教育新基建中AR技术、VR技术、MR技术的建设方向与发展路径

教育新基建中AR技术、VR技术、MR技术的建设方向与发展路径摘要：教育新型基础设施是以新发展理念为引领，以信息化为主导，面向教育高质量发展需要，聚焦信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用、可信安全等方面的新型基础设施体系。“虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology，VR）”“增强现实技术（AugmentedReality，AR）”和“混合现实技术（MixedReality，MR）”，是教育新基建的重要组成部分，也是新一代信息技术中的终端技术。本文结合教育教学实践与技术发展前景，探讨该技术在教育教学应用中的建设方向与发展路径。关键词：AR技术VR技术MR技术基本技术特征建设方向发展路径2002年9月，教育部科学技术司印发《教育信息化“十五”发展规划（纲要）》，明确指出要“实现一国经济和社会发展”“实现教育现代化和跨越式发展”[1]。2012年，教育部印发《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》的通知，提出要“促进优质教育资源普及共享，推进信息技术与教育教学深度融合，实现教育思想、理念、方法和手段全方位创新，对于提高教育质量、促进教育公平、构建学习型社会和人力资源强国”[2]。2021年7月教育部等六部门印发《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，明确了“教育新型基础设施是以新发展理念为引领，以信息化为主导，面向教育高质量发展需要，聚焦信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用、可信安全等方面的新型基础设施体系。”并指出要“深入应用5G、人工智能、大数据、云计算、区块链等新一代信息技术，充分发挥数据作为新型生产要素的作用，推动教育数字转型。”[3]“虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology，VR）”“增强现实技术（AugmentedReality，AR）”和“混合现实技术（MixedReality，MR）”，是教育新基建的重要组成部分，也是新一代信息技术中的终端技术。本文结合教育教学实践与技术发展前景，探讨该技术在教育教学应用中的建设方向与发展路径。一、AR技术、VR技术、MR技术的基本技术特征。（一）AR技术：增强现实技术（AugmentedReality，AR）增强现实（AR）技术指通过计算机生成图像，从而增强融入现实世界的对象，包括虚实结合、实时交互和3D注册3个特性［4］。AR技术需要对现实场景捕捉并识别，在对现实场景定义的基础上添加相关的文字、图形、3D模型作为现实场景的补充，且具备跟踪、即时、交互等特性。（二）VR技术：虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology，VR）VR（VirtualReality）是虚拟现实的简称。狭义的虚拟现实主要是指通过计算机与立体眼镜、传感手套等传感辅助设备进行数据交换，使人们得到相应的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉信息，从而建立三维信息的人工环境，产生逼真的三维现实感觉[5]。VR技术是一种沉浸式体验，是一种全覆盖的视听媒体，其时间、地点、人物、以及物理属性都可以在其环境内重新定义。（三）MR技术：混合现实技术（MixedReality，MR）MR技术实现了虚拟场景与真实世界的无缝融合，借助先进的图像处理技术和显示设备生成具备虚实融合特征的可视化环境，实现相异时空场景的嵌入[6]MR技术是现实增强技术的子集，与VR、AR在技术特征、实现方式等方面有着紧密联系，但MR技术更加强调虚拟世界和真实世界的无缝融合。MR技术现阶段体现于AR技术与VR技术的切换互联，其技术本质意在重构虚拟世界并对现实世界产生对应关系。二、AR技术、VR技术、MR技术应用于教育的建设方向与发展路径（一）思维框架的跳脱由于以上三类技术是直接作用于受教育者的媒体技术，是教育输出与接收的终端技术，革命性的改变了现有教育课堂教学的视听语言。现阶段对于技术的讨论往往是基于现有教育教学框架与技术相适应的过程，视技术作为课程的理解手段，视技术作为课程的深化路径，视技术作为课程的补充优化。日常中最常见的飞机、汽车上的抬头显示功能，在现实中呈现虚拟的仪表、导航、标注，就是AR的简单应用。从技术难度来讲，AR的本质就是造物，VR的本质就是造界，VR会把人带到特定的环境中，沉浸式的与物交流。所以VR是对世界全方位的覆盖，不与现实发生互动，且可以重新定义物理量与物理概念。MR技术既是AR与VR的互相补充，也是相互融合，方便与在虚拟世界执行现实行为。当5G、物联网、元宇宙技术融合之后，MR就会成为这类技术的最终高级形态。从古代至近代，人类从来都是学习的组织形式从未发生变化，只是而提升了内容的组织形式从而提升学习的效率。进入现代社会后有了教室和黑板，并在此基础上发展出现了外部媒体介质，应用留声机、磁带、CD，视频影像方面，如电视、电脑、投影、智能屏，但是因为视听形式没有本质变化，所以学习形式依旧与最初的班级授课制的授课方式组织形式无异。现在的教育教学形式依旧是学生抬头看，老师黑板讲或者是现在的学生抬头看老师大屏幕。以上的教育新技术，能从根本上改变了课堂的视听语言和信息的接收方式，生产力的发展提升的生产效率，作为先进生产力的出现带动生产效率的大幅提升，同时会孕育新的生产关系，从而必将影响到生产的组织形式，或者受到现有组织形式的制约。所以本文将跳脱现有学校组织形式，课堂授课形式的框架下开展广泛的讨论。（二）AR技术应用于教育教学AR增强现实常见于是在现实中去创造物体模型展示，其大多数应用场景通过智能移动设备展示，现阶段应用更为广泛与便利。其更适用于3D立体模型的展示，如地理中的地球、数学中的立体几何、历史中的战争沙盘。AR技术也可以做平面展示，播放视频与图片和文字注释，比如在课本中插入知识视频、电焊教学中标注焊接的位置、医学教育中标注人体的器官。课堂中，不与产生实物互动关系的视频和图片的展示以及教师需要语言动作配合的讲评，均不适合AR技术呈现，应选择大屏幕。AR技术在视频图片文字等2D媒体现实的案例中，需要与实物环境信息相结合才具备不可替代性，比如，数学中的勾股定理利用AR技术展示与大屏幕展示和课本黑板展示并无任何视听信息的增量，徒增设备反而干扰教学。AR技术适用于实物操作中对实物的标注，而不适用于对虚拟模型的操作，技术上不如VR容易实现也不如VR必要性强，比如对汽车发动机的模拟拆解，利用AR技术定位发动机和人手，并建立关系设计运动且始终与现实环境保持合理的映射对照，运算量巨大且冗余无意义，应使用VR技术开发虚拟环境中的发动机，通过手柄定位完成拆解步骤和零部件的认识学习。所以AR技术的特征并不适用于所有科目的所有课程，不是一个适合在全领域开展的技术。AR技术呈现重视与现实环境的信息互动，而其呈现物与人的互动精确度极低，所以作用于虚拟呈现物的精细操作类练习模拟实践，不宜采用AR技术教育的形式，但作用于实际实物的操作利用AR技术辅助指导，是普遍共识的开发路径。AR技术同样不适用于一些感知类的课程，比如正方体的认识中需要我们去摸棱、角、面，通过触觉去感知的课程环节都不适用，但是它也是对实物教学的最好替代，最佳模拟。换一个环境思考，在居家学习和疫情隔离以及其他的脱离学校班级授课环境的情况，AR既是立体沙盘及3D几何实物类课程的必要技术，也是一切实物教学课程实验课程的完美替代，AR技术方便低成本的优势得以展现。AR中图片、文字、和视频呈现，也使得我们的在非学校环境学习中脱离二维码，能够直接扫描课本，产生对课本的直接触发，弹出图片资源和视频资源产生互动联系。AR技术不仅内容上不是全领域覆盖，课堂上也应作为课程中的某一个环节存在，本身不具备过多内容的延展性，只是单纯的模型构造以及模型与实物的关系，模型的动态与组合。综上所述，AR技术的发展方向，在现有的课程中找到其对应环节，打造其对应的模型，建模其对应的AR建模资源，AI建模资源，并使多媒体并使课本与图片影音等多媒体资源直接相关联，从而在课堂教学中优化课堂提升效率。在居家学习中全领域全覆盖，全替代。在设备层面，在设备层面做到软件互通，模块互认，模型互认，建模与建模资源与读取软件打破垄断，打破绑定垄断关系，自由结合，硬件上增强与手机平板的兼容度，并并早日脱离手机平板，直接作用于视觉环境或是人眼，直接作用于人眼视觉。（三）VR技术应用于教育教学VR技术适用于脱离现实环境对虚拟环境的认识和对虚拟实体的操作。VR技术的特征可以做到全课程全领域覆盖，现阶段VR技术的网络化程度不高，5G技术结合后应利用VR构造我们的教育元宇宙，打破学校的地理概念，打破学校的边界。重新定义组织形式，我们现有的自然班的人数放到VR班中是否合理？我们自然班中学生的来源是否还有必要在同一个片区内，我们的师生是否还要在同一个场所内？AR技术可以助力教育公平的实现，实现跨地区授课、跨地区学习。在VR教室里，通过5G提升带宽，使新疆的同学可以跟江苏同学一起到北京的教室听课。而应用VR技术的只在课程中的某一个环节、某一个局部其技术潜力实被埋没。现阶段VR教育的发展大多是为了VR而用上VR，其强大的构造能力和沉浸式体验也在使用，但真正恰如其分的案例不多。比如，可以利用VR技术在太阳系中翱翔，也可以看着朱自清父亲的背影翻过月台，也可以在莫比乌斯带上一圈一圈的奔跑。不过，像这样一个能够对视觉和听觉全覆盖的技术，我们为什么还要摘下眼镜？我们在VR的世界元宇宙中，学生、教师应该有虚拟形象，学校也该有学校的虚拟形象，以学习的全时空沉浸为技术目标，现有技术的发展只是在VR技术的门口徘徊，没有真正的建立一个开放的VR世界或者VR宇宙。（四）MR技术应用于教育教学MR技术是AR技术与VR技术的融合，现阶段更多是“组合”并非“融合”，学校可以建设与现有的学校平行的虚拟学校，学校即为一种教育教学的组织，形成一个由MR技术重构的学校形式，利用居家学习或课后服务等形式，使学校的学生与老师重新组合，自由结合。比如，同一个班内的学生可以真实到学校，也可以利用MR投射到学校参与同样的课堂体验，MR学生可以来自居家隔离、边远山区、国内国外。三、AR技术、VR技术、MR技术应用于教育的建设发展的技术问题。现有设备对于其技术的发展潜力有巨大的制约，首要制约作用的是视觉延迟依旧过高，视觉空间较窄，跟踪刷新率较低，会出现眩晕等身体不适。反过来说，就像晕车一样，技术发展会改善体验，技术不能发展则人类会适应新的环境。沉浸技术只有突破视觉显示技术，才能够突破疲劳上线，甚至可以保护视力。VR设备要进行减重，现在的设备根据人体结构颈部肌肉不适宜长时期佩戴，不能减重的VR设备是不能像眼镜、口罩、耳机一样惠及全人类的。过重的VR设备对于课程的影响是毁灭性的。降低舒适度和用户体验，甚至为用户带来困扰是硬件设计中的最大问题。对智能眼镜的定义应该把它从智能移动终端变成一个视觉实现端，其没有必要在头戴设备上安装大量的硬件，更多的只需要把信息传输，并通过视觉与人对接。现时代的屏幕设备是可以满足轻便的需求的，也不会产生高昂的价格。更多的硬件放到我们的信息终端设备上，可以是移动设备通过5G连接，也可以是主机类似的设备，最终把智能终端与智能眼镜设备相分离。电池可以采取有线供电的方式，考虑到使用者的使用安全的关系，以及产品使用体验，要尽力做到无线，而室内的无线充电已经是几年前的技术，在未来5G环境中大可放心的信息传输，现阶段可以以线路的方式去连接。或者改变思路，把VR设备的重量从头带集中到腰部或者身体的其他部位，做成分离合的形式，只有充分的考虑到使用者的疲惫度，才能够保证课堂虚拟现实多媒体环境的充分实现。信息处理和智能应用的实现的运算终端，我们以有线连接、分离式、或5G的方式就可以实现，这些都是现阶段可以实现的技术水平。关于电池方面也是一样，能量传输跟信息传输其实没有本质区别。电能同样可以通过有线的方式或者电池放在分离盒的方式，来实现减轻头部压力，增加用户体验，提升用户体验。也可以针对性的开发我们的无线充电技术。在特定的教室房间内开发无线充电环境，当VR设备的佩戴者进入环境，VR设备就可以进行自动充电，信息传输。按照以上思路打造智慧教室，把我们的使用环境放到学校教育或者居家学习中，做到以学校教育或者居家学习为主体可以牺牲设备的移动性便利性，从而实现设备的灵活性。技术的发展首要任务是技术革新，改变视听环境，改变设备参数，其次是改变思路，构造源，宇宙拥抱大数据，再次是还原我们的课堂教学中的关键场景，其他非必要还原的形式，即可以为教师提供相关的要素，由教师在开放环境中去组合拼接。为教师不能只提供教学用的课件，不能只提供已完成的不可修改的课件，要提供一个能够制作课件的工具，就像现在的PPT、WPS。MR技术的实现一定基于智能眼镜时代的到来，现在有技术产生，并不是技术实现，更不是技术完整应用的一个样态。如果说关于VR的元宇宙的发展途径，受技术影响无法实行，那么MR将会成为不改变现有教育教学形式样态的最优解，MR技术发展应更多的考虑与现实的互动，以及学生数据的收集。总之，在信息化时代，AR、VR、MR技术作为一种新事物具有不可小觑的力量。众多的研究