虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用促進教育均衡發(fā)展

呂 云，洪玉潔，孫 偉

（成都威愛新經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technology）應(yīng)用于教育可以追溯到20 世紀(jì)80 年代。VR 技術(shù)自2000 年得到了迅猛發(fā)展[1]。虛擬現(xiàn)實VR應(yīng)當(dāng)包含更為廣義的AR（增強現(xiàn)實）和MR（混合現(xiàn)實）。在許多情況下，人們把它們統(tǒng)稱為XR。一些發(fā)達的西方國家紛紛設(shè)立了相關(guān)研究項目。相比較，國內(nèi)相關(guān)的研究和應(yīng)用還停留在較為初始的階段。Burdea G 和Philippe Coiffet 在1994 年提出了虛擬現(xiàn)實的3 個基本特征：想象性（Imagination）、交互性（Interaction）和沉浸性（Immersion）[2]，即虛擬現(xiàn)實的3I 特征。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠幫助顛覆傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中與教學(xué)內(nèi)容互動，解決傳統(tǒng)課堂中互動性、情境性、沉浸性不強的問題，在教學(xué)實踐中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

“威愛教育”（簡稱“威愛”）團隊在過去的幾年時間里，對虛擬現(xiàn)實應(yīng)用到教育領(lǐng)域以及未來教育做了一些探索。2016 年，“威愛教育”發(fā)布全球首個VR 一體化教育解決方案，為各學(xué)科創(chuàng)新課堂學(xué)習(xí)和技術(shù)技能訓(xùn)練提供解決方案，目前已被美國加州大學(xué)伯克利分校、哈佛大學(xué)等世界頂級名校認可并部署，并在國內(nèi)的清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、廈門大學(xué)、東北大學(xué)等高校以及北京市十一中、人大附中、清華附小、成都泡桐樹小學(xué)等800 多所義務(wù)教育中小學(xué)校師生運用。

2018 年，“威愛VR 智慧開放教室”成功入選英特爾全球未來智慧教室最佳推薦案例（全球3 個入選，亞洲唯一）。同時，威愛攜手中國兒童少年基金會開啟“VR 新視界·點亮計劃”公益項目，利用VR/AR 前沿技術(shù)為貧困地區(qū)引入優(yōu)質(zhì)的教育資源，助力當(dāng)?shù)亓x務(wù)教育信息化的跨越式發(fā)展。2018 年秋，首個項目正式在遵義落地并啟動，該地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級以上620 余所義務(wù)教育中小學(xué)校及百萬師生從中受益；威愛聯(lián)合東北大學(xué)打造核物理綜合實驗被認定為“2018 年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目”。

我國移動通信技術(shù)正處在高速發(fā)展的狀態(tài)，2019 年是“5G”商用元年，目前正在全國普及?！耙钥萍假x能教育，促進教育優(yōu)質(zhì)均衡”，在5G（以及未來的6G 或未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）的支持下，VR 教育擁有更為廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。5G 的“大帶寬”優(yōu)勢能夠提供超高的數(shù)據(jù)傳輸速率[3]，廣覆蓋下的移動性保證，能夠支持VR高清教學(xué)音視頻的實時傳輸，易于打造“身臨其境”的沉浸式教學(xué)體驗，幫助學(xué)生更好捕捉課堂細節(jié)。此外，5G 超穩(wěn)定的廣域數(shù)據(jù)傳輸，能夠讓遠程多課堂即時通訊成為可能，讓身處天南海北的學(xué)子，通過高速、高清、實時的傳輸，實現(xiàn)跨地域的優(yōu)質(zhì)教育資源共享，在提高教育資源應(yīng)用效率的同時，進一步消除教育的不均衡矛盾，成為解決教育均衡問題的關(guān)鍵技術(shù)手段。

1 虛擬現(xiàn)實對教育均衡化的重要作用

由于歷史因素、經(jīng)濟水平發(fā)展不均等原因，中國教育具有較為嚴(yán)重的城鄉(xiāng)差異和區(qū)域差異問題，不利于教育的均衡發(fā)展，這也是阻礙我國教育進步的主要因素。教育機構(gòu)及學(xué)校教育資源存在嚴(yán)重不均衡現(xiàn)象。長江三角洲地區(qū)所開展的“網(wǎng)絡(luò)結(jié)對計劃”，便是通過結(jié)對方式，利用城市學(xué)校教育資源優(yōu)勢，對農(nóng)村教育資源進行補充和完善，以此促進城鄉(xiāng)教育資源均衡[4]。

眾所周知，虛擬現(xiàn)實的沉浸性可以讓用戶對虛擬空間產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實課堂讓用戶感覺自己仿佛置身于遠端的教室中，和遠端的學(xué)生一起學(xué)習(xí)，共享優(yōu)秀的教師資源。所有的老師和學(xué)生還可以在虛擬空間里互動交流，教師可以學(xué)習(xí)到教學(xué)的技巧，增強自身教學(xué)能力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)沉浸性、互動性和情境性強的優(yōu)勢，使其能夠從不同角度和不同層面促進教育均衡發(fā)展。下面是我們過去3 年多實踐的幾個典型案例，這些虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用都在多個學(xué)校得到部署，較好地解決了一些地區(qū)教育資源不均衡的問題。

2 一個5G+XR虛擬現(xiàn)實智慧教育解決方案

經(jīng)過3 年多的努力，威愛研發(fā)中心團隊和中國移動5G 研究院密切合作開發(fā)出了一種未來教室形態(tài)，全面支持5G 應(yīng)用（支持多路4K/8K 高清）和XR 應(yīng)用（沉浸式教學(xué)）。這個教室被全球最大的5G 運營商中國移動集團在全球范圍競選后選擇作為中國移動5G+XR 智慧教育標(biāo)準(zhǔn)教室和教育解決方案，目前已經(jīng)在全球推出。2018 年Intel 公司開啟全球搜尋“未來教室”的活動，這個教室入選全球三大“未來教室”，亞太地區(qū)唯一。這個教室/智慧教育解決方案已經(jīng)成功部署到了百余所大學(xué)和職業(yè)學(xué)院，包括加州大學(xué)伯克利分校、哈佛大學(xué)、東北大學(xué)、廈門大學(xué)、茅臺學(xué)院等；教室已經(jīng)成功部署到了800 多所中小學(xué)。這個項目受到媒體的高度關(guān)注，獲得CCTV 等一大批媒體的多次重點報道。在國家5G 牌照頒發(fā)日當(dāng)日國資委、中國移動集團發(fā)布的新聞稿中，這個項目也被作為最重大的項目列在最顯著的位置。

5G+XR 智慧教育解決方案如圖1 所示，由至少1 個直/錄播授課教室+N 個接收教室組成，利用5G 技術(shù)高速率、低延時、大容量的特點，將授課教室的實時上課畫面通過5G+XR 教室核心終端傳輸?shù)浇邮战淌遥倮锰摂M現(xiàn)實技術(shù)讓接收教室學(xué)生進行多視角的沉浸式教學(xué)，讓遠在千里之外的學(xué)生也可以近距離觀看教師的實驗操作、重難點講解。授課教室的老師也可利用5G+XR 教室核心終端實時查看接收教室的情況，進行實時互動。

圖1 “5G+XR”智慧教育解決方案架構(gòu)圖

通過5G+XR 教育公共服務(wù)云平臺（云端教學(xué)管理/存儲系統(tǒng)）可實現(xiàn)兩端教室實時分發(fā)各類教學(xué)資源與應(yīng)用，讓異地多校多人同時進行實時測評、實時匯總學(xué)習(xí)情況和教學(xué)數(shù)據(jù)成為可能。

2.1 5G+XR直/錄播授課教室

5G+XR 直/錄播授課教室主要是建設(shè)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源直播/錄播源，讓名師名校授課過程通過該教室得以直播和錄播。5G+XR 接收教室多視角直播/錄播課程示例如圖2 所示。

圖2 5G+XR接收教室多視角直播/錄播課程示例

該教室通過搭配多路高清（全景和平面）直播錄播系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實頭顯、5G+XR 智慧教室終端等軟硬件設(shè)備實現(xiàn)直/錄播授課教室上課過程多角度、全方位地展示給接收教室端，不僅可以實現(xiàn)遠程直播、實時互動，還可將日常上課過程進行錄制，以此形成大批量的多路高清教學(xué)視頻資源上傳到5G+XR 教育公共服務(wù)云平臺上，供全國各地其他學(xué)校師生學(xué)習(xí)和參考。5G+XR直/錄播授課教室效果圖示例如圖3 所示。

2.2 5G+XR接收教室

5G+XR 接收教室是相對于直/錄播教室而言的，主要接收直/錄播教室直播申請，與授課教室所有學(xué)生同步進行教學(xué)授課，也可以自行在5G+XR 教育公共服務(wù)云平臺上查找相關(guān)教學(xué)資源，戴上虛擬現(xiàn)實頭顯，學(xué)生們就能體驗到多視角的教學(xué)體驗，如圖4 所示。

圖3 5G+XR直/錄播授課教室效果圖示例

2019 年3 月28 日威愛和中國移動利用5G+XR 技術(shù)，使得涼山州昭覺縣解放鄉(xiāng)中心校實現(xiàn)與成都名校泡桐樹小學(xué)師生同步學(xué)習(xí)。2019 年6月6 日國務(wù)院國資委在中國移動5G 牌照發(fā)放日上的新聞稿也以這個活動作為5G 重大應(yīng)用案例。

3 人工智能英語老師機器人

經(jīng)過3 年的努力，威愛研發(fā)中心團隊開發(fā)出AI 老師機器人系統(tǒng)，于2019 年2 月成功推出商業(yè)服務(wù)，其目標(biāo)是幫助英語教師授課，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)英語和支持學(xué)生個性化英語學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)的主要特點包括學(xué)生英語發(fā)音自動評估打分（基于騰訊、百度和訊飛的相關(guān)引擎和服務(wù)）、錯誤讀音標(biāo)示和糾正訓(xùn)練等。該系統(tǒng)在英語的聽、說、讀方面目前已經(jīng)超越絕大多數(shù)英語教師的能力，尤其是義務(wù)教育階段中鄉(xiāng)村英語教師。預(yù)期在以后的幾年內(nèi)，AI 英語教師機器人在聽、說、讀、寫方面將全面超越英語教師。相關(guān)學(xué)術(shù)研究和我們通常的實踐認知都要求英語學(xué)習(xí)需要在真實環(huán)境下學(xué)習(xí)，而VR 是最有效的工具，營造真實語境環(huán)境來支持教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué)。機器人的快速發(fā)展導(dǎo)致我們?nèi)祟愡_成了共識：機器人將毫無疑問替代藍領(lǐng)簡單重復(fù)性的勞動。中國在過去40 年的發(fā)展受惠于大量廉價藍領(lǐng)勞動力的供應(yīng)。AI 機器人，尤其在5G 開始廣泛部署和應(yīng)用的加速下，正在快速替代許多簡單教師的工作。這個未來教育的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。

威愛聯(lián)合電子科技大學(xué)基于AI 老師機器人系統(tǒng)共建了創(chuàng)新的沉浸式虛擬仿真情境口譯實訓(xùn)與智能評測實驗項目，能夠為外語學(xué)院口譯類課程師生提供豐富口譯實訓(xùn)虛仿情境，并通過AI技術(shù)提供口譯自動評測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等多維度輔助能力。未來還將繼續(xù)拓展多個專業(yè)學(xué)科的虛擬仿真人工智能創(chuàng)新融合，提供更為豐富的跨平臺語言實驗實訓(xùn)。

目前全國已有20 多所大學(xué)和職業(yè)學(xué)院部署使用威愛AI 老師機器人系統(tǒng)，600 多所中小學(xué)部署這個系統(tǒng)，8 000 個中小學(xué)英語教師接受了培訓(xùn)。全國三大語言出版社之一北語社的全國交流會也采用了這個教學(xué)系統(tǒng)。

4 教育扶貧與教育均衡

貴州遵義市是一個欠發(fā)達地區(qū)，有800 多萬人口。為促進遵義中小學(xué)生教育均衡發(fā)展，推動先進的教育科學(xué)技術(shù)和教學(xué)方法在遵義落地推廣，落實科技公益項目，中國兒童少年基金會、遵義市人民政府、威愛教育于2018 年9 月19 日簽署了《“VR 新視界·點亮遵義”教育均衡科技扶貧項目合作框架協(xié)議》，在每個遵義市鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以上的公辦義務(wù)教育階段中小學(xué)（共約630 多所）部署一套“威愛移動式虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)（含50個VR 課件等）”，并在以后的3 年內(nèi)，免費提供所有已捐贈的VR 課件的升級和維護，以及免費提供技術(shù)支持服務(wù)，同時開展鄉(xiāng)村教師培訓(xùn)。截止2019 年8 月，全部的部署完成，遵義市4 000人次的教師得到培訓(xùn)。

5 VR應(yīng)用提升學(xué)生注意力，提高學(xué)生專注力，提高教學(xué)有效性

沉浸式VR 教學(xué)環(huán)境相對于傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境更有助于學(xué)生集中學(xué)習(xí)注意力，不受周邊情況的影響。學(xué)生課上課下不專注是學(xué)習(xí)失敗的最主要原因之一。威愛實施的注意力量化測試和專注力訓(xùn)練（VR 色詞挑戰(zhàn)訓(xùn)練）應(yīng)用將有效幫助檢測學(xué)生注意力缺乏癥和訓(xùn)練學(xué)生提高注意力。VR色詞挑戰(zhàn)訓(xùn)練內(nèi)容利用色彩文字干擾的方式并結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)為體驗者提供注意力訓(xùn)練內(nèi)容。色彩文字干擾的訓(xùn)練方式源于1935 年美國心理學(xué)家John Riddly Stroop 發(fā)現(xiàn)的Stroop 效應(yīng)，即字義對字體顏色的干擾效應(yīng)。VR 色詞挑戰(zhàn)訓(xùn)練內(nèi)容設(shè)計了一個相對不受外界干擾的沉浸式空間環(huán)境，采用不同顏色的物體加上字形、字色、字音等干擾元素，以達到訓(xùn)練提升體驗者注意力的目的[5]。行為實驗表明，注意力水平和學(xué)習(xí)焦慮成負相關(guān)，提升注意力有助于降低學(xué)生學(xué)習(xí)焦慮，提升學(xué)習(xí)效果；心理行為實驗表明，基于Stroop 實驗范式的注意力訓(xùn)練能夠提高注意力水平，降低無關(guān)信息帶來的干擾，提高學(xué)習(xí)效率；腦認知科學(xué)實驗表明，注意力訓(xùn)練能夠幫助學(xué)生提高認知控制能力，此種能力在學(xué)習(xí)中扮演著非常重要的角色，有助于提升老師教學(xué)效果。

5.1 相關(guān)研究工作

VIVE Immersive Lab（中國）聯(lián)合佐賀大學(xué)（Saga University）進行了一項“沉浸式環(huán)境對學(xué)生專注度的影響”研究，研究人員發(fā)現(xiàn)沉浸式的VR 環(huán)境能讓學(xué)生更好地集中注意力（專注度）[6]。研究小組通過觀察和分析在虛擬環(huán)境下的學(xué)生腦電波信息發(fā)現(xiàn)：學(xué)生在沉浸式VR 環(huán)境中學(xué)習(xí)專注度（THETA 分心波、SMR 注意力以及Hi-beta緊張波）是傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境的6 倍[6]，并且在沉浸式VR 環(huán)境中學(xué)習(xí)的學(xué)生增強了獲取知識的能力以及保留知識的能力。虛擬現(xiàn)實可以給人創(chuàng)造一個生動、逼真、身臨其境的環(huán)境，更容易給學(xué)生留下深刻的印象。大腦很容易記住直觀和容易理解的東西，這是大腦的本能反應(yīng)。沉浸式教學(xué)就是對大腦投其所好。

5.2 VR注意力訓(xùn)練課程設(shè)計

VR 注意力訓(xùn)練課程設(shè)計了一個相對不受干擾的沉浸式空間環(huán)境，利用不同顏色的行星運動加上字形、字色、字音等元素訓(xùn)練體驗者的注意力，模塊分為字形測試和字色測試，同時加入相對運動、行星顏色和字音實現(xiàn)干擾，在規(guī)定的時間下測試記錄體驗者的準(zhǔn)確率及反應(yīng)時間，并對不同的測試結(jié)果作對應(yīng)的解讀和分析。

該課程設(shè)計了幾個關(guān)鍵訓(xùn)練元素：行星（有時間限制的、運動的、不同顏色的）、文字意思（如紅、綠、黃）、字體顏色、文字讀音，4 種干擾元素互相配合以加強注意力訓(xùn)練的效果，如圖5 所示。VR 注意力訓(xùn)練課程在幫助學(xué)習(xí)者提升專注力問題上起到了良好的效果。

6 5G+XR虛擬仿真教學(xué)項目

2017 年7 月13 日，教育部下發(fā)《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》，要求虛擬仿真實驗教學(xué)項目的研發(fā)要以完成教學(xué)要求和內(nèi)容為目標(biāo)，綜合應(yīng)用多媒體、大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能、人機交互、傳感器、超級計算、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云計算等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)手段，提高實驗教學(xué)項目的吸引力和教學(xué)有效度；要求在2017—2020 年間要建設(shè)1 000 項示范性虛擬仿真教學(xué)項目，還將依托國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺，對國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的對外聯(lián)通和服務(wù)進行持續(xù)監(jiān)管，以促進優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真教學(xué)資源共享，促進優(yōu)質(zhì)教育均衡化發(fā)展。

示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目主要是以真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難、涉及高?；驑O端環(huán)境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問題為導(dǎo)向，緊密結(jié)合專業(yè)特色和行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新成果，凝煉原理準(zhǔn)確、內(nèi)容緊湊、時長合理、難度適宜的虛擬仿真實驗教學(xué)項目。

威愛聯(lián)合東北大學(xué)打造核物理綜合實驗被認定為2018 年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)了核物理綜合實驗所需的各種實驗環(huán)境。2019 年，威愛聯(lián)合電子科技大學(xué)等高校打造5G+XR 的虛擬仿真實驗平臺，引入云渲染技術(shù)使得虛擬仿真教學(xué)實驗平臺進一步升級，如“基于衛(wèi)星推進的場致發(fā)射中和器虛擬仿真實驗”，借助5G+XR 云渲染技術(shù)，本需要強大算力才能支撐的實驗?zāi)M可以跨平臺在幾乎任何瀏覽器、客戶端和XR 頭顯上流暢運行，輕松實現(xiàn)高品質(zhì)擬真效果、云端安全數(shù)據(jù)存儲，并支持多人協(xié)同，如圖6 所示。

圖6 基于衛(wèi)星推進的場致發(fā)射中和器虛擬仿真實驗

類似這樣的利用5G+XR 技術(shù)構(gòu)建各學(xué)科所要求的實驗場景和實驗內(nèi)容，具有開放性、擴展性、兼容性和前瞻性。虛擬仿真平臺部署在云端，虛擬仿真實驗教學(xué)項目可以對外開放，訪問者通過不同終端看到的是經(jīng)過云渲染的實時視頻流，這樣既能滿足優(yōu)質(zhì)教育資源共享的需求，又能充分保護知識產(chǎn)權(quán)。

7 結(jié)語

通過將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域：威愛虛擬現(xiàn)實智慧教育解決方案，人工智能英語老師機器人，教育扶貧與教育均衡，Stroop VR 應(yīng)用提升學(xué)生注意力以及XR 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，分析這些案例中采用的技術(shù)手段、應(yīng)用場景以及產(chǎn)生的影響力，驗證了虛擬現(xiàn)實沉浸式學(xué)習(xí)不僅有效，而且促進了教育事業(yè)優(yōu)質(zhì)均衡發(fā)展。

未來我們計劃做系列化的XR 課件開發(fā)，進一步做一些量化的研究，分析虛擬現(xiàn)實教育怎樣提高學(xué)生積極性、教學(xué)有效性、教育公平與均衡等。未來我們會把虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用部署到更多的高等教育和義務(wù)教育學(xué)校，尤其是經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)，參與國家的扶貧和鄉(xiāng)村振興計劃，解決高品質(zhì)的教師缺少和教師業(yè)務(wù)能力有限的問題，助力教育均衡。