混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究

潘楓 劉江岳

摘要：混合現(xiàn)實(shí)（MR）是在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的新興技術(shù)，其在沉浸感與交互性等方面帶來了更好的用戶體驗(yàn)。目前，已有越來越多的教育研究者與實(shí)踐者開始投身于MR技術(shù)的教育應(yīng)用研究中。文章利用CiteSpace可視化工具，分析了國內(nèi)外MR在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用研究熱點(diǎn)，總結(jié)出其在教育領(lǐng)域的六大具體應(yīng)用：學(xué)科教學(xué)、STEAM教育、教育游戲、遠(yuǎn)程指導(dǎo)和在線虛擬課堂、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)教育以及特殊領(lǐng)域技能培訓(xùn)等，并展開相關(guān)論述，對(duì)探索新興技術(shù)與教育深度融合創(chuàng)新發(fā)展具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實(shí)技術(shù);虛擬現(xiàn)實(shí);增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);教育應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G434? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2020）08-0007-04

2016年和2018年《地平線報(bào)告》中均提及MR技術(shù)，并預(yù)計(jì)其將會(huì)在未來四至五年里成為教育領(lǐng)域采取的重要技術(shù)。在最新的2019年《地平線報(bào)告》中，提出學(xué)習(xí)分析、移動(dòng)學(xué)習(xí)、MR、人工智能、區(qū)塊鏈以及虛擬助手是推動(dòng)高等教育變革的六大技術(shù)，其中MR作為中期技術(shù)預(yù)計(jì)在未來兩至三年間在教育領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。目前，MR技術(shù)已運(yùn)用于醫(yī)療、軍事、航空、娛樂等領(lǐng)域，其與教育的結(jié)合也在逐步加深。

一、概念界定

1.國內(nèi)外混合現(xiàn)實(shí)相關(guān)概述

介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)（Mediated Reality）和混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality）在智能穿戴行業(yè)都簡(jiǎn)稱MR。介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)是數(shù)字化現(xiàn)實(shí)與虛擬數(shù)字畫面的結(jié)合，最早由“智能硬件之父”多倫多大學(xué)教授Steve Mann提出，認(rèn)為智能硬件最后都會(huì)從AR技術(shù)逐步向MR技術(shù)過渡。

1994年，保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）和岸野文郎（Fumio Kishino）提出現(xiàn)實(shí)—虛擬連續(xù)統(tǒng)一體（Milgram's Reality-Virtuality Continuum）的概念，對(duì)MR的內(nèi)涵進(jìn)行了開創(chuàng)性的探討，認(rèn)為在虛擬現(xiàn)實(shí)統(tǒng)一體中，左端代表完全真實(shí)的世界，右端表示完全虛擬的可視化環(huán)境，而在兩極之間的區(qū)域即為混合現(xiàn)實(shí)，既包含增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，也包含增強(qiáng)虛擬，強(qiáng)調(diào)了混合現(xiàn)實(shí)是真實(shí)世界與虛擬環(huán)境的無縫融合。

2.混合現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用特征

根據(jù)不同學(xué)者的定義歸納出MR具有虛實(shí)融合、深度互動(dòng)、實(shí)現(xiàn)異時(shí)空?qǐng)鼍肮泊娴冉逃卣鳌?/p>

（1）虛實(shí)融合

VR僅創(chuàng)設(shè)虛擬空間，AR將虛擬信息簡(jiǎn)單疊加到現(xiàn)實(shí)世界，而MR技術(shù)則模糊了虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的界線。對(duì)于虛實(shí)融合的方式，學(xué)者有三種不同觀點(diǎn)：一是認(rèn)為MR將真實(shí)事物疊加到虛擬數(shù)字空間。陳一提出MR先把真實(shí)的東西虛擬化，然后疊加到虛擬世界里，在新的環(huán)境中現(xiàn)實(shí)和數(shù)字對(duì)象共存[2];二是認(rèn)為MR將虛擬對(duì)象疊加到現(xiàn)實(shí)世界中。王漢江等提出MR在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景信息，在現(xiàn)實(shí)、虛擬和用戶三者之間搭起交互反饋的信息回路[3];三是認(rèn)為MR將現(xiàn)實(shí)與虛擬世界相互疊加。范文翔等提出混合現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境（Mixed Reality Learning Environments，簡(jiǎn)稱MRLE）是一種由現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界交疊融合而成的學(xué)習(xí)環(huán)境，既可將虛擬學(xué)習(xí)資源融入到真實(shí)教學(xué)環(huán)境中，也可將真實(shí)學(xué)習(xí)資源融入虛擬教學(xué)環(huán)境中[4]。該特征與教育結(jié)合可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂無法提供的真實(shí)情境，帶來更逼真的用戶體驗(yàn)。

（2）深度互動(dòng)

交互性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是人與MR場(chǎng)景的交互。MR結(jié)合了VR和AR的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)人與MR場(chǎng)景的深度交互[5]。依托于傳感技術(shù)，用戶在體驗(yàn)的過程中能夠感知MR環(huán)境中的畫面變化、震動(dòng)、語音等多方面的實(shí)時(shí)信息反饋，并能夠通過觸摸、手勢(shì)、體感、語言等多種形式與MR環(huán)境進(jìn)行交互，進(jìn)而形成了一種自然有效的信息回路;二是MR環(huán)境下人與人的交互。徐菊紅通過分析網(wǎng)絡(luò)游戲環(huán)境具有虛擬與現(xiàn)實(shí)良好交互性的特點(diǎn)，總結(jié)出MR學(xué)習(xí)環(huán)境能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供更豐富有效的交流互動(dòng)手段[6]。該特征與教育結(jié)合，可以進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、模擬仿真、具象教學(xué)等方面的應(yīng)用。

（3）異時(shí)空?qǐng)鼍肮泊?/p>

MR在實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)深度融合的同時(shí)，可將不同時(shí)空下的場(chǎng)景通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)異時(shí)空?qǐng)鼍肮泊妫部蓪⑽恢貌煌膶W(xué)習(xí)者的虛擬影像耦合連接在同一個(gè)在線虛擬的環(huán)境中[5]。該特征與教育領(lǐng)域結(jié)合，將對(duì)遠(yuǎn)程指導(dǎo)學(xué)習(xí)、在線協(xié)作學(xué)習(xí)等具有很大的啟發(fā)意義。

3.混合現(xiàn)實(shí)概念界定

綜上所述，筆者認(rèn)為MR是一種利用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)、傳感技術(shù)與可視化穿戴設(shè)備等相關(guān)技術(shù)與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)字虛擬對(duì)象與現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象共存的可視化環(huán)境，并能夠使用戶在對(duì)現(xiàn)實(shí)世界正常感知的基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的交互反饋回路，達(dá)到虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界及時(shí)與深度的互動(dòng)。MR既可將數(shù)字對(duì)象疊加到現(xiàn)實(shí)世界，也可將真實(shí)對(duì)象虛擬化疊加到虛擬環(huán)境，但并不是簡(jiǎn)單疊加，而是達(dá)到虛與實(shí)的深度融合，從而形成有機(jī)的統(tǒng)一體。

二、關(guān)于混合現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

基于CNKI與Web of Science數(shù)據(jù)庫，筆者以“混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality）”與“教育（Education）”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，得到52篇中文文獻(xiàn)和113篇英文文獻(xiàn)，首先將篩選的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CiteSpace 進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化以及去重等預(yù)處理，然后生成可視化科學(xué)知識(shí)圖譜，如圖1、圖2所示。

通過對(duì)圖中熱點(diǎn)關(guān)鍵詞進(jìn)行歸類，總結(jié)出目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于混合現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用的六個(gè)方面的研究熱點(diǎn)以及相關(guān)學(xué)者的主要觀點(diǎn)，如表1所示。

三、混合現(xiàn)實(shí)在教育中的具體應(yīng)用

MR技術(shù)可創(chuàng)建一個(gè)現(xiàn)實(shí)與虛擬無縫融合，并能實(shí)現(xiàn)人與人、人與機(jī)互動(dòng)的可視化學(xué)習(xí)空間，為變革傳統(tǒng)教育帶來機(jī)遇。通過分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，我們總結(jié)出MR在教育中應(yīng)用的六個(gè)主要方面：學(xué)科課堂教學(xué)、STEAM教育、教育游戲、遠(yuǎn)程指導(dǎo)和在線虛擬課堂、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)教育以及特定領(lǐng)域技能培訓(xùn)。

1.在K-12學(xué)科課堂教學(xué)中的應(yīng)用

Edgar Dale的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論認(rèn)為通過體驗(yàn)習(xí)得的知識(shí)遠(yuǎn)超過單純學(xué)習(xí)獲取的知識(shí)，MR與學(xué)科知識(shí)的深度融合可以改變傳統(tǒng)教學(xué)資源的形式，相比于傳統(tǒng)課堂“紙上談兵”的教學(xué)方式，MR技術(shù)支持的課堂教學(xué)具有更好的臨場(chǎng)感與沉浸感，讓學(xué)生親自體驗(yàn)地理課中的天體運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律、生物課中的人體組成結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)課中的立體幾何特征等等。

目前，國內(nèi)不少教學(xué)研究者與實(shí)踐者嘗試在K-12階段打造“混合現(xiàn)實(shí)智慧課堂”，隨著微軟推出MR技術(shù)后，LETINVR（蘭亭數(shù)字）作為微軟MRPP（微軟混合現(xiàn)實(shí)全球合作伙伴計(jì)劃）之一，相繼推出了MR智慧教室并在國內(nèi)外多所學(xué)校進(jìn)行了試點(diǎn)教學(xué)，認(rèn)為MR教學(xué)具有智慧教學(xué)、同步課堂、教學(xué)資源共享、區(qū)域教育均衡四大優(yōu)勢(shì)[7]。2019年9月，青島、成都、上海以及北京的四所中學(xué)異地同步開展全國首場(chǎng)5G+MR全息物理公開課[8]，學(xué)生在教室中通過MR眼鏡觀看虛擬的天藍(lán)色地球與圍繞在其周圍的北極光，教師在此情境中講解電磁場(chǎng)相關(guān)理論，MR將抽象知識(shí)具象化，基于具身認(rèn)知促進(jìn)學(xué)生知識(shí)建構(gòu)。

實(shí)踐證明，MR應(yīng)用于學(xué)科教學(xué)能夠帶給學(xué)生傳統(tǒng)課堂中無法感受的體驗(yàn)，雖然現(xiàn)階段MR應(yīng)用于中小學(xué)課堂仍存在一些問題，如設(shè)備價(jià)格貴、教學(xué)模型資源有限、可能增加學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷等，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，MR未來將會(huì)更加廣泛地應(yīng)用于K-12教育中，應(yīng)用于地理、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、語言、體育等更多的學(xué)科教學(xué)中。

2.在STEAM教育中的應(yīng)用

STEAM教育強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合，注重培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、問題解決與創(chuàng)新能力，其教學(xué)理念已滲透到國內(nèi)外中小學(xué)的教學(xué)模式中，但在師資、教學(xué)資源與環(huán)境等方面仍存在不足。陳一運(yùn)用切克蘭德系統(tǒng)分析法分析了 MR 技術(shù)應(yīng)用于 STEAM 教育的作用機(jī)制，提出將MR應(yīng)用于STEAM教育中可有效解決教學(xué)過程中課程資源匱乏、師資力量不足與危險(xiǎn)系數(shù)大等問題[2]。

Lisa Tolentino等學(xué)者介紹了美國政府與國家科學(xué)基金會(huì)等機(jī)構(gòu)資助，并由教育學(xué)、心理學(xué)、計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域?qū)＜议_發(fā)的多媒體藝術(shù)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室——SMALLab [9]。SMALLab是一個(gè)混合現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)習(xí)參與者提供交互協(xié)作的中介空間。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建了高中化學(xué)滴定實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)場(chǎng)景，在該場(chǎng)景中學(xué)生可向“虛擬燒瓶”中添加酸、堿與指示劑，避免真實(shí)情景中存在的資源不足與危險(xiǎn)性等問題，學(xué)生能夠看到溶液的顏色變化并能聽到化學(xué)反應(yīng)發(fā)出的聲音。此外，MR技術(shù)也可以通過遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)來有效緩解學(xué)校STEAM教育師資力量不足的問題，在未來MR與STEAM遠(yuǎn)程教育結(jié)合將會(huì)促進(jìn)教育的變革。

3.在教育游戲中的應(yīng)用

近年來，教育模式的變革越來越提倡將教育性與游戲性相結(jié)合。教育游戲?qū)⑶榫?、任?wù)、情感等游戲元素與知識(shí)進(jìn)行巧妙融合，達(dá)到用隱性方式表達(dá)、傳遞知識(shí)與技能[10]。目前，人工智能、VR/AR/MR與語音智能交互等技術(shù)在娛樂游戲中應(yīng)用較為廣泛，并在教育游戲中進(jìn)行了初步應(yīng)用，如嚴(yán)肅游戲、自閉癥訓(xùn)練游戲以及急救知識(shí)與安全教育游戲等。AR/MR技術(shù)借助傳感與可視化技術(shù)將數(shù)字化對(duì)象與真實(shí)場(chǎng)景融為一體，使學(xué)生獲得高度沉浸感與及時(shí)交互。

外國學(xué)者Gary Grant等被科幻小說Ready Player One中所描述的瓦肯沉浸式全息景象與盧德斯虛擬學(xué)習(xí)星球所吸引，在澳大利亞格里菲斯大學(xué)藥學(xué)與設(shè)計(jì)學(xué)科中構(gòu)建了可實(shí)現(xiàn)游戲化體驗(yàn)的MR學(xué)習(xí)和教學(xué)框架[11]，證實(shí)了基于游戲?qū)W習(xí)的必要性，學(xué)生若在游戲體驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷是有意義的，那么相關(guān)技能將會(huì)被保留。我國學(xué)者陳向東等基于AR技術(shù)開發(fā)了一款適用于兒童英語詞匯學(xué)習(xí)的教育游戲——泡泡星球[12]，該案例通過創(chuàng)設(shè)虛擬泡泡星球情境、角色選擇與互動(dòng)、關(guān)卡與任務(wù)遞進(jìn)、情境問答、個(gè)性化推送學(xué)習(xí)資料供學(xué)生自主學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)成果分享等，取得了較好的用戶體驗(yàn)。在未來的教育游戲中，MR教育游戲?qū)?huì)注重位置識(shí)別、團(tuán)隊(duì)合作、角色扮演等因素，引入多感官體驗(yàn)，使學(xué)習(xí)者與游戲場(chǎng)景進(jìn)行體感、語音等更加自然的交互，不僅可以感受到逼真的畫面與音效，甚至能夠接收嗅覺和觸覺的信息。

4.在遠(yuǎn)程指導(dǎo)和在線虛擬課堂中的應(yīng)用

傳統(tǒng)遠(yuǎn)程指導(dǎo)通過互聯(lián)網(wǎng)音頻或者視頻進(jìn)行，對(duì)于問題復(fù)雜性高或者難以清楚表述成因的問題無法進(jìn)行有效指導(dǎo)。在MR技術(shù)支持的自然交互界面中，協(xié)助者可進(jìn)行演示與添加注釋等在線操作，并通過本地子系統(tǒng)顯示在操作者用戶界面投影上，從而更加高效地解決問題[4]。MR技術(shù)具備可使異時(shí)空對(duì)象共存的教育特性，打破了時(shí)空限制，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)將不同地區(qū)學(xué)習(xí)者的虛擬形象耦合連接到同一個(gè)在線虛擬課堂環(huán)境。

英國學(xué)者Callaghan等力圖創(chuàng)建一個(gè)“混合現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境”（MiRTLE），使參與在線課程的所有學(xué)生和教師生成虛擬形象并共存于同一個(gè)MR學(xué)習(xí)環(huán)境，有助于產(chǎn)生社區(qū)感，提高在線課程參與度[13]。利用MR進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)使教師面向所有學(xué)生授課，無需重復(fù)授課并可節(jié)省差旅費(fèi)，同時(shí)也節(jié)省了教育的時(shí)間與資金成本。此外，MR不僅使師生、生生在學(xué)習(xí)內(nèi)容上進(jìn)行交流互動(dòng)，并且在情感方面也可以進(jìn)行交互。

5.在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)教育中的應(yīng)用

非物質(zhì)文化遺產(chǎn)通常以紙質(zhì)文字、圖片或者實(shí)物等物理形式保存，在教育傳承中存在資源缺乏、獲取困難與損耗高等問題。利用MR技術(shù)對(duì)珍貴文物進(jìn)行采集、處理、整合、儲(chǔ)存、再現(xiàn)的數(shù)字化處理方式[14]，再通過云終端提取數(shù)字化的虛擬資源，可降低非遺的教育成本，同時(shí)，學(xué)生可對(duì)非遺有真實(shí)的體驗(yàn)，比如體驗(yàn)昆曲著裝、親臨戲曲舞臺(tái)虛擬現(xiàn)場(chǎng)等。隨著5G時(shí)代的到來，數(shù)字博物館不斷建設(shè)完善，場(chǎng)館學(xué)習(xí)也逐漸為大眾所提倡，這些都為學(xué)習(xí)者提供了更加廣泛的學(xué)習(xí)空間與資源。如我國故宮博物館通過MR技術(shù)再現(xiàn)了圓明園被破壞前的輝煌景象，滿足參觀者的學(xué)習(xí)研究需求。

6.在特定領(lǐng)域技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

MR也廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的模擬訓(xùn)練與技能培訓(xùn)中，其具有許多相似之處：各領(lǐng)域?yàn)榕囵B(yǎng)專業(yè)人才對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行專業(yè)化技能訓(xùn)練，而在真實(shí)環(huán)境中訓(xùn)練往往存在危險(xiǎn)性高、成本大或者其他特殊情況的限制而無法展開等原因，因此MR技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)、航天、軍事等特殊領(lǐng)域的專業(yè)技能訓(xùn)練中發(fā)揮著重要作用。

例如，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院心臟外科從數(shù)據(jù)庫中提取病例影像資料，基于核磁共振生產(chǎn)出三維心臟模型，使學(xué)生更加直觀地了解病理結(jié)構(gòu)，并可通過MR眼鏡使用手勢(shì)對(duì)虛擬模型進(jìn)行切割、縫紉、拿取設(shè)備等操作[15]。

在工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)的機(jī)器人數(shù)量日益增加，M.Ostanin等學(xué)者提出一種基于MR的工業(yè)機(jī)器人交互編程系統(tǒng)[16] ，開發(fā)了一種規(guī)劃路徑與時(shí)間的方案，使用戶能夠通過直觀的界面與機(jī)器人和空間環(huán)境進(jìn)行交互，通過仿真技術(shù)使沒有編程技能的用戶也可給機(jī)械手分配任務(wù)。將MR技術(shù)與具有很強(qiáng)實(shí)踐性的領(lǐng)域結(jié)合，為學(xué)習(xí)者提供了逼近真實(shí)的知識(shí)學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練環(huán)境，對(duì)提高專業(yè)技能、降低訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)具有良好的效果。

四、總結(jié)與啟發(fā)

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)MR技術(shù)的相關(guān)研究大多涉及概念、特征、技術(shù)原理、設(shè)備、不同領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問題以及未來展望等方面。目前，MR與教育領(lǐng)域進(jìn)行了初步融合，以其虛實(shí)融合、深度互動(dòng)以及可實(shí)現(xiàn)異時(shí)空對(duì)象共存等教育特性，在學(xué)科課堂教學(xué)、STEAM教育、教育游戲、遠(yuǎn)程指導(dǎo)和在線虛擬課堂、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)教育和特定領(lǐng)域技能培訓(xùn)等方面展現(xiàn)了明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并具有無限潛在的發(fā)展應(yīng)用空間。從教育領(lǐng)域總體來看，MR對(duì)于學(xué)科課堂教學(xué)、教育游戲以及STEAM教育的價(jià)值更顯著，因此作為新時(shí)代的教育研究者，我們不僅需要深入研究新技術(shù)，更要積極投入新技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，如開發(fā)智慧教學(xué)資源、建設(shè)MR智慧課堂、建設(shè)虛擬在線學(xué)習(xí)環(huán)境等，努力應(yīng)用新技術(shù)為教育帶來創(chuàng)新性變革。

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