虚拟现实教育应用白皮书.pdf

互联网教育智能技术及应用国家工程研究中心华为技术有限公司 ICT新机会孵化部2023年09月虚拟现实教育应用白皮书理论、技术与实践第1章 虚拟现实教育应用概要21.1 虚拟现实教育应用的政策与趋势31.2 虚拟现实教育应用的显著优势41.3 虚拟现实教育应用的实践问题5第2章 虚拟现实教育应用理论模型与场景82.1 虚拟现实支持的课堂探究学习场景92.2 虚拟现实支持的课外自主学习场景102.3 虚拟现实支持的高校实践教学场景122.4 虚拟现实支持的职业技能实训场景152.5 虚拟现实支持的教学技能培养场景17 引言10102CONTENTS第3章 虚拟现实教育应用技术体系203.1 虚拟现实教育应用关键技术21 3.1.1 近眼显示技术21 3.1.2 内容制作技术22 3.1.3 感知交互技术23 3.1.4 渲染计算技术23 3.1.5 网络传输技术243.2 不同学习场景中的技术需求剖析25 3.2.1 演示型课堂讲授教学场景25 3.2.2 协作式小组研讨学习场景26 3.2.3 互动式个人自主学习场景26 3.2.4 实训类职业技能学习场景27第4章 虚拟现实赋能教学模式创新284.1 VR支持的沉浸式翻转课堂教学模式294.2 Cloud VR支持的虚实融合职业技能实训模式304.3 VR支持的教-学-评一体化实践教学模式334.4 云边端技术架构下的教学模式创新34第5章 虚拟现实教育应用建议与展望365.1 应用建议375.2 未来展望38参考文献40附录440304050601全球性公共卫生危机带来的不确定性、世界经济形势的复杂多变使各国的教育与社会发展面临前所未有的挑战。联合国儿童基金会发布构建后疫情时代韧性教育系统：国家、地方和学校各级教育决策者的应有思考，指出要创建安全与韧性的教育生态环境，强调通过消除数字鸿沟，以有效抵御外部冲击和改善内部结构。在数字化生存的大背景下，教育系统的韧性需要在技术的支撑下得以生长和发展。新冠疫情持续期间，我国各级各类学校充分利用信息技术开展“停课不停学”，彰显了技术赋能在增强教育系统韧性方面的潜能。当前，全国各级各类学校共有53.7万余所，网络多媒体教室超过580万间，约占全国教室数量的68。中小学(含教学点)互联网接入率达到100%，99.5%的中小学拥有多媒体教室。过去20余年的信息化建设为教育系统通过数字化转型增强自身韧性，为应对充满不确定性的未来提供了可能。同时，以虚拟现实（VR）、人工智能（AI）为代表的新一代信息技术为加快推进教育数字化转型和智能升级提供了重要支撑。随着VR产业的不断成熟，世界各国纷纷对VR等新兴技术在教育领域的应用进行战略布局。近两年，工信部、教育部等五部委发布虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（20222026年）和元宇宙产业创新发展三年行动计划（2023-2025年），明确指出要深化虚拟现实在教育培训行业的深度融合，推进构建虚拟教室、虚拟实验室等教育教学环境，鼓励通过平台共享虚拟仿真实验实训资源，扩大优质教育资源覆盖面。当前，VR技术在我国教育系统的应用已经全面渗入基础教育、高等教育和职业教育领域，形成VR支持的集体课堂学习、小组研讨学习、自主探究学习、职业技能学习和教师素养培训等典型应用场景。同时，由建设虚拟仿真实验基地和平台、智慧校园、智慧教室等基础设施升级为打造沉浸式课堂等创新教学模式，形成了VR支持的沉浸式翻转课堂教学模式、Cloud VR支持的虚实融合职业技能实训模式，以及VR支持的教-学-评一体化实践教学模式。VR在教育领域的常态化规模化应用仍面临重重阻力，需要政府、学校、企业、家庭、研究机构等多方协同参与，共同打造引领教育高质量发展的VR教育应用生态体系。技术架构创新是VR教育教学常态化应用的必然趋势。云控网联技术架构将简化时空限制，有望推动虚拟实验教学和虚拟仿真实训从小规模试点走向大规模常态化应用。通过云渲染使能算力云化，降低建设成本；通过统筹算力资源，共享基础设施；通过算网协同，保障大宽带、低时延的网络传输；通过算显分离，在终端层面改善学生学习体验；通过云-边-管-端分层协同，将VR教学带入每一间教室。引 言虚拟现实教育应用概要01虚拟现实技术（Virtual Reality,VR）被认为是21 世纪影响人们生活的重要技术之一。2022年11月发布的虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（20222026年）中明确指出，要深化虚拟现实在教育培训行业的深度融合，在中小学校、高等教育、职业学校建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地。面向实验性与联想性教学内容，开发一批基于教学大纲的虚拟现实数字课程，强化学员与各类虛拟物品、复杂现象与抽象概念的互动实操，推动教学模式向自主体验升级，打造支持自主探究、协作学习的沉浸式新课堂。为响应教育部2022年工作要点提出的“实施教育数字化战略行动，加快推进教育数字化转型和智能升级”。作为国内首个教育数字化转型试点区，上海市发布了上海市教育数字化转型实施方案（20212023），并明确表示要在基础教育、职业教育、高等教育探索基于VR的沉浸式、体验式教学，推动上海市教育数字化转型。综上可见，VR在教育领域的深度融合应用能为教育数字化转型和智能升级奠定坚实基础。02 虚拟现实教育应用的政策与趋势随着VR产业的不断成熟，VR技术支持的沉浸式学习已成智能时代教育领域的趋势。世界各国纷纷对VR/AR/MR等新兴技术在教育领域的应用进行战略布局，各国相关政策所涉及的内容涵盖基础设施建设、集成化平台构建、教育教学模式革新等方面。国际政策方面，美国教育科技部推行国家科技教育计划NETP，并陆续发布相关文件，确立VR技术在教育领域应用的目的旨在解决教育公平问题。Transforming American Education:Learning Powered by Technology.National Education Technology Plan(2010)中建议：通过促进政府公共部门与私营企业的合作来整合VR技术的系统性评估资源；通过促进各州与私营组织和公共部门之间的合作来设计、开发、验证和扩大基于新技术的评估资源；提倡在新的评估资源中使用嵌入式评估技术。Future Ready Learning:Reimagining the Role of Technology in Education.National Educa-tion Technology Plan(2016)中重点强调了VR有利于促进教育公平、学生的人格塑造、增强学生对知识的理解的潜能。Reimaging the Role of Technology in Higher Education（2017）中给出了要利用VR技术提供高保真场景、促进高等教育教学科研创新的建议。2021年，美国著名科技创新基金会ITIF发布The Promise of Immersive Learning:Augmented and Virtual Realitys Potential in Education，开篇直指“AR/VR解决方案可以增强课堂体验并扩大各类学习的机会。政府应对沉浸式技术研究、技能培养、技术内容开发以及技术公平运用等方面投入更多资金，来促进国家的进一步创新与发展”。此外，美国国家科学基金会NSF资助了研究VR技术等新兴技术在K-12课堂、高等教育课堂、高校虚拟学习实验室研发中心等教育领域应用的众多科研项目。在韩国，政府发布的相关政策主要聚焦于建构产学研合作体系，以期使用VR/AR技术推进职业教育与产业融合发展。2017年政府工作报告提出要开发引入VR和增强现实（AR）的沉浸式数字教科书，并从小学开始扩展无线网络平板电脑等基础设施。职业教育振兴计划2018提出要推进中小学创业体验教育，支持在虚拟空间体验创业过程。实现创新增长的5G+战略2019指出要发挥VR、AR、MR等技术的互动和智能化特点提供高度现实感和体验的内容。科学、数学、信息、融合教育综合计划（20-24）文件指出，将人工智能（AI）和VR/AR等前沿教育技术真正引入教育领域。到2024年，所有学校将建成应用尖端技术的“智能科学实验室”。产业教育与产学研合作基本计划(1923)（2020年修订）中提到，加强AI等未来领域的中小学职业教育，引入使用AR/VR的非面对面实地培训。1.103英国同样关注VR/AR技术在职业教育中的前景，提倡使用相关技术为学生提供学习体验和技能培训。英国于2019年发布的Realizing the potential of technology in education通过阐明格林姆斯比学院（Grimsby Institute）中的继续教育学院和高等教育学院是如何使用VR和AR的实例，为其他学校和教育部门在为学生的职业生涯做更好的准备这一方面提供指导。此外，经济合作与发展组织（OECD）发布的文件Education at a Glance 2020：OECD indicators中提出受COVID-19影响，需特定设备进行学习和实践演练的职业教育正在经历史无前例的危机，OECD国家已经采取诸多措施，包括增加使用更适合职业教育与培训的在线和虚拟平台。在我国，随着教育信息化被提升至国家战略层面，VR技术在教育中的应用逐渐由职业教育拓展到高等教育和基础教育领域，由建设虚拟仿真实验基地和平台逐渐拓展到结合5G技术建设智慧校园、智慧教室，打造沉浸式课堂。教育部等六部门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中将“智慧校园新型基础设施”作为教育新型基础设施体系建设的重要方向之一，其中包括完善智慧教学设施、建设智慧科研设施、部署智慧公共设施三个主要措施；建设科研协同平台，提供虚拟集成实验环境、科研实验数据共享等服务，支撑跨学科、跨学校、跨地域的协同创新。5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）中提出要建设5G+智慧教育，加快5G教学终端设备及AR/VR教学数字内容的研发，加大5G在智慧课堂、全息教学、校园安防、教育管理、学生综合评价等场景的推广，提升教学、管理、科研、服务等各环节的信息化能力。虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（20222026年）进一步提出在中小学校、高等教育、职业教育建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地，打造支持自主探究、协作学习的沉浸式新课堂，推进“虚拟仿真实验2.0”建设。综上，各国在政策部署上对VR教育应用各有侧重。美国NETP中有关VR技术在教育领域应用的目的旨在解决教育公平问题。韩国发布的相关政策主要聚焦于建构产学研合作体系，以期使用VR/AR技术推进职业教育与产业融合发展。英国同样关注VR/AR技术在职业教育中的前景，提倡使用相关技术为学生提供学习体验和技能培训。在我国，VR技术在教育中的应用已经全面渗入职业教育、高等教育和基础教育领域，已由建设虚拟仿真实验基地和平台、建设智慧校园、智慧教室等基础设施升级为打造沉浸式课堂等教育教学模式革新，全面助力教育数字化转型和智能升级。虚拟现实教育应用的显著优势VR因其沉浸性和交互性特征，可用于创设多样化的拟真学习环境，尤其是模拟现实世界中难以接1.204触、无法复现的场景和事物，在教育领域的应用已彰显出显著优势。一项针对高等教育和K-12教育领域VR技术应用的系统性文献综述研究1发现：VR在帮助学生完成空间知识表征要求比较高的任务，以及胜任现实世界中不切实际或不可能完成的体验式学习任务方面优势显著；VR能够通过给学生提供参与学习任务的机会，激发学生的内在动机和学习兴趣；能够通过情景化学习促进学生对科学知识的理解和技能迁移。VR/AR教育教学应用调研报告2（以下简称调研报告）显示，VR能促进观察性学习、操作性学习和社会性学习活动的开展，在基础教育、高等教育、职业教育、非正式学习等不同的教育场景中均具有优势。总体来说，VR教育应用具有如下三方面的显著优势。首先，VR的可视化三维呈现方式支持学习者多视角观察，有助于增强学习内容的吸引力、激发学习者的兴趣和学习动机，优化学习体验。在基础教育中，360全景视频、沉浸式VR内容等在教学中的应用能显著提高学习者注意力、激发学习兴趣和动机，改善学习体验3。在高等教育和职业教育中，教育内容和教育方式更加多样化，学习者能在VR虚拟场景中通过观察来辅助进行概念学习和技能锻炼4。在非正式学习中，集成各公共文化服务机构的资源创建VR展览，能实现“足不出户”却又“触手可及”的线上参观体验，提升学习和体验质量。其次，VR的沉浸性和交互性特征能够提供身临其境的学习体验，有助于促进学习者对知识技能的习得与迁移5。在基础教育中，沉浸式VR支持学习者与虚拟环境交互，继而促进学习者对事实性知识的保留，对概念和程序性知识的深入理解和掌握6。在高等教育和职业教育中，各类沉浸式VR实验和实训系统为学习者提供了更形象、更具启发性的学习环境，能提升学习者的临场感、享乐感、自我效能感，还能促进知识习得和技能训练7。在非正式学习中，VR人机交互应用多通过游戏的方式呈现，“旧藏品”与“新技术”的融合有助于扩展学习者的感知体验，增强非正式学习效果。最后，可实现远程连接与互动的VR社交应用有助于减少虚拟环境中的孤独感体验，增强交流意愿、培养协作意识，促进社会情感技能的培养8。在基础教育、高等教育和职业教育中，VR社交应用可以帮助搭建“远程课堂”，通过加强虚拟环境中的社会交互性，促进学生之间、师生之间的交流，实现互动式情景教学和实训9。在非正式学习中，多人协作互动式VR游戏可以提高科普教育的趣味性、有效性，虚拟社交互动平台还能够帮助减少社交障碍人群心理上的孤独感10。虚拟现实教育应用的实践问题目前，国内外科技企业如微软、Meta等均在积极布局VR教育，zSpace提供的3D仿真软硬件系统和教学内容在美国也大受欢迎。国内新兴的创业公司、VR的硬件公司以及传统的教育公司和内容研发公1.305司也纷纷参与VR教育。但VR教育的应用目前仍处于发展初期，还有诸多问题亟待解决。（1）VR教育教学常态化应用阻力重重阻力一是政策环境方面尚不具备条件。调研报告显示，校长等领导层面均表示大规模的资金投入是VR教育应用决策时首先考虑的问题。而当前中小学对VR硬件设备采购的专项资金支持不足，导致常态化教学中VR硬件设备数量不足。基础教育使用VR设备开展学习时，生机比远超1：1，甚至高达6：1。此外，学校的教学考核中缺乏相应的政策支持。访谈教师均表示虚拟实验教学需要花费额外的时间和精力来组织课堂，但由此带来的工作量并未纳入学校日常考核范围。阻力二是配套的教学和资源管理软件不足。一方面，配套的教学管理软件的操作形式限制了其在教学中的应用场景，无法满足灵活组织教学活动的需求。调研报告显示，教师对学生学习情况的监管和评价是VR教学常态化开展中面临的一大挑战。另一方面，对内容资源统一管理的配套软件不足，无法很好地实现资源存储、分发、更新与共享。在职业教育领域，仍然缺少对内容资源统一管理的配套软件，无法与实训教学很好地匹配。阻力三是符合教学需求的优质内容资源短缺。调研报告显示，当前的VR内容多集中在理化生的实验教学，无法满足其它学科的教学需求。同时，VR教学内容本身的适切性、灵活性和共享性不足，无法满足不同场景的教学需求。部分校长在访谈中表示VR内容资源是否能够满足实际的教学需求，是否允许教师能够根据自身需求灵活修改和个性化设计是VR教育应用决策时重点考虑的部分。阻力四是基础教育常态化应用受客观条件限制。对小学生而言，用眼健康问题是开展常态化应用时教师和校长的顾虑之处。VR设备常态化应用是否会影响小学生的视力健康，以及VR体验中出现的眩晕等身体不适感是否会影响小学生的身体健康，这些问题尚未得到科学论证。对中学生而言，学习时间紧，学业任务繁重，学生的时间投入成本和学习效果是开展常态化应用时面临的主要挑战。图1-1 VR教学常态化应用面临挑战06图1-2 VR教学规模化应用现状（2）VR教学深入应用受制于教师信息化教学能力教师信息化教学能力是推动VR教学走向深度融合和创新应用的关键。然而，调研报告显示，半数以上的教师表示在利用VR开展教学时自身的信息化教学能力不足。一是缺乏各种操作技能专题培训，指导教师熟练操作和使用各种VR设备和软件工具资源。二是缺乏系统化的、持续的理论和实践培训，指导教师将VR资源有效地整合到日常教学实践。（3）VR教学规模化应用尚缺乏成熟的实践模式当前，VR教育应用仍然处于以学校为单位的试点探索或教师个人层面的摸索，尚未在区域层面形成成熟的实践模式。调研报告显示，近50%的中小学教师认为VR在基础教育的应用处于以学校为单位的试点阶段，28%认为仍然处于教师个人摸索阶段；近60%的职校教师认为目前所在学校中VR在教学上的应用仍处于以学校为单位的试点阶段，33%认为尚处于教师个人初步探索阶段。总体而言，VR在赋能教育的实践过程中存在内生动力不足和外部支撑薄弱的问题。VR本身的技术体系尚不够成熟，表现在VR硬件系统的易用性和可用性尚不能满足在教育领域常态化应用的需求，配套的软件资源和内容资源也不完全符合教育教学的需求。就外部支撑而言，国家层面的政策支持相对不足，教育的重要利益相关者对VR教育应用带来的各种风险存在隐忧，支撑VR常态化应用的多方合作机制也尚未健全。07技术赋能教学需要以教育教学理论为指导，遵循学与教的基本规律，才能够发挥其最大的效力。教育系统的复杂性在于学习场景的多样性、动态性和自组织性。虚拟现实赋能教学需要以场景为抓手，找准技术赋能的发力点；以教育教学理论为指导，精心设计技术支持的教学活动和流程；以循证研究为导向，全面评估技术赋能带来的短期和长期效益。按照教育的不同类型，白皮书分别呈现了虚拟现实在基础教育、高等教育和职业教育领域应用的五大典型场景，剖析了这些典型场景背后的理论模型，以期为虚拟现实在教育领域的深入应用提供理论指导和实践指南。08虚拟现实教育应用理论模型与场景02 虚拟现实支持的课堂探究学习场景探究学习是中小学课堂教学中的重要环节。但受限于课堂时空有限以及探究所需条件的不足，课堂探究学习往往无法给每一位学生提供亲身体验、深入探究的机会。特别是科学探究中的实验环节，由于实验材料的限制或是实验安全的考虑，学生很难在有限的课堂时间内通过实验探究获得直接的经验，并据此主动完成意义建构。虚拟现实技术在课堂探究场景中的应用能够为打破课堂时空限制，支持每一位学生在课堂有限时间内亲身体验、深入探究提供机会。案例简介：分子的特征（九年级化学）本案例11是一堂探究复习课，课堂内容围绕分子的特征展开，依次复习了分子之间有间隔、同种分子的化学性质相同、不同种分子的化学性质不同三个重要知识点，并在此基础上进一步探究常见气体的检验。授课地点是在学校的多功能实验室，授课对象为九年级学生。理论模型：体验式学习理论体验式学习(Experiential Learning)由美国社会心理学家、教育家大卫库伯(David Kolb)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-efficacy）理论12。体验式学习强调个人经历或经验在学习过程中的重要作用，认为学习是通过经验的转化而创造知识的过程，非常重视学习者的主动性、参与性以及直观感受和体验，强调通过具体的体验和反思活动来掌握知识和技能13。体验式学习圈模型包括：具体体验观察反思抽象概念积极实践四个循环的学习阶段14。虚拟现实技术在帮助学习者胜任现实世界中不切实际或不可能完成的体验式学习任务方面颇具优势15。在本案例中，“放飞孔明灯”这种在课堂环境无法完成的体验活动，以及“验证液氧的化学性质”和“检验氧气与二氧化碳”这两个在传统课堂只能通过观看视频或教师演示进行的实验都可以通过虚拟现实技术的支持实现让每个学生亲身体验和参与。教学内容和过程设计：首先，学生用3D交互课件模拟放飞孔明灯，完成“放飞孔明灯”实验，从宏观现象中体验分子间隔的改变，深入理解“分子之间有间隔”这一基本知识点。3D交互课件不仅让现实世界不可能完成的“放飞孔明灯”这一任务变得可能，还有效地避免了在真实世界放飞孔明灯带来的安全隐患。其次，学生用3D交互课件验证液氧的助燃性，完成“验证液氧的化学性质”实验，通过在虚拟环境中动手操作和观察，验证“同种分子的化学性质相同”这一科学猜想。由于液氧的不易获得性，传统课堂学生只能通过观看视频获得间接的学习经验，3D交互课件为学生通过亲自动手操作获得直接的学习经验2.109提供了机会。再次，学生用VR仿真交互课件检验氧气和二氧化碳的性质，利用VR头显设备和交互手柄在360拟真的实验环境完成“检验氧气与二氧化碳”实验，理解“不同种分子的化学性质不同”这一基本知识点。在传统的实验教学中不可能大批量制取氧气和二氧化碳，学生只能通过观看教师演示，无法亲自动手实践，但利用VR仿真交互课件，每一名学生都能身临其境做实验，获得直接的学习经验。最后，学生用央馆虚拟实验创编系统，编辑“未知气体的探究”实验，检验氮气、氧气与二氧化碳的性质。学生通过做中学，体验“发现问题（矛盾）分析实验现象解释现象”的过程，建立“观点、证据和结论之间的逻辑关系”。虚拟实验创编系统为学生设计实验方案、验证实验猜想、修正实验方案等提供了可能，也大大节约了传统实验室中实验设计带来的繁琐的实验器材和用品的准备、整理时间。2.210教学效果评价：本案例充分利用央馆虚拟实验资源，在30分钟内层层深入，递进式地引导学生完成“放飞孔明灯”、“验证液氧的化学性质”、“检验氧气与二氧化碳”、“检验氮气、氧气与二氧化碳”4个实验，并在最后一个实验里实现对现有知识的综合运用和拔高。可见，虚拟实验支持的课堂教学能够缩短实验时间，支持学生在课堂上有限的时间内进行了多个实验方案的验证，大大提高了实验教学的课堂容量和质量。同时，虚拟实验解决了真实实验中实验仪器不足、药品种类缺乏的问题，减少了老师准备实验器材的繁琐和难度，降低了实验成本，增加了学生动手实践和重复验证的机会。虚拟现实支持的课外自主学习场景“双减”政策出台后，中小学生的课外自主学习成为关注的焦点。教育部等十八部门联合印发关于图 2-4学生操作3D交互式课件（左）和VR课件进行化学实验（图片来源网络）加强新时代中小学科学教育工作的意见，明确指出要在教育“双减”中做好科学教育加法。课外自主学习无疑为做好科学教育加法提供了重要途经，家庭是中小学生开展自主学习的主要场所。实验教学是科学教育的重要内容，是培养创新人才的重要途经。如何帮助中小学生在课外，特别是实验条件有限的家中既能动脑又能动手，开展自主探究，巩固实验知识，提升科学素养成为亟待解决的难题。虚拟实验在中小学生课外自主学习中的应用则为破解上述难题提供了新的思路。案例简介：七年级生物假期探究活动本案例16是围绕七年级下册生物学中的相关内容开展的课外自主学习探究活动，旨在将同学们的寒假自主学习与新学期开学后的新知探索做好衔接，包含模拟膈肌运动与胸廓容积的变化、膝跳反射、用废旧报纸制作再生纸三个探究活动。学生为七年的学生，学习的场所是在家中。教学理论：体验式学习理论、生成性学习理论生成性学习理论（Generative Learning Theory，GLT）由美国教育心理学家维特洛克（Merlin Wittrock）提出，认为学习的生成过程是学习主体根据自己的先前经验、态度、兴趣，以及认知策略对当前环境中的感觉信息产生选择性注意，获得选择性信息并利用原有认知结构建构该信息的意义，从而获得新知识、新经验的过程17。该理论将人类的学习过程分为注意和选择性知觉、主动建构意义、建构完成和意义生成几个阶段18。菲奥雷拉（L.Fiorella）教授在生成性学习理论的基础之上，提出了八种促进技术情境下生成性学习发生的策略：总结（Summarizing）、制图（Mapping）、绘画（Draw-ing）、想象（Imagining）、自我测试（Self-Testing）、自我解释（Self-Explaining）、教授他人（Teaching）和扮演（Enacting）。研究表明，在虚拟现实支持的学习中采用生成性学习策略有助于提升学习者的知识保留和知识迁移表现19。在本案例中，教师在体验式学习理论的指导下，通过中央电教馆虚拟实验教学服务平台为学生在家开展实验探究提供了亲身体验和深入探究的机会。同时，在生成性学习理论的指导下，要求学生将探究过程和实践成果通过拍照或视频的方式记录下来，然后上传至人人通教育云平台进行互动交流，学科教师针对学生的探究过程进行点评和个性化指导。教学内容和过程设计：本案例以任务驱动的模式，引导学生选择模拟膈肌运动与胸廓容积的变化、膝跳反射、用废旧报纸制作再生纸三个探究活动中的一个进行探究实践。下面以模拟膈肌运动与胸廓容积的变化活动为例进行介绍。活动描述：我们每时每刻都在进行呼吸，呼吸与人类生活息息相关。正常成年人一般情况下呼吸频率是16-18次每分钟，每天呼吸2万多次。你们知道呼吸是怎样发生的吗？11请参考七年级下册生物学P46“演示实验”内容和中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统中的视频“模拟膈肌运动与胸廓容积的变化”和3D课件“模拟膈肌运动与胸廓容积的变化”，尝试制作模拟肺与外界气体交换的装置。制作的过程以照片或视频的形式在人人通上进行提交，还可以写上简单的制作心得哦！活动实施过程：首先，在放假前教师将中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统的账号、使用帮助和探究活动介绍下发给学生，并与学生、家长保持交流，及时解答疑惑。其次，学生在家中利用课本自主学习实验内容，再应用“央馆虚拟实验”资源完成模拟实验，在对实验具备一定认知的基础上，再利用家里的有关材料进行实物实验探究，实现从虚拟实验探究到实物实验探究的完美过渡。最后，探究活动结束后，学生将探究过程、成果、心得体会等以照片或视频的形式上传至武汉教育云平台的人人通空间，由学科老师进行收集，并在班级群中开展讨论交流和点评。1212教学效果评价：本案例中虚拟实验的应用打通了学校课堂学习和家庭自主学习的连接，完美结合了虚拟实验探究和实物实验探究的优势，有效激发了该校学生对实验探究活动的兴趣和热情。该活动也得到了家长们的大力支持，为家校合作提升学生科学素养提供了很好的思路。不少家长表示，这样虚实结合的探究活动有利于促进学生深入思考，并提升动手能力，进一步加深了学生对相关知识的理解。虚拟现实支持的高校实践教学场景作为人才培养重要组成部分的实践教学是根据认识的本质和规律、实践的特点和作用以及教学目的2.3图 2-5 央馆3D交互式课件界面（左）、学生完成的虚拟实验结果（中）和实物探究结果（右）（图片来源网络）和要求开展的实践活动，是培养学生动手能力、创新能力和创新精神的重要教学环节，是促进学生知识、能力、素质协调发展的重要途径和手段20。然而，人文社科的实践教学环节一直被忽视，使其长期处于“纸上谈兵”的状态。2019 年，教育部正式启动“六卓越一拔尖”计划2.0，全面推行“四新”建设。相比于新工科、新医科、新农科，新文科建设的实践教学问题更加凸显。强化人文科技战略融合的新文科建设对高等教育理念、教育目标、培养模式、专业建设、课程体系、教学方法以及实验实践环节等均提出了新要求。虚拟现实技术支持的虚拟仿真实验实践教学为新文科背景下的创新人才培养提供了新思路。案例简介：公共卫生危机事件新闻采访虚拟仿真教学本案例是来自国家虚拟仿真实验教学课程共享平台iLab的一门国家一流虚拟仿真教学课程。课程通过“课堂教学-虚拟仿真实验-实验结果评价反馈-学习策略及效果改进”的新型教学模式，让学习者自主进入虚拟现场，沉浸式、交互式地体验现场采访的各个环节，培养学生的新闻意识、政策意识、危机意识，以及自主学习能力、采访能力、写作能力、问题解决能力等。本案例的授课对象是大学生，学习的场所在多媒体教室。教学理论：情境学习理论情境学习理论源自于让莱夫（Jeau Lave）与丁纳温格（Etienne Wenger）合著的情境学习：合法的边缘性参与（Situated Learning:Legitimate peripheral Participation）这部人类学研究领域中关于“情境认知与学习理论”的经典名著21。情境学习理论将知识视为个人和社会或物理情境之间联系的属性以及互动的产物，要求将学习置于知识生产的特定的物理或社会情境中；将参与视作学习的关键成分，要求学习者通过理解和经验的不断地相互作用，在不同情境中进行知识的意义协商22。虚拟现实技术通过模拟类似于真实世界的物理或社会情境，允许学习者参与其中，通过与虚拟环境的持续互动，完成对知识的意义建构。本案例运用虚拟现实技术为学生创设了拟真的公共危机事件报道场景，让学生以第一人称视角体验和参与采访中的各项任务，在体验和参与的过程中完成知识技能习得。教学内容和过程设计：（1）课堂教学阶段教师向学生说明实验目的、实验原理（即新闻采访与写作的相关基础知识）、实验内容、实验过程以及实验要求，并指导学生进行相关的实验操作，介绍整个实验流程以及虚拟仿真系统内的功能模块，同时教授学生如何使用实验设备及各种硬件。（2）虚拟仿真实验阶段13以情景模拟和场景启发为基础，启发学生进行采访工作的实践操作，以此来培养学生思考问题、分析问题以及处理危机问题的能力，提高学习效果。实验项目设有学习模式和考核模式。在学习模式，学生可以首先选择进行个人自主学习、探究和练习，系统设有提示点，帮助和引导学生进行正确的操作和知识点细节的理解。在进行练习后，学生可以进入考核模式，在不依靠辅助提示的情况下自主检验学习情况和成果。（3）实验结果评价反馈阶段系统根据内置的评分标准对学生的实验作品和实验结果进行评估和分析。与此同时，教师将对考点和扣分点予以讨论和总结，组织学生进行作品互评和实验心得分享。（4）学习策略及效果改进阶段教师与学生共同讨论实验过程中的得失，总结个人学习成效的长短优劣，提出发挥优势、补强短板的具体策略，以利于后续的进一步学习。在上述四个阶段中，均贯穿了情景还原、任务驱动和人机交互等几种基本的教学方式，让学生在实践中树立一种工程师式的操作思维，体验其中的细致严谨和需要付出的艰辛劳动，塑造良好的职业习惯，培养从事新闻职业的自豪感。教学效果评价：由于公共危机事件报道具有突发性、危险性和不易接近性，很难让学生亲身参与并进行系统地学习。虚拟仿真实验教学注重教学过程中的整体性和连贯性，系统地融合了公共卫生危机事件的内涵，采访过程中的专业知识，以及社会心理状况的调查等必要内容。同时，由于新闻采访需要在现场完成，传统教学中很难对学生的学习过程进行监控并开展过程性评价。虚拟仿真软件能将学生的实验操作过程记录下来，并实时观察，实验过程中还设置有多个考点，可以有效开展过程性评价。作为对传统教学的延伸与拓展，虚拟仿真实验教学的虚实结合、沉浸交互及共享开放特征，能够支持学生随时随地开展实践学习，拓展了实践学习的时空范围。图2-7学生自主实验探究（左）和虚拟采访操作界面（右）（图片来源网络）14 虚拟现实支持的职业技能实训场景职业教育领域的职业技能实训对虚拟现实技术的支撑有着强烈的需求。2023年，教育部印发了关于加快推进现代职业教育体系建设改革重点任务的通知，要求各校要瞄准专业实训教学中“高投入高难度高风险、难实施难观摩难再现”等现实问题，结合自身实际，有效运用虚拟现实、数字孪生等新一代信息技术，建设职业教育虚拟仿真实训基地，开发资源、升级设备、构建课程、组建团队，革新传统实训模式，有效服务专业实训和社会培训等。可见，职业技能实训是虚拟现实赋能职业教育的重要抓手。案例介绍：航空产业集群虚拟仿真实训基地本案例来自长沙航空职业学院的航空产业集群虚拟仿真实训基地。该实训基地针对航空复杂工艺“看不见”，航空昂贵设备“进不来”，航空专业维修安全环境“难实现”等传统教学难题，围绕“航空维修-航空运营管理-航空服务”产业链实训要求，打造集“教学、实训、培训、科研、竞赛、科普”六位一体的航空产业集群。教学理论：情境学习理论、具身认知理论具身认知（Embodied Cognition）建立在对传统离身认知的批判基础之上23，其核心观点是：认知过程的进行方式和步骤实际上是被身体的物理属性所决定的；认知的内容是身体提供的；认知、身体、环境是一体的,认知存在于大脑,大脑存在于身体,身体存在于环境24。具身认知强调环境在认知过程中的重要作用，认为学习是学习者对环境的感知和作用于环境的行为之间互动的结果25。虚拟环境中,学习者通过拥有一个虚拟身体（Avatar）获得具身化体验，通过控制虚拟身体与虚拟环境进行交互，在持续的交互与反馈过程中完成与身体经验相关的认知加工。职业教育中的复杂技能学习除了需要为学生营造真实的学习请境外，还需要以具身认知理论为指导对复杂技能学习任务进行精心设计，以此来促进学生对复杂技能的习得和在真实情境中的迁移。实训内容和项目：航空产业集群虚拟仿真实训基地覆盖通用航空器维修、空中乘务、无人机应用技术、航空物流管理和航空机电设备维修5个专业。实训基地针对教学资源的个性化开发与持续更新的需要，拓展校企合作模式，加强创新，进一步推动院校教学实训、校企职工培训的转型升级，形成多元化人才提升需求的培训体系。实训项目包括机务维修、航空公共安全时间应急管理、飞行仿真实训、事故应急救援、航空器环控系统维修等，支持课程包括空气动力学和维护技术基础、航空机械基础等。空气动力学和维152.4护技术基础课程与企业紧密联系，在课程基础上设立航空维护技术导师团，教学过程中进一步将维护技术基础和岗位能力以及国赛项目相融合，成为岗位练兵的重要支撑。航空机械基础以课促赛，将日常教学与发动机拆装调试技能大赛的内容有机结合；通过在课程教学实施过程中注重结合航空特色，深挖思政元素，让学生了解中国航空的发展史和伟大成就等，激发学生爱国、航空情怀，增强学生职业自豪感、使命责任感。图 2-8 各类航空实训项目界面展示（图片来源网络）16教学效果评价：VR使航空复杂工艺360度展示在学生面前，支持学生通过在虚拟环境中反复观察和操作高仿真航空设备，从而达到航空专业维修的考核要求。基于 AR/VR 虚拟交互技术，能够实现对易耗型的实验教学或者破坏性的实验教学的支持，从而降低真实设备的损耗，同时也确保实验的安全。学生以第一人称角色扮演的方式进行岗位模拟操作，掌握业务流程和操作技巧，大大提高了学生学习兴趣与教学效率，实现了“线上数字资源学习+线下VR虚拟仿真训练”的职业技能学习新模式，全方位助力航空专业人才的培养。2.5 虚拟现实支持的教学技能培养场景师范院校天然连接着基础教育和高等教育，在提高人的数字素养、深化教育数字化变革、建设教育强国中具有重要的纽带作用。智能时代的教师数字化素养培训是当前教师培训工作的重点，也是师范类院校人才培养的关键。2022年底，教育部发布教师数字素养教育行业标准，规范化教师数字素养培训，提升教师利用数字技术优化、创新和变革教育教学活动的意识、能力和责任。作为数字化素养的重要组成部分，教师的数字化教学技能培养已无法依赖传统的讲授式培训方式来开展，而必须要依赖虚拟现实、人工智能等新兴技术的支持。案例描述：基于混合现实技术的职前教师专业实践项目本案例来自俄克拉荷马州立大学（Oklahoma State University）开展的一项研究，目的是调查参加混合现实模拟Mursion课程的师范生如何看待混合现实模拟课程对他们的学习、职业自信心，以及后续的教育实习的影响。Mursion是一个混合现实模拟，它提供了一个由数字和物理组件组成的环境。该模拟程序使用人工智能和真人演员的混合来模拟不同的交互设置，帮助师范生在虚拟环境中学习授课、管理课堂和练习教学技能，为师范生教学模拟提供了在受控环境中进行真实练习的机会，并减少了可能的风险。理论模型：情境学习理论、体验式学习理论虚拟现实、混合现实等支持的仿真模拟可以为教师或师范生提供拟真的教学场景和体验式学习的机会。学生在沉浸式虚拟环境中可以通过Avatar的形式进行角色扮演，在对各种教学活动的体验中完成教学技能的习得。研究内容和过程设计：研究邀请了师范生同时参加混合现实模拟Mu