虛擬現實教育應用：追求身心一體的教育

【摘 要】 虛擬現實（VR）涵蓋了增強現實（AR）、沉浸式VR（頭顯式和CAVE）、桌面VR等系列技術與產品。2016年被稱為“VR元年”。雖然VR產業目前還不成熟，亟待標準化，但全球教育技術領域正密切關注其發展與教育應用。北京師范大學于2016年3月17—24日舉辦了“2016北京師范大學‘智慧學習與VR教育應用學術周”。學術周安排了三次講座，分別從VR增強學習體驗、AR技術與用戶體驗設計、VR教育平臺設計角度審視了VR教育應用。學術周為參觀者提供了VR教育資源、創作工具和消費級沉浸式VR設備三類體驗產品。參與觀察表明：兒童在VR世界中的輕松自如與創作熱情令人驚嘆。理論分析表明：VR作為機器，應定位于和人類教師協同提供更有效的學習機會；VR作為教學媒體，是課堂教學的強化媒體，更需要學生主動參與；具身認知觀確立了身體和體驗在認知與學習過程中的合法地位，奠定了VR教育應用的學理基礎；經驗學習理論強調獲得經驗不等于有效學習，要提供反思經驗的機會。VR教育應用案例的分析表明，VR有七大教育功能：體驗、探究、訓練、矯正、交流、創作與游戲。VR具備重塑教育的潛力，但VR大范圍變革教育的路還很長。本文建議利益相關者協同推進，政府應建立產學研用結合的VR教育應用實證研究體系；研究機構應積極整合資源，開展高生態效度的基礎研究；產業需尊重教育規律，重視VR世界中師生的自主性；學校和教師應成為專家學習者，從教育角度思考、嘗試VR應用。以典型案例為依托，發展VR學科教學法是推動VR教育應用的基本路徑。

【關鍵詞】 虛擬現實；VR；增強現實；AR；具身認知；經驗學習；教育媒體；教育應用；教育功能

【中圖分類號】 G420 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1009—458x（2016）06—0005—11

一、引言

虛擬現實（Virtual Reality，VR）設備的出現比個人計算機還要早。1968年，伊萬·薩瑟蘭（Ivan Sutherland）制造出了第一個頭戴式顯示系統[1]，而第一臺個人計算機Altair 8800的問世則是在七年之后[2]。我國VR研究始于20世紀70年代初，主要集中在航空航天領域。[3]在個人計算機席卷全球之時，VR卻一直待字深閨，不為世人所知。實際上，由于VR技術的獨特作用，其基礎研發以及在軍事、航空航天等領域的應用一直很受重視。2006年國務院頒布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》將VR技術列為信息領域優先發展的前沿技術之一。受計算機軟硬件技術的限制，VR產品一直未能成為大眾消費品，自然少有人關注。2014年3月，Facebook以20億美元收購VR廠商Oculus，并宣稱VR將成為未來的計算平臺。這點燃了資本對VR的熱情。2014—2015年，VR領域共進行了225筆風險投資，投資額達35億美元。[4]2016年，主流廠商的消費級VR產品進入市場，故2016年被媒體稱為“VR元年”。受其影響，教育技術領域也日益關注VR。[5]

鑒于對VR教育應用廣闊前景的預判和對我國教育、教育技術領域VR研究與實踐的相對滯后的擔憂，北京師范大學于2016年3月18—24日舉辦了“2016北京師范大學‘智慧學習與VR教育應用學術周”，活動包括智慧學習研究成果發布、產學研成果展覽及教育產品體驗。VR教育應用是學術周的重點，安排了三個講座和三類VR產品體驗。

3月17日，智慧學習研究院聯席院長、網龍網絡公司董事長劉德建先生做了題為“VR對教育的影響”的主旨演講。3月19日，創奇思公司中國業務副總裁錢國強先生做了“利用AR/VR設計教育體驗”的講座（“AR”為Augmented Reality，即增強現實）。3月23日，北京師范大學虛擬現實技術應用教育部工程中心主任周明全教授做了題為“V-Learning：基于虛擬現實的教育”的講座。

學術周提供了三類VR產品供參觀者體驗：一是VR教學資源，如“八大行星”“火災逃生”等；二是VR內容創作工具與虛擬環境設計工具，即網龍的VR 3D建模軟件和99智能家居設計軟件；三是消費級VR設備，包括HTC Vive、Oculus Rift和三星Gear。

二、學術周講座與VR產品體驗概況

（一）劉德建：VR增強學習體驗

劉德建的演講以及隨后的問答主要圍繞三個主題展開：VR技術的發展、VR增強了學習體驗以及VR產業現狀。

第一，VR是下一個計算平臺，會對娛樂、游戲、教育、醫療等行業產生深刻影響。VR技術近期的爆發，主要歸因于消費類產品的批量問世，如HTC Vive、Oculus Rift、索尼PS VR、三星Gear VR、谷歌Cupboard，售價從799美元到20美元不等，為用戶提供了多樣化的體驗與選擇。正如VR之父托馬斯·費內斯（Thomas Furness）所說：“VR改變社會，從教育開始！”對于學校教育，VR首要的作用是引起學生的學習興趣；對于家庭教育，VR能夠讓孩子坐下來安心學習。

第二，VR能夠顯著增強學習體驗。VR對教育的影響首先體現在提升學習體驗上，VR支持：

（1）沉浸式學習。借助VR，學生可以“現場”體驗現實生活中很難或無法體驗的場景。劉德建特別強調VR能夠創造出一個讓學生體驗成功，不會感覺到低人一等的場景。例如，哈佛大學Dede教授團隊開發的River City，讓學生進入19世紀末的美國小鎮，幫助小鎮居民解決傳染病肆虐的問題。由于學生具備現代生物學、醫學知識，還能用互聯網檢索資料，在調查研究過程中與小鎮居民交談時，會發現自己見識更廣，這有助于學生體驗成功，增強自信心。

（2）交互式學習。VR不但可以再現真實場景，還具有很強的交互性，能夠實現電腦和學生1：1交互，創造個性化學習環境。生動的情境激發學生的參與興趣，VR中的交互式學習可以達到類似網絡游戲趣味性與挑戰性并存的境界。

（3）高效率學習。一方面VR能夠“占領”學生的視覺、聽覺甚至觸覺等多個感覺通道，多感官的參與可以提高學習效率。另一方面VR切斷了學生與周圍世界的感官聯系，讓學生“沉浸”在與學習內容的交互過程中，隔離了外界干擾，學生很難走神，這是高效率學習的前提。

第三，產業發展支撐教育應用。VR應用需要硬件、技術、內容和平臺協同發展，目前硬件、技術廠商在VR產品開發中已投入巨大努力，但內容提供商則相對冷靜得多，而內容和平臺的搭建恰恰才是VR最核心的價值。當前，教育類與游戲類VR內容的比例已達到4：6，即VR企業相當重視教育。VR資源的開發主要采用3D建模和全景視頻拍攝兩種方式。應努力降低3D建模的技術門檻，提供便捷的建模工具、基礎模型庫和交易展示平臺。

（二）錢國強：AR技術與用戶體驗設計

錢國強在講座中介紹了創奇思公司的AR發展過程，解釋了為什么AR在教育中會有用武之地，并以其產品iBufferfly為例介紹了該公司在移動AR用戶體驗設計方面的經驗，最后分享了該公司的AR教育產品。

創奇思公司于2009年開始AR戰略與技術研究，2010年推出結合地理信息的AR手機應用程序，2013年iButterfly獲得世界級獎項，2014年開始研發AR教育產品，2016年發布云端AR DIY平臺。

錢國強認為AR的教育應用空間很大，因為教育活動有很強的情境性，識別情境能更好地幫助學生。AR在情境感知方面已有很多積累，已能夠實時識別情境的某些線索。VR和AR長于提供場景，適當的場景能引發真正的學習需求。

在情境識別技術方面，AR需要在真實世界的圖像上實時動態疊加可交互的對象，為使所疊加的對象在當前情境下有意義，手機必須能夠識別出情境中的特定物體，例如人臉、商標、文字及地理位置等。創奇思在字母、貨幣、特定產品（例如樂高玩偶）、人類表情識別等方面有成功經驗，而情境或空間識別是難點。此外，AR技術主要關注視覺和聽覺，但嗅覺、觸覺也需要開發出產品和應用場景。

創奇思致力于利用AR技術提供用戶體驗優良的移動服務。公司在移動商業應用方面有豐富經驗。例如應用程序iButterfly把優惠券發放變得生動有趣。程序根據用戶位置，獲取廠商的優惠券，將優惠券以飛舞的蝴蝶的形式疊加到現場畫面；用戶以手機為“網”，捕到蝴蝶，就拿到了優惠券。將優惠券發放變成用戶能夠主動參與的游戲。出色的用戶體驗使這一服務大受歡迎：在香港，合作品牌達200多個；已成功進入11個國家和地區。

創奇思有三類教育產品：一是DIY圖像。兒童在平面圖上填色后，透過手機攝像頭，可以看到對應事物的三維動畫，增強了趣味性，擴展了學習機會。二是AR擴展實景英語學習活動。利用AR技術擴展印刷教材，手機感知書本中的形象后，即可展示數字資源。三是AR DIY云平臺。提供安卓和iOS手機AR開發的API與云服務，簡化AR應用開發。

（三）周明全：VR教育平臺

周明全認為充分利用VR技術，有助于緩解學生學業負擔過重、教育質量不高這一沉重的社會問題。

周明全詳細闡述了支持虛擬學習的VR教育平臺的構想。虛擬學習指用可視化的方法呈現學習內容，在VR環境中交互學習，以客觀方法進行真實評價。虛擬學習充分利用計算機可視化技術，將教學內容與評價結果可視化呈現；而VR技術的沉浸性、交互性和構想性，則有助于激發學生的主動性，培養學生的創造性思維，提高學習效率。

可視化與虛擬現實學習系統（維樂學習系統，WiLE）①能夠實現教學內容可視化、教學環境虛擬化、教學過程交互化、教學評價客觀化。教學內容可視化的關鍵技術包括數字教學資源的建模方法、實物教學資源的生成方法（3D打?。┖椭R可視化方法。教學環境虛擬場景化的關鍵技術包括教學模型云平臺建設、教學模型資源的檢索方法以及教學環境虛擬場景的構建方法。教學過程人機交互化方法包括教師交互方法、學生交互方法、構建統一的人機交互模型、交互原語描述和交互任務構造。教學效果的客觀真實化評價方法包括基于3D打印和可視化實驗結果的教學效果評價、基于可視化技術的質量評價方法和學生聽課注意力的反饋評估。

（四） VR產品體驗

VR產品是一種體驗型產品，須親身體驗才能真正認識VR技術。學術周期間智慧學習研究院在北京師范大學主樓四季廳部署了VR體驗環境。

三天的開放體驗，參觀者絡繹不絕。絕大多數體驗者都是第一次體驗VR技術。體驗過程中夸張的表情和動作以及后續的交流都表明絕大多數體驗者都感到相當震撼。不少人甚至反復體驗。

體驗者中有不少中高年級的小學生。與成人相比，兒童對VR適應得更快。例如HTC Vive辦公室VR體驗中，當成人還在小心翼翼地探索、不時咨詢身邊工作人員下一步如何操作時，小學生們已經在VR辦公室中喝了咖啡、扔丟了紙飛機，甚至還復印了照片。另一個發現是，和成人相比，小學生對于VR環境中3D建模、家居設計，即虛擬世界中的創造活動，更加積極投入，而且興趣持久不衰。

這些發現僅僅基于三天的非正式觀察，不足以得出令人信服的結論。但將我們的觀察與“Minecraft發布三年左右注冊用戶即超過1億人且玩家以青少年為主”[6][7]這一現象對照分析，似乎有理由相信VR環境下的設計、創造活動，對兒童和青少年有著天然的吸引力。

三、虛擬現實技術與虛擬現實產業現狀

（一）虛擬現實：從真實環境到虛擬環境

虛擬現實技術以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實環境的感受和體驗。[8]根據環境中虛擬成分的比重，可以將環境分為現實環境（Real Environment）、增強現實（Augmented Reality，AR）、增強虛擬（Augmented Virtuality，AV）和虛擬現實（Virtual Reality，VR）?，F實環境中沒有虛擬成分，AR是將虛擬物件置于現實環境中，AV將真實物體放入虛擬環境，而此處的VR特指沉浸式VR，即環境中所有物件都是虛擬出來的。不同類型VR在“沉浸”程度上有所差異，教育應用應特別關注沉浸式VR、增強現實（AR）和桌面VR[9][10]。

沉浸式VR最引人注目，它借助特定硬件設備，將用戶的感覺（至少是視覺和聽覺）與周邊的物理環境切斷，利用計算機為用戶模擬出一個完全虛擬的環境。從硬件看，沉浸式VR可以分為頭顯式（即頭盔式顯示器，如Oculus Rift）和洞穴自動虛擬環境（Cave Automatic Virtual Reality，CAVE，是安裝了投影和動作捕捉系統的專門房間）。沉浸式VR環境具有三個特性：第一，自主性，即環境在某種程度上能夠自己運行，獨立于用戶的干預。第二，現場感，讓使用者有現場感，自身是環境的組成部分?，F場感很高時，完全采用自然交互，用戶界面就消失了。第三，交互性，即用戶與環境的交互是合乎邏輯的，盡管一開始邏輯規則可能不明確，但隨著時間流逝，邏輯逐漸浮現，且保持穩定。[11]學術周用戶體驗的是沉浸式VR產品。

增強現實（AR）也備受關注，它展示給用戶的是帶有覆蓋圖的真實世界。覆蓋圖上標有附加信息，如，當用戶注視某個建筑物的外墻時，半透明的眼鏡可以顯示出電線和管道的安裝位置。[12]Google Glass是典型的AR產品。

桌面VR為用戶創造一種“世界之窗”的感覺。它不具備產生沉浸感的條件，但可以讓那些有桌面顯示器的用戶實時地自由操作一個環境，或者操作一個有著某些限定的環境。[13]Second Life、Minecraft等3D游戲均為桌面VR。

（二）虛擬現實產業現狀

2016年4月，工業和信息化部電子技術標準化研究院發布了《虛擬現實產業發展白皮書》（以下稱“《白皮書》”），描述了當前中國VR產業的發展狀況，并提出了相關政策建議。[14]

《白皮書》指出：VR產業鏈長，產業帶動比高，涉及產業眾多，包括虛擬現實工具與設備、內容制作、發布平臺、行業應用等。VR的行業應用有望全面展開，文化內容將日趨繁榮，技術體系和產業格局也將初步形成。

VR產業快速和健康發展需要標準和規范引導，目前標準嚴重缺失，整個產業鏈發展就像戴著腳鐐在跳舞。VR內容呈現方式多樣，沒有統一標準，各類虛擬現實設備之間無法互聯互通，成為制約虛擬現實大規模產業應用的關鍵因素。

VR效果的局限性主要體現在可信性不足。虛擬環境的可信性是指虛擬環境符合人的理解和經驗的程度，包括物理真實感、時間真實感、行為真實感等?？尚判圆蛔阒饕憩F在三個方面：一是虛擬世界的表征缺乏逼真的物理、行為模型；二是在虛擬世界的感知方面，有關視覺合成研究多，聽覺、觸覺（力覺）關注較少，真實性與實時性不足，基于嗅覺、味覺的設備還不成熟；三是在與虛擬世界的交互中，語音識別等自然交互的效果不理想。

綜合《白皮書》的主要觀點，目前我國VR行業仍處于起步階段，供應鏈及配套還不成熟，硬件設備、軟件工具、內容生產等各層面的標準化工作迫在眉睫。

四、虛擬現實教育應用的理論分析

在VR產業與教育行業秋波頻頻之際，適當的理論分析有利于厘清VR教育應用的定位與可能。從人類與機器的關系看，VR應與教師配合，幫助專家把工作做得更好；作為教學媒體的VR，要求學生的更多參與，而言語是課堂教學的基本媒體，VR是強化媒體；具身認知觀確立了身體和體驗在教育過程中的合法地位，為VR教育應用開辟了廣闊的空間；經驗學習理論提醒人們獲得經驗不等于有效學習，要為學習者提供反思、分析經驗的機會。

（一）從人類與機器的關系說起

曾經的在線教育從業者、美國哲學家安德魯·芬伯格（Andrew Feenberg）寫道：“每當引入一種新的教育技術時，就有人主張用人與技術之間的互動來代替思想交流的過程。但是，教育要涉及對話和教師的積極參與，這是教育過程的基礎，在任何新的教育工具的設計中都應該考慮這種因素?！盵15]VR以一種新型人機交互技術進入教育，首先要考慮的也是VR與“人”，尤其是與教師之間的關系。由于VR背后是計算機、云服務、大數據、機器學習和智能技術等，這些技術綜合起來，很難不讓人去想象利用機器代替人類教師。

蒂爾和馬斯特斯關于人類與機器差異的論述，對于思考VR與教師的關系很有啟發性：“人類和機器所擅長的工作存在著本質上的差異。人類有意識，擅長在復雜情境下制訂計劃、做出決策，但不擅長大量數據的處理。計算機則恰恰相反，擅長高效的數據處理，卻做不出人類很輕松就能做出的基本判斷?！盵16]因此，“和計算機合作得到的成果遠高于與人交易得到的成果”[17]。信息技術浪潮席卷之下，各行各業的工作方式均有巨大變化，都需要仔細斟酌人類與機器的關系問題?！昂美蠋熞膊恢皇蔷ㄗ约航淌诘膶W科知識，他們還必須了解如何根據學生的興趣和學習方式調整教學方法……計算機或許可以執行部分任務，但不能有效加以整合。法律、醫療、教育領域的先進技術不能替代專家，只能幫助專家做得更好?！盵18]

可汗學院創始人薩爾曼·可汗（Salman Khan）認為：“（新技術）能提升老師的狀態并鼓舞其斗志，讓他們得以從繁重的工作中解脫，利用更多時間實施教學或為學生提供幫助?！盵19]這一觀點和蒂爾等人的觀點一致，都強調教育系統應充分發揮人類教師和計算機的優勢，共同為學生提供高質量的學習機會。

如何讓VR幫助教師做得更好，是我們思考VR技術教育應用的出發點。

（二）教學媒體觀

教學媒體一詞強調了技術的教學信息承載功能。教育技術領域經典教材《教學媒體與技術》（第七版）為VR專辟一小節，認為其核心在于擴展經驗，使得學習者能夠與環境交互，是掌握新觀念的絕佳方法。作為一種教學媒體，VR體驗最靠近戴爾經驗之塔底部的“有目的的直接體驗”[20]；其優勢為安全、可擴展和提供探究機會，缺點是費用高、復雜和內容有限[21]。

馬歇爾·麥克盧漢（Marshall Mcluan）認為“熱媒介要求的參與程度低；冷媒介要求的參與程度高，要求接受者完成的信息多”。[22]盡管麥克盧漢并未嚴格界定冷、熱媒體，主要從兩兩對比中揭示其含義，但這一視角對于基于媒體的教學活動設計有參考價值。從這個角度看，從電影、視頻變為沉浸式VR影視，作為教學媒體而言，可能會造成從熱媒體向冷媒體的轉換。電影、電視可以借助蒙太奇，即鏡頭剪接，引導觀眾去關注特定對象，是高清晰度的，用戶不需要太多積極的參與；而轉變為沉浸式全景視頻后，用戶需要自己確定關注點，即要求更多主動參與。

目前，學校教學環境中存在多種媒體，VR進入這一生態系統后，會造成媒體間關系的變化。芬伯格認為：“無論教育在什么地方進行，都必須仔細地把基本媒介與強化工具分開，并正確地分配強化工具的用途。言語是課堂上的基本媒體，實驗室、電影、幻燈片、教科書、計算機演示等是輔助設施?！煜嘶久襟w與輔助強化工具將在教育學中導致沒有教師的教育謬誤?！盵23]

從VR作為教學媒體的角度看，VR很早就已進入教學媒體研究者的視野；影視資源VR化后，可能會存在變“冷”的可能；對于課堂教學而言，言語是基本媒體，作為輔助強化媒體的VR需要與其他各種媒體共同完成教學信息的傳遞。

（三）具身認知觀

認知是人類基本的心理過程，與學習、教學關系密切。20世紀80年代以來，基于“計算機隱喻”的第一代認知科學受到實證發現和思想實驗的雙重夾擊，第二代認知科學，即具身認知科學（embodied cognitive science），成為認知研究的新取向。[24]

具身認知科學強調三個方面[25]：一是認知的涉身性。認知不能脫離身體，認知依賴于有機體的物理和生理過程。二是認知的體驗性。個體在與外界環境中的事物相互作用時，會產生身體狀態的改變，這種改變會引發相應的身體和心理體驗，個體的認知和對世界的觀點即來自這種身心體驗。三是認知的環境嵌入性。環境/情境是保證認知的不可缺少的條件，認知的內容、過程和方式與身體緊密相關，身體是處于環境中的身體，因此認知同樣應擴展至認知者所處的環境。

自古希臘開始，身體在教育與教學過程中就受到貶抑或忽略。教育與教學效果體現在“脖頸”以上，與“脖頸”以下的身體無關。身體要么是通向真理的障礙，要么僅僅是一個把心智帶到課堂的“載體”或“容器”。學習被視為一種可以“離身”的精神訓練。具身認知挑戰了這種教育觀念。[26]

殷明等從具身認知的視角審視教育，提出：第一，“體驗”是獲取知識不可缺少的途徑，個體知識體系的構建依賴于自身的感知、體驗及由此產生的對外界事物的解釋。從具身認知的角度而言，采用輸入式的知識傳授方式違背了人類認知的基本規律，難以幫助學生內化所學所知，無法達到對知識的真正透徹領悟與把握。因此，應追求身心融合的體驗式教育。第二，情境是左右學生學習過程并且影響教學效果的重要因素。教師是否能夠引發學生的具身效應，學生在學習過程中是否能產生具身體驗，都取決于教學情境的生動性與逼真性，情境越生動、越逼真就越能引發個體的身體體驗。[27]

創設高度真實的情境正是VR最基本的功能，可以想象在VR資源極大豐富的情況下，教師具備了將學生“瞬間轉移”到任意場景的能力，學生可以隨時體驗到任何現實或者虛擬的情境。從這個意義上講，VR技術是具身認知觀點下教育的必然選擇，具身認知理論奠定了VR教育應用的學理基礎。

（四）經驗學習視角

常識和研究都警示我們：經驗不等于學習。邁克爾·波斯納（Michalel I. Posner）認為，“沒有反思的經驗是狹隘的經驗，至多只能成為膚淺的知識”。大衛·庫伯（David Kolb）的經驗學習模式認為，從經驗中學習包括四個階段：具體經驗、反思與觀察、抽象概念化、積極實踐。庫伯認為學習者應在這四個階段中往復循環，從而產生不斷上升的復雜體的學習螺 旋[28]。

庫伯的經驗學習模式適用于VR環境下獲得的經驗。這里強調三點：一是經驗反思屬于元認知活動，是結構不良問題解決活動，對于低年級學生具有很高的認知難度，教師需要提供諸如問題清單等“支架”，將活動結構化，降低反思難度。二是個體反思是基礎，但同伴集體的反思活動對于發現個人思維盲點更為重要。三是VR環境應該為反思活動提供幫助，例如有些VR系統有活動“錄像”功能，學生在VR環境中活動的回放能夠提高反思的客觀性；VR系統可以內置反思性問題，幫助學生監控任務完成過程。

五、虛擬現實的教育功能

學術周講座已提及VR的教育功能，本節對已有研究進行了梳理，更為系統地從VR所支持的學習活動類型角度闡述VR的教育功能。不同功能對于教師角色、教學模式的要求不同，VR發揮的功能取決于教師的教學設計，這里更關注活動的教學功能。盡管功能多種多樣，本文贊同思維型課堂教學的基本觀點[29]：只有當學生仔細觀察，基于證據進行推理并對思維過程進行自我反思時，換句話說，只有當學生積極思維時，VR材料才能有效促進學生的學習。這是VR促進學習的基本原則。

（一）體驗

本小節中“體驗”取其狹義，等同于學校的“參觀訪問”活動，即“把學生帶到教室外，研究實際過程、人和物，目的是讓學生通過親身體驗，獲得經驗”[30]。對于學校教育而言，學科課程是主體，教學內容以系統的間接知識為主，通過參觀訪問為學生提供具體經驗，有助于激發學習興趣，降低認知難度，幫助學生理解抽象原理。

VR，尤其是沉浸式VR，在這方面有特別的優勢：獨特的“在場”感使體驗更加真實；VR具有交互性，學生可以“動手做”，比視頻、動畫等多媒體呈現更加“具身”；VR的構想性，即感官刺激由計算機實時生成，環境僅受想象力的限制，具有無可比擬的靈活性。

從教學法層面看，VR體驗在常規課堂教學框架之下通常不需要教師調整教學法，但為保證教學效果，教師需要仔細設計教學活動。羅伯特·海涅克（Robert Heinich）等提出的計劃、準備、實施、跟進四階段模型對于VR體驗的教學設計極具參考價 值。[31]

從VR環境或內容的角度看，其設計要注意如下方面：第一，內容的真實可信性。感知覺、動作和觸覺體驗逼真是最基本的要求，除此以外，還要保證其在科學、歷史、社會、倫理等層面的真實性。第二，內容的教學性。和常規影視相比，VR影視更“冷”，觀看過程更需要學生的積極參與，在激發學生主動性的同時，會增大學生之間在體驗上的差異。由于沉浸式VR設備的獨特性，教師如何準確感知學生體驗是個新的挑戰。第三，內容的不可替代性。需要精心選擇學習的重點和難點，創新設計為學生提供有利于學習的獨特體驗。應主動借鑒商業、娛樂等領域的創新VR體驗設計，如宜家家居的應用讓顧客可以在VR中體驗宜家廚房，可以“根據成年人或兒童的不同身高體驗不同的視角”[32]，這一設計充分體現了VR的獨特優勢：能夠使用戶從感官層面真正站在別人的視角看世界。

（二）探究

探究指諸如基于問題的學習、項目學習以及研究性學習等教學模式，學生通過有意義的問題解決，掌握知識，發展學科能力、問題解決能力、交流合作能力和自我調節學習能力。VR可以創造出復雜的物理、生物、天文等系統，學生可以在虛擬空間中解決真實問題，在這一過程中實現深層次知識建構。VR世界中探究性解決問題的優勢，除了安全、低成本（系統構建好之后），還體現在系統可以根據需要為學生提供支架等幫助信息；此外，系統可以記錄探索過程，動態診斷學生的學習情況。

由于課程標準對于探究能力培養的重視和VR系統的優勢，已有的VR教育系統大多數用于支持學生在特定自然與人文社會學科的探究活動。例如，

在ScienceSpace學習平臺中，學生可以探索牛頓運動定律；美國約翰遜太空中心虛擬物理實驗室支持學生做虛擬實驗，探索力學規律；密蘇里大學高新技術中心的虛擬哈萊姆區項目，再現了紐約哈萊姆區20世紀初期的風貌，學生不但能夠在虛擬街區中穿行，還可以與歷史人物交互，探索社會、環境問題的解 決[33]。

近年來，AR在探究活動中的應用日益廣泛。在一篇關于AR教育應用的綜述中，研究者列舉了10個科學、4個歷史、2個博物館和動物園以及3個其他（語言/數學等）項目。EcoMobile項目不但能夠基于當前位置呈現科學信息和探究問題，而且能夠顯示“此地”的歷史：同一地點曾經有哪些同學開展過探究活動，他們的發現和問題是什么。[34]這一創造性的設計，為學生的探究活動提供了更具歷史感和社會性的背景。

VR探究活動在教學法層面上對于教師的挑戰更大。研究表明，項目學習等探究教學的實施要求教師在教學理念、教學實施與評價上做出很大調整，需要共同體支持以及反復的實踐、反思、學習。[35]

（三）訓練

訓練或練習是技能發展的基本途徑。由于VR仿真訓練系統復雜、昂貴，在學校教育中的應用并不普遍，但在軍事、醫學、工業領域中實訓設備造價高昂或者危險性高的領域，培訓與演練是最早的VR應用領域[36]。

技能可大致分為簡單技能與復雜技能。簡單技能的自動化程度高，即執行過程幾乎不需要有意識地監控；技能的支撐知識簡單；技能運用幾乎不受情境影響。復雜技能則不同，由于技能運用需要考慮具體情境，因此需要有意識地監控與調整，同時技能需要復雜、有組織的知識支撐。在基礎教育的中低年級，存在大量的拼音、識字、計算等簡單技能；隨著年級升高，所學技能逐漸復雜；到了高等教育，尤其是職業教育，復雜技能逐漸成為專業教育主體。

對于簡單技能，可利用VR游戲增強技能訓練的趣味性和反饋性。在職業教育中，“VR技術為高職實踐教學改革提供了廣闊的空間，而高職實踐教學的職業本位性也對VR實踐教學提出了明確的要求”[37]。隨著VR技術的應用，職業教育領域“實訓內容、實訓手段、實訓模式都將發生深刻的變革，傳統的校內、校外實訓基地模式將向著校內、校外實訓基地與虛擬現實實踐實訓相結合的教育模式發展”[38]。

復雜技能的發展需要元認知的介入，即需要給學生反思、分析個人表現的機會。因此，能夠有效支持復雜技能發展的VR技能訓練系統不能僅是模擬仿真，還要內嵌各類知識、錯誤診斷與反饋，提供反思分析機會；為了遷移，即在未來真實情境中解決職業問題，訓練系統應盡可能多地讓學生體驗技能應用的真實場景，而這正是VR最大的優勢之一。

（四）矯正

矯正包含由心理健康問題引起的行為矯正和對感知障礙等生理、心理功能的補償措施。

VR很早就已引起心理咨詢與治療領域的關注，如1995年就已用于恐高癥的治療[39]。VR暴露療法是現實情境暴露療法的替代性治療形式。研究表明，該療法對于幽閉恐懼癥、恐高癥等焦慮障礙是有效的。被試經過治療后，重新獲得對情境的控制感。VR暴露療法結合功能性磁共振成像（fMRI）用于心理治療，是未來的發展方向[40]。

在VR環境中，特殊兒童可以充分調動視覺、聽覺、觸覺等多種感覺進行學習和訓練，不僅能夠彌補傳統教學方式和康復治療的不足，更提高了安全性和實效性。國內外研究者與實踐者在肢體障礙兒童的肢體康復訓練、視力障礙兒童的視覺康復訓練、聽力障礙兒童的語言訓練和課堂教育以及注意缺陷多動兒童、自閉癥兒童和智力障礙兒童治療等多個領域都開展了富有成效的研究[41]。

由于我國人口基數大，有行為和心理矯正需求的人口絕對數量大，隨著社會發展和人們觀念的轉變，VR在這一領域的應用前景十分廣闊。

（五）交流

VR將以計算機為中介的人際交流或者人機交流變得更有現場感，這對語言學習、遠程講授和輔導教學極為有利。

語言學習領域對VR的關注由來已久。例如，VILL@ GE項目是歐盟“2007—2013年終身學習整體行動計劃”資助的語言學習革新項目。該項目旨在利用Second Life為語言學習者創設虛擬學習環境，通過虛擬會面、交流和游戲鼓勵學生用所學語言表達思想，使學生在“真實”的社交情境中通過交際實踐增強語言運用能力和跨文化交流能力。[42]

VR中的遠程講授與輔導。2006年秋，哈佛大學利用Second Life開設了“CyberOne：公眾輿論法庭中的法律”課程，兩位老師在現實和虛擬世界中協同開課，校外學生在Second Life中上課，在校生則面對面上課。校外學生的課程講座、視頻、討論和辦公時間全部在Second Life中進行。[43]

對我國而言，VR環境下的講授與輔導還有特殊的意義。為促進教育均衡發展，我國實施了“教學點資源全覆蓋”項目，由于教學點已經具備較好的網絡條件，借助VR技術，尤其是HoloLens等全息技術，將優質師資遠程傳送到教學點，對于提高偏遠地區課堂教學質量、促進當地教師專業發展具有極高的實踐價值。

（六）創作

創作（make）是動手做出一個物件的活動，可以分為藝術創作、學科模型構建和微世界建模。從具身認知視角看，實際做出一件東西，不管是在虛擬空間，還是在現實世界，都是一個身心一體、動腦又動手的過程，有利于對知識的“體悟”。

對于藝術創作而言，迪士尼動畫師格倫·基恩（Glen Keane）利用HTC Vive的Tilt Brush軟件畫出小美人魚的視頻可謂驚艷?；髡f：“我戴上頭盔，就宛若走入畫紙之中，直接在畫紙的世界中創作。東西南北，所有的方向都為我敞開，在創作空間中的感受不再像是作畫，而更像是在快活地舞蹈，一邊不斷地為自己的創作驚嘆，‘我怎么踏進了這樣一個神奇的世界？”[44]

馬克·威爾遜（Mark Wilson）認為在VR中創造內容和消費內容一樣令人興奮。VR將永久改變設計。VR中藝術創作/設計的獨特之處有三點：一是真實可觸摸。你可以來回走動，從各個角度觀察甚至觸摸自己的作品。二是直接。頭腦中有了想法，胳膊動幾下，一個雕塑就從無到有了。三是移情體驗。設計師總是努力站在用戶的角度看世界。在VR中，不僅能夠從他人的視角體驗，而且能從他人的視角設計，能夠立刻感受不同設計所帶來的體驗的差異。[45]

學科模型構建指為促進學科知識學習，讓學生在VR環境中創建符合特定學科規則的模型。VR支持靈活的學科建模。以化學為例，學生在VR中不僅能夠360?觀察化學分子模型，還能夠自由組合原子，形成分子，然后可進入宏觀世界，觀察和比較不同原子、不同拓撲結構的物質在化學性質上的差異。

微世界是一種探索性學習環境，提供對真實世界中某些現象的模擬，學習者在這種環境中可以以多種方式創作、探索與試驗。[46]在微世界中，學習者個體或者群體遵循虛擬世界的規則自由建模。全球40個國家的超過7，000個班級采用Minecraft教育版MinecraftEdu。[47]有研究者認為Minecraft是虛擬樂高，是學生學習構建和操縱空間的現代版本，是通向建筑、3D軟件和協同藝術創作的入口；它提供了能夠創作、合作和反思的空間，這是藝術課堂所必需的。[48]

VR創作的成果是數字作品，便于復制、混合、重用與相互關聯，因此完成創作內容的同時，也擴展了情境，而新的情境可賦予原有內容以新的意義。從這個意義上講，共同體的協同創作也就是協同知識建構，隨著作品的豐富和進化，共同體對主題的理解也逐步豐富。[49]

（七）游戲

游戲是新興學習文化的一部分。有研究者認為我們的學?，F在面臨的難題是如何讓學生主動去學習艱難、費時、復雜的知識。而游戲顯然有這種魔力，值得學校教育借鑒。[50]

大眾對數字游戲的刻板印象與現實并不一致?！氨M管游戲曾經是一種單獨的或單個玩家的活動——其真實寫照就是一個十幾歲的男孩放學后獨自坐在臥室里玩任天堂游戲——但是今天，游戲是一項高度協作的活動?！盵51]

研究表明，游戲對于幫助學生學習以事實性知識為主的課程（地理、歷史、解剖學等）效果很好，游戲還有助于改善學生的視覺協調性、認知速度和手的靈巧度。但其真正優勢在于，能夠有效培養學生的21世紀技能：創世類游戲有助于開發學生的規劃能力和策略性思維能力；互動類游戲堪稱合作能力的偉大教師；至于可以由玩家定制的游戲，則可在培養學生的創造性和創新能力方面發揮重要的作用。[52]

在各類VR游戲中，特別受到關注的是大型多人在線游戲（Massively Multiplayer Online Game，MMOG）。在玩MMOG時，通過在虛擬團隊中工作，學習者掌握有效的溝通技巧，同時也建立信任關系。[53]MMOG多采用桌面VR，Second Life是典型代表。Second Life是高度可視化的教學平臺，能有力支持以視覺學習為主的課程，如地理、地質、航空、人類學和考古學等。Second Life中可開展協作探索、會議等，以寫作和溝通能力為核心的新聞學和實地研究課程大受歡迎。Second Life中的工具增強了學習的可能性和活動的整體意義，尤其是對虛擬化身靈活而富有創造性的使用能夠為人們提供角色扮演、辯論和自我探索的機會。[54]

未來隨著虛擬現實、移動互聯和情境感知技術的發展，游戲虛擬環境的真實可信性會大幅度提高，與現實世界的互動也會更加密切。VR游戲在教育教學中應用的空間巨大。

六、虛擬現實教育應用推進建議

（一）政府：建立產學研用結合的VR教育應用實證研究體系

由于VR系統的復雜性，研究機構和學校很難構建、維持復雜的VR系統。為提高社會運行的整體效益，突出教育需求導向，開發出“有用、好用”的VR產品和有效的VR教育應用模式，政府應引導企業、學校和研究機構建立“閉環”的“需求分析—技術與產品研發—教育實踐與應用研究—反饋、更新與報告”VR產品研發與應用研究體系。

政府應通過政策和經費支持VR產業的關鍵技術研發、建立標準體系、完善產業鏈；通過專項課題支持，建立多學科的研究團隊，開展基礎研究，探索VR環境下認知與學習規律；支持面向特定學科的VR教學系統構建與應用示范。

（二）研究機構：整合資源，提高基礎研究的生態效度

在整合資源方面，與企業和學校相比，大學等教育研究機構處于更有利的位置，適合作為VR教育應用研究的主導。信息技術領域VR研究的歷史最長，而且成效顯著。但是，對于VR環境中人類行為的心理學、社會學和教育學研究遠遠滯后。當前亟待解決的研究問題包括：如蒙太奇之于電影，不同類型的VR產品有沒有專屬設計語言？[55]促進學習的VR環境需要多真實？VR世界中的體驗對于學生身份感知與認同的影響如何？在虛擬與現實世界間頻繁穿越的長期效應怎樣？會不會導致同一性混亂？在一種文化中創造出來的模擬或者替代世界會很容易地遷移到另一種文化中嗎？[56]對于歷史事件與場景，其他社會文化的模擬的真實性和合倫理性如何評價？

VR環境中開展研究的優勢是數據獲取的便利性。挑戰不僅僅在于用戶隱私保護以及大規模、多形態數據如何綜合分析，還在于如何保證研究的生態效度。個體和群體的行為不但取決于現實世界的任務要求，還取決于虛擬世界的特征與任務活動設計，如何確保不同VR環境下研究結論的可遷移性？

（三）產業：敬畏教育規律，為師生賦權

對VR技術創新與產品研發而言，企業無疑代表了“最先進的生產力”。但VR應用于教育，不再是技術問題，而成為社會文化問題，是教育變革問題。VR在教育系統中要發揮作用，最終還是有賴于個體行為，需要有“打持久戰”的心理準備與實施策略。

教育變革受諸多因素影響，其中變革是否尊重教師已有的教育智慧、是否讓教師感到被“賦權”，對于激發教師的積極性和主動性乃至變革的成功至關重要。如前文所述，VR具有體驗、探究、訓練、創作等多種教育功能，每一種功能對于教師角色與行為的要求都不同。目前的VR內容一旦開發完成，師生很難修改，因此VR教學產品在設計之初就要考慮到如何賦予師生自主權，如何適應師生的個性化需求。

（四）學校和教師：做專家學習者，找準痛點，以點帶面

芬伯格認為：“在線教育的實際經驗中，技術根本不是一種預先確定的事物，而是一種環境，是一個教師必須棲居于其中并使其活躍動起來的空洞的空間……教師們努力去感受技術，領會到如何激活技術，將他們的‘聲音在技術上表現出來。教師們在這樣做時，他們就實施了一種古老的教育傳統，即將教育定位在人類關系中而不是設施上?！盵57]

VR的教育潛力變為現實，需要學校和教師的智慧。教師最了解學生學習的“痛點”，教師需立足學生發展、教與學的需求考慮VR的教學活動設計，選擇能夠提供特定學習體驗的VR產品，從“點”開始，積累經驗后再逐步擴大范圍。學校和教師還應該是“把關人”，相信自己的專業判斷力，把無法促進學生發展的VR產品擋在學校門外。

對于VR這一充滿可能的新型技術，學校和教師要充分體驗和了解，不急于做評價，要做專家型學習者。專家型學習者心態開放，在學習新知識時，會首先嘗試理解新知識，而不急于將之與原有知識聯系（即直接同化），是就新知識本身的組織來形成新結構。[58]

（五）路徑：以典型案例為依托，發展VR學科教學法

大規模的變革需要典型案例的引領和支撐。在VR教育應用方面，耳熟能詳的是River City（美國哈佛大學）、Quest Atlantis（美國印第安納大學）、SAVE Science（美國馬里蘭大學等）等國外案例。盡管我國的VR研究開展得并不晚，但在教育領域，很難發現我們自己的案例。應面向學科核心內容、參照中國學生發展核心素養，設計開發VR學習系統，并重視應用過程中的多學科研究，這樣才能深入研究、引領實踐。

建議面向各個學科（或者學科組合）、年級段分別開發不同應用模式（重點為體驗、探究、訓練等）的VR教學系統，尤其是能夠有效支持自然科學、社會人文學科的探究式VR系統。在這一過程中，不但有機會推進VR教育經驗設計語言的發展，而且有助于發展面向不同學科的VR學科教學法，即某一具體學科內容如何用VR表征，如何設計交互和可視化體驗，教師如何利用VR開展教學，從而促進學生身心一體的具身學習——這將是VR教育有效應用的關鍵。

倉頡造字，“天雨粟，鬼夜哭”。一種新媒體的問世未必能“驚天地、泣鬼神”，但對于人類認知與學習的影響卻深遠而實在。言語一直是教育活動的基本媒體。即使以視頻為特色的可汗學院，試想視頻之內封裝的是什么？如果將視頻靜音、擦除可汗歪歪扭扭的板書，學習將無從發生。

VR技術的普及使人類歷史上第一次能夠大規模、低成本地提供“沉浸式現場體驗”。這是和言語完全不同的教育媒體，它對教育會有怎樣的影響？認知科學的具身認知轉向，幫我們將未來之門推開了一道窄縫，窺視之下，VR前景無限：未來的教育應該是身心一體、知行合一，VR是實現這一教育理想的有效工具。

需要特別注意的是，本文的分析是在現有認識和思維方式下做出的，會有局限性。任何技術要起作用都有賴于人的心智模式，技術不僅僅是用來解決問題的，更重要的是它是用來發現和界定問題的。技術需要時間慢慢塑造人的心智模式和行為方式，在完成對人的改造后，人才能自如地運用技術，技術才能真正發揮作用。我們對于VR教育應用的認識、VR教育應用的可能性，需要在反思性實踐中慢慢浮現。

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收稿日期：2016-03-30

定稿日期：2016-05-20

作者簡介：張志禎，博士，講師，北京師范大學教育技術學院，北京師范大學智慧學習研究院副院長（100875）。

責任編輯 單 玲