虚拟现实与增强现实在教育中的应用探索

# 虚拟现实与增强现实在教育中的应用探索 ## 1. 引言 在科技与第四次工业发展的时代，教育工作者认为引入新的学习理念并转变态度以激发各领域的创造力至关重要。推动以解决问题、探索和体验式学习为导向的课程，将使教育从传统的以教师为中心的课堂转变为以学生为中心的课堂。 随着智能手机和其他数字设备的兴起以及最新技术的进步，众多概念应运而生。虚拟现实（VR）便是其中之一，它能让用户融入计算机创建的环境。如今，VR、增强现实（AR）和混合现实（MR）的定义已成为常见话题。本质上，VR让用户沉浸在完全数字化的环境中，AR将虚拟对象叠加到现实世界，MR则将虚拟元素融入现实世界并常允许人类交互。 新冠疫情凸显了远程学习适应变化的必要性，它不仅要能应对危机，还可能成为新常态。政府越发意识到VR和AR等前沿技术可以解决一些函授课程相对于面对面教学的弊端，如学术不端、学习的社会经济方面的下降、缺乏实际的动觉互动、难以保持学生的注意力以及技术边界的限制。然而，部署这些复杂且昂贵的技术应基于科学支持的结果，而非技术炒作。 教育研究一直关注教师应采取的具体行动，以帮助学生通过表现学习、提高课堂注意力和动力，并培养适应现代社会的必要技能。学生可以通过听、看、想象、表演或记忆来学习，而且学习风格和教学方法各不相同。在实验室中，学习既依赖教师的教学风格，也依赖学生的学习风格。教育非常重视学习体验，它需要对概念进行心理想象，以便更轻松地理解相似之处。 如今，科学技术的快速发展影响并改变着人们的生活方式，教育过程和环境也不例外。从过去在教育中使用黑板到计算机再到互联网，如今呈现出向具有人工智能的联网手机发展的趋势。由于计算机和互联网技术在日常生活中的广泛应用，教育服务也不能置身事外。 由于如今的学生属于Z世代或数字世代，教育工作者必须跟上技术发展的步伐，并在学习环境中使用最佳工具。与教育相关的AR应用就是这些新兴技术之一。学者们对“AR”有多种定义，广义上，AR是一个现实场景，其中数字媒体项目取代了现实世界的事物，它是VR的衍生，是一个补充现有现实而非从头创建的虚拟世界。在这个环境中，用户可以与AR环境中的虚拟和实际物品和谐互动，AR创造了虚拟和物理世界之间的交互空间，即通过数字事物增强实际环境的过程。 AR应用每天都在迅速发展，其应用领域在许多行业开始扩大。大企业已开始优先采用AR，为客户提供更真实的体验。这项技术融合了虚拟和物理世界，可在食品、汽车、化妆品和建筑等多个行业找到应用。如今，企业识别目标消费者、跟踪其行为并利用技术进行可持续营销和品牌认知至关重要。最重要的是，公共和私营部门的企业都在更有效地投资于改进技术，以销售或推广其服务或产品，并且他们需要该领域的专业人才和企业。借助AR应用，拥有技术的企业可以利用这些服务。 尽管AR应用有多种用途，但教育领域最为重要。随着时间的推移，教育工作者对AR技术提供的新颖教育前景越来越感兴趣，其带来的新可能性和好处如下： - 为学生提供更灵活、更令人兴奋的学习环境。 - 让学生体验前所未有的兴奋感。 - 提高学生的学习热情和积极性。 - 鼓励学生积极观察学习过程并从中提出假设。 - 提高学生的学业成绩，帮助他们在小组内发展社交关系，连接正规和非正规教育，并促进学生之间的小组学习。 - AR的应用促进了自由、自主和隐私感。 - 促进学习，开辟新的教育选择。 当评估在教育领域广泛使用的AR时，可穿戴技术引人关注。可穿戴设备中充满了能够测量身体运动的智能传感器。通常，这些设备通过蓝牙、Wi-Fi和移动互联网连接与智能手机无缝同步。传感器用于将用户与便携式电子设备连接起来。对于用户经常携带的产品，可穿戴技术在娱乐、健康、就业、信息、教育、社交和安全等多个领域提供重要服务。 ## 2. 多媒体原则 ### 2.1 研究一：空间邻近原则 第一项研究旨在考察虚拟和真实元素的地理整合。学习材料完全是视觉的，强调了空间邻近概念在AR中的应用。该理念可用于在AR应用中对虚拟和现实世界对象的视图进行空间整合。在研究中，一个真实的图形环境与虚拟文本内容相结合。我们希望确定空间邻近原则，特别是该概念的这种实现方式，是否对认知参数（如认知负担、任务负荷和知识）有积极影响。 我们预期，通过AR遵循地理邻近原则，降低视觉搜索程序和各组件在工作记忆中进行心理融合所需的时间，将减少多余的处理，从而减轻无关的认知负担（H1.1a）。当信息集成而非孤立时，可用的工作记忆容量可用于创造性处理，从而增加相关的认知负荷（H1.1b）。 我们还提出，学习材料的地理整合会影响任务负荷。我们预计，随着可视化的集成，减少了在工作记忆中长时间存储离散组件的需求（H1.2a）。由于减少了视觉搜索过程的需要，眼球运动减少，从而降低了身体压力（H1.2b）。此外，由于集成呈现需要更少的同时搜索和处理步骤（H1.2c），我们预计时间需求将减少。我们认为，集成呈现使材料更易于理解，从而提高性能（H1.2d），减少工作量（H1.2e）和不满情绪（H1.2f）。当信息在空间上集成时，由于减少了无关的认知负荷、与工作量相关的变量以及随之而来的相关认知负荷的增加，我们可以预期知识会得到增强（H1.3）。以下是研究一所有假设的总结： |假设|内容| | ---- | ---- | |H1.1a|与使用分离展示学习相比，使用现实世界和虚拟知识的统一展示学习可降低不必要的认知负荷。| |H1.1b|与使用分离展示学习相比，使用现实世界和虚拟知识的统一展示学习可产生更高的相关认知负荷。| |H1.2a|实际和虚拟事实一起呈现时学习所需的心理努力比分开呈现时少。| |H1.2b|实际和虚拟信息一起呈现时学习所需的身体努力比分开呈现时少。| |H1.2c|使用现实世界和虚拟信息的统一展示学习比使用分离展示学习耗时更少。| |H1.2d|使用现实和虚拟信息的统一展示学习比使用分离展示训练产生更高的性能评级。| |H1.2e|使用现实和虚拟知识的统一展示学习比使用分离展示学习所需的努力更少。| |H1.2f|实际和虚拟事实一起呈现时学习过程中的不满情绪比分开呈现时少。| |H1.3|使用现实世界和虚拟内容的组合展示学习比使用分离展示学习能更好地保留信息。| ### 2.2 研究二：连贯性原则 另一项研究旨在考察虚拟信息的背景连贯性。AR中连贯性原则的应用是视听教学材料的主要主题。该理念可用于AR应用中的现实和虚拟、视觉和音频方面。在研究中，除了实际环境噪音外，模拟声音与添加到包含模拟单词和图像的应用程序中的学习材料的主题相匹配或不匹配。与虚拟听觉特征相比，这些噪音与学习目标没有直接关系。 我们提出，在AR中遵循连贯性原则并排除噪音，由于需要处理的项目减少，将减少不必要的处理，从而降低不必要的认知负荷（H2.1a）。然而，由于匹配声音的激励特性，预计在不匹配声音不产生刺激的范围内，匹配声音会增加相关认知负荷。对于生成性处理，在不添加声音的情况下，功能记忆容量可用于提高相关认知负荷（H2.1b）。 此外，我们提出，遵循连贯性原则会影响工作负担。我们预测，当不提供噪音时，心理（H2.2a）和身体（H2.2b）需求都会减少，因为需要关注的感官信息减少，并且明确使用的感官器官也减少。由于在没有新噪音的情况下，较少的物理信息可以在相似的时间内处理（H2.2c），我们还预计时间需求会减少。我们认为，没有额外噪音会增加对更好呈现的感知（H2.2d），并由于减少了额外感官信息的干扰可能性而减少努力（H2.2e）。 一方面，预计完全不添加干扰声音时，挫折感会降低。另一方面，添加匹配声音时，与添加原因不明的不匹配声音相比，挫折感的预期会降低，因为不匹配声音可能会造成更大的阻碍（H2.2f）。当不添加声音时，由于减少了无关的认知负荷以及与工作量相关的因素，我们也可以预期知识会增加。此外，由于匹配声音的激励作用和挫折感的降低，我们预计匹配声音比不匹配声音能产生更高级的知识（H2.3）。以下是研究二假设的总结： |假设|内容| | ---- | ---- | |H2.1a|从结合实际和模拟知识且不包含模拟噪音的材料中学习会降低不必要的认知负担。| |H2.1b|添加虚拟声音比添加不匹配声音更能增加相关认知负荷，结合实际和模拟信息且不添加虚拟声音的知识材料比不添加额外虚拟噪音的学习材料更能增加相关认知负荷。| |H2.2a|从结合实际和模拟知识但没有额外虚拟噪音的材料中学习会降低心理负荷。| |H2.2b|从结合实际和虚拟知识且没有额外虚拟噪音的材料中学习所需的身体努力更少。| |H2.2c|从包含实际和模拟信息但不包含模拟噪音的材料中学习会降低时间需求。| |H2.2d|从结合实际和虚拟信息且不包含额外虚拟噪音的材料中学习会产生更高的感知性能。| |H2.2e|学习包含实际和虚拟信息且没有额外虚拟噪音的知识所需的努力更少。| |H2.2f|结合实际和虚拟信息且没有额外虚拟声音的学习内容比仅包含虚拟声音的学习材料更能减少烦躁情绪；添加匹配声音比添加不匹配声音更能减少挫折感。| |H2.3|从结合实际和虚拟信息且没有更多虚拟声音的材料中学习会产生更高的知识水平，其中添加匹配声音比添加不匹配声音能产生更多的知识。| ## 3. AR与VR的交互：材料与方法 对文献的研究全面且有价值地描述了VR和AR在社会教育背景下的应用，并为关于学习中VR/AR的讨论和更深入研究提供了起点。尽管VR和AR使用许多相同的技术，如跟踪传感器和屏幕，但它们采用两种不同的方法将现实世界与虚拟世界融合。 VR是一个模拟的虚拟环境，用户可以通过系统提供的传感器输入（如视觉和声音）感受它，并且用户的行动会部分影响环境中发生的事情。而AR允许用户在查看现实世界的同时，将虚拟事物叠加或合成到现实环境中，从而增强而非完全取代现实。 自20世纪90年代以来，研究人员一直在探索沉浸式技术作为教学辅助工具的可能性。由于其沉浸式体验、创新的信息共享能力以及提供虚拟体验以扩大受成本或物理距离限制的教育机会的潜力，VR/AR技术是不断发展的教育技术领域的有前途的补充。然而，直到现在，VR/AR硬件和软件才足够普及且经济实惠，可用于教育环境。 与二维技术相比，VR/AR技术提供了更广泛的选择，以更互动的方式传达信息。先进的VR系统可以让用户完全沉浸在虚拟环境中，在其中他们可以与虚拟事物和其他人实时互动。这种体验有利于体验式学习，它可以复制现实世界的情况或以新颖的方式呈现复杂的材料。例如，学生可以置身于物理模拟中或观察3D微观事物。VR用户还可以进入已经录制好的360度视觉体验，以静态照片或视频的形式呈现，他们可以观察但不能改变或互动。 用户可以使用AR（也称为MR）与出现在实际周围环境中的虚拟物品进行交互。在用户需要与虚拟物品互动，同时又要保持对物理环境的情境感知的场景中，这最为有益。例如，学生可以遵循数字叠加的说明来完成困难的任务，如学习修理复杂的机器或进行医疗程序。与VR一样，AR允许用户在现实环境中查看静态虚拟物品或信息，同时提供较少的交互体验。当实际事物本身具有最大的教学价值时，这最为有利，例如在教室中展示雕塑或历史文物的虚拟复制品，或在历史地点叠加额外的文本或照片。 在传统AR中，数字材料通常叠加在对世界的实时视图上，通常是移动平台上相机的视图或像微软HoloLens这样的AR系统上的透视显示。相比之下，VR技术试图通过各种技术让人们沉浸在完全模拟的环境中，以满足一个或多个方面的需求。 下面是VR和AR在教育中应用特点的对比流程图： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px; A([开始]):::startend --> B(教育应用技术):::process B --> C{技术类型}:::decision C -->|VR| D(完全沉浸虚拟环境):::process C -->|AR| E(叠加虚拟到现实):::process D --> F(实时互动体验):::process D --> G(360度视觉体验):::process E --> H(与虚拟物品交互):::process E --> I(展示静态虚拟信息):::process F --> J(复制现实场景学习):::process G --> K(观察固定内容):::process H --> L(完成复杂任务指导):::process I --> M(增强实际事物教学):::process J --> N([结束]):::startend K --> N L --> N M --> N ``` 综上所述，VR和AR在教育领域都有巨大的潜力，它们以不同的方式为学生提供了更丰富、更互动的学习体验。未来，随着技术的不断发展，我们可以期待这些技术在教育中发挥更大的作用。 ## 4. VR/AR在教育中的适应性 ### 4.1 VR的教育适应性 VR为教育带来了独特的适应性。它能够创造出高度逼真的虚拟环境，让学生仿佛置身于另一个世界。例如在历史教学中，学生可以通过VR回到特定的历史时期，亲身体验重大历史事件的发生场景，这种沉浸式的体验远比传统的书本教学更加生动和深刻。 在科学教育方面，VR可以模拟微观世界的物理、化学过程，让学生直观地观察到分子的结构和反应过程，帮助他们更好地理解抽象的科学概念。比如在学习原子结构时，学生可以在VR环境中“走进”原子内部，观察电子的运动轨迹。 此外，VR还能提供安全的实践环境。在一些危险的实验或操作场景中，如化工实验、航空驾驶等，学生可以在VR中进行模拟操作，避免了实际操作中的危险，同时也能获得实践经验。 ### 4.2 AR的教育适应性 AR在教育中的适应性也十分显著。它能够将虚拟信息与现实世界相结合，为学生提供更加直观的学习辅助。例如在地理教学中，学生可以通过AR应用扫描地图，地图上会出现动态的地理信息，如地形的起伏、河流的流动等，增强了学生对地理知识的理解。 在语言学习中，AR可以将虚拟的单词、语法解释等叠加在现实场景中的物体上。比如学生在看到一个苹果时，通过AR设备可以看到关于“apple”这个单词的详细解释、发音以及相关的例句，提高了学习的趣味性和效率。 AR还适用于技能培训。在职业教育中，学生可以通过AR指导来学习复杂的操作技能，如机械维修、烹饪等。数字叠加的操作步骤可以实时指导学生完成任务，降低了学习的难度。 ### 4.3 VR/AR适应性对比 |技术类型|适应性特点|适用场景| | ---- | ---- | ---- | |VR|创造完全沉浸的虚拟环境，提供高度逼真的体验|历史、科学模拟、危险操作实践等| |AR|将虚拟信息与现实结合，增强现实场景的信息展示|地理、语言学习、技能培训等| ## 5. AR学习环境系统框架 ### 5.1 系统组成 AR学习环境系统主要由硬件、软件和内容三个部分组成。 - **硬件**：包括AR设备，如智能眼镜、手机等，以及相关的传感器和输入设备。这些硬件设备是实现AR功能的基础，它们能够捕捉现实环境的信息，并将虚拟信息呈现给用户。 - **软件**：涵盖了AR开发平台、操作系统和应用程序。AR开发平台用于创建AR应用，操作系统管理硬件资源，应用程序则为用户提供具体的学习功能。 - **内容**：是AR学习环境的核心，包括虚拟模型、教学资料、互动场景等。这些内容根据不同的学科和教学目标进行设计，以满足学生的学习需求。 ### 5.2 系统工作流程 ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px; A([开始]):::startend --> B(硬件捕捉现实信息):::process B --> C(软件处理信息):::process C --> D{内容匹配}:::decision D -->|匹配成功| E(叠加虚拟内容到现实):::process D -->|匹配失败| F(提示错误):::process E --> G(用户与AR场景互动):::process G --> H(反馈学习数据):::process H --> C(软件再次处理数据):::process F --> B(重新捕捉信息):::process G --> I([结束]):::startend ``` 首先，硬件设备捕捉现实环境的信息，然后软件对这些信息进行处理，根据预设的规则进行内容匹配。如果匹配成功，将虚拟内容叠加到现实场景中，用户可以与AR场景进行互动。互动过程中产生的学习数据会反馈给软件，软件再次处理数据以优化学习体验。如果匹配失败，则提示错误并重新捕捉信息。 ## 6. 数字学习环境分析 ### 6.1 VR/AR对数字学习环境的改变 VR和AR技术的出现极大地改变了数字学习环境。传统的数字学习主要依赖于二维的屏幕展示和文字、图片的呈现，而VR/AR提供了更加立体、互动的学习体验。 在VR环境中，学生可以完全沉浸在虚拟世界中，与学习内容进行深度互动。这种沉浸式的体验能够提高学生的注意力和参与度，使学习更加高效。例如在学习文学作品时，学生可以置身于作品所描绘的场景中，与书中的角色进行交流，增强对作品的理解。 AR则在现实世界的基础上增加了虚拟信息的展示，使学习更加贴近实际生活。学生可以在现实场景中获取额外的学习资源，提高学习的趣味性和实用性。比如在参观博物馆时，通过AR应用可以获取展品的详细信息和历史背景。 ### 6.2 数字学习环境的优势与挑战 |方面|优势|挑战| | ---- | ---- | ---- | |学习体验|提供沉浸式、互动式学习，提高学生的兴趣和参与度|硬件设备成本较高，普及难度大| |教学效果|帮助学生更好地理解抽象概念，增强实践能力|技术的稳定性和兼容性有待提高| |资源共享|便于共享丰富的学习资源，打破时间和空间限制|对网络环境要求较高，存在数据安全问题| ## 7. 总结与展望 ### 7.1 总结 VR和AR技术在教育领域展现出了巨大的潜力。它们通过不同的方式为学生提供了更加丰富、互动的学习体验，改变了传统的教育模式。VR的沉浸式体验和AR的虚实结合特点，分别适用于不同的教学场景，满足了多样化的学习需求。同时，多媒体原则的研究为优化学习效果提供了理论支持，而AR学习环境系统框架则为构建高效的学习系统提供了指导。 ### 7.2 展望 未来，VR/AR技术在教育中的应用将更加广泛和深入。随着技术的不断进步，硬件设备将更加轻便、舒适和便宜，软件功能将更加强大和智能。这将使得更多的学校和学生能够受益于这些技术。 同时，研究人员需要进一步探索VR/AR技术与教育理论的结合，开发更加科学、有效的教学方法和课程。例如，如何更好地利用VR/AR技术促进学生的合作学习、创新思维的培养等。 此外，还需要关注VR/AR技术在教育中的伦理和社会问题。例如，如何确保学生在虚拟环境中的身心健康，如何避免技术带来的教育不公平等。只有解决好这些问题，才能让VR/AR技术真正为教育事业的发展做出贡献。