增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用分析

增強現(xiàn)實技術(shù)，它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息（視覺信息，聲音，味道，觸覺等），通過電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

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

增強現(xiàn)實技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術(shù)與新手段。增強現(xiàn)實提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。

AR系統(tǒng)具有三個突出的特點：①真實世界和虛擬世界的信息集成；②具有實時交互性；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、娛樂等領(lǐng)域。

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

生活中的AR

* 醫(yī)療領(lǐng)域：醫(yī)生可以利用增強現(xiàn)實技術(shù)，輕易地進行手術(shù)部位的精確定位。

* 軍事領(lǐng)域：部隊可以利用增強現(xiàn)實技術(shù)，進行方位的識別，獲得實時所在地點的地理數(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：文化古跡的信息以增強現(xiàn)實的方式提供給參觀者，用戶不僅可以通過HMD看到古跡的文字解說，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)使用增強現(xiàn)實和人臉跟蹤技術(shù)，在通話的同時在通話者的面部實時疊加一些如帽子、眼鏡等虛擬物體，在很大程度上提高了視頻對話的趣味性。

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

* 娛樂、游戲領(lǐng)域：增強現(xiàn)實游戲可以讓位于全球不同地點的玩家，共同進入一個真實的自然場景，以虛擬替身的形式，進行網(wǎng)絡(luò)對戰(zhàn)。

* 旅游、展覽領(lǐng)域：人們在瀏覽、參觀的同時，通過增強現(xiàn)實技術(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：采用增強現(xiàn)實技術(shù)將規(guī)劃效果疊加真實場景中以直接獲得規(guī)劃的效果。

國內(nèi)比較權(quán)威的增強現(xiàn)實學(xué)者是北京理工大學(xué)光電工程系的王涌天教授

國內(nèi)首次將這項技術(shù)應(yīng)用到普通生活中，是在蘋果的AppStore上發(fā)布的一款免費的叫作出行百科（增強現(xiàn)實版）XINGWIKI的軟件。

記事帖，人們希望將來可以很方便的在不同地點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，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讓他們和對他們而言很重要的信息和媒體進行交互，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)人們最為簡便的方式隨意的記錄下你某一時刻突然迸發(fā)出的靈感。

一、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的起源、概念和應(yīng)用領(lǐng)域

（一）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的起源

2016 年被業(yè)界稱為“虛擬現(xiàn)實元年”，可能有人會誤認為這項技術(shù)是近年來才發(fā)展起來的新技術(shù)。其實不然，虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR）技術(shù)最早起源于美國，1965 年虛擬現(xiàn)實之父伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）在國際信息處理聯(lián)合會（IFIP） 會議上發(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”，早在虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的初期， 蘇澤蘭就在其“達摩克利斯之劍”系統(tǒng)中實現(xiàn)了三維立體顯示。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）是指在真實環(huán)境之上提供信息性和娛樂性的覆蓋，它是蘇澤蘭在進行有關(guān)頭戴式顯示器的研究中引入的。

1966 年美國麻省理工學(xué)院（MIT）的林肯實驗室正式開始了頭戴式顯示器（HMD）的研制工作。在這第一個頭戴式顯示器的樣機完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。1970 年，出現(xiàn)了第一個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” 來表示虛擬現(xiàn)實一詞，并且把虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)為商品，推動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)興起于20 世紀90 年代。

2000 年以后，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在整合發(fā)展中引入了XML、JAVA 等先進技術(shù)，應(yīng)用強大的3D計算能力和交互式技術(shù)，提高渲染質(zhì)量和傳輸速度，進入了嶄新的發(fā)展時代。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是經(jīng)濟和社會生產(chǎn)力發(fā)展的產(chǎn)物，有著廣闊的應(yīng)用前景。2008 年2 月，美國國家工程院（NAE）公布了一份題為“21 世紀工程學(xué)面臨的14 項重大挑戰(zhàn)”的報告。虛擬現(xiàn)實技術(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)實技術(shù)優(yōu)勢，美、英、日等國政府及大公司不惜巨資在該領(lǐng)域進行研發(fā)。

我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究起步于20 世紀90 年代初。隨著計算機圖形學(xué)、計算機系統(tǒng)工程等的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到相當?shù)闹匾暋?016 年3 月17 日全國兩會授權(quán)發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中指出：“大力推進先進半導(dǎo)體、機器人、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、精準醫(yī)療、高效儲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)實與互動影視等新興前沿領(lǐng)域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，形成一批新增長點。” “虛擬現(xiàn)實”位列其中，同時，投身于虛擬現(xiàn)實的創(chuàng)業(yè)團隊呈爆發(fā)式增長。有人在展望2020 年重要新興核心科技的發(fā)展時也把虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)列入當前重要的八項新興核心科技（八項新興核心科技如圖1 所示）。

國家廣告研究院等多家機構(gòu)聯(lián)合發(fā)布的《2016 上半年中國VR 用戶行為研究報告》顯示，2016 年上半年國內(nèi)虛擬現(xiàn)實潛在用戶達4.5 億，淺度用戶約為2700 萬，重度用戶約237 萬， 預(yù)計國內(nèi)虛擬現(xiàn)實市場將迎來爆發(fā)式增長。虛擬現(xiàn)實用戶群體以80 后、90 后為主，集中在26 ～ 30 歲之間的85 后，占比達到28.4%，這與年青一族樂于接觸新鮮事物的特點有關(guān)。另外，用戶群體有從北上廣等經(jīng)濟發(fā)達城市逐漸向全國擴散的趨勢。

（二）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的概念、特征和應(yīng)用領(lǐng)域

1. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實，是一種基于多媒體計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)的沉浸式交互環(huán)境。具體地說，就是采用計算機技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺、觸覺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)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。

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

虛擬現(xiàn)實涉及門類眾多的學(xué)科，整合了很多相關(guān)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實是未來科技發(fā)展的方向之一，它可以從人的感覺系統(tǒng)上改變現(xiàn)有的空間感。虛擬現(xiàn)實現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)鏈大致可分為硬件設(shè)計開發(fā)、軟件設(shè)計開發(fā)、資源設(shè)計開發(fā)和資源運營平臺等幾種類別。通過虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)的突破以及“虛擬現(xiàn)實+”的帶動，會產(chǎn)生大量行業(yè)和領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)與移動終端應(yīng)用帶來全新發(fā)展，將會推動許多行業(yè)實現(xiàn)升級換代式的發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實可以應(yīng)用于國防軍事、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、文化娛樂、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 日中央電視臺運用虛擬現(xiàn)實全息技術(shù)直播了“天宮二號”和“神舟十一號”交會對接及其共同建立組合體的過程，采用虛擬追蹤技術(shù)，讓“天宮二號”從大屏幕中“鉆”了出來，通過機位的景別變換，觀眾可以直觀地看到”“天宮二號”的數(shù)據(jù)和設(shè)計細節(jié)，使觀眾身臨其境地全面了解“神舟十一號”“天宮二號”及其組合體內(nèi)部構(gòu)造和控制面板，同時主播文靜還“走進”“天宮二號” 實驗室內(nèi)，逐一向觀眾介紹“天宮二號”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，與傳統(tǒng)的新聞播報相比，電視直播應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)顯得更加生動活潑，視覺沖擊力更強，觀眾感受更直觀。

2. 增強現(xiàn)實技術(shù)

增強現(xiàn)實是在虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興技術(shù)。增強現(xiàn)實技術(shù)基于計算機的顯示與交互、網(wǎng)絡(luò)的跟蹤與定位等技術(shù)，將計算機形成的虛擬信息疊加到現(xiàn)實中的真實場景，以對現(xiàn)實世界進行補充，使人們在視覺、聽覺、觸覺等方面增強對現(xiàn)實世界的體驗。

增強現(xiàn)實具有三大特點，即虛實結(jié)合、實時交互和三維配準。

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

增強現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如在教育領(lǐng)域增強現(xiàn)實可以為學(xué)生呈現(xiàn)全息圖像、虛擬實驗、虛擬環(huán)境等；在旅游業(yè)增強現(xiàn)實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)中增強現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)一鍵試穿，在網(wǎng)上銷售中具有極大的應(yīng)用空間。增強現(xiàn)實在工業(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)實技術(shù)

混合現(xiàn)實（Mixed Reality，簡稱MR）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展，該技術(shù)通過在現(xiàn)實場景呈現(xiàn)虛擬場景信息，在現(xiàn)實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。混合現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合了虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，能夠更好地將增強現(xiàn)實技術(shù)體現(xiàn)出來。

根據(jù)史蒂夫·曼恩的理論，智能硬件最后都會從增強現(xiàn)實技術(shù)逐步向混合現(xiàn)實技術(shù)過渡。混合現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)的區(qū)別在于混合現(xiàn)實技術(shù)通過一個攝像頭讓你看到裸眼都看不到的現(xiàn)實，增強現(xiàn)實技術(shù)只管疊加虛擬環(huán)境而不管現(xiàn)實本身?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)效果如圖6 所示。

4. 擴展現(xiàn)實技術(shù)

擴展現(xiàn)實（Expander Reality， 簡稱ER）是人聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的整合，是虛擬現(xiàn)實發(fā)展的高級階段，虛擬現(xiàn)實發(fā)展到擴展現(xiàn)實階段，現(xiàn)實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)實世界。擴展現(xiàn)實場景如圖8 所示。

5. 虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實、擴展現(xiàn)實的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實、擴展現(xiàn)實四者間的區(qū)別是：虛擬現(xiàn)實的主戰(zhàn)場是“虛擬世界”，人們使用虛擬現(xiàn)實設(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)實是純虛擬數(shù)字畫面；增強現(xiàn)實的主戰(zhàn)場是“現(xiàn)實世界”，人們使用增強現(xiàn)實設(shè)備產(chǎn)生的虛擬信息來提升探索現(xiàn)實世界的能力，具有極強的移動屬性，增強現(xiàn)實是虛擬數(shù)字畫面加上裸眼現(xiàn)實；混合現(xiàn)實是數(shù)字化現(xiàn)實加上虛擬數(shù)字畫面，從概念上來說，混合現(xiàn)實與增強現(xiàn)實更為接近，都是一半現(xiàn)實一半虛擬影像；擴展現(xiàn)實是人聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的整合，是虛擬現(xiàn)實發(fā)展的高級階段，現(xiàn)實和虛擬的邊界將被抹去。

二、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的具體應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用潛力巨大、前景廣闊，主要體現(xiàn)在運用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)具有激發(fā)學(xué)習(xí)動機、創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境、增強學(xué)習(xí)體驗、感受心理沉浸、跨越時空界限、動感交互穿越和跨界知識融合等多方面的優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，能夠為教育工作者提供全新的教學(xué)工具，同時，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣，讓學(xué)生在動手體驗中迸發(fā)出創(chuàng)新的火花。因此虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育行業(yè)是教育技術(shù)發(fā)展的一個新的飛躍， 它營造了自主學(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)生通過新型信息化環(huán)境和工具來獲取知識和技能的新型學(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)實和增強現(xiàn)實設(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)實和增強現(xiàn)實設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用

頭戴式虛擬現(xiàn)實設(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，分為移動虛擬現(xiàn)實頭盔和分體式虛擬現(xiàn)實頭盔。國外有臉譜、谷歌、微軟、三星等公司的虛擬現(xiàn)實頭盔產(chǎn)品，國內(nèi)有微視酷、蟻視、暴風(fēng)魔鏡、中興、樂視、華為、小米等100 多種虛擬現(xiàn)實頭盔產(chǎn)品。結(jié)合國內(nèi)外的研究報告以及目前虛擬現(xiàn)實教育實踐情況，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(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)實設(shè)備體驗學(xué)習(xí)時具有置身真實情境的沉浸式感覺，能給學(xué)生以絕佳的真實體驗， 使人如身臨其境，讓書本中的內(nèi)容可觸摸、可互動、可感知。例如地理學(xué)科講述關(guān)于宇宙太空星際運行的課程時，在現(xiàn)實生活中學(xué)生無法遨游太空，如果戴上頭戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備，就可以讓學(xué)生從各個角度近距離觀察行星、恒星和衛(wèi)星的運行軌跡，觀察每個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行“實地” 考察、體驗星際之旅等。虛擬現(xiàn)實頭戴設(shè)備如圖9 所示。

2016 年，微視酷推出了一款虛擬現(xiàn)實課堂教學(xué)系統(tǒng)，在國內(nèi)具有一定的代表性。該教學(xué)系統(tǒng)由一臺教師用的平板電腦主控端、多套學(xué)生用的虛擬現(xiàn)實眼鏡和IES 教育軟件系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)具備一鍵操控、一鍵統(tǒng)計和一鍵打印功能，教師可根據(jù)教學(xué)進度需求，隨時控制學(xué)生虛擬現(xiàn)實眼鏡教學(xué)內(nèi)容。微視酷開展了“VR 課堂1 工程”計劃，跨越了全國多個省市。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)實示范教學(xué)觀摩課情景如圖11 所示。

虛擬現(xiàn)實把學(xué)生從現(xiàn)實帶到了虛擬世界，虛擬現(xiàn)實技術(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。

頭戴式增強現(xiàn)實裝置代表產(chǎn)品有微軟HoloLens、MagicLeap 和Meta 2 等，均有酷炫的體驗感，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、手機屏幕或者面前的空氣中，這些增強現(xiàn)實設(shè)備應(yīng)用將取代所有的“顯示器和屏幕”。以Ho-loLens 頭戴式增強現(xiàn)實設(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 個攝像頭+ 慣性傳感器+ 環(huán)境光傳感器等）、存儲部分、其他部件（耳機+ 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，不用鍵盤、鼠標和顯示屏幕， 雙手在空氣中操作即可完成現(xiàn)在人們在電腦和手機上的所有操作，懸空操作即可完成機器人的3D 建模設(shè)計任務(wù)，如圖13 所示。

（二）桌面式虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用

桌面式虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實設(shè)備具有代表性的產(chǎn)品是美國zSpace 公司的虛擬現(xiàn)實教育一體機，美國從2013 年開始使用，現(xiàn)在使用的zSpace Z300 為第三代產(chǎn)品。根據(jù)美國最新的《新一代科學(xué)教育標準》， zSpace 開發(fā)出了包含 2 ～12 年級多門學(xué)科的課件， 課件分布在六款軟件之中，教師可采用系統(tǒng)平臺自帶課件實施教學(xué)計劃，也可創(chuàng)造性地自主開發(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。在美國的小學(xué)、中學(xué)和大學(xué)有250 多所學(xué)校上萬名學(xué)生正在使用zSpace STEAM 實驗室課件來進行學(xué)習(xí)。我國的云尚互動公司2015 年年底將zSpace Z300 引入中國，2016 年4 月“智創(chuàng)空間”獲贈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 多人次來體驗學(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)等多個學(xué)科， 課件總數(shù)達440 多個。該平臺還提供課件資源開發(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 課件一樣進行修改和自主開發(fā)能夠在Z300 平臺上運行的課件資源。Z300 平臺的使用方法有兩種：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)實效果；另一種是增加一個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 的增強現(xiàn)實效果。

（三）手持式虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用

手持式增強現(xiàn)實設(shè)備多采用移動設(shè)備與APP 軟件相結(jié)合的方式。APP 有視+AR、AR、4D 書城、幻視、視視AR、尼奧照照等，另外有多種增強現(xiàn)實圖書都有相配套的APP，如《機器人跑出來了》《實驗跑出來了》《恐龍爭霸賽來了》這套“科學(xué)跑出來”系列增強現(xiàn)實科普讀物有iRobotAR、iScienceAR、恐龍爭霸賽來了等多個APP，它們的原理都是采用手機攝像頭獲取現(xiàn)實世界影像，通過手機在現(xiàn)實世界上疊加虛擬形象的形式，實現(xiàn)增強現(xiàn)實的特殊顯示效果。

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APP 與相配套的紙質(zhì)圖書一起使用，用手機攝像頭掃描圖書上的圖片，在手機屏幕上即可呈現(xiàn)出如圖14 的演示效果；另一種使用方法是運用APP 下載增強現(xiàn)實資源并與外界實景疊加即可呈現(xiàn)出如圖15 的演示效果。增強現(xiàn)實特效非常逼真，利用這些APP 進行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程具有真實感、體驗感、沉浸感，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)知識的興趣，可以達到寓教于樂的教學(xué)效果。

三、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢分析

（一）虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了有利條件

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實教學(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)運營平臺、桌面式設(shè)備、移動設(shè)備和紙質(zhì)圖書里，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)實和增強現(xiàn)實教學(xué)資源進行隨時隨地的自主學(xué)習(xí)。如果學(xué)生在課堂上有些知識點未能掌握，可以重新學(xué)習(xí)一遍，增加對知識的鞏固和理解，有時學(xué)生因為特殊原因未能在課堂上學(xué)習(xí)，也可以課后彌補，同時可以將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設(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，有針對性地為學(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)實與增強現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)生提供更加真實的情景

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

（三）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

由于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)具有視覺、聽覺和觸覺一體化的感知效果，學(xué)生具有真實情境體驗、跨越時空界限、動感交互穿越的感受，能身臨其境般在書海里遨游，讓書本中的內(nèi)容可觸摸、可互動、可感知。身臨其境的感受和自然豐富的交互體驗不僅極大地激發(fā)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機，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)的機會，促進了學(xué)生的認知加工過程及知識建構(gòu)過程，有利于實現(xiàn)深層次理解。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式讓很多學(xué)生覺得枯燥乏味， 為了應(yīng)付考試不得不去死記硬背，但很多知識學(xué)生考完之后很快會忘得一干二凈，而采用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(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，生動形象的場景會加強學(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)新知識的不竭動力。

（四）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用能促進優(yōu)質(zhì)資源均衡化

我國幅員遼闊，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)濟發(fā)達地區(qū)無論是軟硬件配置， 教學(xué)師資和教學(xué)資源都非常豐富，而經(jīng)濟落后、地域偏遠的山村學(xué)校學(xué)生連接受最基本的教育都難以實現(xiàn)。各級政府和教育主管部門都在大力推進教育均衡發(fā)展，加大教育投資力度，而虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用將是解決城鄉(xiāng)教育資源不均衡問題的一把金鑰匙，有利于緩解教育資源兩極分化，擴大優(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)達地區(qū)的名教師通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實課堂走進山村學(xué)校，能通過整體優(yōu)化教育資源配置，來縮小城鄉(xiāng)差距，實現(xiàn)教育公平，同時這也是教育扶貧的較佳途徑。

四、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中存在的問題

雖然虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(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、實現(xiàn)教育均衡發(fā)展，但虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展還處在初級應(yīng)用階段，在技術(shù)瓶頸、資源開發(fā)、教學(xué)內(nèi)容和推廣普及等方面還存在很多問題。

（一）虛擬現(xiàn)實設(shè)備應(yīng)用中的眩暈問題

人們在使用虛擬現(xiàn)實設(shè)備時會出現(xiàn)眩暈感，從硬件結(jié)構(gòu)來看，由于現(xiàn)在的科技還無法做到高度還原真實場景，許多用戶使用配置達不到要求的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品時會產(chǎn)生眩暈感；虛擬現(xiàn)實界面中的視覺反差較大，實際運動與大腦運動不能夠正常匹配，影響大腦對所呈現(xiàn)影像的分析和判斷，從而產(chǎn)生眩暈感；虛擬現(xiàn)實設(shè)備的內(nèi)容有相當一部分資源是從PC電腦版上移植過來的，UI 界面不能很好地匹配虛擬現(xiàn)實設(shè)備，不同的系統(tǒng)處理上也無法達到協(xié)調(diào)統(tǒng)一，畫面感光線太強或太弱都不能讓用戶接受；虛擬現(xiàn)實設(shè)備幀間延遲跟不上人的運動，會有微小的延遲感，當感官與幀率不同步時也會讓使用者產(chǎn)生眩暈感。

（二）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中資源短缺

目前虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)剛起步，軟硬件設(shè)施不完備，開發(fā)人員技術(shù)力量不足，很多學(xué)校未配備虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設(shè)備；中小學(xué)校的很多教師還沒有接觸過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實，不知道如何在教學(xué)中應(yīng)用，更談不上如何去開發(fā)虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實教學(xué)資源。因此，針對中小學(xué)教學(xué)所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實資源很少，課程資源短缺是虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實在中小學(xué)推廣的最大瓶頸。但隨著虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的迅猛發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)勢在必行，未來虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用勢必帶來課堂教學(xué)方式的顛覆性改變。

（三）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實教學(xué)平臺和資源的設(shè)計重形式輕內(nèi)容

當前很多虛擬現(xiàn)實教育平臺都只是在一個3D 視頻或虛擬現(xiàn)實軟件游戲的基礎(chǔ)上構(gòu)成虛擬現(xiàn)實教學(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、交流和討論很熱烈，表面上看學(xué)生得到了沉浸式的體驗感，但是有些虛擬現(xiàn)實教育平臺所提供的知識點講解還停留在現(xiàn)實世界中，課本內(nèi)容的單調(diào)、枯燥并沒有因軟件的存在而得到緩解，知識要點的講解沒有變得更加生動、有趣和有針對性，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)實課堂只能稱為“偽虛擬現(xiàn)實課堂”。

（四）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設(shè)備價格較高和技術(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)備銷售量較少，導(dǎo)致多數(shù)虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設(shè)備銷售價格居高不下， 很多學(xué)校因資金問題望而卻步，無力購買售價高昂的虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設(shè)備，進而導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在學(xué)校的推廣普及步履艱難。如zSpace Z300 剛引入我國時每臺售價20 多萬元，微軟的HoloLens 還未上市，公布的預(yù)售價在每臺2 萬元以上，普通頭戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備的價格也在2000 ～ 5000 元之間。大多數(shù)虛擬現(xiàn)實軟件普遍存在語言專業(yè)性較強、通用性較差和易用性差等問題。受硬件局限性的影響，虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)花費巨大且效果有限。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，都有很多問題亟待解決。三維建模技術(shù)也需進一步完善，大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的融合處理等都有待進一步提升。以上諸多原因的存在制約了虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的推廣和普及。

五、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的前景展望

（一）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展對未來教學(xué)形式的影響

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在云計算、霧計算、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能突飛猛進的新時代背景下，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)融合，將會讓虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用如虎添翼。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司的預(yù)測，未來一年里，在以消費者為導(dǎo)向的全球2000 強公司中， 預(yù)計有30% 的企業(yè)將在營銷活動中試驗虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)。2021 年時，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)將獲得大規(guī)模應(yīng)用，全球會有超過10 億人通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實平臺經(jīng)常訪問應(yīng)用程序、內(nèi)容和數(shù)據(jù)［16］。

隨著虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實軟硬件設(shè)備的性能提升和價格降低，會有更多的教育投資公司開發(fā)出更加豐富多彩的教學(xué)資源，讓虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)快速走進中小學(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、虛實結(jié)合、實時交互和三維配準等超級體驗感的優(yōu)勢，教師的教學(xué)方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式都將會發(fā)生改變。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用普及將會顛覆傳統(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)實和增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展對未來教學(xué)效率的提升

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)與教育的結(jié)合，將會提高未來課堂的教學(xué)效率。因為傳統(tǒng)教學(xué)模式是教師面向全班同學(xué)以灌輸式、無差異的方式組織教學(xué)，而采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)將使課堂教學(xué)采用個性化、自主式、體驗式的方式組織教學(xué)，通過因材施教，每一位學(xué)生都可以在虛擬環(huán)境中，個性化地聽老師為自己講課，還能與虛擬環(huán)境中的老師互動交流。傳統(tǒng)課堂為一人講多人聽，而虛擬現(xiàn)實課堂則相當于每個學(xué)生面前都有一位自己的老師。同時增強現(xiàn)實技術(shù)還可以將靜態(tài)的文字、圖片讀物立體化，增加閱讀的互動性、趣味性和真實感，創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實情境，通過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)容變得簡單化，幫助學(xué)生理解和識記抽象的概念。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實作為教育工具應(yīng)用在課堂上，將為學(xué)生展現(xiàn)一個能夠交流互動的虛擬世界，既能滿足學(xué)生的體驗感和好奇心，又能以創(chuàng)新的方式傳授知識，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)實和增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展對未來教學(xué)的創(chuàng)新

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)能為學(xué)生提供多種形式的數(shù)字內(nèi)容和虛實結(jié)合的情景化的學(xué)習(xí)環(huán)境，增強了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的存在感和沉浸感。通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)⑻摂M場景與現(xiàn)實世界相結(jié)合，通過穿越時空的方式進行交流互動，增強了學(xué)生的動手操作能力，提升了學(xué)生的感性認識和真實體驗，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(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)實和增強現(xiàn)實技術(shù)是多種先進技術(shù)的應(yīng)用和多學(xué)科知識的匯聚與融合，是創(chuàng)客教育和STEAM 教育的較佳載體，將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(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)實和增強現(xiàn)實技術(shù)通過主動探索、動手實踐、創(chuàng)新設(shè)計、跨界融合來學(xué)習(xí)新知識和掌握新技能，利用先進的虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)為載體開展創(chuàng)客教育和STEAM 教育，學(xué)生在虛擬與現(xiàn)實交互和時空穿越的過程中通過“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，“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”總體框架正式發(fā)布（如圖16 所示）， 其中實踐創(chuàng)新作為六大綜合表現(xiàn)之一被提出。而虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用正是一種教學(xué)模式的創(chuàng)新，將有助于推動教學(xué)改革的進程，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

人工智能、大數(shù)據(jù)分析與虛擬教育（VR 教育）被稱為影響未來的三大科技創(chuàng)新方向。未來的虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)將結(jié)合更多高新科技元素如人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)和移動技術(shù)等，而隨著虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的發(fā)展前景也將會越來越廣闊。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境帶給我們的不僅僅是一個技術(shù)平臺或工具，更會孕育出一種新型的教學(xué)模式和教學(xué)方法。將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)廣泛地應(yīng)用到課堂教學(xué)中，對于貫徹落實教育部關(guān)于“發(fā)展未來學(xué)校”和“智慧課堂改革”的設(shè)想有重大意義。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)⑻摂M對象與真實環(huán)境相融合，通過其較強的交互性能給學(xué)生帶來更多的學(xué)習(xí)樂趣， 并為學(xué)生提供一種新的學(xué)習(xí)媒體和學(xué)習(xí)體驗，促使學(xué)生在愉悅的狀態(tài)下進行移動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、項目學(xué)習(xí)和創(chuàng)客學(xué)習(xí)。依托虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)為創(chuàng)客教育的載體，能讓學(xué)生通過自主探究、跨界融合、團隊協(xié)作、開拓創(chuàng)新來提升核心素養(yǎng)。讓虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)與教育完美結(jié)合，快速走進中小學(xué)課堂，將為開啟未來教育創(chuàng)新之路做出巨大貢獻。