教育数字化背景下教材建设中VR/AR可视化技术的应用研究

◎文/郭英俊

在加快建设数字中国的大背景下，党的二十大报告首次将“推进教育数字化”写入报告，明确了教育数字化未来发展的行动纲领。教材数字化作为教育数字化工作的重要组成部分，是纵深推进服务教育数字化战略行动、开辟发展新领域新赛道、塑造发展新动能新优势的重要方向。随着信息技术的快速发展，形式多样的数字教材建设已经成为当前教育信息化发展的重要内容，而VR/AR可视化技术则是数字教学和教材建设的前沿方向之一，其具有的沉浸式、交互式、立体化等特点可以极大丰富数字化新形态教材的形式和内容，提高学习效果和教学质量。

一、VR/AR可视化技术在教育教学中的应用现状

VR/AR可视化技术作为教育教学的新手段，可以让学生和教师在超越现实的虚拟环境中自由移动、交互、操作，体验到无法用简单的图文或者视频构造的情景。随着科学技术的发展，现代化教育教学模式正在经历从单一媒体、复合式媒体、交互式的复合媒体再到高沉浸式VR/AR媒体的发展过程。[1]技术的进步不断促使我们的教育方式发生改变，而VR/AR可视化技术在数字教学建设中的应用因受到不同地域（区）发展差异的影响，所呈现的情况差距较大。

发达地区的教育资源充裕，教育信息化的水平较高，为数字化、可视化教学建设提供了有力支持，北、上、广、深等发达地区在数字教育领域中的应用趋于成熟，VR/AR可视化技术在各个教育层次包括基础教育、职业教育、高等教育中都得到了相对广泛的试点应用。[2]例如，上海某中学针对生物实践课进行了虚拟现实的3D可视化实践体验学习，带领学生对相关植物进行深度认识和了解，取得了很好的教学效果，深受学生欢迎，其课程在国内基础教育领域占据领先地位；广州某职业技术学院使用虚拟仿真技术模拟数控机械装置的数字孪生操作系统，让学生在沉浸式的学习环境中深入了解相关机械设备的具体状态和相关技术操作，为培养合格的技术操作人员提供了新的教学模式；北京某体育高校使用增强现实技术设计出了能够让学生立体观察专项体育动作结构的数字化教学系统，在日常教学中极大地提高了学生的学习效率。上述这些发达地区的选点院校利用VR/AR可视化技术的创新教学模式，使学生可以随时随地获取优质立体的课程资源，并在虚拟环境中自主学习。此外，在5G技术的支持下，很多院校还可以通过移动互联网采取多平台跨校互动、在线教学等创新教学方式。

与国内经济发达地区相比，西南、西北等地区（尤其是乡村）的教育数字化基础设施建设和配置水平仍比较落后，乡村学校在数字技术日常运行维护与更新方面的负担较重，有些学校因无力承担相应费用，甚至不得不减少数字化教学设备的购置和使用。不过也有部分落后地区院校集中力量做了试点应用，当地教师和学生通过可视化技术所呈现的数字教学内容获得了优质的教学资源，享受到了高质量的教学体验，试点效果非常好，通过数字化、可视化教学形式实现了国家促进教育公平的初衷。

二、VR/AR可视化技术在数字教材建设中的应用方式和效果

随着技术的进步，目前VR/AR可视化技术与数字教材相结合已经逐渐成为新形态教材的发展趋势。将VR/AR可视化技术应用于数字教材建设中，可以将教材中所涉及的抽象概念和知识点以3D场景的形式更加生动形象地呈现给学生，从而让学生更加清晰地理解相关的知识内容；通过VR/AR可视化技术，教材还可以实现更加丰富的互动方式，学生可以在虚拟环境下自由探索和操作，教师可以与学生进行实时互动，在学习过程中不断促进学生的思考和探究。[3]

与传统的纸质教材相比，VR/AR可视化数字教材的最大优势是能够明显提升学生的学习效果。传统教材依赖于文字、图片、声音等单一媒介，而VR/AR可视化教材通过虚拟现实和增强现实技术打造出一个沉浸式的学习环境，使学生能够更加深入地感受和理解知识。VR/AR可视化技术在数字教学和教材建设中的应用效果主要体现在以下几个方面：

（一）提高学习兴趣

通过沉浸式、交互式的教学方式，让学生更加投入和感兴趣，同时可以激发学生的好奇心和创造力。

（二）增强记忆效果

VR/AR可视化教学方法相比传统教学方法在记忆效果方面具有显著的优势。研究表明，通过由VR/AR技术所创造的逼真场景、情境和沉浸式学习环境，能够让学生更加深刻地记忆知识点和概念，还可以帮助学生形成更加全面、系统的知识结构。

（三）提高学生参与度

VR/AR可视化教学相比传统的教学方式更加注重互动和动态，学生可以通过控制器等设备亲身操作虚拟世界中的物体，与所学内容产生更加紧密的联系，从而提高学生的学习兴趣和参与度。

（四）提升教学效率

通过VR/AR可视化虚拟实验、仿真模拟等方式，可以大幅度降低实验成本和时间，还可以让学生进行更加安全、便捷的实验操作。[4]

三、VR/AR可视化技术在教材建设应用中存在的问题和困难

VR/AR可视化技术在数字教学和教材建设中虽然有着广泛的应用前景和优势，但同时也存在一些问题和困难，主要包括以下几个方面：

（一）技术限制

目前VR/AR技术仍处于不断发展和完善阶段，硬件设备和软件工具的质量、稳定性和兼容性都还存在一些问题和不足；同时，需要借助互联网等其他技术协同的教学内容还需要考虑多技术接口的匹配度，会对教学质量和效果产生一定的影响。此外，在可视化教材的生产中也需要考虑3D内容与传统纸质教材、数字教材的技术链接问题。

（二）成本问题

VR/AR技术的硬件设备和软件工具的价格较为昂贵，需要投入大量的资金和人力资源，这对于一些目前经济条件欠发达的地区和学校来说可能会产生一定的压力。可视化教材的生产成本及销售定价也存在同样的情况，因此如何降低相关成本已经成为可视化技术在数字教学和教材建设应用中的关键问题之一。

（三）评价标准

由于VR/AR可视化技术应用的特殊性，目前还缺乏相应的评价标准和体系，使得可视化教材及教学效果的评估和认定存在一定的困难。

四、解决方案及应对策略

（一）加强宏观政策指导及技术研发

针对VR/AR技术在数字教学和教材建设中存在的技术限制问题，需要国家在宏观层面制定相关的技术研发指导策略，加大对VR/AR技术的研究和开发投入，提高硬件设备和软件工具的质量、稳定性和兼容性，推动VR/AR技术与教育教学的深度融合。同时，注重创新发展，鼓励和支持VR/AR技术的创新应用，做好数字教学、教材的顶层规划和设计，开发具有教育特色和价值的可视化数字教材，推动VR/AR技术向更加广泛、深入的领域拓展。

（二）制定成本控制策略

针对当前VR/AR可视化技术在数字教学和教材应用中成本较高的问题，可以通过优化硬件设备、采用开源软件工具等方式解决，也可以利用开源社区的资源和经验提升开发效率和质量，并鼓励学校和地区之间对同学科、同类型的内容资源展开共享和合作，集中定制权威优质的专业内容资源，避免重复投入和浪费，提高资源利用率和效益。

（三）制定相关评价指标体系

关于VR/AR可视化技术在数字教材、教学建设中存在的评价标准问题，可以针对不同学科和年级段的教学内容和目标，建立完整的VR/AR可视化教学评价体系，包括评价指标和标准、评价工具和评价程序等，确保评价结果客观、公正、准确，并为教学质量的提高提供有效的参考依据，进而提高VR/AR可视化技术的应用效果和质量。

五、结论与展望

VR/AR可视化技术在数字教学和教材建设中的应用具有重要意义，随着相关技术的不断发展和普及，其在数字教学和教材建设中的应用将会更加深入、广泛。预计未来几年，VR/AR可视化技术将会成为数字教育的重要形式，为教材建设提供更加丰富、多样化的资源和手段。同时，我们也需要关注VR/AR技术应用的可持续性和可扩展性，通过不断创新和改进，进一步加强与其他技术如人工智能、物联网等的融合，使其更好地服务于教育出版融合、新形态教材建设事业的发展。[5]