增強現實技術的應用分析

增強現實技術，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，是把原本在現實世界的一定時間空間範圍內很難體驗到的實體信息（視覺信息，聲音，味道，觸覺等），通過電腦等科學技術，模擬仿真後再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。真實的環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。

增強現實技術，不僅展現了真實世界的信息，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。

增強現實技術包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及註冊、場景融合等新技術與新手段。增強現實提供了在一般情況下，不同於人類可以感知的信息。

AR系統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技術可廣泛應用到軍事、醫療、建築、教育、工程、影視、娛樂等領域。

AR技術不僅在與VR技術相類似的應用領域，諸如尖端武器、飛行器的研製與開發、數據模型的可視化、虛擬訓練、娛樂與藝術等領域具有廣泛的應用，而且由於其具有能夠對真實環境進行增強顯示輸出的特性，在醫療研究與解剖訓練、精密儀器製造和維修、軍用飛機導航、工程設計和遠程機器人控制等領域，具有比VR技術更加明顯的優勢。

生活中的AR

* 醫療領域：醫生可以利用增強現實技術，輕易地進行手術部位的精確定位。

* 軍事領域：部隊可以利用增強現實技術，進行方位的識別，獲得實時所在地點的地理數據等重要軍事數據。

* 古蹟復原和數字化文化遺產保護：文化古蹟的信息以增強現實的方式提供給參觀者，用戶不僅可以通過HMD看到古蹟的文字解說，還能看到遺址上殘缺部分的虛擬重構。

* 工業維修領域：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、被維修設備的內部結構、被維修設備零件圖等。

*網絡視頻通訊領域：該系統使用增強現實和人臉跟蹤技術，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。

* 電視轉播領域：通過增強現實技術可以在轉播體育比賽的時候實時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、遊戲領域：增強現實遊戲可以讓位於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，進行網絡對戰。

* 旅遊、展覽領域：人們在瀏覽、參觀的同時，通過增強現實技術將接收到途經建築的相關資料，觀看展品的相關數據資料。

* 市政建設規劃：採用增強現實技術將規劃效果疊加真實場景中以直接獲得規劃的效果。

國內比較權威的增強現實學者是北京理工大學光電工程系的王湧天教授

國內首次將這項技術應用到普通生活中，是在蘋果的AppStore上發佈的一款免費的叫作出行百科（增強現實版）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，並且是跨越不同的設備上獲得-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裡，並且可以依據人們最為簡便的方式隨意的記錄下你某一時刻突然迸發出的靈感。

一、虛擬現實和增強現實技術的起源、概念和應用領域

（一）虛擬現實和增強現實技術的起源

2016 年被業界稱為“虛擬現實元年”，可能有人會誤認為這項技術是近年來才發展起來的新技術。其實不然，虛擬現實（VirtualReality，簡稱VR）技術最早起源於美國，1965 年虛擬現實之父伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）在國際信息處理聯合會（IFIP） 會議上發表的一篇名為《終極的顯示》的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統的基本思想，描述的就是我們現在熟悉的“虛擬現實”，早在虛擬現實技術研究的初期， 蘇澤蘭就在其“達摩克利斯之劍”系統中實現了三維立體顯示。增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）是指在真實環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頭戴式顯示器的研究中引入的。

1966 年美國麻省理工學院（MIT）的林肯實驗室正式開始了頭戴式顯示器（HMD）的研製工作。在這第一個頭戴式顯示器的樣機完成不久，研製者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統中。1970 年，出現了第一個功能較齊全的頭戴式顯示器系統。1989 年， VPL 公司的Jaron Lanier 提出用“Virtual Reality” 來表示虛擬現實一詞，並且把虛擬現實技術開發為商品，推動了虛擬現實技術的發展和應用。虛擬現實技術興起於20 世紀90 年代。

2000 年以後，虛擬現實技術在整合發展中引入了XML、JAVA 等先進技術，應用強大的3D計算能力和交互式技術，提高渲染質量和傳輸速度，進入了嶄新的發展時代。虛擬現實技術是經濟和社會生產力發展的產物，有著廣闊的應用前景。2008 年2 月，美國國家工程院（NAE）公佈了一份題為“21 世紀工程學面臨的14 項重大挑戰”的報告。虛擬現實技術是其中之一，與新能源、潔淨水、新藥物等技術相併列。為了獲得虛擬現實技術優勢，美、英、日等國政府及大公司不惜巨資在該領域進行研發。

我國虛擬現實技術的研究起步於20 世紀90 年代初。隨著計算機圖形學、計算機系統工程等的高速發展，虛擬現實技術得到相當的重視。2016 年3 月17 日全國兩會授權發佈的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中指出：“大力推進先進半導體、機器人、增材製造、智能系統、新一代航空裝備、空間技術綜合服務系統、智能交通、精準醫療、高效儲能與分佈式能源系統、智能材料、高效節能環保、虛擬現實與互動影視等新興前沿領域創新和產業化，形成一批新增長點。” “虛擬現實”位列其中，同時，投身於虛擬現實的創業團隊呈爆發式增長。有人在展望2020 年重要新興核心科技的發展時也把虛擬現實和增強現實技術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聯合發佈的《2016 上半年中國VR 用戶行為研究報告》顯示，2016 年上半年國內虛擬現實潛在用戶達4.5 億，淺度用戶約為2700 萬，重度用戶約237 萬， 預計國內虛擬現實市場將迎來爆發式增長。虛擬現實用戶群體以80 後、90 後為主，集中在26 ～ 30 歲之間的85 後，佔比達到28.4%，這與年青一族樂於接觸新鮮事物的特點有關。另外，用戶群體有從北上廣等經濟發達城市逐漸向全國擴散的趨勢。

（二）虛擬現實和增強現實的概念、特徵和應用領域

1. 虛擬現實技術

虛擬現實，是一種基於多媒體計算機技術、傳感技術、仿真技術的沉浸式交互環境。具體地說，就是採用計算機技術生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定範圍的虛擬環境，用戶藉助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生親臨等同真實環境的感受和體驗。

虛擬現實具有3I 特性，即沉浸性（Immersion）、交互性（InteracTIon）、構想性（ImaginaTIon），是一個學科高度綜合交叉的科學技術領域。虛擬現實與人工智能 （AI） 技術及其他相關領域技術結合，將會使其還具有智能（Intelligent） 和自我演進演化（EvoluTIon） 特徵。頭戴式虛擬現實設備如圖2 所示。

虛擬現實涉及門類眾多的學科，整合了很多相關技術。虛擬現實是未來科技發展的方向之一，它可以從人的感覺系統上改變現有的空間感。虛擬現實現有的產業鏈大致可分為硬件設計開發、軟件設計開發、資源設計開發和資源運營平臺等幾種類別。通過虛擬現實關鍵技術的突破以及“虛擬現實+”的帶動，會產生大量行業和領域的虛擬現實應用系統，為網絡與移動終端應用帶來全新發展，將會推動許多行業實現升級換代式的發展。

虛擬現實可以應用於國防軍事、航空航天、智慧城市、裝備製造、教育培訓、醫療健康、商務消費、文化娛樂、公共安全、社交生活、休閒旅遊、電視直播等領域中。如2016 年10 月17 日中央電視臺運用虛擬現實全息技術直播了“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，採用虛擬追蹤技術，讓“天宮二號”從大屏幕中“鑽”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”的數據和設計細節，使觀眾身臨其境地全面瞭解“神舟十一號”“天宮二號”及其組合體內部構造和控制面板，同時主播文靜還“走進”“天宮二號” 實驗室內，逐一向觀眾介紹“天宮二號”的內部結構信息，與傳統的新聞播報相比，電視直播應用虛擬現實技術顯得更加生動活潑，視覺衝擊力更強，觀眾感受更直觀。

2. 增強現實技術

增強現實是在虛擬現實的基礎上發展起來的一種新興技術。增強現實技術基於計算機的顯示與交互、網絡的跟蹤與定位等技術，將計算機形成的虛擬信息疊加到現實中的真實場景，以對現實世界進行補充，使人們在視覺、聽覺、觸覺等方面增強對現實世界的體驗。

增強現實具有三大特點，即虛實結合、實時交互和三維配準。

增強現實具有三種呈現顯示方式，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）。增強現實智能眼鏡如圖4 所示。

增強現實的應用領域非常廣泛。如在教育領域增強現實可以為學生呈現全息圖像、虛擬實驗、虛擬環境等；在旅遊業增強現實可以幫助遊客自助遊玩景區，以虛擬影像的形式為遊客講解景區概況、發展歷史、人文景觀等內容；在零售業中增強現實技術可以實現一鍵試穿，在網上銷售中具有極大的應用空間。增強現實在工業、醫療、軍事、市政、電視、遊戲、展覽等領域都表現出了良好的應用前景。

3. 混合現實技術

混合現實（Mixed Reality，簡稱MR）是虛擬現實技術的進一步發展，該技術通過在現實場景呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息迴路，以增強用戶體驗的真實感。混合現實技術結合了虛擬現實技術與增強現實技術的優勢，能夠更好地將增強現實技術體現出來。

根據史蒂夫·曼恩的理論，智能硬件最後都會從增強現實技術逐步向混合現實技術過渡。混合現實技術和增強現實技術的區別在於混合現實技術通過一個攝像頭讓你看到裸眼都看不到的現實，增強現實技術只管疊加虛擬環境而不管現實本身。混合現實技術效果如圖6 所示。

4. 擴展現實技術

擴展現實（Expander Reality， 簡稱ER）是人聯網和物聯網的整合，是虛擬現實發展的高級階段，虛擬現實發展到擴展現實階段，現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實世界。擴展現實場景如圖8 所示。

5. 虛擬現實、增強現實、混合現實、擴展現實的區別

虛擬現實、增強現實、混合現實、擴展現實四者間的區別是：虛擬現實的主戰場是“虛擬世界”，人們使用虛擬現實設備探索人為因素所建立的虛擬世界，追求沉浸感，虛擬現實是純虛擬數字畫面；增強現實的主戰場是“現實世界”，人們使用增強現實設備產生的虛擬信息來提升探索現實世界的能力，具有極強的移動屬性，增強現實是虛擬數字畫面加上裸眼現實；混合現實是數字化現實加上虛擬數字畫面，從概念上來說，混合現實與增強現實更為接近，都是一半現實一半虛擬影像；擴展現實是人聯網和物聯網的整合，是虛擬現實發展的高級階段，現實和虛擬的邊界將被抹去。

二、虛擬現實和增強現實技術在教學中的具體應用

虛擬現實和增強現實技術在教學中的應用潛力巨大、前景廣闊，主要體現在運用虛擬現實和增強現實技術具有激發學習動機、創設學習情境、增強學習體驗、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勢。虛擬現實和增強現實技術的應用，能夠為教育工作者提供全新的教學工具，同時，能激發學生學習新知識的興趣，讓學生在動手體驗中迸發出創新的火花。因此虛擬現實和增強現實技術應用於教育行業是教育技術發展的一個新的飛躍， 它營造了自主學習的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式演變為學生通過新型信息化環境和工具來獲取知識和技能的新型學習方式，符合新一輪教學改革的教育理念，有助於學生核心素養的培養。虛擬現實和增強現實設備有多種，這裡分別介紹各種設備在教學中的具體應用。

（一）頭戴式虛擬現實和增強現實設備在教學中的應用

頭戴式虛擬現實設備一般包含頭戴式顯示器、位置跟蹤器、數據手套和其他設備等，分為移動虛擬現實頭盔和分體式虛擬現實頭盔。國外有臉譜、谷歌、微軟、三星等公司的虛擬現實頭盔產品，國內有微視酷、蟻視、暴風魔鏡、中興、樂視、

學生使用頭戴式虛擬現實設備體驗學習時具有置身真實情境的沉浸式感覺，能給學生以絕佳的真實體驗， 使人如身臨其境，讓書本中的內容可觸摸、可互動、可感知。例如地理學科講述關於宇宙太空星際運行的課程時，在現實生活中學生無法遨遊太空，如果戴上頭戴式虛擬現實設備，就可以讓學生從各個角度近距離觀察行星、恆星和衛星的運行軌跡，觀察每個星球的地表形狀和內部結構，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。虛擬現實頭戴設備如圖9 所示。

2016 年，微視酷推出了一款虛擬現實課堂教學系統，在國內具有一定的代表性。該教學系統由一臺教師用的平板電腦主控端、多套學生用的虛擬現實眼鏡和IES 教育軟件系統構成。系統具備一鍵操控、一鍵統計和一鍵打印功能，教師可根據教學進度需求，隨時控制學生虛擬現實眼鏡教學內容。微視酷開展了“VR 課堂1 工程”計劃，跨越了全國多個省市。其中在陝西省榆林市高新小學呈現的“神奇星球在哪裡”虛擬現實示範教學觀摩課情景如圖11 所示。

虛擬現實把學生從現實帶到了虛擬世界，虛擬現實技術讓學生成了一名宇航員，讓學生看到了許多平常看不到的東西，與傳統的課堂相比，虛擬現實課堂讓學生獲得身臨其境的感受，有利於學生髮揮想象力，能更直觀地呈現授課內容，提高學生學習的積極性。

頭戴式增強現實裝置代表產品有微軟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牆上、手機屏幕或者面前的空氣中，這些增強現實設備應用將取代所有的“顯示器和屏幕”。以Ho-loLens 頭戴式增強現實設備為例（如圖12 所示），其主要硬件由全息處理單元（CPU+GPU+HPU）、光學投影系統（Lcos 微投影儀+ 光導透明全息透鏡）、攝像頭與傳感器部分（6 個攝像頭+ 慣性傳感器+ 環境光傳感器等）、存儲部分、其他部件（耳機+ 麥克風+ 電池+ 結構件）等組成。

學生在使用HoloLens 後， 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 建模設計任務，如圖13 所示。

（二）桌面式虛擬現實與增強現實設備在教學中的應用

桌面式虛擬現實與增強現實設備具有代表性的產品是美國zSpace 公司的虛擬現實教育一體機，美國從2013 年開始使用，現在使用的zSpace Z300 為第三代產品。根據美國最新的《新一代科學教育標準》， zSpace 開發出了包含 2 ～12 年級多門學科的課件， 課件分佈在六款軟件之中，教師可採用系統平臺自帶課件實施教學計劃，也可創造性地自主開發新課件。zSpace 不僅可以成為教學工具，還為學生、老師提供了豐富的素材資源。在美國的小學、中學和大學有250 多所學校上萬名學生正在使用zSpace STEAM 實驗室課件來進行學習。我國的雲尚互動公司2015 年年底將zSpace Z300 引入中國，2016 年4 月“智創空間”獲贈6 套該設備用於創客教育和STEAM教育的推廣普及， 至今共有2700 多人次來體驗學習。

zSpaceZ300 的內容覆蓋了小學、初中和高中的生命科學、數學、物理、化學、歷史、地理、地球與空間科學、藝術等多個學科， 課件總數達440 多個。該平臺還提供課件資源開發系統， 教師可以根據需要將stl、obj 等格式的3D 模型文件導入系統，同時可以加入文本、圖片、聲音和視頻文件，教師可以像製作PPT 課件一樣進行修改和自主開發能夠在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 設備的3D 影像疊加投射到平板電腦上即可呈現出裸眼3D 的增強現實效果。

（三）手持式虛擬現實與增強現實設備在教學中的應用

手持式增強現實設備多采用移動設備與APP 軟件相結合的方式。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“科學跑出來”系列增強現實科普讀物有iRobotAR、iScienceAR、恐龍爭霸賽來了等多個APP，它們的原理都是採用手機攝像頭獲取現實世界影像，通過手機在現實世界上疊加虛擬形象的形式，實現增強現實的特殊顯示效果。

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、益智遊戲等，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 下載增強現實資源並與外界實景疊加即可呈現出如圖15 的演示效果。增強現實特效非常逼真，利用這些APP 進行學習，學習過程具有真實感、體驗感、沉浸感，增強了學生學習知識的興趣，可以達到寓教於樂的教學效果。

三、虛擬現實與增強現實技術在教學中應用的優勢分析

（一）虛擬現實與增強現實技術為學生自主學習提供了有利條件

虛擬現實和增強現實教學資源存在形式多種多樣， 根據採用的設備不同，可以將教學資源保存在網絡運營平臺、桌面式設備、移動設備和紙質圖書裡，學生可以在不同的地方採用不同的設備調用虛擬現實和增強現實教學資源進行隨時隨地的自主學習。如果學生在課堂上有些知識點未能掌握，可以重新學習一遍，增加對知識的鞏固和理解，有時學生因為特殊原因未能在課堂上學習，也可以課後彌補，同時可以將虛擬現實和增強現實設備作為載體採用“翻轉課堂”或“微課導學”教學模式組織教學，為學生提供自主學習條件，教師也可以從繁重的重複性講解中解脫出來，有針對性地為學生答疑解惑，有助於傳統教學方式的變革。

（二）虛擬現實與增強現實技術為學生提供更加真實的情景

在傳統的教學課堂上，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。遇到比較複雜的情況，比如數學課的立體幾何、地理課的天體運動、物理課的磁力線和電力線、化學課的微觀粒子結構、生物課的細胞結構等，教師用語言很難把這些知識點表達得非常清晰，同時由於每個學生的理解力不同，教學效果也會因人而異，甚至初次學習這些知識的學生會得到“盲人摸象”般的感受。而採用虛擬現實和增強現實技術組織教學，三維立體效果的呈現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出來，讓學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生對知識的理解和記憶，使學生的想象變得更加豐富。

（三）虛擬現實和增強現實技術能提高學生的學習興趣

由於虛擬現實和增強現實技術具有視覺、聽覺和觸覺一體化的感知效果，學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遊，讓書本中的內容可觸摸、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了學習者的學習動機，更給學習者提供了大量親身觀察、操作以及與他人合作學習的機會，促進了學生的認知加工過程及知識建構過程，有利於實現深層次理解。傳統的學習方式讓很多學生覺得枯燥乏味， 為了應付考試不得不去死記硬背，但很多知識學生考完之後很快會忘得一乾二淨，而採用虛擬現實和增強現實技術組織教學，新穎的學習方式和豐富多彩的學習內容能夠極大地提升課堂教學的趣味性，生動形象的場景會加強學生的記憶，激發學生的學習興趣。“興趣是最好的老師”，興趣也是學生學習新知識的不竭動力。

（四）虛擬現實和增強現實技術應用能促進優質資源均衡化

我國幅員遼闊，地區之間貧富差距較大，存在教學資源分配不均的情況。經濟發達地區無論是軟硬件配置， 教學師資和教學資源都非常豐富，而經濟落後、地域偏遠的山村學校學生連接受最基本的教育都難以實現。各級政府和教育主管部門都在大力推進教育均衡發展，加大教育投資力度，而虛擬現實和增強現實技術應用將是解決城鄉教育資源不均衡問題的一把金鑰匙，有利於緩解教育資源兩極分化，擴大優質資源的分享範圍，能讓教育資源不再受限於地區和學校，讓教育發達地區的名教師通過虛擬現實和增強現實課堂走進山村學校，能通過整體優化教育資源配置，來縮小城鄉差距，實現教育公平，同時這也是教育扶貧的較佳途徑。

四、虛擬現實和增強現實技術在教學應用中存在的問題

雖然虛擬現實和增強現實技術在教學中的應用可以改變傳統的教學方式、提高學習興趣、實現教育均衡發展，但虛擬現實和增強現實技術發展還處在初級應用階段，在技術瓶頸、資源開發、教學內容和推廣普及等方面還存在很多問題。

（一）虛擬現實設備應用中的眩暈問題

人們在使用虛擬現實設備時會出現眩暈感，從硬件結構來看，由於現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實產品時會產生眩暈感；虛擬現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，影響大腦對所呈現影像的分析和判斷，從而產生眩暈感；虛擬現實設備的內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實設備，不同的系統處理上也無法達到協調統一，畫面感光線太強或太弱都不能讓用戶接受；虛擬現實設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生眩暈感。

（二）虛擬現實和增強現實技術在教學中資源短缺

目前虛擬現實和增強現實產業剛起步，軟硬件設施不完備，開發人員技術力量不足，很多學校未配備虛擬現實和增強現實設備；中小學校的很多教師還沒有接觸過虛擬現實和增強現實，不知道如何在教學中應用，更談不上如何去開發虛擬現實和增強現實教學資源。因此，針對中小學教學所開發的虛擬現實資源很少，課程資源短缺是虛擬現實和增強現實在中小學推廣的最大瓶頸。但隨著虛擬現實和增強現實技術的迅猛發展，將虛擬現實和增強現實技術應用於教學勢在必行，未來虛擬現實和增強現實技術在教學中的應用勢必帶來課堂教學方式的顛覆性改變。

（三）虛擬現實和增強現實教學平臺和資源的設計重形式輕內容

當前很多虛擬現實教育平臺都只是在一個3D 視頻或虛擬現實軟件遊戲的基礎上構成虛擬現實教學。雖然學生在虛擬世界玩得津津有味，課堂氣氛很活躍，學生互動、交流和討論很熱烈，表面上看學生得到了沉浸式的體驗感，但是有些虛擬現實教育平臺所提供的知識點講解還停留在現實世界中，課本內容的單調、枯燥並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容、教與學完全脫節的虛擬現實課堂只能稱為“偽虛擬現實課堂”。

（四）虛擬現實和增強現實設備價格較高和技術條件限制導致普及困難

企業的前期研發成本較高、設備銷售量較少，導致多數虛擬現實和增強現實設備銷售價格居高不下， 很多學校因資金問題望而卻步，無力購買售價高昂的虛擬現實和增強現實設備，進而導致虛擬現實和增強現實技術在學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，公佈的預售價在每臺2 萬元以上，普通頭戴式虛擬現實設備的價格也在2000 ～ 5000 元之間。大多數虛擬現實軟件普遍存在語言專業性較強、通用性較差和易用性差等問題。受硬件侷限性的影響，虛擬現實軟件開發花費巨大且效果有限。另外在新型傳感應用、物理建模方法、高速圖形圖像處理、人工智能等領域，都有很多問題亟待解決。三維建模技術也需進一步完善，大數據與人工智能技術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實和增強現實技術在中小學教學中的推廣和普及。

五、虛擬現實和增強現實技術在教學應用中的前景展望

（一）虛擬現實和增強現實技術發展對未來教學形式的影響

隨著科學技術的迅猛發展，在雲計算、霧計算、物聯網、“互聯網+”、大數據、人工智能突飛猛進的新時代背景下，虛擬現實和增強現實技術與人工智能、大數據和物聯網融合，將會讓虛擬現實和增強現實技術應用如虎添翼。根據國際數據公司的預測，未來一年裡，在以消費者為導向的全球2000 強公司中， 預計有30% 的企業將在營銷活動中試驗虛擬現實和增強現實技術。2021 年時，虛擬現實和增強現實技術將獲得大規模應用，全球會有超過10 億人通過虛擬現實和增強現實平臺經常訪問應用程序、內容和數據［16］。

隨著虛擬現實和增強現實軟硬件設備的性能提升和價格降低，會有更多的教育投資公司開發出更加豐富多彩的教學資源，讓虛擬現實和增強現實技術快速走進中小學課堂，在教學中大面積應用普及。依託其具有的沉浸性、交互性、構想性、虛實結合、實時交互和三維配準等超級體驗感的優勢，教師的教學方式和學生的學習方式都將會發生改變。虛擬現實和增強現實技術在教學中的應用普及將會顛覆傳統的教育方法和教學形式，具有巨大的應用潛力與應用前景。

（二）虛擬現實和增強現實技術發展對未來教學效率的提升

虛擬現實和增強現實技術與教育的結合，將會提高未來課堂的教學效率。因為傳統教學模式是教師面向全班同學以灌輸式、無差異的方式組織教學，而採用虛擬現實技術教學將使課堂教學採用個性化、自主式、體驗式的方式組織教學，通過因材施教，每一位學生都可以在虛擬環境中，個性化地聽老師為自己講課，還能與虛擬環境中的老師互動交流。傳統課堂為一人講多人聽，而虛擬現實課堂則相當於每個學生面前都有一位自己的老師。同時增強現實技術還可以將靜態的文字、圖片讀物立體化，增加閱讀的互動性、趣味性和真實感，創設現實情境，通過3D 模型使抽象的學習內容變得形象化、微觀的學習內容變得可視化、複雜的學習內容變得簡單化，幫助學生理解和識記抽象的概念。虛擬現實和增強現實作為教育工具應用在課堂上，將為學生展現一個能夠交流互動的虛擬世界，既能滿足學生的體驗感和好奇心，又能以創新的方式傳授知識，從而可以大大提升教師的教學效果、激發學生的學習興趣、提高學生的學習效率。

（三）虛擬現實和增強現實技術發展對未來教學的創新

虛擬現實和增強現實技術能為學生提供多種形式的數字內容和虛實結合的情景化的學習環境，增強了學生在學習中的存在感和沉浸感。通過虛擬現實和增強現實技術能夠將虛擬場景與現實世界相結合，通過穿越時空的方式進行交流互動，增強了學生的動手操作能力，提升了學生的感性認識和真實體驗，激發了學生的創新意識和創新思維，培養了學生自主探究和自主學習的能力。虛擬現實和增強現實技術是多種先進技術的應用和多學科知識的匯聚與融合，是創客教育和STEAM 教育的較佳載體，將虛擬現實和增強現實技術應用於教學中，為學生的創客學習創造了條件， 學生在創客空間裡利用虛擬現實和增強現實技術通過主動探索、動手實踐、創新設計、跨界融合來學習新知識和掌握新技能，利用先進的虛擬現實與增強現實技術為載體開展創客教育和STEAM 教育，學生在虛擬與現實交互和時空穿越的過程中通過“玩中做”“做中學”“學中做”“做中創”，能夠拓展發散性思維， 迸發出更加豐富的創新火花，創意“智”造出更加豐富的創客作品。新一輪教學改革已經到來，“中國學生髮展核心素養”總體框架正式發佈（如圖16 所示）， 其中實踐創新作為六大綜合表現之一被提出。而虛擬現實和增強現實技術在教學中的應用正是一種教學模式的創新，將有助於推動教學改革的進程，有助於創客教育和STEAM 教育普及，有助於學生核心素養的培養。

六、結束語

人工智能、大數據分析與虛擬教育（VR 教育）被稱為影響未來的三大科技創新方向。未來的虛擬現實和增強現實技術將結合更多高新科技元素如人工智能、雲計算、大數據和移動技術等，而隨著虛擬現實和增強現實技術的發展，其在教育領域的發展前景也將會越來越廣闊。虛擬現實和增強現實學習環境帶給我們的不僅僅是一個技術平臺或工具，更會孕育出一種新型的教學模式和教學方法。將虛擬現實和增強現實技術廣泛地應用到課堂教學中，對於貫徹落實教育部關於“發展未來學校”和“智慧課堂改革”的設想有重大意義。虛擬現實和增強現實技術能夠將虛擬對象與真實環境相融合，通過其較強的交互性能給學生帶來更多的學習樂趣， 併為學生提供一種新的學習媒體和學習體驗，促使學生在愉悅的狀態下進行移動學習、自主學習、項目學習和創客學習。依託虛擬現實和增強現實技術為創客教育的載體，能讓學生通過自主探究、跨界融合、團隊協作、開拓創新來提升核心素養。讓虛擬現實和增強現實技術與教育完美結合，快速走進中小學課堂，將為開啟未來教育創新之路做出巨大貢獻。

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