增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用分析

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺(jué)信息，聲音，味道，觸覺(jué)等），通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類(lèi)感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫(huà)面或空間同時(shí)存在。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息，而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。在視覺(jué)化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用戶利用頭盔顯示器，把真實(shí)世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實(shí)的世界圍繞著它。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場(chǎng)景融合等新技術(shù)與新手段。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供了在一般情況下，不同于人類(lèi)可以感知的信息。

AR系統(tǒng)具有三個(gè)突出的特點(diǎn)：①真實(shí)世界和虛擬世界的信息集成；②具有實(shí)時(shí)交互性；③是在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。AR技術(shù)可廣泛應(yīng)用到軍事、醫(yī)療、建筑、教育、工程、影視、娛樂(lè)等領(lǐng)域。

AR技術(shù)不僅在與VR技術(shù)相類(lèi)似的應(yīng)用領(lǐng)域，諸如尖端武器、飛行器的研制與開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓(xùn)練、娛樂(lè)與藝術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，而且由于其具有能夠?qū)φ鎸?shí)環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)顯示輸出的特性，在醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、精密儀器制造和維修、軍用飛機(jī)導(dǎo)航、工程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制等領(lǐng)域，具有比VR技術(shù)更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

生活中的AR

* 醫(yī)療領(lǐng)域：醫(yī)生可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，輕易地進(jìn)行手術(shù)部位的精確定位。

* 軍事領(lǐng)域：部隊(duì)可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行方位的識(shí)別，獲得實(shí)時(shí)所在地點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)等重要軍事數(shù)據(jù)。

* 古跡復(fù)原和數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護(hù)：文化古跡的信息以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式提供給參觀者，用戶不僅可以通過(guò)HMD看到古跡的文字解說(shuō)，還能看到遺址上殘缺部分的虛擬重構(gòu)。

* 工業(yè)維修領(lǐng)域：通過(guò)頭盔式顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、被維修設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、被維修設(shè)備零件圖等。

*網(wǎng)絡(luò)視頻通訊領(lǐng)域：該系統(tǒng)使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和人臉跟蹤技術(shù)，在通話的同時(shí)在通話者的面部實(shí)時(shí)疊加一些如帽子、眼鏡等虛擬物體，在很大程度上提高了視頻對(duì)話的趣味性。

* 電視轉(zhuǎn)播領(lǐng)域：通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在轉(zhuǎn)播體育比賽的時(shí)候?qū)崟r(shí)的將輔助信息疊加到畫(huà)面中，使得觀眾可以得到更多的信息。

* 娛樂(lè)、游戲領(lǐng)域：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲可以讓位于全球不同地點(diǎn)的玩家，共同進(jìn)入一個(gè)真實(shí)的自然場(chǎng)景，以虛擬替身的形式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)戰(zhàn)。

* 旅游、展覽領(lǐng)域：人們?cè)跒g覽、參觀的同時(shí)，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將接收到途經(jīng)建筑的相關(guān)資料，觀看展品的相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

* 市政建設(shè)規(guī)劃：采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將規(guī)劃效果疊加真實(shí)場(chǎng)景中以直接獲得規(guī)劃的效果。

國(guó)內(nèi)比較權(quán)威的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)者是北京理工大學(xué)光電工程系的王涌天教授

國(guó)內(nèi)首次將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到普通生活中，是在蘋(píng)果的AppStore上發(fā)布的一款免費(fèi)的叫作出行百科（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)版）XINGWIKI的軟件。

記事帖，人們希望將來(lái)可以很方便的在不同地點(diǎn)獲得同樣的媒體和信息，并且是跨越不同的設(shè)備上獲得-從PC到手機(jī)，從投影儀到頭戴式顯示器。怎樣能為用戶提供一致的和方便易行的方式來(lái)讓他們和對(duì)他們而言很重要的信息和媒體進(jìn)行交互，看以下的圖你就明白了，你所能操作的界面已經(jīng)不再是那一塊小小的電腦屏幕了，而是延伸到了更大的空間里，并且可以依據(jù)人們最為簡(jiǎn)便的方式隨意的記錄下你某一時(shí)刻突然迸發(fā)出的靈感。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的起源、概念和應(yīng)用領(lǐng)域

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的起源

2016 年被業(yè)界稱(chēng)為“虛擬現(xiàn)實(shí)元年”，可能有人會(huì)誤認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)是近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。其實(shí)不然，虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）技術(shù)最早起源于美國(guó)，1965 年虛擬現(xiàn)實(shí)之父伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）在國(guó)際信息處理聯(lián)合會(huì)（IFIP） 會(huì)議上發(fā)表的一篇名為《終極的顯示》的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本思想，描述的就是我們現(xiàn)在熟悉的“虛擬現(xiàn)實(shí)”，早在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的初期， 蘇澤蘭就在其“達(dá)摩克利斯之劍”系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了三維立體顯示。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)AR）是指在真實(shí)環(huán)境之上提供信息性和娛樂(lè)性的覆蓋，它是蘇澤蘭在進(jìn)行有關(guān)頭戴式顯示器的研究中引入的。

1966 年美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的林肯實(shí)驗(yàn)室正式開(kāi)始了頭戴式顯示器（HMD）的研制工作。在這第一個(gè)頭戴式顯示器的樣機(jī)完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺(jué)的力反饋裝置加入到這個(gè)系統(tǒng)中。1970 年，出現(xiàn)了第一個(gè)功能較齊全的頭戴式顯示器系統(tǒng)。1989 年， VPL 公司的Jaron Lanier 提出用“Virtual Reality” 來(lái)表示虛擬現(xiàn)實(shí)一詞，并且把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)為商品，推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)興起于20 世紀(jì)90 年代。

2000 年以后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在整合發(fā)展中引入了XML、JAVA 等先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用強(qiáng)大的3D計(jì)算能力和交互式技術(shù)，提高渲染質(zhì)量和傳輸速度，進(jìn)入了嶄新的發(fā)展時(shí)代。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的產(chǎn)物，有著廣闊的應(yīng)用前景。2008 年2 月，美國(guó)國(guó)家工程院（NAE）公布了一份題為“21 世紀(jì)工程學(xué)面臨的14 項(xiàng)重大挑戰(zhàn)”的報(bào)告。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是其中之一，與新能源、潔凈水、新藥物等技術(shù)相并列。為了獲得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，美、英、日等國(guó)政府及大公司不惜巨資在該領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)。

我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究起步于20 世紀(jì)90 年代初。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程等的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到相當(dāng)?shù)闹匾暋?016 年3 月17 日全國(guó)兩會(huì)授權(quán)發(fā)布的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》中指出：“大力推進(jìn)先進(jìn)半導(dǎo)體、機(jī)器人、增材制造、智能系統(tǒng)、新一代航空裝備、空間技術(shù)綜合服務(wù)系統(tǒng)、智能交通、精準(zhǔn)醫(yī)療、高效儲(chǔ)能與分布式能源系統(tǒng)、智能材料、高效節(jié)能環(huán)保、虛擬現(xiàn)實(shí)與互動(dòng)影視等新興前沿領(lǐng)域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，形成一批新增長(zhǎng)點(diǎn)。” “虛擬現(xiàn)實(shí)”位列其中，同時(shí)，投身于虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。有人在展望2020 年重要新興核心科技的發(fā)展時(shí)也把虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)列入當(dāng)前重要的八項(xiàng)新興核心科技（八項(xiàng)新興核心科技如圖1 所示）。

國(guó)家廣告研究院等多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布的《2016 上半年中國(guó)VR 用戶行為研究報(bào)告》顯示，2016 年上半年國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)潛在用戶達(dá)4.5 億，淺度用戶約為2700 萬(wàn)，重度用戶約237 萬(wàn)， 預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)用戶群體以80 后、90 后為主，集中在26 ～ 30 歲之間的85 后，占比達(dá)到28.4%，這與年青一族樂(lè)于接觸新鮮事物的特點(diǎn)有關(guān)。另外，用戶群體有從北上廣等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市逐漸向全國(guó)擴(kuò)散的趨勢(shì)。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的概念、特征和應(yīng)用領(lǐng)域

1. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)，是一種基于多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)的沉浸式交互環(huán)境。具體地說(shuō)，就是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)具有3I 特性，即沉浸性（Immersion）、交互性（InteracTIon）、構(gòu)想性（ImaginaTIon），是一個(gè)學(xué)科高度綜合交叉的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)與人工智能 （AI） 技術(shù)及其他相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)結(jié)合，將會(huì)使其還具有智能（Intelligent） 和自我演進(jìn)演化（EvoluTIon） 特征。頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備如圖2 所示。

虛擬現(xiàn)實(shí)涉及門(mén)類(lèi)眾多的學(xué)科，整合了很多相關(guān)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是未來(lái)科技發(fā)展的方向之一，它可以從人的感覺(jué)系統(tǒng)上改變現(xiàn)有的空間感。虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)鏈大致可分為硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、資源設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和資源運(yùn)營(yíng)平臺(tái)等幾種類(lèi)別。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)的突破以及“虛擬現(xiàn)實(shí)+”的帶動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大量行業(yè)和領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)終端應(yīng)用帶來(lái)全新發(fā)展，將會(huì)推動(dòng)許多行業(yè)實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代式的發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實(shí)可以應(yīng)用于國(guó)防軍事、航空航天、智慧城市、裝備制造、教育培訓(xùn)、醫(yī)療健康、商務(wù)消費(fèi)、文化娛樂(lè)、公共安全、社交生活、休閑旅游、電視直播等領(lǐng)域中。如2016 年10 月17 日中央電視臺(tái)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)全息技術(shù)直播了“天宮二號(hào)”和“神舟十一號(hào)”交會(huì)對(duì)接及其共同建立組合體的過(guò)程，采用虛擬追蹤技術(shù)，讓“天宮二號(hào)”從大屏幕中“鉆”了出來(lái)，通過(guò)機(jī)位的景別變換，觀眾可以直觀地看到”“天宮二號(hào)”的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，使觀眾身臨其境地全面了解“神舟十一號(hào)”“天宮二號(hào)”及其組合體內(nèi)部構(gòu)造和控制面板，同時(shí)主播文靜還“走進(jìn)”“天宮二號(hào)” 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，逐一向觀眾介紹“天宮二號(hào)”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，與傳統(tǒng)的新聞播報(bào)相比，電視直播應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)顯得更加生動(dòng)活潑，視覺(jué)沖擊力更強(qiáng)，觀眾感受更直觀。

2. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新興技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于計(jì)算機(jī)的顯示與交互、網(wǎng)絡(luò)的跟蹤與定位等技術(shù)，將計(jì)算機(jī)形成的虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)場(chǎng)景，以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行補(bǔ)充，使人們?cè)谝曈X(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等方面增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的體驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有三大特點(diǎn)，即虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和三維配準(zhǔn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有三種呈現(xiàn)顯示方式，按距離眼睛由近到遠(yuǎn)劃分分別為頭戴式（head-attached）、手持式（hand-held）、空間展示（spaTIal）。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)智能眼鏡如圖4 所示。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如在教育領(lǐng)域增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以為學(xué)生呈現(xiàn)全息圖像、虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬環(huán)境等；在旅游業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以幫助游客自助游玩景區(qū)，以虛擬影像的形式為游客講解景區(qū)概況、發(fā)展歷史、人文景觀等內(nèi)容；在零售業(yè)中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一鍵試穿，在網(wǎng)上銷(xiāo)售中具有極大的應(yīng)用空間。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、市政、電視、游戲、展覽等領(lǐng)域都表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

3. 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)

混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)MR）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)通過(guò)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠更好地將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)體現(xiàn)出來(lái)。

根據(jù)史蒂夫·曼恩的理論，智能硬件最后都會(huì)從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步向混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)過(guò)渡?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的區(qū)別在于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)一個(gè)攝像頭讓你看到裸眼都看不到的現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)只管疊加虛擬環(huán)境而不管現(xiàn)實(shí)本身?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)效果如圖6 所示。

4. 擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Expander Reality， 簡(jiǎn)稱(chēng)ER）是人聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的整合，是虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的高級(jí)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展到擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)階段，現(xiàn)實(shí)和虛擬的邊界被抹去，人們很難分辨自己是生活在虛擬世界還是現(xiàn)實(shí)世界。擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景如圖8 所示。

5. 虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)四者間的區(qū)別是：虛擬現(xiàn)實(shí)的主戰(zhàn)場(chǎng)是“虛擬世界”，人們使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備探索人為因素所建立的虛擬世界，追求沉浸感，虛擬現(xiàn)實(shí)是純虛擬數(shù)字畫(huà)面；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的主戰(zhàn)場(chǎng)是“現(xiàn)實(shí)世界”，人們使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備產(chǎn)生的虛擬信息來(lái)提升探索現(xiàn)實(shí)世界的能力，具有極強(qiáng)的移動(dòng)屬性，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是虛擬數(shù)字畫(huà)面加上裸眼現(xiàn)實(shí)；混合現(xiàn)實(shí)是數(shù)字化現(xiàn)實(shí)加上虛擬數(shù)字畫(huà)面，從概念上來(lái)說(shuō)，混合現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)更為接近，都是一半現(xiàn)實(shí)一半虛擬影像；擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)是人聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的整合，是虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的高級(jí)階段，現(xiàn)實(shí)和虛擬的邊界將被抹去。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的具體應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用潛力巨大、前景廣闊，主要體現(xiàn)在運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、感受心理沉浸、跨越時(shí)空界限、動(dòng)感交互穿越和跨界知識(shí)融合等多方面的優(yōu)勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，能夠?yàn)榻逃ぷ髡咛峁┤碌慕虒W(xué)工具，同時(shí)，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣，讓學(xué)生在動(dòng)手體驗(yàn)中迸發(fā)出創(chuàng)新的火花。因此虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育行業(yè)是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的飛躍， 它營(yíng)造了自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式演變?yōu)閷W(xué)生通過(guò)新型信息化環(huán)境和工具來(lái)獲取知識(shí)和技能的新型學(xué)習(xí)方式，符合新一輪教學(xué)改革的教育理念，有助于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備有多種，這里分別介紹各種設(shè)備在教學(xué)中的具體應(yīng)用。

（一）頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用

頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備一般包含頭戴式顯示器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和其他設(shè)備等，分為移動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔和分體式虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。國(guó)外有臉譜、谷歌、微軟、三星等公司的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)有微視酷、蟻視、暴風(fēng)魔鏡、中興、樂(lè)視、華為、小米等100 多種虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔產(chǎn)品。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)告以及目前虛擬現(xiàn)實(shí)教育實(shí)踐情況，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物、物理、化學(xué)、工程技術(shù)、工藝加工、飛行駕駛、語(yǔ)言、歷史、人文地理、文化習(xí)俗等教學(xué)中均可應(yīng)用。

學(xué)生使用頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備體驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)具有置身真實(shí)情境的沉浸式感覺(jué)，能給學(xué)生以絕佳的真實(shí)體驗(yàn)， 使人如身臨其境，讓書(shū)本中的內(nèi)容可觸摸、可互動(dòng)、可感知。例如地理學(xué)科講述關(guān)于宇宙太空星際運(yùn)行的課程時(shí)，在現(xiàn)實(shí)生活中學(xué)生無(wú)法遨游太空，如果戴上頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，就可以讓學(xué)生從各個(gè)角度近距離觀察行星、恒星和衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡，觀察每個(gè)星球的地表形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至能夠降落在火星或月球上進(jìn)行“實(shí)地” 考察、體驗(yàn)星際之旅等。虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備如圖9 所示。

2016 年，微視酷推出了一款虛擬現(xiàn)實(shí)課堂教學(xué)系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)具有一定的代表性。該教學(xué)系統(tǒng)由一臺(tái)教師用的平板電腦主控端、多套學(xué)生用的虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡和IES 教育軟件系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)具備一鍵操控、一鍵統(tǒng)計(jì)和一鍵打印功能，教師可根據(jù)教學(xué)進(jìn)度需求，隨時(shí)控制學(xué)生虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡教學(xué)內(nèi)容。微視酷開(kāi)展了“VR 課堂1 工程”計(jì)劃，跨越了全國(guó)多個(gè)省市。其中在陜西省榆林市高新小學(xué)呈現(xiàn)的“神奇星球在哪里”虛擬現(xiàn)實(shí)示范教學(xué)觀摩課情景如圖11 所示。

虛擬現(xiàn)實(shí)把學(xué)生從現(xiàn)實(shí)帶到了虛擬世界，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓學(xué)生成了一名宇航員，讓學(xué)生看到了許多平?？床坏降臇|西，與傳統(tǒng)的課堂相比，虛擬現(xiàn)實(shí)課堂讓學(xué)生獲得身臨其境的感受，有利于學(xué)生發(fā)揮想象力，能更直觀地呈現(xiàn)授課內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置代表產(chǎn)品有微軟HoloLens、MagicLeap 和Meta 2 等，均有酷炫的體驗(yàn)感，能夠讓使用者在任何地方觀看虛擬電視，甚至可以把影像投影在墻上、手機(jī)屏幕或者面前的空氣中，這些增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備應(yīng)用將取代所有的“顯示器和屏幕”。以Ho-loLens 頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備為例（如圖12 所示），其主要硬件由全息處理單元（CPU+GPU+HPU）、光學(xué)投影系統(tǒng)（Lcos 微投影儀+ 光導(dǎo)透明全息透鏡）、攝像頭與傳感器部分（6 個(gè)攝像頭+ 慣性傳感器+ 環(huán)境光傳感器等）、存儲(chǔ)部分、其他部件（耳機(jī)+ 麥克風(fēng)+ 電池+ 結(jié)構(gòu)件）等組成。

學(xué)生在使用HoloLens 后， 就可以扔掉電腦和手機(jī)，不用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和顯示屏幕， 雙手在空氣中操作即可完成現(xiàn)在人們?cè)陔娔X和手機(jī)上的所有操作，懸空操作即可完成機(jī)器人的3D 建模設(shè)計(jì)任務(wù)，如圖13 所示。

（二）桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用

桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備具有代表性的產(chǎn)品是美國(guó)zSpace 公司的虛擬現(xiàn)實(shí)教育一體機(jī)，美國(guó)從2013 年開(kāi)始使用，現(xiàn)在使用的zSpace Z300 為第三代產(chǎn)品。根據(jù)美國(guó)最新的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》， zSpace 開(kāi)發(fā)出了包含 2 ～12 年級(jí)多門(mén)學(xué)科的課件， 課件分布在六款軟件之中，教師可采用系統(tǒng)平臺(tái)自帶課件實(shí)施教學(xué)計(jì)劃，也可創(chuàng)造性地自主開(kāi)發(fā)新課件。zSpace 不僅可以成為教學(xué)工具，還為學(xué)生、老師提供了豐富的素材資源。在美國(guó)的小學(xué)、中學(xué)和大學(xué)有250 多所學(xué)校上萬(wàn)名學(xué)生正在使用zSpace STEAM 實(shí)驗(yàn)室課件來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。我國(guó)的云尚互動(dòng)公司2015 年年底將zSpace Z300 引入中國(guó)，2016 年4 月“智創(chuàng)空間”獲贈(zèng)6 套該設(shè)備用于創(chuàng)客教育和STEAM教育的推廣普及， 至今共有2700 多人次來(lái)體驗(yàn)學(xué)習(xí)。

zSpaceZ300 的內(nèi)容覆蓋了小學(xué)、初中和高中的生命科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、歷史、地理、地球與空間科學(xué)、藝術(shù)等多個(gè)學(xué)科， 課件總數(shù)達(dá)440 多個(gè)。該平臺(tái)還提供課件資源開(kāi)發(fā)系統(tǒng)， 教師可以根據(jù)需要將stl、obj 等格式的3D 模型文件導(dǎo)入系統(tǒng)，同時(shí)可以加入文本、圖片、聲音和視頻文件，教師可以像制作PPT 課件一樣進(jìn)行修改和自主開(kāi)發(fā)能夠在Z300 平臺(tái)上運(yùn)行的課件資源。Z300 平臺(tái)的使用方法有兩種：一種是戴上3D 眼鏡（含追蹤和非追蹤眼鏡），戴追蹤眼鏡者用激光筆操作，其他人戴上非追蹤眼鏡都可以看到3D 虛擬現(xiàn)實(shí)效果；另一種是增加一個(gè)全息攝像頭和平板電腦（或投影），將Z300 設(shè)備的3D 影像疊加投射到平板電腦上即可呈現(xiàn)出裸眼3D 的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果。

（三）手持式虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用

手持式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備多采用移動(dòng)設(shè)備與APP 軟件相結(jié)合的方式。APP 有視+AR、AR、4D 書(shū)城、幻視、視視AR、尼奧照照等，另外有多種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖書(shū)都有相配套的APP，如《機(jī)器人跑出來(lái)了》《實(shí)驗(yàn)跑出來(lái)了》《恐龍爭(zhēng)霸賽來(lái)了》這套“科學(xué)跑出來(lái)”系列增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)科普讀物有iRobotAR、iScienceAR、恐龍爭(zhēng)霸賽來(lái)了等多個(gè)APP，它們的原理都是采用手機(jī)攝像頭獲取現(xiàn)實(shí)世界影像，通過(guò)手機(jī)在現(xiàn)實(shí)世界上疊加虛擬形象的形式，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的特殊顯示效果。

有的APP 中提供了豐富的教育資源，如安全教育、科普讀物、識(shí)字卡片、益智游戲等，特別適合兒童教育。使用方法有兩種：一種是手機(jī)APP 與相配套的紙質(zhì)圖書(shū)一起使用，用手機(jī)攝像頭掃描圖書(shū)上的圖片，在手機(jī)屏幕上即可呈現(xiàn)出如圖14 的演示效果；另一種使用方法是運(yùn)用APP 下載增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)資源并與外界實(shí)景疊加即可呈現(xiàn)出如圖15 的演示效果。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)特效非常逼真，利用這些APP 進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過(guò)程具有真實(shí)感、體驗(yàn)感、沉浸感，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的興趣，可以達(dá)到寓教于樂(lè)的教學(xué)效果。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)分析

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了有利條件

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源存在形式多種多樣， 根據(jù)采用的設(shè)備不同，可以將教學(xué)資源保存在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)、桌面式設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和紙質(zhì)圖書(shū)里，學(xué)生可以在不同的地方采用不同的設(shè)備調(diào)用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源進(jìn)行隨時(shí)隨地的自主學(xué)習(xí)。如果學(xué)生在課堂上有些知識(shí)點(diǎn)未能掌握，可以重新學(xué)習(xí)一遍，增加對(duì)知識(shí)的鞏固和理解，有時(shí)學(xué)生因?yàn)樘厥庠蛭茨茉谡n堂上學(xué)習(xí)，也可以課后彌補(bǔ)，同時(shí)可以將虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備作為載體采用“翻轉(zhuǎn)課堂”或“微課導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式組織教學(xué)，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)條件，教師也可以從繁重的重復(fù)性講解中解脫出來(lái)，有針對(duì)性地為學(xué)生答疑解惑，有助于傳統(tǒng)教學(xué)方式的變革。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生提供更加真實(shí)的情景

在傳統(tǒng)的教學(xué)課堂上，知識(shí)的傳輸主要通過(guò)文字、圖片、聲音、動(dòng)畫(huà)和視頻的形式呈現(xiàn)。遇到比較復(fù)雜的情況，比如數(shù)學(xué)課的立體幾何、地理課的天體運(yùn)動(dòng)、物理課的磁力線和電力線、化學(xué)課的微觀粒子結(jié)構(gòu)、生物課的細(xì)胞結(jié)構(gòu)等，教師用語(yǔ)言很難把這些知識(shí)點(diǎn)表達(dá)得非常清晰，同時(shí)由于每個(gè)學(xué)生的理解力不同，教學(xué)效果也會(huì)因人而異，甚至初次學(xué)習(xí)這些知識(shí)的學(xué)生會(huì)得到“盲人摸象”般的感受。而采用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)組織教學(xué)，三維立體效果的呈現(xiàn)可以彌補(bǔ)這樣的缺憾，能夠把知識(shí)立體化，把難以想象的東西直接以三維形式呈現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生直觀感受到文字所表達(dá)不出來(lái)的知識(shí)，真實(shí)的情景可以幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和記憶，使學(xué)生的想象變得更加豐富。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

由于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)一體化的感知效果，學(xué)生具有真實(shí)情境體驗(yàn)、跨越時(shí)空界限、動(dòng)感交互穿越的感受，能身臨其境般在書(shū)海里遨游，讓書(shū)本中的內(nèi)容可觸摸、可互動(dòng)、可感知。身臨其境的感受和自然豐富的交互體驗(yàn)不僅極大地激發(fā)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，更給學(xué)習(xí)者提供了大量親身觀察、操作以及與他人合作學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，促進(jìn)了學(xué)生的認(rèn)知加工過(guò)程及知識(shí)建構(gòu)過(guò)程，有利于實(shí)現(xiàn)深層次理解。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式讓很多學(xué)生覺(jué)得枯燥乏味， 為了應(yīng)付考試不得不去死記硬背，但很多知識(shí)學(xué)生考完之后很快會(huì)忘得一干二凈，而采用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)組織教學(xué)，新穎的學(xué)習(xí)方式和豐富多彩的學(xué)習(xí)內(nèi)容能夠極大地提升課堂教學(xué)的趣味性，生動(dòng)形象的場(chǎng)景會(huì)加強(qiáng)學(xué)生的記憶，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。“興趣是最好的老師”，興趣也是學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的不竭動(dòng)力。

（四）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用能促進(jìn)優(yōu)質(zhì)資源均衡化

我國(guó)幅員遼闊，地區(qū)之間貧富差距較大，存在教學(xué)資源分配不均的情況。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)無(wú)論是軟硬件配置， 教學(xué)師資和教學(xué)資源都非常豐富，而經(jīng)濟(jì)落后、地域偏遠(yuǎn)的山村學(xué)校學(xué)生連接受最基本的教育都難以實(shí)現(xiàn)。各級(jí)政府和教育主管部門(mén)都在大力推進(jìn)教育均衡發(fā)展，加大教育投資力度，而虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用將是解決城鄉(xiāng)教育資源不均衡問(wèn)題的一把金鑰匙，有利于緩解教育資源兩極分化，擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)資源的分享范圍，能讓教育資源不再受限于地區(qū)和學(xué)校，讓教育發(fā)達(dá)地區(qū)的名教師通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)課堂走進(jìn)山村學(xué)校，能通過(guò)整體優(yōu)化教育資源配置，來(lái)縮小城鄉(xiāng)差距，實(shí)現(xiàn)教育公平，同時(shí)這也是教育扶貧的較佳途徑。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中存在的問(wèn)題

雖然虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用可以改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式、提高學(xué)習(xí)興趣、實(shí)現(xiàn)教育均衡發(fā)展，但虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展還處在初級(jí)應(yīng)用階段，在技術(shù)瓶頸、資源開(kāi)發(fā)、教學(xué)內(nèi)容和推廣普及等方面還存在很多問(wèn)題。

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備應(yīng)用中的眩暈問(wèn)題

人們?cè)谑褂锰摂M現(xiàn)實(shí)設(shè)備時(shí)會(huì)出現(xiàn)眩暈感，從硬件結(jié)構(gòu)來(lái)看，由于現(xiàn)在的科技還無(wú)法做到高度還原真實(shí)場(chǎng)景，許多用戶使用配置達(dá)不到要求的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品時(shí)會(huì)產(chǎn)生眩暈感；虛擬現(xiàn)實(shí)界面中的視覺(jué)反差較大，實(shí)際運(yùn)動(dòng)與大腦運(yùn)動(dòng)不能夠正常匹配，影響大腦對(duì)所呈現(xiàn)影像的分析和判斷，從而產(chǎn)生眩暈感；虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的內(nèi)容有相當(dāng)一部分資源是從PC電腦版上移植過(guò)來(lái)的，UI 界面不能很好地匹配虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，不同的系統(tǒng)處理上也無(wú)法達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一，畫(huà)面感光線太強(qiáng)或太弱都不能讓用戶接受；虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備幀間延遲跟不上人的運(yùn)動(dòng)，會(huì)有微小的延遲感，當(dāng)感官與幀率不同步時(shí)也會(huì)讓使用者產(chǎn)生眩暈感。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中資源短缺

目前虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)剛起步，軟硬件設(shè)施不完備，開(kāi)發(fā)人員技術(shù)力量不足，很多學(xué)校未配備虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備；中小學(xué)校的很多教師還沒(méi)有接觸過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，不知道如何在教學(xué)中應(yīng)用，更談不上如何去開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源。因此，針對(duì)中小學(xué)教學(xué)所開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源很少，課程資源短缺是虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在中小學(xué)推廣的最大瓶頸。但隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)勢(shì)在必行，未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用勢(shì)必帶來(lái)課堂教學(xué)方式的顛覆性改變。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)和資源的設(shè)計(jì)重形式輕內(nèi)容

當(dāng)前很多虛擬現(xiàn)實(shí)教育平臺(tái)都只是在一個(gè)3D 視頻或虛擬現(xiàn)實(shí)軟件游戲的基礎(chǔ)上構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)。雖然學(xué)生在虛擬世界玩得津津有味，課堂氣氛很活躍，學(xué)生互動(dòng)、交流和討論很熱烈，表面上看學(xué)生得到了沉浸式的體驗(yàn)感，但是有些虛擬現(xiàn)實(shí)教育平臺(tái)所提供的知識(shí)點(diǎn)講解還停留在現(xiàn)實(shí)世界中，課本內(nèi)容的單調(diào)、枯燥并沒(méi)有因軟件的存在而得到緩解，知識(shí)要點(diǎn)的講解沒(méi)有變得更加生動(dòng)、有趣和有針對(duì)性，這種只重視形式而不重視內(nèi)容、教與學(xué)完全脫節(jié)的虛擬現(xiàn)實(shí)課堂只能稱(chēng)為“偽虛擬現(xiàn)實(shí)課堂”。

（四）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備價(jià)格較高和技術(shù)條件限制導(dǎo)致普及困難

企業(yè)的前期研發(fā)成本較高、設(shè)備銷(xiāo)售量較少，導(dǎo)致多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備銷(xiāo)售價(jià)格居高不下， 很多學(xué)校因資金問(wèn)題望而卻步，無(wú)力購(gòu)買(mǎi)售價(jià)高昂的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，進(jìn)而導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)校的推廣普及步履艱難。如zSpace Z300 剛引入我國(guó)時(shí)每臺(tái)售價(jià)20 多萬(wàn)元，微軟的HoloLens 還未上市，公布的預(yù)售價(jià)在每臺(tái)2 萬(wàn)元以上，普通頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的價(jià)格也在2000 ～ 5000 元之間。大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件普遍存在語(yǔ)言專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)、通用性較差和易用性差等問(wèn)題。受硬件局限性的影響，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開(kāi)發(fā)花費(fèi)巨大且效果有限。另外在新型傳感應(yīng)用、物理建模方法、高速圖形圖像處理、人工智能等領(lǐng)域，都有很多問(wèn)題亟待解決。三維建模技術(shù)也需進(jìn)一步完善，大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的融合處理等都有待進(jìn)一步提升。以上諸多原因的存在制約了虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的推廣和普及。

五、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的前景展望

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展對(duì)未來(lái)教學(xué)形式的影響

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在云計(jì)算、霧計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能突飛猛進(jìn)的新時(shí)代背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)融合，將會(huì)讓虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用如虎添翼。根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司的預(yù)測(cè)，未來(lái)一年里，在以消費(fèi)者為導(dǎo)向的全球2000 強(qiáng)公司中， 預(yù)計(jì)有30% 的企業(yè)將在營(yíng)銷(xiāo)活動(dòng)中試驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。2021 年時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將獲得大規(guī)模應(yīng)用，全球會(huì)有超過(guò)10 億人通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)經(jīng)常訪問(wèn)應(yīng)用程序、內(nèi)容和數(shù)據(jù)［16］。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟硬件設(shè)備的性能提升和價(jià)格降低，會(huì)有更多的教育投資公司開(kāi)發(fā)出更加豐富多彩的教學(xué)資源，讓虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速走進(jìn)中小學(xué)課堂，在教學(xué)中大面積應(yīng)用普及。依托其具有的沉浸性、交互性、構(gòu)想性、虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和三維配準(zhǔn)等超級(jí)體驗(yàn)感的優(yōu)勢(shì)，教師的教學(xué)方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式都將會(huì)發(fā)生改變。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用普及將會(huì)顛覆傳統(tǒng)的教育方法和教學(xué)形式，具有巨大的應(yīng)用潛力與應(yīng)用前景。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展對(duì)未來(lái)教學(xué)效率的提升

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的結(jié)合，將會(huì)提高未來(lái)課堂的教學(xué)效率。因?yàn)閭鹘y(tǒng)教學(xué)模式是教師面向全班同學(xué)以灌輸式、無(wú)差異的方式組織教學(xué)，而采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)將使課堂教學(xué)采用個(gè)性化、自主式、體驗(yàn)式的方式組織教學(xué)，通過(guò)因材施教，每一位學(xué)生都可以在虛擬環(huán)境中，個(gè)性化地聽(tīng)老師為自己講課，還能與虛擬環(huán)境中的老師互動(dòng)交流。傳統(tǒng)課堂為一人講多人聽(tīng)，而虛擬現(xiàn)實(shí)課堂則相當(dāng)于每個(gè)學(xué)生面前都有一位自己的老師。同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以將靜態(tài)的文字、圖片讀物立體化，增加閱讀的互動(dòng)性、趣味性和真實(shí)感，創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)情境，通過(guò)3D 模型使抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容變得形象化、微觀的學(xué)習(xí)內(nèi)容變得可視化、復(fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容變得簡(jiǎn)單化，幫助學(xué)生理解和識(shí)記抽象的概念。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為教育工具應(yīng)用在課堂上，將為學(xué)生展現(xiàn)一個(gè)能夠交流互動(dòng)的虛擬世界，既能滿足學(xué)生的體驗(yàn)感和好奇心，又能以創(chuàng)新的方式傳授知識(shí)，從而可以大大提升教師的教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展對(duì)未來(lái)教學(xué)的創(chuàng)新

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能為學(xué)生提供多種形式的數(shù)字內(nèi)容和虛實(shí)結(jié)合的情景化的學(xué)習(xí)環(huán)境，增強(qiáng)了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的存在感和沉浸感。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)⑻摂M場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，通過(guò)穿越時(shí)空的方式進(jìn)行交流互動(dòng)，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提升了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和真實(shí)體驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)了學(xué)生自主探究和自主學(xué)習(xí)的能力。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和多學(xué)科知識(shí)的匯聚與融合，是創(chuàng)客教育和STEAM 教育的較佳載體，將虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中，為學(xué)生的創(chuàng)客學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件， 學(xué)生在創(chuàng)客空間里利用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)主動(dòng)探索、動(dòng)手實(shí)踐、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、跨界融合來(lái)學(xué)習(xí)新知識(shí)和掌握新技能，利用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為載體開(kāi)展創(chuàng)客教育和STEAM 教育，學(xué)生在虛擬與現(xiàn)實(shí)交互和時(shí)空穿越的過(guò)程中通過(guò)“玩中做”“做中學(xué)”“學(xué)中做”“做中創(chuàng)”，能夠拓展發(fā)散性思維， 迸發(fā)出更加豐富的創(chuàng)新火花，創(chuàng)意“智”造出更加豐富的創(chuàng)客作品。新一輪教學(xué)改革已經(jīng)到來(lái)，“中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”總體框架正式發(fā)布（如圖16 所示）， 其中實(shí)踐創(chuàng)新作為六大綜合表現(xiàn)之一被提出。而虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用正是一種教學(xué)模式的創(chuàng)新，將有助于推動(dòng)教學(xué)改革的進(jìn)程，有助于創(chuàng)客教育和STEAM 教育普及，有助于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

六、結(jié)束語(yǔ)

人工智能、大數(shù)據(jù)分析與虛擬教育（VR 教育）被稱(chēng)為影響未來(lái)的三大科技創(chuàng)新方向。未來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將結(jié)合更多高新科技元素如人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和移動(dòng)技術(shù)等，而隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的發(fā)展前景也將會(huì)越來(lái)越廣闊。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境帶給我們的不僅僅是一個(gè)技術(shù)平臺(tái)或工具，更會(huì)孕育出一種新型的教學(xué)模式和教學(xué)方法。將虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛地應(yīng)用到課堂教學(xué)中，對(duì)于貫徹落實(shí)教育部關(guān)于“發(fā)展未來(lái)學(xué)校”和“智慧課堂改革”的設(shè)想有重大意義。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)⑻摂M對(duì)象與真實(shí)環(huán)境相融合，通過(guò)其較強(qiáng)的交互性能給學(xué)生帶來(lái)更多的學(xué)習(xí)樂(lè)趣， 并為學(xué)生提供一種新的學(xué)習(xí)媒體和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促使學(xué)生在愉悅的狀態(tài)下進(jìn)行移動(dòng)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、項(xiàng)目學(xué)習(xí)和創(chuàng)客學(xué)習(xí)。依托虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為創(chuàng)客教育的載體，能讓學(xué)生通過(guò)自主探究、跨界融合、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、開(kāi)拓創(chuàng)新來(lái)提升核心素養(yǎng)。讓虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育完美結(jié)合，快速走進(jìn)中小學(xué)課堂，將為開(kāi)啟未來(lái)教育創(chuàng)新之路做出巨大貢獻(xiàn)。