近年來無論是在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，還是在教育領(lǐng)域，抑或是研究領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)成為當(dāng)之無愧的熱點(diǎn)。各個(gè)行業(yè)都在積極探索如何利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自身的實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變。因此，以虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心的新一代信息技術(shù)能否推動(dòng)甚至顛覆教育的變革，有待我們進(jìn)一步實(shí)踐和研究。

一、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí) （Virtual Realit，簡稱VR） 技術(shù)是指建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，融合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、視聽、多媒體、人工智能等多種交互技術(shù)手段，從而使人們能借助仿真環(huán)境或事物達(dá)到真實(shí)體驗(yàn)的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Realit，簡稱AR）是一個(gè)比較寬泛的概念，不同行業(yè)從業(yè)人員對(duì)其有不同的定義。簡言之，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)給現(xiàn)實(shí)世界增加了一層虛擬信息，使之成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，它可以用來模擬對(duì)象，讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境背景中看到虛擬生成的模型對(duì)象，有時(shí)稱為“混合現(xiàn)實(shí)”。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)調(diào)建構(gòu)場景與“投射”的過程，因此，它側(cè)重于構(gòu)建和創(chuàng)造模式，關(guān)注虛擬場景是否有良好的體驗(yàn)和交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)更關(guān)注復(fù)原人類視覺的功能，不隔離周圍的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，注重虛擬場景與現(xiàn)實(shí)場景的相互“融合”。在教育實(shí)踐中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建合理、夸張或虛幻的 VR 環(huán)境，為學(xué)生帶來想象性、交互性、沉浸性的學(xué)習(xí)體驗(yàn);而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則更加強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程的興趣性、智能性、自主性，從而提升現(xiàn)實(shí)工作、生活或?qū)W習(xí)的思維動(dòng)力和實(shí)踐能力。

二、國內(nèi)虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的研究

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程等技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)闹匾?，引起我國各界人士的興趣和關(guān)注。研究與應(yīng)用VR，建立虛擬環(huán)境，虛擬場景模型分布式VR系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度和廣度發(fā)展。從對(duì)國內(nèi)VR/AR教育行業(yè)的概覽可以看到，近年來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育方面的應(yīng)用越來越多地得以實(shí)現(xiàn)。許多VR公司積極開拓教育領(lǐng)域的市場，如推出沉浸式課堂系統(tǒng)，VR/AR超級(jí)教室等;教育公司引入VR技術(shù)開啟VR全景式教學(xué)，打造一整套中小學(xué)VR實(shí)驗(yàn)室等;互聯(lián)網(wǎng)巨頭、上市公司、傳媒等紛紛布局VR教育，進(jìn)行教育領(lǐng)域應(yīng)用VR技術(shù)的研究，開發(fā)兒童VR教育產(chǎn)品，推出了多學(xué)科VR課件產(chǎn)品。例如廈門創(chuàng)壹軟件推出“100唯爾教育網(wǎng)”，是全國最大的虛擬現(xiàn)實(shí)三維互動(dòng)在線教育云平臺(tái)，擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。其他方面：高校成立VR的各類虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室;早教積極探索應(yīng)用方面的研究和開發(fā);VR/AR教育行業(yè)網(wǎng)站越來越多，人才培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)教育課程體系均有發(fā)展。目前虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究主要有以下幾項(xiàng)成果：虛擬仿真校園、虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬教學(xué)（包括虛擬實(shí)體展示、虛擬漫游、虛擬過程演示、虛擬角色扮演）、虛擬游戲等。成果的研究與應(yīng)用不僅集中在高校教學(xué)，還開始運(yùn)用于基礎(chǔ)教育。小學(xué)科學(xué)課程也呈現(xiàn)出使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)的趨勢。

三、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用

虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有交互性、沉浸性、多感知性和可操作性等優(yōu)勢，可以虛擬教學(xué)情境、教學(xué)實(shí)驗(yàn)以及用于技能訓(xùn)練等，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，讓學(xué)生在安全和可控的環(huán)境中實(shí)踐所學(xué)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者知識(shí)和概念的積極建構(gòu)，從而有效解決教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。科學(xué)教育工作者如果能夠充分發(fā)揮技術(shù)支持，將為教學(xué)帶來以下優(yōu)勢。

（一）為有意義的學(xué)習(xí)建構(gòu)情境

建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)觀非常重視情境的教學(xué)作用，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在一定情境下，通過人與情境之間的協(xié)作、交流，利用必要的信息，主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境最有效的工具。高度逼真的“虛擬真實(shí)”世界，加上交互功能，能讓學(xué)習(xí)者很快融入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并成為系統(tǒng)的一部分，在虛擬場景的三維環(huán)境里進(jìn)行人、物、景的多重交互，體驗(yàn)到與現(xiàn)實(shí)一樣的情境。例如在小學(xué)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容中的天體運(yùn)動(dòng)、巖石的變化、植物的生長、動(dòng)物的生命周期等知識(shí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的場景，學(xué)生能自主決定時(shí)間跨度，決定空間角度，將長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程壓縮，打破空間、時(shí)間對(duì)教學(xué)的限制，消除時(shí)間與空間造成的認(rèn)知阻斷。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生提供了生動(dòng)活潑、直觀形象的思維材料，學(xué)生在與情境作用的過程中處在深度的交互狀態(tài)，由此形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，知識(shí)就在不知不覺中，通過不斷的自我同化與順應(yīng)的過程，逐步建構(gòu)起來，形成有意義的學(xué)習(xí)。

（二）增強(qiáng)對(duì)事物、概念的感知與理解

VR仿真技術(shù)能將抽象、晦澀難懂的知識(shí)以更生動(dòng)、直觀、全面的方式呈現(xiàn)出來，學(xué)生能通過不同的視角觀察，從而增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)事物的理解。AR作為媒介技術(shù)的一種，其本質(zhì)亦是對(duì)人的延伸。利用AR在呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬相融合的內(nèi)容方面的專長，讓虛擬素材的展示更為形象具體，增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)情境的視覺感知能力。例如下載AR卡牌相應(yīng)的專用軟件，使用移動(dòng)設(shè)備掃描AR卡片，即可出現(xiàn)角色的立體圖像，實(shí)現(xiàn)“立體動(dòng)起來”的效果，這能給學(xué)生創(chuàng)設(shè)立體觀察的機(jī)會(huì)。AR書籍包含的內(nèi)容更加豐富，它改變了單純用眼睛去閱讀靜態(tài)的圖畫文字的形式，而擴(kuò)展成視聽等多方位的體驗(yàn)，與虛擬圖像產(chǎn)生“互動(dòng)”，讓靜態(tài)的圖文“活”起來。例如借助“AR人體醫(yī)學(xué)系統(tǒng)”，人體的構(gòu)造就會(huì)直觀地展現(xiàn)到學(xué)生面前，學(xué)生可以按照自己的步調(diào)探究大腦、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等;學(xué)生還可以通過旋轉(zhuǎn)和放大虛擬3D器官以查看詳細(xì)的結(jié)構(gòu)，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間和虛擬3D模型等教學(xué)情境下，就會(huì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的口頭講解或者多媒體演示的教學(xué)方式。AR/VR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)的地理、物理、化學(xué)等領(lǐng)域的教學(xué)中都有用武之地。這種全新的體驗(yàn)方式，會(huì)給學(xué)生帶來超越傳統(tǒng)的感受，不僅有利于知識(shí)吸收，更能讓學(xué)生在趣味性和互動(dòng)性的過程中增強(qiáng)對(duì)概念的理解。

（三）支持課堂內(nèi)外混合式學(xué)習(xí)

依照《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的指導(dǎo)思想，小學(xué)科學(xué)教學(xué)應(yīng)尊重學(xué)生的意愿興趣，以開放的思想和態(tài)度，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生充分掌握身邊的科學(xué)知識(shí)，使他們將所學(xué)的知識(shí)和技能在平時(shí)生活中得以靈活運(yùn)用。顯然，僅憑課堂教學(xué)是滿足不了學(xué)生的求知欲的。將學(xué)生的學(xué)習(xí)置于廣闊的生活背景下，到校園、大自然中去學(xué)習(xí)科學(xué)，豐富他們的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，這是非常重要的舉措。隨著網(wǎng)絡(luò)、平板電腦、智能手機(jī)迅速普及，基于位置信息的移動(dòng)服務(wù)逐漸成為移動(dòng)終端平臺(tái)上的主流應(yīng)用。移動(dòng)AR技術(shù)，逐漸成為正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)相結(jié)合的紐帶。例如基于移動(dòng)終端和AR技術(shù)的科技館展品體驗(yàn)課程，它分為學(xué)校模式和科技館模式，活動(dòng)內(nèi)容分為虛擬和現(xiàn)實(shí)兩種，包括科技館走訪、課程前后的參觀以及課內(nèi)外實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過對(duì)虛擬和傳統(tǒng)科技館的參觀，利用AR技術(shù)將在學(xué)校中所學(xué)到的科學(xué)知識(shí)與之相聯(lián)系，以此增強(qiáng)學(xué)生對(duì)試驗(yàn)、模型等事物的理解，既節(jié)省了時(shí)間又提高了教學(xué)的效率。借助便攜的終端硬件設(shè)備，為學(xué)生帶來難以比擬的真實(shí)感與現(xiàn)場感，使無處不在的合作式和情境式學(xué)習(xí)得到加強(qiáng)。

（四）提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能習(xí)得效果

專為實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求而開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，創(chuàng)造性地應(yīng)用高水平軟件自帶的共享虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)資源，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓展了實(shí)踐領(lǐng)域，還能提高教學(xué)質(zhì)量，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。例如使用仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，簡化了溶液的配置、實(shí)驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備以及實(shí)驗(yàn)裝置的搭建過程，節(jié)約真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中許多簡單重復(fù)操作所浪費(fèi)的時(shí)間，使一些比較枯燥的實(shí)驗(yàn)變得有趣便于掌握;同時(shí)，滿足了學(xué)生在不同時(shí)間、不同場合中進(jìn)行多次模擬訓(xùn)練的需求。對(duì)于那些課堂上無法演示的實(shí)驗(yàn)，不具備條件或難以完成的實(shí)驗(yàn)，如反應(yīng)過程激烈、難以看清現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，在虛擬環(huán)境中可以通過調(diào)節(jié)速度、增強(qiáng)顏色變化、過濾無效干擾信息等，讓學(xué)生節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，集中精力研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本身的特性與規(guī)律，又能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和課堂的教學(xué)效果。基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，遵循虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的原則，相互補(bǔ)充可達(dá)到良好的教學(xué)效果。

（五）提高工程與技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)水平

依據(jù)《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求，小學(xué)生到中年級(jí)的時(shí)候，能夠舉例說出一項(xiàng)工程所運(yùn)用的科學(xué)技術(shù)和原理，應(yīng)該知道工程設(shè)計(jì)的基本步驟，包括明確問題、確定方案、設(shè)計(jì)制作、改進(jìn)完善基本的步驟。在教學(xué)《做框架》《建高塔》《橋的形狀和結(jié)構(gòu)》等內(nèi)容時(shí)，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件更能凸顯其優(yōu)越性。例如，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)，構(gòu)建一個(gè)與實(shí)物同樣的三維物體，展現(xiàn)作品的立體面貌，使學(xué)生能夠全方位地構(gòu)思產(chǎn)品的外形、結(jié)構(gòu)，從各個(gè)方面了解自己的設(shè)計(jì)。借助模型試驗(yàn)，可以進(jìn)行足尺寸的試驗(yàn)，測定其受力性能，還可以很方便地修改參數(shù)，測試結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的反應(yīng)，從而提高設(shè)計(jì)效率，提高作品質(zhì)量。

信息技術(shù)與課程整合應(yīng)用，正在促進(jìn)我國的課程改革，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以改變課程內(nèi)容承載的介質(zhì)，改變呈現(xiàn)形態(tài)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)媒體教學(xué)的一些缺陷;它能給學(xué)生提供一個(gè)全新的學(xué)習(xí)情境，使課程內(nèi)容變得更加豐富多彩。我們應(yīng)該及時(shí)轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，積極探索虛擬技術(shù)在科學(xué)教育中的應(yīng)用，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)理想化教學(xué)。

【名師簡介：高翔，小學(xué)科學(xué)特級(jí)教師，高級(jí)教師，集美大學(xué)教師教育學(xué)院小學(xué)科學(xué)教育客座教授。福建省學(xué)科教學(xué)帶頭人，教育部小學(xué)科學(xué)名師工作室核心成員。出版專著《信息技術(shù)視角：小學(xué)科學(xué)教學(xué)前沿探索》《社會(huì)主義核心價(jià)值觀教育叢書—小學(xué)科學(xué)學(xué)科教育》。】