電子科技行業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用白皮書(shū)：理論技術(shù)與實(shí)踐

2023年09月引言·····························································1 2 3 4 5第2章虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用理論模型與場(chǎng)景 8 92.2虛擬現(xiàn)實(shí)支持的課外自主學(xué) 2.3虛擬現(xiàn)實(shí)支持的高校實(shí)踐教 2.4虛擬現(xiàn)實(shí)支持的職業(yè)技能實(shí) 2.5虛擬現(xiàn)實(shí)支持的教學(xué)技能培 第3章虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用技術(shù)體系第3章虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用技術(shù)體系 20 22 23 23 24 25 253.2.2協(xié)作式小組研討學(xué)習(xí)場(chǎng)景 263.2.3互動(dòng)式個(gè)人自主學(xué)習(xí)場(chǎng)景 263.2.4實(shí)訓(xùn)類(lèi)職業(yè)技能學(xué)習(xí)場(chǎng)景 27第4章虛擬現(xiàn)實(shí)賦能教學(xué)模式創(chuàng)新 28 29 30 334.4云邊端技術(shù)架構(gòu)下的教學(xué)模式創(chuàng)新 34第5章虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用建議與展望 36 37 38 40 44引引言全球性公共衛(wèi)生危機(jī)帶來(lái)的不確定性、世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的復(fù)雜多變使各國(guó)的教育與社會(huì)發(fā)展面臨前所未有的挑戰(zhàn)。聯(lián)合國(guó)兒童基金會(huì)發(fā)布《構(gòu)建后疫情時(shí)代韌性教育系統(tǒng)：國(guó)家、地方和學(xué)校各級(jí)教育決策者的應(yīng)有思考》，指出要?jiǎng)?chuàng)建安全與韌性的教育生態(tài)環(huán)境，強(qiáng)調(diào)通過(guò)消除數(shù)字鴻溝，以有效抵御外部沖擊和改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在數(shù)字化生存的大背景下，教育系統(tǒng)的韌性需要在技術(shù)的支撐下得以生長(zhǎng)和發(fā)展。了技術(shù)賦能在增強(qiáng)教育系統(tǒng)韌性方面的潛能。當(dāng)前，全國(guó)各級(jí)各類(lèi)學(xué)校共有53.7萬(wàn)余所，網(wǎng)絡(luò)多媒體教室超過(guò)580萬(wàn)間，約占全國(guó)教室數(shù)量的68％。中小學(xué)(含教學(xué)點(diǎn))互聯(lián)網(wǎng)接入率達(dá)到100%，99.5%的中小學(xué)擁有多媒體教室。過(guò)去20余年的信息化建設(shè)為教育系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)型增強(qiáng)自身韌性，為應(yīng)對(duì)充滿(mǎn)不確定性的未來(lái)提供了可能。同時(shí)，以虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、人工智能（AI）為代表的新一代信息技術(shù)為加隨著VR產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，世界各國(guó)紛紛對(duì)VR等新興技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行戰(zhàn)略布局。近兩年，工信部、教育部等五部委發(fā)布《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2026年）》和《元宇宙產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2023-2025年）》，明確指出要深化虛擬現(xiàn)實(shí)在教育培訓(xùn)行業(yè)的深度融合，推進(jìn)構(gòu)建虛擬教室、虛擬實(shí)驗(yàn)室等教育教學(xué)環(huán)境，鼓勵(lì)通過(guò)平臺(tái)共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源，擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面。當(dāng)前，VR技術(shù)在我國(guó)教育系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)全面滲入基礎(chǔ)教育、高等教育和職業(yè)教育領(lǐng)域，形成VR支持的集體課堂學(xué)習(xí)、小組研討學(xué)習(xí)、自主探究學(xué)習(xí)、職業(yè)技能學(xué)習(xí)和教師素養(yǎng)培訓(xùn)等典型應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，由建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基地和平臺(tái)、智慧校園、智慧教室等基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)為打造沉浸式課堂VR在教育領(lǐng)域的常態(tài)化規(guī)模化應(yīng)用仍面臨重重阻力，需要政府、學(xué)校、企業(yè)、家庭、研究機(jī)構(gòu)等多方協(xié)同參與，共同打造引領(lǐng)教育高質(zhì)量發(fā)展的VR教育應(yīng)用生態(tài)體系。技術(shù)架構(gòu)創(chuàng)新是VR教育教學(xué)常態(tài)化應(yīng)用的必然趨勢(shì)。云控網(wǎng)聯(lián)技術(shù)架構(gòu)將簡(jiǎn)化時(shí)空限制，有望推動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)從小規(guī)模試點(diǎn)走向大規(guī)模常態(tài)化應(yīng)用。通過(guò)云渲染使能算力云化，降低建設(shè)成本；通過(guò)統(tǒng)籌算力資源，共享基礎(chǔ)設(shè)施；通過(guò)算網(wǎng)協(xié)同，保障大寬帶、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)傳輸；通過(guò)算顯分離，在終發(fā)布的《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2026年）》中明確指出，要深化虛擬現(xiàn)實(shí)在教育培訓(xùn)行業(yè)的深度融合，在中小學(xué)校、高等教育、職業(yè)學(xué)校建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實(shí)課堂、教研室、實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地。面向?qū)嶒?yàn)性與聯(lián)想性教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)一批基于教學(xué)大綱的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字課程，強(qiáng)化學(xué)員與各類(lèi)虛擬物品、復(fù)雜現(xiàn)象與抽象概念的互動(dòng)實(shí)操，推動(dòng)教學(xué)模式向自主體驗(yàn)升級(jí)，打造支持自主探究、協(xié)作學(xué)習(xí)的沉浸式新課堂。為響應(yīng)《教育部2022年工作要點(diǎn)》提出的“實(shí)施教海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)施方案（2021—2023）》，并明確表示要在基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育、高等教育探索基于VR的沉浸式、體驗(yàn)式教學(xué)，推動(dòng)上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型。綜上可見(jiàn)，VR在教育領(lǐng)域的深度融合0202隨著VR產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，VR技術(shù)支持的沉浸式學(xué)習(xí)已成智能時(shí)代教育領(lǐng)域的趨勢(shì)。世界各國(guó)紛紛對(duì)VR/AR/MR等新興技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行戰(zhàn)略布局，各國(guó)相關(guān)政策所涉及的內(nèi)容涵蓋基礎(chǔ)設(shè)施建部門(mén)與私營(yíng)企業(yè)的合作來(lái)整合VR技術(shù)的系統(tǒng)性評(píng)估資源；通過(guò)促進(jìn)各州與私營(yíng)組織和公共部各類(lèi)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。政府應(yīng)對(duì)沉浸式技術(shù)研究、技能培養(yǎng)、技術(shù)內(nèi)容開(kāi)發(fā)以及技術(shù)公平運(yùn)用等方面投入更多資金，來(lái)促進(jìn)國(guó)家的進(jìn)一步創(chuàng)新與發(fā)展”。此外，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)NSF資助了研究VR技術(shù)等新興在韓國(guó)，政府發(fā)布的相關(guān)政策主要聚焦于建構(gòu)產(chǎn)學(xué)研合作體系，以期使用VR/AR技術(shù)推進(jìn)職業(yè)教育與產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展?！?017年政府工作報(bào)告》提出要開(kāi)發(fā)引入VR和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的沉浸式數(shù)字教科書(shū)，并從小學(xué)開(kāi)始擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平板電腦等基礎(chǔ)設(shè)施?！堵殬I(yè)教育振興計(jì)劃2018》提出要推進(jìn)中小學(xué)創(chuàng)業(yè)體驗(yàn)教育，支持在虛擬空間體驗(yàn)創(chuàng)業(yè)過(guò)程。《實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新增長(zhǎng)的5G+戰(zhàn)略2019》指出要發(fā)揮VR、AR、MR等技術(shù)的互動(dòng)和智能化特點(diǎn)提供高度現(xiàn)實(shí)感和體驗(yàn)的內(nèi)容。《科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息、融合教育綜合計(jì)劃（'20-'24）》文件指出，將人工智能（AI）和VR/AR等前沿教育技術(shù)真正引入教育領(lǐng)域。到2024年，所有學(xué)校將建成應(yīng)用尖端技術(shù)的“智能科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”?！懂a(chǎn)業(yè)教育與產(chǎn)學(xué)研合作基本計(jì)劃('19~'23)（2020年修訂）》中提到，加強(qiáng)AI等未來(lái)領(lǐng)域的中小學(xué)職業(yè)教育，引入使用AR/VR的非面對(duì)面實(shí)地培0303英國(guó)同樣關(guān)注VR/AR技術(shù)在職業(yè)教育中的前景，提倡使用相關(guān)技術(shù)為學(xué)生提供學(xué)習(xí)體驗(yàn)和技能培校和教育部門(mén)在為學(xué)生的職業(yè)生涯做更好的準(zhǔn)備這一方面提供指導(dǎo)。此外，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織需特定設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐演練的職業(yè)教育正在經(jīng)歷史無(wú)前例的危機(jī)，OECD國(guó)家已經(jīng)采取諸多措施，在我國(guó)，隨著教育信息化被提升至國(guó)家戰(zhàn)略層面，VR技術(shù)在教育中的應(yīng)用逐漸由職業(yè)教育拓展到高等教育和基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，由建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基地和平臺(tái)逐漸拓展到結(jié)合5G技術(shù)建設(shè)智慧校園、智完善智慧教學(xué)設(shè)施、建設(shè)智慧科研設(shè)施、部署智慧公共設(shè)施三個(gè)主要措施；建設(shè)科研協(xié)同平臺(tái)，提供虛場(chǎng)景的推廣，提升教學(xué)、管理、科研、服務(wù)等各環(huán)節(jié)的信息化能力?！短摂M現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2026年）》進(jìn)一步提出在中小學(xué)校、高等教育、職業(yè)教育建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實(shí)課堂、教研室、實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，打造支持自主探究、協(xié)作學(xué)習(xí)的沉浸式新課堂，推進(jìn)“虛擬仿真實(shí)綜上，各國(guó)在政策部署上對(duì)VR教育應(yīng)用各有側(cè)重。美國(guó)NETP中有關(guān)VR技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的目的旨在解決教育公平問(wèn)題。韓國(guó)發(fā)布的相關(guān)政策主要聚焦于建構(gòu)產(chǎn)學(xué)研合作體系，以期使用VR/AR技術(shù)推進(jìn)職業(yè)教育與產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。英國(guó)同樣關(guān)注VR/AR技術(shù)在職業(yè)教育中的前景，提倡使用相關(guān)技術(shù)為學(xué)生提供學(xué)習(xí)體驗(yàn)和技能培訓(xùn)。在我國(guó)，VR技術(shù)在教育中的應(yīng)用已經(jīng)全面滲入職業(yè)教育、高等育領(lǐng)域，已由建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基地和平臺(tái)、建設(shè)智慧校園、智慧教室等基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)為打造沉浸式課VR因其沉浸性和交互性特征，可用于創(chuàng)設(shè)多樣化的擬真學(xué)習(xí)環(huán)境，尤其是模擬現(xiàn)實(shí)世界中難以接0404VR技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述研究[1]發(fā)現(xiàn)：VR在幫助學(xué)生完成空間知識(shí)表征要求比較高的任務(wù)，以及勝任現(xiàn)實(shí)世界中不切實(shí)際或不可能完成的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)任務(wù)方面優(yōu)勢(shì)顯著；VR能夠通過(guò)給學(xué)習(xí)任務(wù)的機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣；能夠通過(guò)情景化學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解和技能遷移。《VR/AR教育教學(xué)應(yīng)用調(diào)研報(bào)告》[2]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)研報(bào)告）顯示，VR能促進(jìn)觀察性學(xué)習(xí)、操作性學(xué)習(xí)和社會(huì)性學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展，在基礎(chǔ)教育、高等教育、職業(yè)教育、非正式學(xué)習(xí)等不同的教育場(chǎng)景中首先，VR的可視化三維呈現(xiàn)方式支持學(xué)習(xí)者多習(xí)者的興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在基礎(chǔ)教育中，360°全景視頻、沉浸式VR內(nèi)容等在教學(xué)中的應(yīng)用能顯著提高學(xué)習(xí)者注意力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)，改善學(xué)習(xí)體驗(yàn)[3]。在高等教育和職業(yè)教育中，教育內(nèi)容和教育方式更加多樣化，學(xué)習(xí)者能在VR虛擬場(chǎng)景中通過(guò)觀察來(lái)輔助進(jìn)行概念學(xué)習(xí)和技能鍛煉[4]。其次，VR的沉浸性和交互性特征能夠提供身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)技能的系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者提供了更形象、更具啟發(fā)性的學(xué)習(xí)環(huán)境，能提升學(xué)習(xí)者的臨場(chǎng)感、享樂(lè)感、自我效能最后，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接與互動(dòng)的VR社交應(yīng)用有助于減少虛擬環(huán)境中的孤獨(dú)感體驗(yàn)，增強(qiáng)交流意動(dòng)式情景教學(xué)和實(shí)訓(xùn)[9]。在非正式學(xué)習(xí)中，多人協(xié)作互動(dòng)式VR游戲可以提高科普教育的趣味性、有效目前，國(guó)內(nèi)外科技企業(yè)如微軟、Meta等均在積極布局VR教育，zSpace提供的3D仿真軟硬件系統(tǒng)和教學(xué)內(nèi)容在美國(guó)也大受歡迎。國(guó)內(nèi)新興的創(chuàng)業(yè)公司、VR的硬件公司以及傳統(tǒng)的教育公0505阻力一是政策環(huán)境方面尚不具備條件。調(diào)研報(bào)告顯示，校長(zhǎng)等領(lǐng)導(dǎo)層面均表示大規(guī)模的資金投入是VR教育應(yīng)用決策時(shí)首先考慮的問(wèn)題。而當(dāng)前中小學(xué)對(duì)VR硬件設(shè)備采購(gòu)的專(zhuān)項(xiàng)資金支持不足，導(dǎo)致常態(tài)化教學(xué)中VR硬件設(shè)備數(shù)量不足?；A(chǔ)教育使用VR設(shè)備開(kāi)展學(xué)習(xí)時(shí)，生機(jī)比遠(yuǎn)超1：1，甚至高達(dá)6：1。此外，學(xué)校的教學(xué)考核中缺乏相應(yīng)的政策支持。訪談教師均表示虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要花費(fèi)額外的時(shí)間和精學(xué)中的應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)法滿(mǎn)足靈活組織教學(xué)活動(dòng)的需求。調(diào)研報(bào)告顯示，教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的監(jiān)管和評(píng)價(jià)是VR教學(xué)常態(tài)化開(kāi)展中面臨的一大挑戰(zhàn)。另一方面，對(duì)內(nèi)容資源統(tǒng)一管理的配套軟件不地實(shí)現(xiàn)資源存儲(chǔ)、分發(fā)、更新與共享。在職業(yè)教育領(lǐng)域，仍然缺少對(duì)內(nèi)容資源統(tǒng)一管理的配套軟件，無(wú)阻力三是符合教學(xué)需求的優(yōu)質(zhì)內(nèi)容資源短缺。調(diào)研報(bào)告教學(xué)，無(wú)法滿(mǎn)足其它學(xué)科的教學(xué)需求。同時(shí)，VR教學(xué)內(nèi)容本身的適切性、靈活性和共享性足不同場(chǎng)景的教學(xué)需求。部分校長(zhǎng)在訪談中表示VR內(nèi)容資源是否能夠滿(mǎn)足實(shí)際的教學(xué)阻力四是基礎(chǔ)教育常態(tài)化應(yīng)用受客觀條件限制。對(duì)小學(xué)生而言，用眼健康問(wèn)題是開(kāi)展常態(tài)化應(yīng)用時(shí)教師和校長(zhǎng)的顧慮之處。VR設(shè)備常態(tài)化應(yīng)用是否會(huì)影響小學(xué)生的視力健康，以及VR體驗(yàn)中出現(xiàn)的眩暈等身體不適感是否會(huì)影響小學(xué)生的身體健康，這些問(wèn)題尚未得到科學(xué)論證。對(duì)中學(xué)生而言，學(xué)習(xí)時(shí)間0606教師信息化教學(xué)能力是推動(dòng)VR教學(xué)走向深度融合和創(chuàng)新應(yīng)用的關(guān)鍵。然而，調(diào)研報(bào)教師熟練操作和使用各種VR設(shè)備和軟件工具資源。二是缺乏系統(tǒng)化的、持續(xù)的理論和實(shí)（3）VR教學(xué)規(guī)?；瘧?yīng)用尚缺乏成熟的實(shí)當(dāng)前，VR教育應(yīng)用仍然處于以學(xué)校為單位的試點(diǎn)探索或教師成熟的實(shí)踐模式。調(diào)研報(bào)告顯示，近50%的中小學(xué)教師認(rèn)為VR在基礎(chǔ)教育的應(yīng)用處于以學(xué)校為單位的試點(diǎn)階段，28%認(rèn)為仍然處于教師個(gè)人摸索階段；近60%的職校教師認(rèn)為目前所在學(xué)校中VR在教學(xué)上總體而言，VR在賦能教育的實(shí)踐過(guò)程中存在內(nèi)生動(dòng)力不足和外部支撐薄弱的問(wèn)題。VR本身的技術(shù)體系尚不夠成熟，表現(xiàn)在VR硬件系統(tǒng)的易用性和可用性尚不能滿(mǎn)足在教育領(lǐng)域常態(tài)化應(yīng)用的軟件資源和內(nèi)容資源也不完全符合教育教學(xué)的需求。就外部支撐而言，國(guó)家層面的政策支持相對(duì)不足，教育的重要利益相關(guān)者對(duì)VR教育應(yīng)用帶來(lái)的各種風(fēng)險(xiǎn)存在隱憂，支撐VR常態(tài)化應(yīng)用的多方合作機(jī)0707技術(shù)賦能教學(xué)需要以教育教學(xué)理論為指導(dǎo)，遵循學(xué)與教的基本規(guī)律，才能夠發(fā)揮其最大的效力。教育系統(tǒng)的復(fù)雜性在于學(xué)習(xí)場(chǎng)景的多樣性、動(dòng)態(tài)性和自組織性。虛擬現(xiàn)實(shí)賦能教學(xué)需要以場(chǎng)景為抓手，找準(zhǔn)技術(shù)賦能的發(fā)力點(diǎn)；以教育教學(xué)理論為指導(dǎo)，精心設(shè)計(jì)技術(shù)支持的教學(xué)活動(dòng)和流程；以循證研究為導(dǎo)向，全面評(píng)估技術(shù)賦能帶來(lái)的短期和長(zhǎng)期效益。按照教育的不同類(lèi)型，白皮書(shū)分別呈現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)在基礎(chǔ)教育、高等教育和職業(yè)教育領(lǐng)域應(yīng)用的五大典型場(chǎng)景，剖析了這些典型場(chǎng)景背后的理論模型，以期為0808探究學(xué)習(xí)是中小學(xué)課堂教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。但受限于課堂時(shí)空有限以及探究所需條件的不足，課堂探究學(xué)習(xí)往往無(wú)法給每一位學(xué)生提供親身體驗(yàn)、深入探究的機(jī)會(huì)。特別是科學(xué)探究中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，由于實(shí)驗(yàn)材料的限制或是實(shí)驗(yàn)安全的考慮，學(xué)生很難在有限的課堂時(shí)間內(nèi)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究獲得直接的經(jīng)驗(yàn)，并據(jù)此主動(dòng)完成意義建構(gòu)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課堂探究場(chǎng)景中的應(yīng)用能夠?yàn)榇蚱普n堂時(shí)空限制，支持每一位本案例[11]是一堂探究復(fù)習(xí)課，課堂內(nèi)容圍繞分子的特征展子的化學(xué)性質(zhì)相同、不同種分子的化學(xué)性質(zhì)不同三個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究常見(jiàn)氣體的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)(ExperientialLearning)由美國(guó)社會(huì)心理學(xué)家、教育家大衛(wèi)·庫(kù)伯(DavidKolb)提出，整合了杜威、班杜拉等人的教育思想，植根于自我效能感（self-ef?cacy）理論[12]。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)個(gè)人經(jīng)歷或經(jīng)驗(yàn)在學(xué)習(xí)過(guò)程中的重要作用，認(rèn)為學(xué)習(xí)是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化而創(chuàng)造知識(shí)的過(guò)程，非常重視學(xué)習(xí)者虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在幫助學(xué)習(xí)者勝任現(xiàn)實(shí)世界中不切實(shí)際或不可能完成的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)任務(wù)方面頗具優(yōu)生只能通過(guò)觀看視頻獲得間接的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，3D交互課件為學(xué)生通過(guò)親自動(dòng)手操作獲得直接的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)0909再次，學(xué)生用VR仿真交互課件檢驗(yàn)氧氣和二氧化碳的性質(zhì)，利用VR頭顯設(shè)備和交互手柄在360°擬傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可能大批量制取氧氣和二氧化碳，學(xué)生只能通過(guò)觀看教師演示，無(wú)法親自動(dòng)手實(shí)據(jù)和結(jié)論之間的邏輯關(guān)系”。虛擬實(shí)驗(yàn)創(chuàng)編系統(tǒng)為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想、修正實(shí)驗(yàn)方案等實(shí)驗(yàn)里實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有知識(shí)的綜合運(yùn)用和拔高?？梢?jiàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)支持的課堂教學(xué)能夠縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，支持學(xué)生在課堂上有限的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了多個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的驗(yàn)證，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂容量和質(zhì)量。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器不足、藥品種類(lèi)缺乏的問(wèn)題，減少了老師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材的繁瑣和難習(xí)無(wú)疑為做好科學(xué)教育加法提供了重要途經(jīng)，家庭是中小學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是科學(xué)教育的重要內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途經(jīng)。如何幫助中小學(xué)生在課外，特別是實(shí)驗(yàn)條件有限的家中既能動(dòng)腦又能動(dòng)手，開(kāi)展自主探究，鞏固實(shí)驗(yàn)知識(shí)，提升科學(xué)素養(yǎng)成為亟待解決的難題。虛擬實(shí)驗(yàn)在本案例[16]是圍繞七年級(jí)下冊(cè)《生物學(xué)》中的寒假自主學(xué)習(xí)與新學(xué)期開(kāi)學(xué)后的新知探索做好銜接，包含《模擬膈肌運(yùn)動(dòng)與胸廓容積的變化》、《膝生成性學(xué)習(xí)理論（GenerativeLearningTheWittrock）提出，認(rèn)為學(xué)習(xí)的生成過(guò)程是學(xué)習(xí)主體根據(jù)自己的先前經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度、興趣，以及認(rèn)知策略對(duì)當(dāng)前環(huán)境中的感覺(jué)信息產(chǎn)生選擇性注意，獲得選擇性信息并利用原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)建構(gòu)該信息的意義，從而促進(jìn)技術(shù)情境下生成性學(xué)習(xí)發(fā)生的策略：總結(jié)（Summarizing）、制圖（Mapping）、繪畫(huà)（Draw-研究表明，在虛擬現(xiàn)實(shí)支持的學(xué)習(xí)中采用生成性學(xué)習(xí)策略有助于提升學(xué)習(xí)者的知識(shí)保留和知識(shí)遷移在家開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究提供了親身體驗(yàn)和深入探究的機(jī)會(huì)。同時(shí)，在生成性學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，要求學(xué)生將探究過(guò)程和實(shí)踐成果通過(guò)拍照或視頻的方式記錄下來(lái)，然后上傳至人人通教育云平臺(tái)進(jìn)行互動(dòng)交流，學(xué)本案例以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的模式，引導(dǎo)學(xué)生選擇《模擬膈肌運(yùn)動(dòng)與胸廓容積的變化》、《膝跳反射》、《用廢舊報(bào)紙制作再生紙》三個(gè)探究活動(dòng)中的一個(gè)進(jìn)行探究實(shí)踐。下面以《模擬膈肌運(yùn)動(dòng)與胸廓容積的我們每時(shí)每刻都在進(jìn)行呼吸，呼吸與人類(lèi)生活息息相關(guān)。正常成年人一般情況下呼吸頻率是16-18界氣體交換的裝置。制作的過(guò)程以照片或視頻的形式在人人通上進(jìn)行提交，還可以寫(xiě)上簡(jiǎn)單的制作心首先，在放假前教師將中央電化教育館虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)的賬號(hào)、《使用幫助》和《探究活動(dòng)介紹》下發(fā)給學(xué)生，并與學(xué)生、家長(zhǎng)保持交流，及時(shí)解答疑惑。其次，學(xué)生在家中利用課本自主學(xué)習(xí)實(shí)關(guān)材料進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)現(xiàn)從虛擬實(shí)驗(yàn)探究到實(shí)物實(shí)驗(yàn)探究的完美過(guò)渡。最后學(xué)生將探究過(guò)程、成果、心得體會(huì)等以照片或視頻的形式上傳至武漢教育云平臺(tái)的人人通空間，由學(xué)科）（本案例中虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用打通了學(xué)校課堂學(xué)習(xí)和家庭自主學(xué)習(xí)的連接，完美結(jié)合了虛擬實(shí)驗(yàn)探究和實(shí)物實(shí)驗(yàn)探究的優(yōu)勢(shì)，有效激發(fā)了該校學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的興趣和熱情。該活動(dòng)也得到了家長(zhǎng)們的大力支持，為家校合作提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提供了很好的思路。不少家長(zhǎng)表示，這樣虛實(shí)結(jié)合的探究活動(dòng)有作為人才培養(yǎng)重要組成部分的實(shí)踐教學(xué)是根據(jù)認(rèn)識(shí)的本質(zhì)和規(guī)律、實(shí)踐的特點(diǎn)和作用以及教學(xué)目的和要求開(kāi)展的實(shí)踐活動(dòng)，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑和手段[20]。然而，人文社科的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)一直被忽視，使其長(zhǎng)相比于新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科，新文科建設(shè)的實(shí)踐教學(xué)問(wèn)題更加凸顯。強(qiáng)化人文科技戰(zhàn)略融合的新文科建設(shè)對(duì)高等教育理念、教育目標(biāo)、培養(yǎng)模式、專(zhuān)業(yè)建設(shè)、課程體系、教學(xué)方法以及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)等均提出了新要求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)為新文科背景下的創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了新本案例是來(lái)自國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)iLab的一門(mén)國(guó)家一流虛擬仿真教學(xué)課程。課程通入虛擬現(xiàn)場(chǎng)，沉浸式、交互式地體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采訪的各個(gè)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的新聞意識(shí)、政策意識(shí)、危機(jī)意識(shí)，以及自主學(xué)習(xí)能力、采訪能力、寫(xiě)作能力、問(wèn)題解決能力等。本案例的授課對(duì)象是大學(xué)生，學(xué)習(xí)的情境學(xué)習(xí)理論源自于讓·萊夫（JeauLave）與丁納·溫格（EtienneWenger）合著的《情境學(xué)習(xí)：合法的邊緣性參與》（Situate間聯(lián)系的屬性以及互動(dòng)的產(chǎn)物，要求將學(xué)習(xí)置于知識(shí)生產(chǎn)的特定的物理或社會(huì)情境中；將參與視作學(xué)習(xí)的關(guān)鍵成分，要求學(xué)習(xí)者通過(guò)理解和經(jīng)驗(yàn)的不斷地相互作用，在不同情境中進(jìn)行知識(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)模擬類(lèi)似于真實(shí)世界的物理或社會(huì)情境，允許學(xué)習(xí)者參與其中，通過(guò)與虛擬環(huán)境的持續(xù)互動(dòng)，完成對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)。本案例運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了擬真的公共危機(jī)事件報(bào)道場(chǎng)景，讓學(xué)生以第一人稱(chēng)視角體驗(yàn)和參與采訪中的各項(xiàng)任務(wù)，在體驗(yàn)和參與的過(guò)程中完成知識(shí)技能教師向?qū)W生說(shuō)明實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理（即新聞采訪與寫(xiě)作的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)要求，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，介紹整個(gè)實(shí)以情景模擬和場(chǎng)景啟發(fā)為基礎(chǔ)，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行采訪工作的實(shí)踐操作，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題、分析問(wèn)題以及處理危機(jī)問(wèn)題的能力，提高學(xué)習(xí)效果。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)有學(xué)習(xí)模式和考核模式。在學(xué)習(xí)模式，學(xué)生可以首先選擇進(jìn)行個(gè)人自主學(xué)習(xí)、探究和練習(xí)，系統(tǒng)設(shè)有提示點(diǎn)，幫助和引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正確的操作和知識(shí)點(diǎn)細(xì)節(jié)的理解。在進(jìn)行練習(xí)后，學(xué)生可以進(jìn)入考核模式，在不依靠輔助提示的情況下自主檢驗(yàn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)作品和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和分析。與此同時(shí)，教師將對(duì)考點(diǎn)教師與學(xué)生共同討論實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的得失，總結(jié)個(gè)人學(xué)習(xí)成效的長(zhǎng)短優(yōu)劣，提出發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、補(bǔ)強(qiáng)短板在上述四個(gè)階段中，均貫穿了情景還原、任務(wù)驅(qū)動(dòng)和人機(jī)交互等幾種基本的教學(xué)方式，讓學(xué)生在實(shí)踐中樹(shù)立一種工程師式的操作思維，體驗(yàn)其中的細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)和需要付出的艱辛勞動(dòng)，塑造良好的職業(yè)習(xí)由于公共危機(jī)事件報(bào)道具有突發(fā)性、危險(xiǎn)性和不易接近性，很難讓學(xué)生親身參與并進(jìn)行系統(tǒng)地學(xué)習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重教學(xué)過(guò)程中的整體性和連貫性，系統(tǒng)地融合了公共衛(wèi)生危機(jī)事件的內(nèi)涵，采訪過(guò)程中的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以及社會(huì)心理狀況的調(diào)查等必要內(nèi)容。同時(shí)，由于新聞采訪需要在現(xiàn)場(chǎng)完成，傳統(tǒng)教學(xué)中很難對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控并開(kāi)展過(guò)程性評(píng)價(jià)。虛擬仿真軟件能將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程記錄下來(lái)，并實(shí)時(shí)觀察，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還設(shè)置有多個(gè)考點(diǎn)，可以有效開(kāi)展過(guò)程性評(píng)價(jià)。作為對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛實(shí)結(jié)合、沉浸交互及共享開(kāi)放特征，能夠支持學(xué)生隨時(shí)隨地開(kāi)展實(shí)踐職業(yè)教育領(lǐng)域的職業(yè)技能實(shí)訓(xùn)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支撐有著強(qiáng)烈的需求。2023年，教育部印發(fā)了關(guān)于加快推進(jìn)現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設(shè)改革重點(diǎn)任務(wù)的通知，要求各校要瞄準(zhǔn)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中“高投入高難度高風(fēng)險(xiǎn)、難實(shí)施難觀摩難再現(xiàn)”等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，結(jié)合自身實(shí)際，有效運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，建設(shè)職業(yè)教育虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，開(kāi)發(fā)資源、升級(jí)設(shè)備、構(gòu)建課程、組建團(tuán)隊(duì)，革新傳統(tǒng)實(shí)本案例來(lái)自長(zhǎng)沙航空職業(yè)學(xué)院的航空產(chǎn)業(yè)集群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地。該實(shí)訓(xùn)基地針對(duì)航空復(fù)雜工藝知過(guò)程的進(jìn)行方式和步驟實(shí)際上是被身體的物理屬性所決定的；認(rèn)知的內(nèi)容是身體提供的；認(rèn)知、身程中的重要作用，認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者對(duì)環(huán)境的感知和作用于環(huán)境的行為之間互動(dòng)的結(jié)果[25]。虛擬環(huán)境中,學(xué)習(xí)者通過(guò)擁有一個(gè)虛擬身體（Avatar）獲得具身化體驗(yàn)，通過(guò)控制虛擬身體與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，在持續(xù)的交互與反饋過(guò)程中完成與身體經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的認(rèn)知加工。職業(yè)教育中的復(fù)雜技能學(xué)習(xí)除了需要為學(xué)生營(yíng)造真實(shí)的學(xué)習(xí)請(qǐng)境外，還需要以具身認(rèn)知理論為指導(dǎo)對(duì)復(fù)雜技能學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，以此航空產(chǎn)業(yè)集群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地覆蓋通用航空器維修、空中乘務(wù)、無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)、航空物流管理和航空機(jī)電設(shè)備維修5個(gè)專(zhuān)業(yè)。實(shí)訓(xùn)基地針對(duì)教學(xué)資源的個(gè)性化開(kāi)發(fā)與持續(xù)更新的需要，拓展校企合作模式，加強(qiáng)創(chuàng)新，進(jìn)一步推動(dòng)院校教學(xué)實(shí)訓(xùn)、校企職工培訓(xùn)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，形成多元化人才提升需求的培實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目包括機(jī)務(wù)維修、航空公共安全時(shí)間應(yīng)急管理、飛行仿真實(shí)訓(xùn)、事故應(yīng)急救援、航空器環(huán)控系統(tǒng)維修等，支持課程包括《空氣動(dòng)力學(xué)和維護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)》、《航空機(jī)械基礎(chǔ)》等?！犊諝鈩?dòng)力學(xué)和維護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)》課程與企業(yè)緊密聯(lián)系，在課程基礎(chǔ)上設(shè)立航空維護(hù)技術(shù)導(dǎo)師團(tuán)，教學(xué)過(guò)程中進(jìn)一步將維護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)和崗位能力以及國(guó)賽項(xiàng)目相融合，成為崗位練兵的重要支撐?！逗娇諜C(jī)械基礎(chǔ)》以課促賽，將深挖思政元素，讓學(xué)生了解中國(guó)航空的發(fā)展史和偉大成就等，激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)、航空情懷，增強(qiáng)學(xué)生職業(yè)VR使航空復(fù)雜工藝360度展示在學(xué)生面前，支持學(xué)生通過(guò)在虛擬環(huán)境中反復(fù)觀察和操作高仿真航空設(shè)備，從而達(dá)到航空專(zhuān)業(yè)維修的考核要求?；贏R/V或者破壞性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的支持，從而降低真實(shí)設(shè)備的損耗，同時(shí)也確保實(shí)驗(yàn)的安全。學(xué)生以第一人稱(chēng)角色扮演的方式進(jìn)行崗位模擬操作，掌握業(yè)務(wù)流程和操作技巧，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)了“線上數(shù)字資源學(xué)習(xí)+線下VR虛擬仿真訓(xùn)練”的職業(yè)技能學(xué)習(xí)新模式，全方位助力航空專(zhuān)業(yè)人才師范院校天然連接著基礎(chǔ)教育和高等教育，在提高人的數(shù)字素養(yǎng)、深化教育數(shù)字化變革、建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)中具有重要的紐帶作用。智能時(shí)代的教師數(shù)字化素養(yǎng)培訓(xùn)是當(dāng)前教師培訓(xùn)工作的重點(diǎn)，也是師范類(lèi)院校人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。2022年底，教育部發(fā)布《教師數(shù)字素養(yǎng)》教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化教師數(shù)字素養(yǎng)培訓(xùn)，提升教師利用數(shù)字技術(shù)優(yōu)化、創(chuàng)新和變革教育教學(xué)活動(dòng)的意識(shí)、能力和責(zé)任。作為數(shù)字化素養(yǎng)的重要組成部分，教師的數(shù)字化教學(xué)技能培養(yǎng)已無(wú)法依賴(lài)傳統(tǒng)的講授式培訓(xùn)方式來(lái)開(kāi)展，而必須要依賴(lài)虛本案例來(lái)自俄克拉荷馬州立大學(xué)（OklahomaStateUniversity）開(kāi)展的一加混合現(xiàn)實(shí)模擬Mursion?課程的師范生如何看待混合現(xiàn)實(shí)模擬課程對(duì)他們的學(xué)習(xí)、職業(yè)自信心，以及后續(xù)的教育實(shí)習(xí)的影響。Mursion?是一個(gè)混合現(xiàn)實(shí)模擬，它提供了一個(gè)由數(shù)字和物理組件組成的環(huán)境。該模擬程序使用人工智能和真人演員的混合來(lái)模擬不同的交互設(shè)置，幫助師范生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)授課、管理課堂和練習(xí)教學(xué)技能，為師范生教學(xué)模擬提供了在受控環(huán)境中進(jìn)行真實(shí)練習(xí)的機(jī)會(huì)，并減少虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等支持的仿真模擬可以為教師或師范生提供擬真的教學(xué)場(chǎng)景和體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。學(xué)生在沉浸式虛擬環(huán)境中可以通過(guò)Avatar的形式進(jìn)行角色扮演，在對(duì)各種教學(xué)活動(dòng)的體驗(yàn)中完成研究邀請(qǐng)了師范生同時(shí)參加混合現(xiàn)實(shí)模擬Mursion?的課程和一門(mén)教育實(shí)習(xí)課程。師范生在模擬課程中參加了以下三個(gè)場(chǎng)景中的一個(gè)：引導(dǎo)和吸引中學(xué)生參與討論，給中學(xué)生上康奈爾筆記課，或者與成人一起主持家長(zhǎng)會(huì)。模擬課程是在一個(gè)配備了LCD智能板屏幕的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，該屏幕用于訪問(wèn)模擬。實(shí)驗(yàn)室為師范生提供了一個(gè)開(kāi)放空間，讓他們參與模擬，并在空間的周邊設(shè)置了座位，讓師范生在等待輪到模擬的時(shí)候觀察他們的同伴。在每位師范生參與模擬結(jié)束后，主持人帶領(lǐng)師范生進(jìn)行匯報(bào)，并對(duì)所經(jīng)歷和觀察的事情進(jìn)行反思。在模擬課程結(jié)束之后，研究人員從參與課程學(xué)習(xí)的94名師范生中選擇了13名進(jìn)行深度訪談，每次訪談持續(xù)20分鐘左右，收集他們?cè)诨旌犀F(xiàn)實(shí)模擬中的體驗(yàn)的質(zhì)性首先，參加培訓(xùn)的師范生都認(rèn)為混合現(xiàn)實(shí)模擬提供了一種比他們?cè)诮逃龑?shí)習(xí)中更真實(shí)的觀察體驗(yàn)。其次，師范生表示在混合現(xiàn)實(shí)模擬培訓(xùn)期間，從對(duì)同伴的觀察中感知到學(xué)習(xí)遷移的發(fā)生，因?yàn)樗麄儠?huì)根據(jù)在同伴參與模擬期間所做的觀察來(lái)調(diào)整自己在模擬中的行為表現(xiàn)。師范生反饋從混合現(xiàn)實(shí)模擬經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)到的知識(shí)遷移到了他們?cè)谡n程結(jié)束后的教育實(shí)習(xí)中。例如，一位師范生明確議場(chǎng)景中與家長(zhǎng)化身的經(jīng)歷影響了她后來(lái)在參與真實(shí)的家長(zhǎng)會(huì)時(shí)的決策。最后，參加模擬培訓(xùn)的師范生表示，由于通過(guò)模擬進(jìn)行了練習(xí)，在未來(lái)的教育實(shí)習(xí)中，他們更有信心能處理好在模擬體驗(yàn)中遇到的類(lèi)似情況?？梢?jiàn)，混合現(xiàn)實(shí)模擬不僅能夠?yàn)閹煼渡峁┙虒W(xué)技能練習(xí)的機(jī)會(huì)，而且有助于提升師范生的職虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)體系包含硬件開(kāi)發(fā)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，與資源生產(chǎn)相關(guān)的軟件工具和內(nèi)容生產(chǎn)工具體系，以及與行業(yè)應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)融合體系。技術(shù)體系細(xì)分而言，包含內(nèi)容制作技術(shù)、采集建模技術(shù)、感知交互技術(shù)、渲染呈現(xiàn)技術(shù)、傳輸分發(fā)技術(shù)、自然顯示技術(shù)。其中，共性技術(shù)體系包含混合增強(qiáng)智能新架構(gòu)與新技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)智能建模技術(shù)、三維智能建模與云建模技術(shù)、VR模型的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集技總體而言，虛擬現(xiàn)實(shí)有單機(jī)智能與網(wǎng)聯(lián)云控兩種技術(shù)路徑。目前，大多數(shù)企業(yè)基于單機(jī)智能這一技術(shù)路徑，重點(diǎn)關(guān)注近眼顯示、渲染計(jì)算、感知交互與內(nèi)容制作方面的研發(fā)創(chuàng)新、技術(shù)產(chǎn)業(yè)化及控制成本等相關(guān)工作，網(wǎng)聯(lián)云控主要體現(xiàn)在內(nèi)容上云后的流媒體服務(wù)。未來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展不是兩者簡(jiǎn)單相加，而是有機(jī)融合：在云、網(wǎng)、邊、端、用、人等相結(jié)合的創(chuàng)新體系下，通過(guò)重構(gòu)現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)，觸發(fā)產(chǎn)業(yè)飛躍發(fā)展，并且在這一深度融合創(chuàng)新的框架下，重新定義新技術(shù)、新產(chǎn)品、新標(biāo)準(zhǔn)、新市場(chǎng)與新業(yè)如圖3-2所示，虛擬現(xiàn)實(shí)涉及如下關(guān)鍵技術(shù)：近眼顯示技術(shù)、內(nèi)容制作技術(shù)、感知交互技術(shù)、渲染VR近眼顯示的理論基礎(chǔ)是雙眼立體視覺(jué)原理，同一物體在左右雙眼視網(wǎng)膜成像時(shí)存在視差通過(guò)視覺(jué)皮層融合進(jìn)而產(chǎn)生三維立體感。頭戴式顯示技術(shù)正成為虛擬現(xiàn)實(shí)主流立體視覺(jué)顯示技術(shù)，為雙眼提供立體圖像，進(jìn)而產(chǎn)生立體視覺(jué)效果。近眼顯示的參數(shù)指標(biāo)是影響用戶(hù)體驗(yàn)感受的主要因素[29]，主要包括視場(chǎng)角(FieldofView,FOV)、分辨率(Resolution)、刷新率(RefreshRate)、運(yùn)動(dòng)到成視場(chǎng)角主要用于衡量寬廣度，指的是顯示器兩側(cè)邊緣與觀察點(diǎn)(眼睛)連線的夾角，視場(chǎng)角的大小直接決定著用戶(hù)的視覺(jué)感受，視場(chǎng)角是用戶(hù)的臨場(chǎng)感[30]和沉浸感[31]的重要因素。在水平方向上，人單眼的舒適角度為60°,在此方位區(qū)間內(nèi)人眼視力最為敏感；單眼的視野(不轉(zhuǎn)動(dòng)眼球、脖頸)約為左右各95°,雙眼重合的視野角度為120°。通常VR頭顯的水平視場(chǎng)角要達(dá)到90°,才能保證較高的沉浸感，目要概念，指的是視野里單位角度包含的像素?cái)?shù)，通常計(jì)算方式是(單眼成像)視野內(nèi)最長(zhǎng)對(duì)角線像素量除以該對(duì)角線的視場(chǎng)角。從數(shù)字上看，PPD越高，顯示的畫(huà)面自然可以越精細(xì)，有研究稱(chēng)人眼正常視力下暢程度，指的是VR屏幕上圖像的每秒更新的頻次，理想的刷新率應(yīng)在90-120Hz或以上。一般而言，VR顯示的刷新頻率越高，屏幕上圖像閃爍感就越小，穩(wěn)定性也就越高，圖像顯示越自然清晰，可以減輕用戶(hù)產(chǎn)生眩暈感[33]。一般來(lái)說(shuō)，如能達(dá)到80Hz以上的刷新頻率，就可完全消除圖像閃爍和抖動(dòng)感，減輕頭部移動(dòng)，VR場(chǎng)景應(yīng)該與移動(dòng)相匹配。這兩個(gè)動(dòng)作之間的延遲越多，VR畫(huà)面看起來(lái)就越不真實(shí)，并且基于用戶(hù)與虛擬環(huán)境內(nèi)容之間的交互程度，可分為弱交互和強(qiáng)交互兩種類(lèi)型。前者用戶(hù)在虛擬環(huán)境中可選擇視點(diǎn)和位置，用戶(hù)體驗(yàn)是相對(duì)被動(dòng)，體驗(yàn)內(nèi)容也是預(yù)先規(guī)劃好的，主要包括VR直播、VR全景視頻等應(yīng)用場(chǎng)景；后者是內(nèi)容須根據(jù)用戶(hù)的交互信息進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，自由度、實(shí)時(shí)性與交互感更強(qiáng)。在弱交互方面，主要呈現(xiàn)出強(qiáng)調(diào)高質(zhì)量、多格式的專(zhuān)業(yè)生成內(nèi)容(PGC)和操作便捷、成本可控的用戶(hù)生成內(nèi)容(UGC)兩種發(fā)展訴求，技術(shù)選型包括手機(jī)式、一體單目/多目、陣列式、光場(chǎng)式等內(nèi)容采集設(shè)備。VR視頻的交互體驗(yàn)自由度也正從基于視野轉(zhuǎn)動(dòng)的3DoF發(fā)展為場(chǎng)景中自由過(guò)采集用戶(hù)實(shí)時(shí)心率、眼動(dòng)、語(yǔ)音、微表情等多元化生理指標(biāo)，可建構(gòu)出依據(jù)用戶(hù)偏好反饋的定制化內(nèi)容敘述線。此外，隨著VR直播的常態(tài)化，制作上云將成為簡(jiǎn)化虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容攝制流交互方面，3D數(shù)字模型通常基于掃描數(shù)據(jù)或多視角圖像進(jìn)行三維建模，通過(guò)紋感處理，并嵌入文本、音頻和視頻信息完成實(shí)體重建。當(dāng)前，基于RGBD相機(jī)等技術(shù)方案低成本、高速率生成高質(zhì)量3D模型正成為可能。此外，虛擬化身的制作作為VR多人社交的關(guān)鍵，通過(guò)追蹤采集用戶(hù)在技術(shù)方面，基于口型、眼動(dòng)、表情、手勢(shì)肢體等上半身虛擬化身技術(shù)初步走向成熟，有望增在支撐性技術(shù)方面，WebXR推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容與各類(lèi)終端平臺(tái)、操作系網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)框架支撐的同時(shí)，深化了對(duì)新一代3D圖形應(yīng)用程序Vulkan的協(xié)同，適配了手勢(shì)、眼動(dòng)追蹤等多元化的交互方式，豐富5G邊緣計(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景。操作系統(tǒng)（OS）聚焦發(fā)展實(shí)時(shí)性、多任務(wù)、感知交3.1.3感知交互技術(shù)理想人機(jī)交互可讓虛擬現(xiàn)實(shí)用戶(hù)聚焦交互活動(dòng)本身，而忘記交互界面的存在，自然化、情景化與智能化成為感知交互技術(shù)的主要特征。追蹤定位是感知交互領(lǐng)域的基礎(chǔ)能力，存在著Outside-in和Inside-out兩條技術(shù)路線[35]。前者需要在環(huán)境中布置(基站外設(shè))定位器，實(shí)現(xiàn)從外到內(nèi)的位置計(jì)算；后者則只需借助VR設(shè)備自身的傳感器進(jìn)行環(huán)境感知與位置計(jì)算。當(dāng)前，基于視覺(jué)+IMU慣性測(cè)量融合的Inside-out追蹤定位技術(shù)全面成熟，正規(guī)?；瘧?yīng)用于頭顯終端。Inside-out在追蹤定位方面已接近Outside-in的效果，這種省去基站外設(shè)的追蹤方式符合大眾市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。在VR交互方面，VR控制器輸入是當(dāng)前最為常見(jiàn)的輸入方式，手勢(shì)追蹤初步成熟，基于手勢(shì)追蹤的裸手輸入、裸手+控制器等交互外設(shè)協(xié)同共存將成為發(fā)展趨勢(shì)。手勢(shì)追蹤技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于消減了用戶(hù)對(duì)交互外設(shè)的配置操作與購(gòu)買(mǎi)成本，無(wú)須考慮充電配對(duì)問(wèn)題，且手勢(shì)信息等仍是VR終端的重要交互輸入，但在達(dá)到沉浸體驗(yàn)門(mén)檻后，眼動(dòng)追蹤成為VR終端的新標(biāo)配。眼動(dòng)追蹤技術(shù)主要分為基于特征與基于圖像的發(fā)展路徑，該技術(shù)發(fā)展焦點(diǎn)在于眼動(dòng)算法如何基于所采集的原始眼動(dòng)3.1.4渲染計(jì)算技術(shù)Neo4。沉浸式VR眼鏡作為輕量級(jí)的VR設(shè)備，則是利用手機(jī)、云渲染與本地渲染并非是相互獨(dú)立的發(fā)展軌道，相比于本地渲染依賴(lài)于終端完成，其聚焦云網(wǎng)邊端的協(xié)同渲染，將渲染算力導(dǎo)入云端，具有降低終端配置成本的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，公有云的云控網(wǎng)聯(lián)需要解決云上算力成本、確定性網(wǎng)絡(luò)成本等難題，面向消費(fèi)者進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用仍然存在一定距離。在教育領(lǐng)域，尤其是高等教育，云端渲染不需要依托公有云支持，可通過(guò)學(xué)校區(qū)內(nèi)私有云共享算力資源、并改造學(xué)校局域網(wǎng)滿(mǎn)足確定性時(shí)延的要求，從云-管-邊-端協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)端云算力協(xié)同、終端算顯分離，有工信部出臺(tái)的“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃中提到，系統(tǒng)推進(jìn)固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)寬帶邁入千兆時(shí)聞發(fā)布會(huì)顯示，學(xué)校的信息化配置水平顯著提高，2021年全國(guó)義務(wù)教育學(xué)?；ヂ?lián)網(wǎng)(固定網(wǎng)絡(luò))接入率接近100%。固定網(wǎng)絡(luò)作為新基建的先導(dǎo)基礎(chǔ)，經(jīng)歷了語(yǔ)音時(shí)代、寬帶時(shí)代、視頻時(shí)代、4K超高清時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)在光纖入戶(hù)(FTTH/FTTO)的基礎(chǔ)上，正進(jìn)一步拓展至房間(FTTR)、終端等，通過(guò)配合WiFi6保障每間教室的高質(zhì)量、多并發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。此時(shí)，千兆光網(wǎng)+云VR將成為F5G時(shí)代的典型特征與重點(diǎn)應(yīng)用的結(jié)合。與前幾代固定網(wǎng)絡(luò)相比，F(xiàn)5G千兆網(wǎng)絡(luò)憑借著超大帶寬(eFBB)、全光連接(FFC)和極致體驗(yàn)(GRE)關(guān)鍵特征推動(dòng)光纖網(wǎng)絡(luò)突破傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)邊際，可為教育的高質(zhì)量發(fā)展提供高速、便捷、綠第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)是具有高速率、低時(shí)延和大連接特點(diǎn)的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，5設(shè)施是實(shí)現(xiàn)人機(jī)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。5G的三大類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景包括增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)、超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)和海量機(jī)器類(lèi)通信(mMTC)。由于虛擬現(xiàn)實(shí)編碼率高、交互性強(qiáng)，在4G網(wǎng)絡(luò)下僅可滿(mǎn)足2K業(yè)務(wù)，尚難以滿(mǎn)足4K/8K虛擬現(xiàn)實(shí)在教育教學(xué)中的規(guī)模部署，須依托于5G的上行大帶寬、網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延等能力滿(mǎn)足虛擬現(xiàn)實(shí)的進(jìn)階體驗(yàn)。此外，多接入邊緣計(jì)算(MEC)將密集型計(jì)算任務(wù)遷移到附近的網(wǎng)絡(luò)邊緣，降低核心網(wǎng)和傳輸網(wǎng)的擁塞與負(fù)擔(dān)，減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，并快速響應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求并提升服務(wù)質(zhì)除了以上五種關(guān)鍵技術(shù)外，在《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2026年）》中還提到了壓縮編碼技術(shù)和安全可信技術(shù)。壓縮編碼技術(shù)是對(duì)傳輸?shù)膬?nèi)容進(jìn)行壓縮編碼以其更快的傳輸內(nèi)容的方法。在《行動(dòng)計(jì)劃》[36]中，壓縮編碼技術(shù)重點(diǎn)推動(dòng)基于視角的超高分辨率（8K及以上）虛擬現(xiàn)實(shí)視頻編碼技術(shù)。突破六自由度虛擬現(xiàn)實(shí)視頻、球體視頻、全息視頻、沉浸式音頻、多模態(tài)數(shù)據(jù)等壓縮編碼技術(shù)。研究自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)編解碼向網(wǎng)絡(luò)智能協(xié)同方向發(fā)展。以5智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等為代表的信息技術(shù)時(shí)代的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全存在的問(wèn)題受到廣泛的關(guān)注和極大的重視?；谥鲃?dòng)免疫的主動(dòng)防御可信計(jì)算技術(shù)可有效提高系統(tǒng)整體的防護(hù)效果[37]?？尚庞?jì)算是在計(jì)算和通信系統(tǒng)中廣泛使用基于硬件安全模塊支持下的可信計(jì)算平臺(tái)，其組件、操作或過(guò)程的行為在任意條件下是可預(yù)測(cè)的，并能很好地抵抗應(yīng)用程序軟件、病毒以及一定物理干擾造成的破壞，可以維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用戶(hù)本身的利益和外計(jì)算主動(dòng)免疫雙體系并行動(dòng)態(tài)度量檢驗(yàn)技術(shù)，加快可信計(jì)算在虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議與接入機(jī)制的應(yīng)用3.2.1演示型課堂講授教學(xué)場(chǎng)景演示型課堂講授作為現(xiàn)階段最典型的教學(xué)情景，通常是以40-50人教學(xué)班為單位進(jìn)行講授或者演示。教師在課堂中通過(guò)實(shí)物、圖像、教具或現(xiàn)場(chǎng)操作等進(jìn)行示范教學(xué)(“做給學(xué)生看”)，演示教學(xué)使抽象、復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容變得直觀。VR賦能的演示型課堂講授教學(xué)中，三維立體呈現(xiàn)可幫助學(xué)建立直觀感性的認(rèn)識(shí)，可視化的分析過(guò)程可幫助學(xué)生理解事物的基本原理和過(guò)程。該教學(xué)場(chǎng)景中的學(xué)習(xí)終端在短期內(nèi)仍會(huì)以觸控一體機(jī)+平板/PC為主，并步發(fā)展至沉浸式VR/AR眼鏡、VR一體機(jī)等。學(xué)習(xí)資源的形態(tài)主要是以VR視頻為主，部分教學(xué)活動(dòng)會(huì)涉及少量的3D模型。同時(shí)，該場(chǎng)景中的感知交互技術(shù)是以觸控交互和頭動(dòng)追蹤為主，渲染計(jì)算方面對(duì)算力40-50人教學(xué)班、講授型(演示)40-50人教學(xué)班、講授型(演示)教室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(WiFi6、5GCPE等)3.2.2協(xié)作式小組研討學(xué)習(xí)場(chǎng)景評(píng)性思維等具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通常其教學(xué)規(guī)模是以40-50人組成的教學(xué)班，將學(xué)生學(xué)習(xí)。VR賦能的協(xié)作式小組研討學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)終端在短期內(nèi)仍會(huì)以平板/PC為主，逐步發(fā)展至沉浸式知識(shí)建構(gòu)，此時(shí)學(xué)習(xí)資源的形態(tài)主要是以3D模型為主。同時(shí)，該學(xué)習(xí)場(chǎng)景下多人追蹤定位是關(guān)鍵40-50人教學(xué)班(以組為單位，每組3-4人)40-50人教學(xué)班(以組為單位，每組3-4人)校園范圍內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(WiFi6、5GCPE等)3.2.3互動(dòng)式個(gè)人自主學(xué)習(xí)場(chǎng)景互動(dòng)式個(gè)人自主學(xué)習(xí)場(chǎng)景是學(xué)生個(gè)人進(jìn)行自主性學(xué)習(xí)，在虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行社學(xué)習(xí)資源的形態(tài)主要包括VR視頻、3D模型以及虛擬化身，虛擬化身(學(xué)習(xí)者、教師、同較好的社會(huì)臨場(chǎng)感體驗(yàn)。本場(chǎng)景中的感知交互技術(shù)涉及頭動(dòng)追蹤、手勢(shì)追蹤、觸覺(jué)反饋等，其中手勢(shì)追蹤技術(shù)能夠捕捉學(xué)生的手部、手指的運(yùn)動(dòng)，支持學(xué)生動(dòng)手操作和社交表達(dá)等，觸覺(jué)反饋技術(shù)則給學(xué)生在探究過(guò)程中精準(zhǔn)的操作體驗(yàn)。在渲染計(jì)算方面，互動(dòng)式個(gè)人自主學(xué)習(xí)多數(shù)是以本地的端側(cè)渲染為主，部分學(xué)習(xí)內(nèi)容需要借助于邊端協(xié)同的渲染方式。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境包括配有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)VR視頻、3D模型、虛擬化身(社交)家庭網(wǎng)絡(luò)、教室可用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(WiFi6、5GCPE等)3.2.4實(shí)訓(xùn)類(lèi)職業(yè)技能學(xué)習(xí)場(chǎng)景實(shí)訓(xùn)類(lèi)職業(yè)技能學(xué)習(xí)場(chǎng)景的教學(xué)規(guī)模是以30人以上組成的教學(xué)班進(jìn)行職業(yè)技能的訓(xùn)練。學(xué)習(xí)者更多中具有較高難度的職業(yè)技能訓(xùn)練的操作，學(xué)習(xí)者可進(jìn)行多次練習(xí)以習(xí)得知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與技能。對(duì)于具有危險(xiǎn)眼鏡、VR一體機(jī)為主，在虛擬環(huán)境的學(xué)習(xí)內(nèi)容主要是3D模型。同時(shí)，該場(chǎng)景下多人追蹤定位是關(guān)鍵，還涉及頭動(dòng)追蹤、手勢(shì)追蹤、觸覺(jué)反饋等感知交互技術(shù)。在渲染計(jì)算方面，實(shí)訓(xùn)類(lèi)職業(yè)技能學(xué)習(xí)需要借助云端渲染的能力，實(shí)現(xiàn)端云協(xié)同渲染。以班或年級(jí)為單位的大規(guī)模實(shí)訓(xùn)，為保障確定性網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可采用F5G為主的固定網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)光纖到終端，為學(xué)習(xí)者提供極致流暢的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。小規(guī)模實(shí)訓(xùn)F5G網(wǎng)絡(luò)為主，小規(guī)?？捎脽o(wú)線網(wǎng)絡(luò)(WiFi6、5GC當(dāng)前，VR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用已由建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基地和平級(jí)為打造沉浸式課堂等創(chuàng)新教學(xué)模式，形成了VR支持的沉浸式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式、Cloud教育、職業(yè)教育和高等教育的應(yīng)用提供了可供借鑒的實(shí)踐操作指南，對(duì)于深化VR教育應(yīng)用沉浸式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式由武漢市二橋中學(xué)在三年多的實(shí)踐探索中總結(jié)提煉而來(lái)應(yīng)用的創(chuàng)新實(shí)踐模式。作為央教館中小學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)試點(diǎn)項(xiàng)目的首批試點(diǎn)校之一，二橋中學(xué)在推進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)常態(tài)化教學(xué)的過(guò)程中不僅受到了從央館、省館、區(qū)館到市館智能部門(mén)的支持，還得到了高校專(zhuān)家學(xué)者在教學(xué)理念、專(zhuān)題教研、案例設(shè)計(jì)、教學(xué)模式等方面的引領(lǐng)和指導(dǎo)。為推進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)的常態(tài)化應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)，引導(dǎo)教師利用央館虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自主創(chuàng)編資源，組織教研團(tuán)隊(duì)與骨干教師研發(fā)校本資源，學(xué)校組織篩選符合實(shí)際教學(xué)需求的虛擬實(shí)驗(yàn)資源，構(gòu)建校本資源庫(kù)。為推進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)常態(tài)化應(yīng)用的順利實(shí)施，學(xué)校建立了專(zhuān)門(mén)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，充分利用智慧教室和創(chuàng)客教室的現(xiàn)有資源，打造實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件環(huán)境；同時(shí)依托央館虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和武漢教育云平臺(tái)，構(gòu)建了沉浸式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，并沉浸式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式如圖4-1所示，在課前預(yù)備階段，學(xué)生和教師都需要通過(guò)央館虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)、武漢教育云平臺(tái)進(jìn)行課前準(zhǔn)備。其中，教師通過(guò)系統(tǒng)選取教學(xué)資源，精準(zhǔn)分析學(xué)情，并且通過(guò)系統(tǒng)發(fā)布任務(wù)。學(xué)生利用系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)化預(yù)習(xí)，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)發(fā)布本節(jié)課的任務(wù)清單，反饋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在課中實(shí)施環(huán)節(jié)，教師利用系統(tǒng)組織虛擬教學(xué)，創(chuàng)設(shè)沉浸環(huán)境，從而能夠個(gè)性化輔導(dǎo)和動(dòng)態(tài)追蹤學(xué)生疑難。學(xué)生在課堂中可通過(guò)沉浸式學(xué)習(xí)開(kāi)展合作探究，分享交流。在課后鞏固環(huán)節(jié)，教師通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)創(chuàng)建學(xué)習(xí)任務(wù)，發(fā)布作業(yè)，并實(shí)時(shí)記錄學(xué)習(xí)過(guò)程。學(xué)生通過(guò)平臺(tái)推送的課后作業(yè)進(jìn)行練習(xí)和模擬，并VR在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的常態(tài)化應(yīng)用首先需要從政策層面強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，建立專(zhuān)項(xiàng)工作機(jī)機(jī)制，從上自下形成技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)的良好氛圍。其次，需要構(gòu)建校本VR資源庫(kù)，確保VR資源的適切4.2CloudVR支持的虛實(shí)融合職業(yè)技能實(shí)訓(xùn)模式實(shí)訓(xùn)是職業(yè)教育人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。基于多功能實(shí)訓(xùn)室的本地化部署模式在實(shí)踐過(guò)程中暴露出諸多問(wèn)題。首先是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)法滿(mǎn)足大班并發(fā)無(wú)線串流，僅能開(kāi)展分組輪流實(shí)訓(xùn)，降低了教學(xué)效率。其次是各專(zhuān)業(yè)構(gòu)建專(zhuān)屬虛擬實(shí)訓(xùn)室，基礎(chǔ)設(shè)施互不共享，造成設(shè)備資源極大浪費(fèi)；設(shè)備日常充電、管理維護(hù)帶來(lái)額外的工作負(fù)擔(dān)；課程資源與硬件設(shè)備捆綁嚴(yán)重，資源設(shè)備兼容問(wèn)題頻發(fā)。第三，功能型教室僅能服務(wù)于本地教室教學(xué)應(yīng)用，無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)利用個(gè)人終端設(shè)備做泛在實(shí)訓(xùn)練習(xí)，滿(mǎn)足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。最后，基于功能性教室的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)無(wú)法滿(mǎn)足教師對(duì)實(shí)訓(xùn)過(guò)程的集中監(jiān)控和管理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ)，不利于教師提供及時(shí)反饋和個(gè)性化指導(dǎo)。針對(duì)上述問(wèn)題，深圳職業(yè)技術(shù)隨著顯卡性能的提升，以及服務(wù)器端資源池化技術(shù)的成熟，實(shí)時(shí)云渲染將會(huì)在高校的虛擬仿真教學(xué)中得到更進(jìn)一步的應(yīng)用。圖4-2展示了云-邊-管-端分層協(xié)同的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)架構(gòu)。面向教學(xué)應(yīng)用層合資源管理平臺(tái)、教學(xué)管理平臺(tái)和內(nèi)容創(chuàng)建平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)資源聚合，支持跨專(zhuān)業(yè)、跨校共享；實(shí)現(xiàn)學(xué)情精準(zhǔn)分析和教學(xué)即時(shí)反饋，支持教-學(xué)-評(píng)一體化良性互動(dòng)；實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容自主開(kāi)發(fā)和教學(xué)資源持續(xù)更新，解決內(nèi)容設(shè)備的兼容性問(wèn)題。面向渲染計(jì)算層面的“邊”端，通過(guò)統(tǒng)籌算力資源，共享基礎(chǔ)設(shè)施，提供跨專(zhuān)業(yè)、學(xué)院的算力資源共享，提供內(nèi)容渲染、多人協(xié)同、大空間定位等能力，滿(mǎn)足多類(lèi)教學(xué)系，即以教學(xué)應(yīng)用為中心，從資源開(kāi)發(fā)、平臺(tái)建設(shè)、環(huán)境建設(shè)、團(tuán)隊(duì)建設(shè)四個(gè)維度統(tǒng)籌推進(jìn)，通過(guò)建立規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和采用政策激勵(lì)兩項(xiàng)保障措施，最終促進(jìn)高職虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)可持續(xù)高效發(fā)展。在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方等。在政策激勵(lì)方面，主要采用以賽促建和以賽促用的方式，實(shí)施教學(xué)信息化能力提升工程，以及開(kāi)展真教學(xué)平臺(tái)的使用和實(shí)踐貫穿實(shí)訓(xùn)教學(xué)的課前、課中和課后全環(huán)節(jié)。在課前預(yù)備階段，學(xué)生和教師根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)適當(dāng)設(shè)置自學(xué)和研討學(xué)時(shí)。其中，教師通過(guò)系統(tǒng)選取教學(xué)資源，精準(zhǔn)分析學(xué)情，并且通在課中實(shí)施環(huán)節(jié)，教師利用虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中規(guī)定學(xué)生必須掌握的基本概念和理論知識(shí)進(jìn)行講解。利用虛擬仿真教學(xué)講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、工藝流程、軟件界面及操作、課程具體安排、注意事項(xiàng)等。重點(diǎn)對(duì)背景工藝流程、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、軟件中自動(dòng)控制設(shè)備的調(diào)節(jié)和設(shè)置等講解。學(xué)生通過(guò)對(duì)課件的學(xué)習(xí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并可以開(kāi)展合作探究，分享交流。之后，學(xué)生到真實(shí)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境開(kāi)展在課后鞏固環(huán)節(jié)，教師通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)創(chuàng)建學(xué)習(xí)任務(wù)，發(fā)布作業(yè)，并實(shí)時(shí)記錄學(xué)習(xí)過(guò)程。學(xué)生通過(guò)平臺(tái)推送的課后作業(yè)進(jìn)行練習(xí)和模擬，并提交作業(yè)，從而達(dá)到個(gè)性化提升的效果。實(shí)驗(yàn)完畢合格后，學(xué)生可按要求寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，指導(dǎo)教師可在平臺(tái)中對(duì)報(bào)告進(jìn)行批改。教師改完實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，可利用平臺(tái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行反饋，并集中對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題予以總結(jié)，針對(duì)這些問(wèn)題可在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行有針對(duì)性的講解技術(shù)體系架構(gòu)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)職業(yè)院校虛擬仿真教學(xué)常態(tài)化開(kāi)展的必然選擇。XR虛擬仿真實(shí)訓(xùn)方案能夠?yàn)樾^(qū)、社區(qū)、校際等不同場(chǎng)景的實(shí)訓(xùn)教學(xué)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。基于云-邊-管-端架構(gòu)的XR虛擬仿專(zhuān)業(yè)群統(tǒng)一建基地，專(zhuān)業(yè)聚焦建內(nèi)容，校企協(xié)同建生態(tài)作為一門(mén)對(duì)操作技巧要求非常高的實(shí)踐性臨床醫(yī)學(xué)，口腔醫(yī)學(xué)的實(shí)踐教學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)面臨缺少可視化、定量化和自主化操作的訓(xùn)練環(huán)境。由于師資力量的配備，實(shí)踐教學(xué)中教師無(wú)法對(duì)節(jié)和過(guò)程做到全程監(jiān)控、準(zhǔn)確評(píng)估和及時(shí)糾正，導(dǎo)致教學(xué)效率不高。為解決上述難題，北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院與北京航空航天大學(xué)合作研發(fā)了應(yīng)用于口腔教學(xué)的“視聽(tīng)將口腔醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合的漫長(zhǎng)探索。經(jīng)過(guò)十余年的探索，研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2015年形成了國(guó)內(nèi)首款可穩(wěn)定模擬牙周臨床關(guān)鍵技能的口腔虛擬仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)，以及國(guó)際上首套牙周虛擬仿真實(shí)如圖4-4所示，基于視聽(tīng)觸多反饋口腔虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將傳統(tǒng)臨床訓(xùn)練環(huán)境與VR環(huán)境有機(jī)結(jié)合，打通教師教學(xué)、學(xué)生練習(xí)和教學(xué)評(píng)價(jià)三環(huán)節(jié)，形成了教-學(xué)-評(píng)一體化的口腔實(shí)踐教學(xué)新模式。對(duì)學(xué)生練習(xí)而言，口腔醫(yī)學(xué)生在實(shí)際接觸臨床患者前，至少要在仿頭模實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行為期一年的學(xué)習(xí)，實(shí)踐各種口腔疾病的診療過(guò)程，鞏固理論知識(shí)，訓(xùn)練臨床技能。之后再利用口腔虛擬仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)一步學(xué)習(xí)，掌握精細(xì)動(dòng)作技能。仿真系統(tǒng)可模擬常見(jiàn)及非常見(jiàn)病例，具有可高精度量化、無(wú)材料消耗等特色，可以使學(xué)生重點(diǎn)掌握實(shí)際操作所需要的幅度、力度和方向，支持多次重復(fù)練習(xí)。對(duì)教師教學(xué)而言，教師不僅要在傳統(tǒng)環(huán)境中完成理論講授，以及現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)學(xué)生使用虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)，還要基于虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)展集體備課，設(shè)計(jì)情景交互式教學(xué)內(nèi)容，包括臨床接診、檢查、診斷等，探索虛擬仿真教學(xué)的新規(guī)律和新方法。對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)而言，虛擬仿真系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)記錄學(xué)生的力覺(jué)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并做到全程監(jiān)控、準(zhǔn)確評(píng)估，幫助教師輕松開(kāi)展量化的過(guò)程性評(píng)價(jià)和學(xué)期結(jié)束的總結(jié)性評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)學(xué)生力覺(jué)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的挖掘分析，能夠精準(zhǔn)地找到學(xué)生在日常練習(xí)過(guò)程中的操作難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)，為后續(xù)的教學(xué)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，真正實(shí)現(xiàn)以評(píng)促教。同時(shí)，仿真系統(tǒng)支持人機(jī)交互回放和分析，讓學(xué)生通過(guò)自主訓(xùn)練、評(píng)價(jià)和反基于頭戴式顯示設(shè)備的VR滿(mǎn)足了人們對(duì)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)交互的需求，卻忽略了觸覺(jué)感學(xué)等特殊的學(xué)習(xí)場(chǎng)景中，觸覺(jué)交互是非常重要的。本案例是VR觸覺(jué)交互在VR支持的教-學(xué)-評(píng)一體化口腔實(shí)踐教學(xué)模式，解決了傳統(tǒng)口腔實(shí)踐教學(xué)面臨的缺少可視化、定量化和自主化操作的難題。但虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)不能替代傳統(tǒng)的臨床實(shí)踐教學(xué)，需要通過(guò)“以虛補(bǔ)實(shí)、以虛促實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的方式來(lái)共同提高教學(xué)效果。未來(lái)教學(xué)模式創(chuàng)新是技術(shù)賦能教育的核心指向，但是模式的創(chuàng)新需要從頂層教學(xué)理念引領(lǐng)到學(xué)習(xí)資源與環(huán)境的適配，再到底層技術(shù)架構(gòu)的支撐。VR教學(xué)的常態(tài)化開(kāi)展需要從底層技術(shù)架構(gòu)突破，帶動(dòng)資源與多人協(xié)同、大空間定位、AI分析等能力，滿(mǎn)足多種類(lèi)型的教學(xué)需求；面向設(shè)備使用層面的終端，支持VR、AR、數(shù)字大屏、移動(dòng)終端等多類(lèi)教學(xué)終端，適配多類(lèi)教學(xué)內(nèi)容，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新。未來(lái)，以高等教育領(lǐng)域?yàn)槔?，可采用學(xué)校統(tǒng)籌建平臺(tái)、專(zhuān)業(yè)群統(tǒng)一建基地、專(zhuān)業(yè)聚焦建內(nèi)容的邏輯，校企VR在降低真實(shí)學(xué)習(xí)成本，擴(kuò)大學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)時(shí)空范圍，提升學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。當(dāng)用階段，仍需要政府、學(xué)校、企業(yè)、家庭、研究機(jī)構(gòu)等多方協(xié)同參與，共同打造引領(lǐng)教育高質(zhì)量發(fā)展的VR教育應(yīng)用生態(tài)體系。通過(guò)技術(shù)架構(gòu)創(chuàng)新，推動(dòng)VR在教育領(lǐng)域的深度融合和常態(tài)化應(yīng)用，構(gòu)建以教室為中心，貫穿學(xué)校、家庭、社會(huì)等場(chǎng)域的線上線下融合的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，為智能時(shí)代的學(xué)習(xí)者提供更建議1：政企校通力合作，打造引領(lǐng)教育高質(zhì)量發(fā)展的VR教育應(yīng)用生態(tài)技術(shù)創(chuàng)新教育是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要政府、學(xué)校、企業(yè)、家庭、研究機(jī)構(gòu)等多方協(xié)同參與。第一，搭建國(guó)內(nèi)VR資源開(kāi)發(fā)的通用平臺(tái)，建立相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，VR資源開(kāi)發(fā)平臺(tái)多基于國(guó)外的平臺(tái)，不利于我國(guó)VR產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，業(yè)界需要建立從硬件設(shè)備到軟件系統(tǒng)再到資源開(kāi)現(xiàn)對(duì)VR學(xué)習(xí)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)管和追蹤評(píng)價(jià)。首先，研發(fā)國(guó)內(nèi)VR資源開(kāi)發(fā)的通用軟件工具，提供模塊化的操作方式，讓一線教師可以自主開(kāi)發(fā)符合自身需求的VR資源用于教學(xué)。其次，研發(fā)用于對(duì)VR資源統(tǒng)一管理的配套軟件，提高學(xué)校在資源管理、更新與維護(hù)方面的管理效率。最后，研發(fā)用于監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)學(xué)生硬件資源教育行業(yè)準(zhǔn)入機(jī)制，確保學(xué)習(xí)體驗(yàn)質(zhì)量。當(dāng)前VR硬件設(shè)備品種繁多，各學(xué)校對(duì)VR硬件設(shè)備的采購(gòu)并未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)查顯示，VR硬件設(shè)備帶來(lái)的生理不適感，以及對(duì)用眼健康潛在的影建議2：積極探索VR內(nèi)容資源共建共享機(jī)制，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源庫(kù)VR內(nèi)容資源的可獲得性和適切性是影響其教育應(yīng)用的關(guān)鍵。建議積極探索VR內(nèi)容資源共建共享機(jī)要以政府為主導(dǎo)，構(gòu)建一批基于課程大綱的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源庫(kù)。高等和職業(yè)教育領(lǐng)域，可以打造以學(xué)校為究機(jī)構(gòu)多方參與，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)符合區(qū)域發(fā)展需求的VR內(nèi)容資源。另一方面，以區(qū)域?yàn)閱挝?，開(kāi)展VR教學(xué)建議3：努力探尋VR教育應(yīng)用的最佳實(shí)踐路徑，確保技術(shù)應(yīng)用的效果VR內(nèi)容的高沉浸性、強(qiáng)交互性特點(diǎn)決定了其在教學(xué)中的應(yīng)用存在特定的教學(xué)模式。建議努力探尋VR教育應(yīng)用的最佳實(shí)踐路徑，確保技術(shù)應(yīng)用的效果和效率。一是采用實(shí)證研究的方法，驗(yàn)證適合VR教學(xué)的有效策略和模式，確保VR教學(xué)應(yīng)用效果。調(diào)查顯示，中小學(xué)教師認(rèn)為VR在教學(xué)中的應(yīng)用最適合用來(lái)開(kāi)展體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。職業(yè)教育領(lǐng)域的教師則認(rèn)為VR最適合用來(lái)開(kāi)展實(shí)踐實(shí)訓(xùn)。二是采用循證實(shí)踐的范式，在VR教學(xué)應(yīng)用的實(shí)踐過(guò)程中迭代驗(yàn)證和總結(jié)最建議4：加強(qiáng)對(duì)VR教育應(yīng)用中交叉類(lèi)共性科學(xué)問(wèn)題的研究，為深化技VR教育應(yīng)用是一個(gè)涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)、腦科學(xué)、生理學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域中的學(xué)習(xí)發(fā)生機(jī)制研究，揭示技術(shù)賦能學(xué)習(xí)的原理與規(guī)律，為VR環(huán)境設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，為VR教育應(yīng)用提供理論支持。三是加強(qiáng)VR教學(xué)常態(tài)化開(kāi)展對(duì)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展、心理健康和社會(huì)情感技能發(fā)展影響建議5：提供多元化的政策支持和技術(shù)服務(wù)支持，創(chuàng)新VR教育應(yīng)隨著國(guó)家雙減政策的推行，學(xué)校需要在政策層面探索和引導(dǎo)虛擬教育教學(xué)應(yīng)用的新思路和新方法。建議提供多元化的政策支持和技術(shù)服務(wù)支持，創(chuàng)新VR教育應(yīng)用模式。第一，鼓勵(lì)師生基于VR開(kāi)展第二設(shè)備。學(xué)校與上述場(chǎng)館機(jī)構(gòu)開(kāi)展密切合作，共同探索VR教育培訓(xùn)效果測(cè)評(píng)未來(lái)可以考慮采用VR的方式替代，以減少相關(guān)人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)VR支持的沉浸式學(xué)習(xí)是智能時(shí)代的重要學(xué)習(xí)方式之一。沉浸式學(xué)習(xí)型與智能升級(jí)的重要推動(dòng)力。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，學(xué)習(xí)環(huán)境正在由封閉式物理環(huán)境過(guò)渡到開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)在線空間，由學(xué)校等正式學(xué)習(xí)場(chǎng)域延伸至家庭、社會(huì)等非正式學(xué)習(xí)場(chǎng)域。當(dāng)前，全國(guó)各級(jí)各類(lèi)學(xué)校共有53.7萬(wàn)余所，網(wǎng)絡(luò)多媒體教室超過(guò)580萬(wàn)間，約占全國(guó)教室數(shù)量的68％。中小學(xué)(含教學(xué)點(diǎn))互聯(lián)網(wǎng)接入率達(dá)到100%，99.5%的中小學(xué)擁有多媒體教室。過(guò)去20余年的信息化持續(xù)建設(shè)已然為VR支持的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)推動(dòng)VR在教育領(lǐng)域的深度融合和常中心，貫穿學(xué)校、家庭、社會(huì)等場(chǎng)域的線上線下融合的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠?yàn)橹悄軙r(shí)代的學(xué)習(xí)者提供技術(shù)架構(gòu)創(chuàng)新是VR教育教學(xué)常態(tài)化應(yīng)用的必然趨勢(shì)。云控網(wǎng)聯(lián)技術(shù)架構(gòu)將簡(jiǎn)化時(shí)空虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)從小規(guī)模試點(diǎn)走向大規(guī)模常態(tài)化應(yīng)用。通過(guò)云渲染使能算力云化，可在多教室、多學(xué)校分時(shí)復(fù)用，降低投資成本。通過(guò)學(xué)校統(tǒng)一門(mén)戶(hù)平臺(tái)，聚合VR資源，支持跨學(xué)管理，支持教學(xué)分析，