教育信息技术课题：基于VRARMR技术的高校智能教育模式探究

基于VRARMR技术的高校智能教育模式探究学科分类：教育信息技术

课题类别：重点课题

关键词：VR、AR、智能教育

预期研究成果：研究报告课题设计论证

一、问题的提出、课题界定、国内外研究现状述评、选题意义与研究价值（一）问题的提出

随着5G时代的到来，尤其是近期受疫情影响，网络教学在教育教学中发挥了愈发重要的作用，可随时随地搭建网络课堂，极大地节省社会资源和人力资源。《国家教育事业发展“十三五”规划》在“改革创新驱动教育发展”部分中明确指出，支持各级各类学校建设智慧校园，搭建网络教学资源平台和推广网络教学[1]。但目前大部分网络教学还存在诸多问题，比如学生缺乏实际有效的互动交流、教师指导、教学监督和测评，教师缺乏对学生学习进度、学习状态、学习质量的实时了解[2]。在这种背景下，虚拟现实教学将借助虚拟现实技术引入更加多样化的教学手段，改变原本枯燥乏味的传统教学方式，激发学生的学习兴趣，提高教学内容的互动性及教师的工作效率。正因如此，教育部《教育信息化2.0行动计划》指出，做好虚拟现实技术在教育教学领域中的应用则具有十分重要的现实意义[3]。

“虚拟现实技术”主要分为虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）三类[4]。VR能够打造出一个十分逼真的虚拟教学环境，进而使学生们在虚拟环境中实现情境化学习；AR是一种“虚实结合”的技术，它在VR基础上叠加一些真实环境的刺激来增加真实感；MR融合虚拟现实的沉浸感和增强现实的实用性特征，无缝对接虚拟与真实世界，三者关系如图1。VR/AR/MR技术具有仿真性、开放性、超时空性、多感知性等优势[5]，可以模拟现实中难以达到或体验的场景、活动，使情境化学习变得无处不在，为数字信息化教学模式开辟“虚拟教学”的新领域，如图2所示。

图1VR/AR/MR技术融合

图2虚拟教学课程环境

虽然虚拟现实技术在教育教学上已经取得了一定的应用和示范，但是构建“虚拟现实+高等教育”的教育模式面临制作成本高、优质虚拟现实技术教学资源缺乏、认知负荷超载、用户体验与互动不足、缺乏完整的监测评估体系等诸多痛点[6]，限制了良性的高校智能教育体系的快速发展。比如目前的VR设备缺乏使用者的感官反馈，长期使用会给使用者带来身体不适；还比如虚拟现实技术在教学领域的应用更加偏重内容，每一堂虚拟现实课程的制作都需要包含课程、动画、美术、角色等设计内容，情节交互策划和资源整合等诸多工作，无论是工作量还是对工作精细程度要求，都远高于一般的课程制作。再加之，虚拟现实技术制作成本往往相对较高，而现今的硬件与内容体验均不佳，导致采用虚拟现实技术教学的用户较局限。

为了进一步发挥虚拟现实技术的优势，丰富高校智能教育模式，推进教育变革与发展，本项目将有机整合VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则，提出一种适用于VR/AR/MR环境的高校智能教育模式，以期为当下高等教育的创新与变革，提供一些前瞻性的参考与启示。（二）课题界定

本课题将基于VR/AR/MR技术的研究视角，以高校智能教育为研究对象，研究VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则整合的设计与实现机制，探讨基于VR/AR/MR技术的高校智能教育发展模式，包括搭建虚拟现实教育实践平台、开展虚拟现实专业创新教学、实现虚拟现实技术与产教深度融合教学，提供个性化、精准化、智能化、融合化的教育环境，开发出面向未来的智能教育内容和形式。课题整体研究框架如图3。

图3课题整体研究框架示意图（三）国内外研究现状述评1.国内相关研究的现状述评

国内学者目前围绕基于VR/AR/MR技术的高校智能教育模式的研究较少，研究更多集中在学习环境和技术与课程融合两方面。

第一，关于虚拟现实技术教育的学习环境研究。主要观点：①对虚拟现实学习环境对学生影响力进行研究，通过在实验中控制组设计模型方法，认为虚拟教育学习环境可以提升学生的创造力和影响力[7]；②通过试点研究的方法对“等价的现实世界”和“虚拟现实”的学习途径进行分析，显示出良好的真实和虚拟环境之间的等价性[8]。

第二，关于虚拟现实教育技术与课程融合研究。主要观点：①认为以“技术呈现课程内容”为主，技术支持借助VR成熟设备[9]；②研究偏向实践性、操作性较强的课程内容，技术与课程融合研究主要集中在教学实践环节[10]。2.国外相关研究的现状述评国外关于VR/AR/MR技术的高校智能教育模式的相关研究主要集中在两方面。

第一，关于虚拟现实技术教育的本体化研究。主要观点：①认为观点教育的虚拟现实技术在情感感知与感知学习之间存在正向关系[11]；②认为不同类型的非语言动作和社会行为以及学习环境的物理性状配置，成为沉浸式虚拟学习中的核心，细化了VR教育有效性的研究对象，重新审视了VR教育中虚拟教师、学生、社会背景间的关系[12]。

第二，关于虚拟现实技术教育的教师与学生研究。主要观点：①提出教育中教师(Teacher)要具有角色表演戏剧能力的新议题[13]；②指出虚拟环境中学习者具有明显的学习意愿，感知有用性更积极[14]。

综上所述，目前国内外学术界对虚拟现实技术教育、基于虚拟现实技术的学习环境等研究已有很多成果，为本课题奠定了研究的基础和框架。但是，还存在一些不足之处：（1）针对VR/AR/MR技术的高校教育模式和方法的研究较少；（2）缺乏将VR/AR/MR技术特性和教学设计理论有机整合的设计研究，研究结果对教学实践的指导意义有限。（四）选题意义与研究价值

1.探讨基于VR/AR/MR技术的高校智能教育模式，助推我国教育信息化发展步伐，为高校教育的智能化转型提供新的理论支撑，促进学习方式和教学方法的创新变革。

2.基于VR/AR/MR技术的高校智能教育模式，将教育资源和虚拟现实技术相结合，帮助学生在详实、生动、直观的虚拟环境下进行可视化学习和体验，不仅可以丰富学生的创作和实践感受，达到寓教于乐的目的，还可以打破时间和空间的限制[15]，缩短教学过程，提升教学效果。

3.高校智能教育模式优化后，可以打造以“学习者为中心”的个性化、精准化、智能化、融合化的教育环境[16]，将教材的知识情境化，搭建互动平台，使学生进行感官体验学习[17]，有利于开发出面向未来的智能教育内容和形式，为学生、教师和各级教育管理者提供适合、便捷、人性化的优质教育服务。二、课题研究目标、研究内容、研究重点和创新之处（一）课题研究目标

1.明确用户对高校智能教育的需求与利用现状;

2.研究VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则整合的设计与实现机制；

3.探讨基于VR/AR/MR技术的高校智能教育模式，并在湖北省内高校推广示范。（二）研究内容

本课题将基于VR/AR/MR技术的视角，以高校智能教育为研究对象，探讨VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则整合的设计与实现机制，形成高校智能教育模式。1.高校教育的需求和利用现状分析

通过文献调查及大数据分析，了解目前高校智能教育的专业教学现状、主要特征和存在问题，根据存在问题，细化整合成高校智能教育的学习原则，如真实性原则、开放性原则、关键决策点原则、问题空间原则和专家反馈原则等[18]。同时根据大数据分析获取用户的精准数据，调查用户对高校智能教育的使用效率、使用满意度、使用诉求和使用体验等，整理出用户需求；再将用户需求转化为高校智能教育的教学设计要素，如情境设计、任务设计、交互设计、体验设计、反馈设计等[19]，从而为提出完善的教育模式奠定基础。2.VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则整合的设计与实现机制

从调研得出的教学设计五要素（如情境、任务、交互、体验、反馈等），分别研究VR/AR/MR技术特性（如沉浸性、交互性、想象性等）和高校智能教育学习原则在虚拟现实教学环境中进行整合的设计与具体实现机制。3.基于VR/AR/MR技术的高校智能教育的模式探究和示范

根据VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则整合的设计与实现机制，进一步提出基于VR/AR/MR技术的高校智能教育模式。具体步骤如下：首先，搭建虚拟现实教育实践教学平台，将教学资源与虚拟现实技术相整合，完善高校实践教学体系；其次，开展“虚拟现实技术+高校智能教育”创新创业教学，根据虚拟现实技术的互交性、可视化操作性、仿真性等特点，将现代化课程原理传递给学生，引导学生进行创新设计；最后，实现虚拟现实技术与产教深度融合教学，将虚拟现实技术与校企合作项目进行深度融合，实现“教”“学”“练”“做”一体化的自主构建知识的教学模式。开发出可行的智能教育内容和形式，并在湖北省内高校进行推广示范。具体高校智能教育模式如图4。图4基于VR/AR/MR技术的高校智能教育形成模式图（三）研究重点和创新之处1.研究重点

整合VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则，研究出设计与实现机制，进一步提出高校智能教育模式，探讨虚拟现实教育实践平台建设、虚拟现实专业创新教学、虚拟现实技术与产教深度融合教学的具体实施方案。2.理论创新

采用VR/AR/MR技术在高校智能教育平台中进行应用和探索，探讨VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则整合的设计与实现机制，高校智能教育的模式探究和示范，为高校教育的智能化转型提供新的理论指导。3.应用创新

本课题基于VR/AR/MR技术，以高校智能教育为研究对象，旨在研究完善的高校智能教育模式，搭建虚拟现实教育实践平台、开展虚拟现实专业创新教学、实现虚拟现实技术与产教深度融合教学，为用户提供个性化的内容服务和学习方案，从而实现真正的个性化教育和精准性知识服务，开发出面向未来的智能教育内容和形式。三、研究思路、研究方法、实施步骤（一）研究思路

本课题按照“高校智能教育的需求和利用现状分析→VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则整合的设计与实现机制→基于VR/AR/MR技术的高校智能教育的模式探究和示范”的基本思路，探究基于VR/AR/MR的高校智能教育模式。（二）研究方法1.高校智能教育的需求和利用现状分析的研究方法

运用文献分析法进行资料搜集和分析，了解目前高校智能教育的基本内容、主要特征和存在问题，确认高校智能教育的学习原则。

运用大数据分析法获取用户的使用满意度、使用诉求和使用体验等，了解用户需求。2.VR/AR/MR技术特性与高校智能教育学习原则整合的设计与实现机制的研究方法

运用实验研究法和调查问卷法，分析情境设计、任务设计、交互设计、体验设计、反馈设计等教学设计要素在虚拟现实教学环境中的具体应用效果。首先，在武汉市高校进行实验研究，通过分层抽样的方法选取来自三所不同高校的大一至大三年级的志愿者参与研究，让志愿者分别在情境设计、任务设计、交互设计、体验设计、反馈设计的教学设计中，体验VR/AR/MR的教学环境20分钟，教师使用观察清单记录志愿者的体验表现。其次，志愿者填写调查问卷，问卷采用李克特式的五点式量表，调查志愿者在不同教学设计中的体验感受、VR/AR/MR技术特性和高校智能教育的学习原则在教学设计中的应用。

运用半结构访谈法，进行结束面谈，志愿者向教师讲述VR/AR/MR的学习经历，并就整个体验过程进行反思、提出建议。通过实验研究、半结构访谈获取的数据，研究出基于VR/AR/MR技术的高校智能教育学习原则的实现机制。3.基于VR/AR/MR技术的高校智能教育的模式探究和示范的研究方法

运用定性、定量法和专家咨询法，探究高校智能教育的教学模式。首先，根据实验数据采用定性和定量相结合的方法论证和检验基于VR/AR/MR教学环境中教学设计要素的教学效果，为创新创业教学提供对策；其次，选择从事虚拟现实技术、高校智能教育领域的业内专家、学者，根据定性、定量结果，与其探讨搭建虚拟现实教育实践教学平台（如虚拟课堂、仿真教学平台、虚拟实验室等）和实现虚拟现实技术与产教深度融合教学的方法。其中，虚拟现实教育实践教学平台的搭建应包括智能化的教学环境和硬件配备，如具有智能监控、评价、辅导功能的教学环境和计算机的配备等。智能化的教学环境应该根据学生的虚拟实践表现、作品完成程度等，进行有针对性的监控、测试、辅导，并且可以使教师通过在线、离线等多样化的教学方式对学生进行辅导，从而实现学生与教师之间的实时互动。学生能借助计算机，运用计算机技术、网络技术等将舞台演出的各种要素进行数字化处理，从而形成虚拟的学习实践空间。具体技术路线如图5。图5研究的总体技术路线图（三）实施步骤

项目每年各季度实施步骤表如图6所示。图6项目各季度实施步骤表四、主要参加者的学术背景、前期相关研究成果、核心观点（一）主要参加者的学术背景、前期相关研究成果1.项目主持人：XX（1）课题成果2019，湖北文化创意产业化设计研究中心开放基金项目，基于人机交互的老年人医疗健康类APP界面设计框架研究；2020，XXXX文化科技融合创新研究中心开放基金项目，我国“智慧养老”背景下智能移动APP界面设计方法研究。（2）文章成果2020，《“互联网+医疗”影响居民健康服务需要的机制探析》，中国健康教育，北大核心；2019，《5G时代数字媒体艺术的创新发展路径研究》，艺术教育，中文核心。（3）其它成果交互网络广告《Change》获“ONESHOW中国青年创意竞赛”优秀奖（国际级）；交互网站《四大美女》获“第五届中国（北京）国际大学生动画节”优秀奖(国际级)；交互视频网站《FantasyVancouver》获“北京市大学生动漫设计竞赛”数字艺术类二等奖。2.项目参加者一：XXX（1）课题成果2019，国家艺术基金传播交流类项目，土家族传统村落代表性文化事象VR数字化展示与传播；2016，十三五国家重点研发计划，基于知识驱动的协同创意设计方法及工具；2016，中央补助地方公共文化服务体系建设数字文化类专项课题，湖北民间传说与故事数字动漫创作；2015，十二五国家科技支撑计划数字文化类项目，少数民族地区文化旅游产品创意及可视化的AR技术应用示范；2019，湖北省人文社科重大研究项目，黄鹤楼文化遗产数字化的VR体验式开发与保护研究；2013，武汉市高技术服务业应用基础研究计划项目，非物质文化遗产可视化的AR创意产品关键技术研究；2013，湖北省社会科学基金项目，基于AR技术的文化旅游商品创新设计与开发研究；2012，武汉市社会科学基金项目，AR技术在武汉市非物质文化遗产资源可视化创意产品开发中的应用研究。（2）文章成果2017，《基于移动终端和AR技术的博物馆文化教育体验系统的设计与应用研究》，中国电化教育，CSSCI；2017，《孝文化遗产的数字化开发与传承》，湖北大学学报（哲学社会科学版），CSSCI；2016，《基于AR技术的文化数字化植入系统设计与实现》计算机应用研究，中文核心；2014，《基于AR技术的非物质文化遗产资源产业化开发研究》湖北社会科学，CSSCI；2013，《基于AR技术的文化旅游商品创新设计与开发与研究》，艺术百家，CSSCI；2016，StudyontheIntangibleCulturalHeritageDerivativeProductsbasedon3DPrintingTechnology.InternationalConferenceonEducationandEducationManagement;2016,ARExperientialLearningSystemArchitectureDesignandKeyTechnology.InternationalConferenceonEducationandEducationManagement;2013,ModelDesignofDigitalInstructionalSystemBasedonARTechnology[M]//InformationComputingandApplications.SpringerBerlinHeidelberg.（3）学术专著2017,《AR技术与非物质文化遗产数字化开发》（人民出版社）。（4）获得软件著作权AR口袋非遗交互式体验软件V1.0（著作权登记号2018SR355436）；清江流域文化AR可视化展示系统V1.0（著作权登记号2018SR356893）；武落钟离山景区移动AR智慧文化体验系统V1.0（著作权登记号2018SR356859）；Web3D互动式数字化博物馆系统V1.0（著作权登记号2019SR1082179）；新疆文化AR可视化展示系统V1.0（著作权登记号2019SR10789916）；大屏互动虚拟体验软件V1.0（著作权登记号2019SR1082178）；Web3D幼儿物体认知教育体验系统V1.0（著作权登记号2019SR1082176）。3.项目参加者二：XX（1）课题成果2019.8-2021.10，国家社科基金艺术学项目，网络文化对社会公众生活方式的影响,（编号19BH147）；2019.7-2022.6，国家重点研发计划项目，现代服务业共性关键技术研发及应用示范（编号2018YFB1403903）；2013.6-2017.10，中央电教馆年度重点项目，基于Web3D技术的网上三维虚拟展示与教学（编号136120999）；2013.10-2016.6，教育部人文社会科学研究项目，全媒体时代的文艺形态研究（编号13JJD760002）。（2）文章成果2017.12，《基于增强现实技术的纸质出版物阅读体验重构》，出版广角，CSSCI；2018.6，《信息时代的美国高校教学模式与管理机制管窥》，北京教育；2019.9，《5G时代的出版业产品进化路径探究》，出版广角，CSSCI；2018.3，《智媒的崛起与泛娱乐化浪潮中的精品召唤》，出版广角，CSSCI；2019.12，《社交网络中的视觉成瘾机制研究》，现代传播，CSSCI；2017.11，《网络话语的修辞建构与意义生成研究》，现代传播，CSSCI。（3）其它成果

主持完成中国好声音节目“vworld”虚拟歌手平台、中国经济网AI虚拟主播、新华社手机动漫频道等行业实践项目。出版3部专著，曾获得北京市教学成果一等奖、亚洲青年动漫与数字艺术大赛最佳数字创意奖，入选北京市高校“青年英才计划"，所授本科课程获得2019年北京市优质课程。（二）核心观点

1.整合VR/AR/MR技术和高校智能教育学习原则，探讨设计与实现机制。发现在情境设计中应用到了真实性原则和开放探索原则，体现了VR/AR/MR技术的沉浸性特征；在任务设计中应用到了问题空间原则和关键决策点原则；在交互设计中应用到了开放探索原则、关键决策点原则，体现了VR/AR/MR技术的交互性特征；在反馈设计中应用到了专家反馈原则。

2.拟根据VR/AR/MR技术和高校智能教育学习原则整合的设计和实现机制，提出基于VR/AR/MR技术的高校智能教育模式，如“探索—复盘—练习—反思”。五、主要参考文献逯明宇,王敏.“新一代虚拟现实＋高等教育”生态圈的构建[J].高等教育发展与评估,2018,5(5):32-38高嵩,赵福政,刘晓晖.国外虚拟现实(VR)教育研究存在的问题与启示[J].中国电化教育,2018,374:19-23.李小平.虚拟现实/增强现实下混合形态教学设计研究[J].电化教育研究,2017,291:20-25.蔡苏.增强现实（AR）技术的教育应用综述[J].远程教育杂志,2016,236:27-40.兰国帅.5G+智能技术：构筑“智能+”时代的智能教育新生态系统[J].远程教育杂志,2019,252:3-16.何国军.VR/AR技术在数字教育出版平台中的应用及发展策略[J].中国出版,2017,21:39-42.张雪,罗恒,李文昊,左明章.基于虚拟现实技术的探究式学习环境设计与效果研究[J].电化教育研究,2020,321:69-83.王雪,王志军.技术环境下学习科学与教学设计的新发展[J].2019,中国电化教育,393:8-13.茅洁.基于VR/AR/MR技术融合的大学体育教学应用研究[J].武汉体育学院学报,2017,51(9):79-80.赵一鸣,郝建江,王海燕,乔星峰.虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析[J].电化教育研究,2016,284:26-33.KartikoI,KayakliM.Learningscienceinavirtualrealityapplication:theimpactsofanimated-virtualactor’virtualcomplexity[J].Computers&Education,2010,(55):881-891.VirvouM,KatsionisG.Intheusabilityandlikeabilityofvirtualrealitygamesforeducation:ThecaseofVR-ENGAGE[J].Computers&Education,2008,(50):154-178.Liu,Hsin-Hun,Yang.AStudyonDesign-orientedDemandsofVRviaZMET-QFDModelforIndustrial DesignEducationandStudents’Learning[J].EurasiaJournalofMathematicsScienceandTechnologyEducation,2016,(12):1205-1219.Huang