电子科技行业虚拟现实教育应用白皮书：理论、技术与实践

虚拟现实教育应用白皮书 理论、技术与实践 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 CONTENTS 引言1 01 第1章虚拟现实教育应用概要2 1.1虚拟现实教育应用的政策与趋势3 1.2虚拟现实教育应用的显著优势4 1.3虚拟现实教育应用的实践问题5 02 第2章虚拟现实教育应用理论模型与场景8 2.1虚拟现实支持的课堂探究学习场景9 2.2虚拟现实支持的课外自主学习场景10 2.3虚拟现实支持的高校实践教学场景12 2.4虚拟现实支持的职业技能实训场景15 2.5虚拟现实支持的教学技能培养场景17 03 第3章虚拟现实教育应用技术体系20 3.1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24 3.2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 04 第4章虚拟现实赋能教学模式创新28 4.1VR支持的沉浸式翻转课堂教学模式29 4.2CloudVR支持的虚实融合职业技能实训模式30 4.3VR支持的教-学-评一体化实践教学模式33 4.4云边端技术架构下的教学模式创新34 05 第5章虚拟现实教育应用建议与展望36 5.1应用建议37 5.2未来展望38 06 参考文献40 附录44 引言 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（2022—2026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、CloudVR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。 01 虚拟现实教育应用概要 虚拟现实技术（VirtualReality,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（2022—2026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（2021—2023）》，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。 1.1 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。《TransformingAmericanEducation:LearningPoweredbyTechnology.NationalEducationTechnologyPlan(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。 《FutureReadyLearning:ReimaginingtheRoleofTechnologyinEducation.NationalEduca-tionTechnologyPlan(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。 《ReimagingtheRoleofTechnologyinHigherEducation（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《ThePromiseofImmersiveLearning:AugmentedandVirtualReality’sPotentialinEducation》，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('19~'23) （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。 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《Realizingthepotentialoftechnologyineducation》通过阐明格林姆斯比学院（GrimsbyInstitute）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《EducationataGlance2020：OECDindicators》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（2022—2026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。 1.2 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 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