教育新基建中AR技術(shù)、VR技術(shù)、MR技術(shù)的建設(shè)方向與發(fā)展路徑

教育新基建中AR技術(shù)、VR技術(shù)、MR技術(shù)的建設(shè)方向與發(fā)展路徑摘要：教育新型基礎(chǔ)設(shè)施是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以信息化為主導(dǎo)，面向教育高質(zhì)量發(fā)展需要，聚焦信息網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)體系、數(shù)字資源、智慧校園、創(chuàng)新應(yīng)用、可信安全等方面的新型基礎(chǔ)設(shè)施體系?！疤摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualRealityTechnology，VR）”“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AugmentedReality，AR）”和“混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MixedReality，MR）”，是教育新基建的重要組成部分，也是新一代信息技術(shù)中的終端技術(shù)。本文結(jié)合教育教學(xué)實(shí)踐與技術(shù)發(fā)展前景，探討該技術(shù)在教育教學(xué)應(yīng)用中的建設(shè)方向與發(fā)展路徑。關(guān)鍵詞：AR技術(shù)VR技術(shù)MR技術(shù)基本技術(shù)特征建設(shè)方向發(fā)展路徑2002年9月，教育部科學(xué)技術(shù)司印發(fā)《教育信息化“十五”發(fā)展規(guī)劃（綱要）》，明確指出要“實(shí)現(xiàn)一國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展”“實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化和跨越式發(fā)展”[1]。2012年，教育部印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》的通知，提出要“促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享，推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，實(shí)現(xiàn)教育思想、理念、方法和手段全方位創(chuàng)新，對(duì)于提高教育質(zhì)量、促進(jìn)教育公平、構(gòu)建學(xué)習(xí)型社會(huì)和人力資源強(qiáng)國(guó)”[2]。2021年7月教育部等六部門印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》，明確了“教育新型基礎(chǔ)設(shè)施是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以信息化為主導(dǎo)，面向教育高質(zhì)量發(fā)展需要，聚焦信息網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)體系、數(shù)字資源、智慧校園、創(chuàng)新應(yīng)用、可信安全等方面的新型基礎(chǔ)設(shè)施體系?！辈⒅赋鲆吧钊霊?yīng)用5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)作為新型生產(chǎn)要素的作用，推動(dòng)教育數(shù)字轉(zhuǎn)型?！盵3]“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualRealityTechnology，VR）”“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AugmentedReality，AR）”和“混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MixedReality，MR）”，是教育新基建的重要組成部分，也是新一代信息技術(shù)中的終端技術(shù)。本文結(jié)合教育教學(xué)實(shí)踐與技術(shù)發(fā)展前景，探討該技術(shù)在教育教學(xué)應(yīng)用中的建設(shè)方向與發(fā)展路徑。一、AR技術(shù)、VR技術(shù)、MR技術(shù)的基本技術(shù)特征。（一）AR技術(shù)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AugmentedReality，AR）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)指通過計(jì)算機(jī)生成圖像，從而增強(qiáng)融入現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象，包括虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和3D注冊(cè)3個(gè)特性［4］。AR技術(shù)需要對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景捕捉并識(shí)別，在對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景定義的基礎(chǔ)上添加相關(guān)的文字、圖形、3D模型作為現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的補(bǔ)充，且具備跟蹤、即時(shí)、交互等特性。（二）VR技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualRealityTechnology，VR）VR（VirtualReality）是虛擬現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)稱。狹義的虛擬現(xiàn)實(shí)主要是指通過計(jì)算機(jī)與立體眼鏡、傳感手套等傳感輔助設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使人們得到相應(yīng)的視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺信息，從而建立三維信息的人工環(huán)境，產(chǎn)生逼真的三維現(xiàn)實(shí)感覺[5]。VR技術(shù)是一種沉浸式體驗(yàn)，是一種全覆蓋的視聽媒體，其時(shí)間、地點(diǎn)、人物、以及物理屬性都可以在其環(huán)境內(nèi)重新定義。（三）MR技術(shù)：混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MixedReality，MR）MR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景與真實(shí)世界的無縫融合，借助先進(jìn)的圖像處理技術(shù)和顯示設(shè)備生成具備虛實(shí)融合特征的可視化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)相異時(shí)空?qǐng)鼍暗那度隱6]MR技術(shù)是現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)的子集，與VR、AR在技術(shù)特征、實(shí)現(xiàn)方式等方面有著緊密聯(lián)系，但MR技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)虛擬世界和真實(shí)世界的無縫融合。MR技術(shù)現(xiàn)階段體現(xiàn)于AR技術(shù)與VR技術(shù)的切換互聯(lián)，其技術(shù)本質(zhì)意在重構(gòu)虛擬世界并對(duì)現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生對(duì)應(yīng)關(guān)系。二、AR技術(shù)、VR技術(shù)、MR技術(shù)應(yīng)用于教育的建設(shè)方向與發(fā)展路徑（一）思維框架的跳脫由于以上三類技術(shù)是直接作用于受教育者的媒體技術(shù)，是教育輸出與接收的終端技術(shù)，革命性的改變了現(xiàn)有教育課堂教學(xué)的視聽語言。現(xiàn)階段對(duì)于技術(shù)的討論往往是基于現(xiàn)有教育教學(xué)框架與技術(shù)相適應(yīng)的過程，視技術(shù)作為課程的理解手段，視技術(shù)作為課程的深化路徑，視技術(shù)作為課程的補(bǔ)充優(yōu)化。日常中最常見的飛機(jī)、汽車上的抬頭顯示功能，在現(xiàn)實(shí)中呈現(xiàn)虛擬的儀表、導(dǎo)航、標(biāo)注，就是AR的簡(jiǎn)單應(yīng)用。從技術(shù)難度來講，AR的本質(zhì)就是造物，VR的本質(zhì)就是造界，VR會(huì)把人帶到特定的環(huán)境中，沉浸式的與物交流。所以VR是對(duì)世界全方位的覆蓋，不與現(xiàn)實(shí)發(fā)生互動(dòng)，且可以重新定義物理量與物理概念。MR技術(shù)既是AR與VR的互相補(bǔ)充，也是相互融合，方便與在虛擬世界執(zhí)行現(xiàn)實(shí)行為。當(dāng)5G、物聯(lián)網(wǎng)、元宇宙技術(shù)融合之后，MR就會(huì)成為這類技術(shù)的最終高級(jí)形態(tài)。從古代至近代，人類從來都是學(xué)習(xí)的組織形式從未發(fā)生變化，只是而提升了內(nèi)容的組織形式從而提升學(xué)習(xí)的效率。進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)后有了教室和黑板，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出現(xiàn)了外部媒體介質(zhì)，應(yīng)用留聲機(jī)、磁帶、CD，視頻影像方面，如電視、電腦、投影、智能屏，但是因?yàn)橐暵犘问經(jīng)]有本質(zhì)變化，所以學(xué)習(xí)形式依舊與最初的班級(jí)授課制的授課方式組織形式無異。現(xiàn)在的教育教學(xué)形式依舊是學(xué)生抬頭看，老師黑板講或者是現(xiàn)在的學(xué)生抬頭看老師大屏幕。以上的教育新技術(shù)，能從根本上改變了課堂的視聽語言和信息的接收方式，生產(chǎn)力的發(fā)展提升的生產(chǎn)效率，作為先進(jìn)生產(chǎn)力的出現(xiàn)帶動(dòng)生產(chǎn)效率的大幅提升，同時(shí)會(huì)孕育新的生產(chǎn)關(guān)系，從而必將影響到生產(chǎn)的組織形式，或者受到現(xiàn)有組織形式的制約。所以本文將跳脫現(xiàn)有學(xué)校組織形式，課堂授課形式的框架下開展廣泛的討論。（二）AR技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)常見于是在現(xiàn)實(shí)中去創(chuàng)造物體模型展示，其大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景通過智能移動(dòng)設(shè)備展示，現(xiàn)階段應(yīng)用更為廣泛與便利。其更適用于3D立體模型的展示，如地理中的地球、數(shù)學(xué)中的立體幾何、歷史中的戰(zhàn)爭(zhēng)沙盤。AR技術(shù)也可以做平面展示，播放視頻與圖片和文字注釋，比如在課本中插入知識(shí)視頻、電焊教學(xué)中標(biāo)注焊接的位置、醫(yī)學(xué)教育中標(biāo)注人體的器官。課堂中，不與產(chǎn)生實(shí)物互動(dòng)關(guān)系的視頻和圖片的展示以及教師需要語言動(dòng)作配合的講評(píng)，均不適合AR技術(shù)呈現(xiàn)，應(yīng)選擇大屏幕。AR技術(shù)在視頻圖片文字等2D媒體現(xiàn)實(shí)的案例中，需要與實(shí)物環(huán)境信息相結(jié)合才具備不可替代性，比如，數(shù)學(xué)中的勾股定理利用AR技術(shù)展示與大屏幕展示和課本黑板展示并無任何視聽信息的增量，徒增設(shè)備反而干擾教學(xué)。AR技術(shù)適用于實(shí)物操作中對(duì)實(shí)物的標(biāo)注，而不適用于對(duì)虛擬模型的操作，技術(shù)上不如VR容易實(shí)現(xiàn)也不如VR必要性強(qiáng)，比如對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬拆解，利用AR技術(shù)定位發(fā)動(dòng)機(jī)和人手，并建立關(guān)系設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)且始終與現(xiàn)實(shí)環(huán)境保持合理的映射對(duì)照，運(yùn)算量巨大且冗余無意義，應(yīng)使用VR技術(shù)開發(fā)虛擬環(huán)境中的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過手柄定位完成拆解步驟和零部件的認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)。所以AR技術(shù)的特征并不適用于所有科目的所有課程，不是一個(gè)適合在全領(lǐng)域開展的技術(shù)。AR技術(shù)呈現(xiàn)重視與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的信息互動(dòng)，而其呈現(xiàn)物與人的互動(dòng)精確度極低，所以作用于虛擬呈現(xiàn)物的精細(xì)操作類練習(xí)模擬實(shí)踐，不宜采用AR技術(shù)教育的形式，但作用于實(shí)際實(shí)物的操作利用AR技術(shù)輔助指導(dǎo)，是普遍共識(shí)的開發(fā)路徑。AR技術(shù)同樣不適用于一些感知類的課程，比如正方體的認(rèn)識(shí)中需要我們?nèi)ッ狻⒔?、面，通過觸覺去感知的課程環(huán)節(jié)都不適用，但是它也是對(duì)實(shí)物教學(xué)的最好替代，最佳模擬。換一個(gè)環(huán)境思考，在居家學(xué)習(xí)和疫情隔離以及其他的脫離學(xué)校班級(jí)授課環(huán)境的情況，AR既是立體沙盤及3D幾何實(shí)物類課程的必要技術(shù)，也是一切實(shí)物教學(xué)課程實(shí)驗(yàn)課程的完美替代，AR技術(shù)方便低成本的優(yōu)勢(shì)得以展現(xiàn)。AR中圖片、文字、和視頻呈現(xiàn)，也使得我們的在非學(xué)校環(huán)境學(xué)習(xí)中脫離二維碼，能夠直接掃描課本，產(chǎn)生對(duì)課本的直接觸發(fā)，彈出圖片資源和視頻資源產(chǎn)生互動(dòng)聯(lián)系。AR技術(shù)不僅內(nèi)容上不是全領(lǐng)域覆蓋，課堂上也應(yīng)作為課程中的某一個(gè)環(huán)節(jié)存在，本身不具備過多內(nèi)容的延展性，只是單純的模型構(gòu)造以及模型與實(shí)物的關(guān)系，模型的動(dòng)態(tài)與組合。綜上所述，AR技術(shù)的發(fā)展方向，在現(xiàn)有的課程中找到其對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)，打造其對(duì)應(yīng)的模型，建模其對(duì)應(yīng)的AR建模資源，AI建模資源，并使多媒體并使課本與圖片影音等多媒體資源直接相關(guān)聯(lián)，從而在課堂教學(xué)中優(yōu)化課堂提升效率。在居家學(xué)習(xí)中全領(lǐng)域全覆蓋，全替代。在設(shè)備層面，在設(shè)備層面做到軟件互通，模塊互認(rèn)，模型互認(rèn)，建模與建模資源與讀取軟件打破壟斷，打破綁定壟斷關(guān)系，自由結(jié)合，硬件上增強(qiáng)與手機(jī)平板的兼容度，并并早日脫離手機(jī)平板，直接作用于視覺環(huán)境或是人眼，直接作用于人眼視覺。（三）VR技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)VR技術(shù)適用于脫離現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)虛擬環(huán)境的認(rèn)識(shí)和對(duì)虛擬實(shí)體的操作。VR技術(shù)的特征可以做到全課程全領(lǐng)域覆蓋，現(xiàn)階段VR技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化程度不高，5G技術(shù)結(jié)合后應(yīng)利用VR構(gòu)造我們的教育元宇宙，打破學(xué)校的地理概念，打破學(xué)校的邊界。重新定義組織形式，我們現(xiàn)有的自然班的人數(shù)放到VR班中是否合理？我們自然班中學(xué)生的來源是否還有必要在同一個(gè)片區(qū)內(nèi)，我們的師生是否還要在同一個(gè)場(chǎng)所內(nèi)？AR技術(shù)可以助力教育公平的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)授課、跨地區(qū)學(xué)習(xí)。在VR教室里，通過5G提升帶寬，使新疆的同學(xué)可以跟江蘇同學(xué)一起到北京的教室聽課。而應(yīng)用VR技術(shù)的只在課程中的某一個(gè)環(huán)節(jié)、某一個(gè)局部其技術(shù)潛力實(shí)被埋沒?，F(xiàn)階段VR教育的發(fā)展大多是為了VR而用上VR，其強(qiáng)大的構(gòu)造能力和沉浸式體驗(yàn)也在使用，但真正恰如其分的案例不多。比如，可以利用VR技術(shù)在太陽系中翱翔，也可以看著朱自清父親的背影翻過月臺(tái)，也可以在莫比烏斯帶上一圈一圈的奔跑。不過，像這樣一個(gè)能夠?qū)σ曈X和聽覺全覆蓋的技術(shù)，我們?yōu)槭裁催€要摘下眼鏡？我們?cè)赩R的世界元宇宙中，學(xué)生、教師應(yīng)該有虛擬形象，學(xué)校也該有學(xué)校的虛擬形象，以學(xué)習(xí)的全時(shí)空沉浸為技術(shù)目標(biāo)，現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展只是在VR技術(shù)的門口徘徊，沒有真正的建立一個(gè)開放的VR世界或者VR宇宙。（四）MR技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)MR技術(shù)是AR技術(shù)與VR技術(shù)的融合，現(xiàn)階段更多是“組合”并非“融合”，學(xué)?？梢越ㄔO(shè)與現(xiàn)有的學(xué)校平行的虛擬學(xué)校，學(xué)校即為一種教育教學(xué)的組織，形成一個(gè)由MR技術(shù)重構(gòu)的學(xué)校形式，利用居家學(xué)習(xí)或課后服務(wù)等形式，使學(xué)校的學(xué)生與老師重新組合，自由結(jié)合。比如，同一個(gè)班內(nèi)的學(xué)生可以真實(shí)到學(xué)校，也可以利用MR投射到學(xué)校參與同樣的課堂體驗(yàn)，MR學(xué)生可以來自居家隔離、邊遠(yuǎn)山區(qū)、國(guó)內(nèi)國(guó)外。三、AR技術(shù)、VR技術(shù)、MR技術(shù)應(yīng)用于教育的建設(shè)發(fā)展的技術(shù)問題?，F(xiàn)有設(shè)備對(duì)于其技術(shù)的發(fā)展?jié)摿τ芯薮蟮闹萍s，首要制約作用的是視覺延遲依舊過高，視覺空間較窄，跟蹤刷新率較低，會(huì)出現(xiàn)眩暈等身體不適。反過來說，就像暈車一樣，技術(shù)發(fā)展會(huì)改善體驗(yàn)，技術(shù)不能發(fā)展則人類會(huì)適應(yīng)新的環(huán)境。沉浸技術(shù)只有突破視覺顯示技術(shù)，才能夠突破疲勞上線，甚至可以保護(hù)視力。VR設(shè)備要進(jìn)行減重，現(xiàn)在的設(shè)備根據(jù)人體結(jié)構(gòu)頸部肌肉不適宜長(zhǎng)時(shí)期佩戴，不能減重的VR設(shè)備是不能像眼鏡、口罩、耳機(jī)一樣惠及全人類的。過重的VR設(shè)備對(duì)于課程的影響是毀滅性的。降低舒適度和用戶體驗(yàn)，甚至為用戶帶來困擾是硬件設(shè)計(jì)中的最大問題。對(duì)智能眼鏡的定義應(yīng)該把它從智能移動(dòng)終端變成一個(gè)視覺實(shí)現(xiàn)端，其沒有必要在頭戴設(shè)備上安裝大量的硬件，更多的只需要把信息傳輸，并通過視覺與人對(duì)接?，F(xiàn)時(shí)代的屏幕設(shè)備是可以滿足輕便的需求的，也不會(huì)產(chǎn)生高昂的價(jià)格。更多的硬件放到我們的信息終端設(shè)備上，可以是移動(dòng)設(shè)備通過5G連接，也可以是主機(jī)類似的設(shè)備，最終把智能終端與智能眼鏡設(shè)備相分離。電池可以采取有線供電的方式，考慮到使用者的使用安全的關(guān)系，以及產(chǎn)品使用體驗(yàn)，要盡力做到無線，而室內(nèi)的無線充電已經(jīng)是幾年前的技術(shù)，在未來5G環(huán)境中大可放心的信息傳輸，現(xiàn)階段可以以線路的方式去連接。或者改變思路，把VR設(shè)備的重量從頭帶集中到腰部或者身體的其他部位，做成分離合的形式，只有充分的考慮到使用者的疲憊度，才能夠保證課堂虛擬現(xiàn)實(shí)多媒體環(huán)境的充分實(shí)現(xiàn)。信息處理和智能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算終端，我們以有線連接、分離式、或5G的方式就可以實(shí)現(xiàn)，這些都是現(xiàn)階段可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)水平。關(guān)于電池方面也是一樣，能量傳輸跟信息傳輸其實(shí)沒有本質(zhì)區(qū)別。電能同樣可以通過有線的方式或者電池放在分離盒的方式，來實(shí)現(xiàn)減輕頭部壓力，增加用戶體驗(yàn)，提升用戶體驗(yàn)。也可以針對(duì)性的開發(fā)我們的無線充電技術(shù)。在特定的教室房間內(nèi)開發(fā)無線充電環(huán)境，當(dāng)VR設(shè)備的佩戴者進(jìn)入環(huán)境，VR設(shè)備就可以進(jìn)行自動(dòng)充電，信息傳輸。按照以上思路打造智慧教室，把我們的使用環(huán)境放到學(xué)校教育或者居家學(xué)習(xí)中，做到以學(xué)校教育或者居家學(xué)習(xí)為主體可以犧牲設(shè)備的移動(dòng)性便利性，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的靈活性。技術(shù)的發(fā)展首要任務(wù)是技術(shù)革新，改變視聽環(huán)境，改變?cè)O(shè)備參數(shù)，其次是改變思路，構(gòu)造源，宇宙擁抱大數(shù)據(jù)，再次是還原我們的課堂教學(xué)中的關(guān)鍵場(chǎng)景，其他非必要還原的形式，即可以為教師提供相關(guān)的要素，由教師在開放環(huán)境中去組合拼接。為教師不能只提供教學(xué)用的課件，不能只提供已完成的不可修改的課件，要提供一個(gè)能夠制作課件的工具，就像現(xiàn)在的PPT、WPS。MR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)一定基于智能眼鏡時(shí)代的到來，現(xiàn)在有技術(shù)產(chǎn)生，并不是技術(shù)實(shí)現(xiàn)，更不是技術(shù)完整應(yīng)用的一個(gè)樣態(tài)。如果說關(guān)于VR的元宇宙的發(fā)展途徑，受技術(shù)影響無法實(shí)行，那么MR將會(huì)成為不改變現(xiàn)有教育教學(xué)形式樣態(tài)的最優(yōu)解，MR技術(shù)發(fā)展應(yīng)更多的考慮與現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)，以及學(xué)生數(shù)據(jù)的收集?？傊?，在信息化時(shí)代，AR、VR、MR技術(shù)作為一種新事物具有不可小覷的力量。眾多的研究