味性与挑战性并存，可以激发学生自主探究的兴趣，学习者可在其中尽情徜徉探究。此外虚拟环境还具有安全、高效、低成本、可重复、超现实等优势，比如危险性高的各种实验，近距离观察行星的表面，细致严谨的考古现场，条件所限的操作训练，深入原子内部的微观世界等，都可通过它来实现。

4.3 自主式学习

自主式学习强调学习者是学习的主体，老师起主导作用。学习者发挥自己的主观能动性，充分利用环境调动自身的各种感官，主动地去获取知识，发展能力。虚拟技术在自主式学习中的应用是指学习者通过虚拟情境、智慧环境进行自主式的深层次学习。这种应用极大地拓展了教育的时空，使教育资源得以重构与共享。在传统的课堂中，由于学生的认知水平参差不齐，经常出现不同步现象：一部分基础较差的学生，在教师完成课堂讲解后，不能完全理解或掌握必备的基础知识；而另一部分学习能力强的学生，对于教师讲解的内容掌握较快，希望加快学习进度，学习更具挑战性的知识。由于学生个体学习能力的差异，导致课程实施起来难度很大，常常出现两头不满足的情况，严重影响学生学习的积极性和主动性。虚拟现实技术的出现，很好地解决了这一问题。教师可以借助虚拟技术提供的工具、素材分层制作教学资源，推送至相关平台。学生可根据自身的实际，利用教师提供的虚拟教学资源，选择适合自己的学习方式，自主地进行学习和探索。这样既可以增强课程教学的有效针对性，又可以培养学生的无限创造性，满足不同层次学习者的需求。

在虚拟技术支持的智慧学习环境下，学习目的是获取最大化学习效果。由于云计算平台收集了学习者大量的学习数据，通过大数据分析、挖掘，获得学习者的学习基础、学习风格和学习能力等特征，当学习者接收学习任务时，智慧虚拟环境会根据学习者的特征进行准确、适时的智慧干预，帮助学习者选择适合个人自主学习的任务和方式。其次，根据学习内容和难易程度，虚拟环境智能分析，选择推送与学习者特征匹配的学习资源，保障资源的适用性与优质性，避免冗余资源的干扰和不必要的时间浪费，从而实现学习效益的最大化。

4.4 互动合作式学习

基于虚拟技术的互动合作式学习，是指在智慧教育环境下利用泛在网络以及虚拟现实等技术建立起互动合作学习的大环境，再通过小组合作等形式来组织学习者之间以及教师与学习者之间进行讨论、交流和协作，从而对所学习内容有比较深刻的理解和掌握。虚拟环境依据智慧教育平台提供的学习内容、学习者的相关信息科学分组，不受时间及地点的约束，成员之间都是平等的主体，共享资源、互动合作、相互促进、共同提升。

随着网络技术和虚拟现实技术的日益成熟，基于网络的虚拟化教学，已成为一种全新的教学方式。将两者相结合，可以实现优质资源的实时共享，让知识保持新鲜性、共享性，使学习者在需要的第一时间享受到最新的知识理念。多用户虚拟现实系统的空间维度和多通道功能为合作学习活动的设计、实施提供了可能和机会。基于网络的虚拟学习环境打破了时空的限制，精彩再现现实生活中不能实时共享的特定场景，让所有学习者共同体验到特定氛围和情境，进行有效的合作学习。学习者无论地理位置相距多远，都能即时在虚拟环境中讨论、交流，通过角色扮演与场景中的对象进行交互和协作。该学习方式借助虚拟网络平台，强调群体的协作性，学习资源动态生成，最终形成系统、有序、关联的新知识，以实现全体成员共同获得知识、生成智慧的目的。

4.5 创客学习

创客一词来源于英文单词“Maker”，创客的特征就是内在的创新。创客教育是创客文化与教育的结合，以创客为中心，基于学习者的兴趣，借助信息化工具，构建开放式环境，倡导创造，鼓励分享，培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的教育方式。创客学习在基于虚拟技术的智慧教育环境下，依托虚拟技术为载体，通过新环境的打造，融合学科智慧，让学习者通过自主探究将创意变成现实，培养跨界思维、团队协作、开拓创新的核心素养。

创客学习的核心理念在于通过动手实践培养自身的创新意识、创新思维和创新能力。虚拟现实技术能为学习者提供丰富的数字资源和情境化的学习环境，提升了学生的感性认识和真实体验，培养学生的动手操作能力，激发学习者的创新意识。虚拟现实技术是多学科知识和多种先进技术的应用融合，是创客教育和STEAM教育的优良载体，将虚拟现实技术应用于智慧教育中，为创客学习创造了无限可能，通过项目驱动、创意设计、自主探索、跨界融合、动手实践来学习新知识和掌握新技能。利用虚拟现实与增强现实技术为载体开展创客教育和STEAM教育，学生在虚拟与现实交互和时空穿越的过程中通过“玩中做”“做中学”“学中做”“做中创”[15]，能够拓展发散性思维，迸发出更加丰富的创新火花，创意“智”造出更加丰富的创客作品，在此过程中形成了创新思维，发展了创新能力。

5 结语

新技术推动下的智慧教育发展已是大势所趋，应用科技创新提升教育智慧，正在成为信息时代全球教育改革的标杆。虚拟技术与智慧教育的融合，弥补了传统教育资源与教育技术的不足，促进了以学习者为中心的理念贯彻，改善了过去技术所容易忽略的学习者情感感受，提供了最优的学习环境，给教育工作者带来了崭新的教育思维，解决了传统教育教学无法逾越的问题，从根本上改变着人们的学习方式和思维习惯。

虚拟技术应用于智慧教育以促进学习者发展和提升学习者智慧为理念，打造贴近学习者真实世界、符合学习自然发生的教育信息生态系统，实现知识从虚拟情境中来迁移到真实情境中去的终极理想，最终促进学习者高阶思维与创新创造能力的生成。