一種應用VR、AR、MR 虛擬現實相關技術的館校結合科學教育模式

毛欣燁　黃芳

隨著教育與前沿技術的不斷結合，教育行業在提升教學效率和教育體驗，均衡優質教育資源等方面取得了顯著成效。在虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）和混合現實（Mixed Reality，MR）3 種虛擬現實相關技術的幫助下，以信息技術為背景的現代教育打破了傳統教育的諸多限制，能以新興技術手段創生沉浸式教學環境，優化教學過程，有利于學生掌握知識與技能、激發學習積極性、發揮主體性、提升學習效果。館校結合作為科學教育的有效途徑，其作用也在與虛擬現實相關技術的整合中得到延伸。

2023 年5 月，教育部等十八部門聯合印發《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》，要求探索利用人工智能、虛擬現實等技術手段改進和強化實驗教學，并廣泛組織中小學生前往科學教育場所，進行場景式、體驗式科學實踐活動，彌補優質教育教學資源不足的狀況[1]。

目前，虛擬現實相關技術在館校結合科學教育中的應用仍不夠深入和全面，館校結合科學教育的形式也較為單一。本文嘗試提出一種“課前+課內+ 課外”“ 線上+ 線下” 的科學教育活動模式，該模式融虛擬現實相關技術于館校結合科學教育，并包含一系列館校間科學資源共享形式，以期充分整合校內外資源，提升館校之間的合作緊密度，克服虛擬現實相關技術融入館校結合科學教育所面臨的一些困難。

虛擬現實相關技術在館校結合科學教育中的應用現狀

近幾年， 國內實體科技館和數字科技館均建設有虛擬現實相關展品或專題，科技場館的展教水平、服務時效性、服務創新驅動發展能力均得到了一定程度的提升[2]，國內外已有一些學校引入了科技場館提供的虛擬現實相關技術，并將其應用于課堂教學和科學教育實踐活動，以此激發學生的學習興趣，為學生提供更為沉浸的學習體驗，在提高學生學習成績、優化教學質量等方面取得了顯著成效。目前，所應用的相關技術以VR 技術為主，AR 技術較少，MR技術鮮見。

虛擬現實相關技術在館校結合科學教育應用中存在的問題

在學校和科技場館中，僅小部分展品和項目使用了VR、AR 技術，MR技術的應用鮮見，且虛擬現實相關技術的應用程度不高，大多數VR 技術的應用停留在使用VR 虛擬影像播放視頻、建設VR 模擬游戲等層面，而AR 技術的應用也僅注重簡單體驗。在科技場館和學校中，應用VR、AR、MR 的展品、儀器和項目，通常僅涉及淺層現象及原理，科學學習的深度不夠；融入虛擬現實相關技術的智能對話場景有待完善，很多科技館內的人機問答設備只能回答特定問題，不能起到答疑解惑且有問必答的作用。此外，科技場館向學校提供的VR、AR、MR 技術和相關應用也偏少。

虛擬現實相關技術在館校結合科學教育活動中的一種應用模式

“課前 + 課內 + 課外”“線上 +線下”科學教育活動模式

該模式將科學教育活動分為課前、課內、課后3 個階段，分別在家庭、學校、科技場館中進行，其中廣泛應用VR、AR、MR 技術，使科學教育活動具有線上、線下相結合的形式（圖1）。該模式包含兩個關鍵要素：課前、課內、課外教學活動串聯進行；以及應用虛擬現實相關技術。整項科學教育活動包含以翻轉課堂為特征的課前科學教育活動，以及以校內課堂教學為特征的課內科學教學活動、以科技場館實踐為特征的課外科學教育活動，學習內容前后銜接，具有一定的深度和廣度，有利于增強館校間合作的緊密度，也有利于學生掌握科學知識和技能，自主構建完整的知識體系。同時，將虛擬現實相關技術貫穿于科學教育活動的全過程，賦予科學教育活動以線上和線下相互交織的活動形式，有利于開展跨學科教學活動，拓寬教學途徑，也有利于全面培養學生的核心素養。

VR技術的應用

科技場館和學校聯合建設線下VR、AR、MR 體驗館和線上VR 虛擬實驗室；館校聯合開發VR 教具、材料和游戲，讓學生能觀看科普視頻和動畫，觀察肉眼難以看到的結構模型，或通過VR 游戲在人機交互中學習或鞏固知識；在3D 建模技術和人工智能技術的協助下，學生可以通過VR 模型編輯器自主制作3D 模型，再使用3D 打印儀器，以手工或機器制作的形式打印模型，再進行觀察和討論。

AR 技術的應用

在科技場館提供的AR 識別機前掃描指定圖文，學生即可在顯示屏上觀察到周圍環境中出現虛擬影像，體驗沉浸式學習；學生還可利用移動設備參與AR 游戲、觀看科普視頻、觀察AR 模型，在現實和虛擬的疊加場景中學習或鞏固知識；科技場館和學校也可聯合企業和社會機構，研發和優化AR 教育軟件，使學生能通過移動設備，于任意時間、地點應用AR 技術進行科學學習，使科學學習擺脫時間和空間的限制。

MR 技術的應用

對于優化學習方式，應用MR 技術可以在現實中創設模擬情景，在教室、科技場館以圖文、視頻、動畫、語音等形式展現知識，師生可利用頭戴式儀器在真實世界中呈現虛擬影像，使用手勢互動即可拖動、縮放、旋轉整體影像，點擊局部部位即可觀察細節和內部結構，還可以進行立體視頻影像播放、與ChatGPT 等人工智能系統進行語音交互、切換多種影像、以多種形式展現事物等操作，將交互體驗從一維拓展至多維，打破時間、空間的界限，充分調動學生的視覺、聽覺、觸覺多方位感官，實現師生、生生、人機多重交互，為學生帶來身臨其境的奇妙學習體驗。同時，對于優化教學方式，智能設備還可以收集、整理分析教學過程中產生的數據，幫助教師跟蹤、記錄、評價學生的學習情況，為教師提供生成性的學習效果反饋，有利于教師對課堂實行精準把控[3]。

此外，除結合VR、AR、MR 技術外，本模式還可以融入其他前沿技術，共同優化科學教育活動體系，比如以5G 技術、元宇宙技術為支撐，與學校合作搭建“互聯網+”教學平臺，并在其中引入VR、AR、MR 技術和ChatGPT 等人工智能技術。

館校虛擬現實相關科學資源共享形式

館校多形式合作，創生科學教育活動

線下合作形式

學?？梢赃x擇24 小時博物館開展短時間參觀活動，學生可以與各項展品互動、參與手工制作活動、采訪科技工作者、擔任小小講解員，錄制科普視頻；科技場館可以派科技工作者前往學校，參與展品講解、開設講座等科技輔導工作。此外，館校還有更多合作形式，比如合作建設流動博物館、科普大篷車、科技館科學院、虛擬現實相關技術體驗館，進而開展參觀、講解、制作、服務等館?？茖W教育實踐活動，聯合舉辦促進館校結合應用VR、AR、MR 技術的研討會，聯合舉辦青少年科技賽事，開發相關教研活動以推動科學教師專業發展，推動區域及國家層面的整體項目式合作。

線上合作形式

學?？衫肳ebQuest 建構探究學習模式、問題引導教學模式逐步開展教學活動，科技場館負責提供系統技術支持，以5G、元宇宙技術為支撐，與學校合作搭建“互聯網+”教學平臺，并在教學平臺內建設虛擬實驗室，研發VR、AR、MR 游戲，在翻轉課堂中應用VR、AR、MR 技術， 由此學生可以在教師的引導、組織下，通過課堂學習、參觀科技場館、查閱網絡資料等途徑搜集信息、開展科學學習、構建知識體系，也可以利用網絡平臺開展探究性學習和研討交流活動，最后進行反思、評價和總結，最終完成館校間的科學教育實踐活動。

館校間還可以共享智能教學評價系統，由科技場館提供技術支持，與學校合作搭建網絡平臺，完善面向學校學生和科技場館參觀者的科學教育評估體系，從科學知識、科學方法、科學精神、科學思維、科學本質、遷移應用等方面對學習者進行全方位評價和反饋，再由系統進一步提出問題和相關改進方法，必要時師生可以開拓下一個相關議題，在學習循環模式中開展探究性學習。

校外合作形式

科技場館可提供展品、儀器設備、科技人員、網站資料系統、科普經驗、實踐場地等資源，配套多元研學活動開展結合虛擬現實相關技術的科學教育活動；科技場館可增設融入VR、AR、MR 技術的科普項目，完善已有科普設施，向社會募集設施改進意見，舉辦設計大賽， 開發應用VR、AR、MR 技術的科普設施和科學教育活動。

校內合作形式

學?？商峁┨摂M現實相關技術教具的設計理念、展品和設備的改進創新思路、優秀活動作品、科學教育理念和方法、科普場地等；學?？梢哉{研自身的科學教育設施需求，從科技場館引進VR、AR、MR 相關設施， 在校內建設虛擬實驗室，研發、創新應用VR、AR、MR 技術的科學教育活動；科技場館可以通過派遣科技輔導員進?？破照蛊分R、教授科技課程、開設科技講座等活動，協助融入VR、AR、MR 技術的館校結合科學教育活動的開展；學?？梢院涂萍紙鲳^合作，因地制宜創設校本課程，開展綜合性實踐活動，培養小小講解員；在科技場館的技術支持下，學?？梢越ㄔO融入信息捕捉技術和人工智能技術的教學輔助系統，用于跟蹤、記錄、分析學生的學習數據，予以師生實時的反饋和評價。

由此，學生可以在學校和科技場館分別開展課堂和課外實踐活動，以此串聯起館校之間科學教育活動和知識學習體系，融正式學習和非正式學習于一體，提高學生的知識掌握水平和探究實踐能力。并且，無論在館在校，館校間都可以進行線下和線上交流，實現資源共享。

館校間相互交流作品、理念、設備與測驗情況，共享評價和反饋

學校與科技場館間可以通過多種交互方式共享資源，共同生成評價和反饋并相互借鑒。

學生可向科技場館提供優秀活動作品，為科技場館提供展覽材料和項目優化經驗。比如，學校從科技場館引進3D 打印技術和相關儀器，讓學生在教師的指導下，利用VR 模型編輯器和3D 打印儀器自主制作模型和教具，并利用模型開展觀察和實踐活動，再由學校將優秀活動作品送回科技場館進行展覽，并對3D 建?；顒雍拖嚓P儀器提出優化建議。

教師可為科技場館提供教學理念和教學經驗，科技場館可為學校提供前沿技術、科普經驗、展品儀器和科普視頻，學校教師還可與科技工作者相互交流，共同創新或研發虛擬現實相關教具和科學教育活動，積極組織館校間合作研學活動。

學?？梢栽谥悄芙虒W評價系統內，利用虛擬現實相關技術和人工智能技術生成個性化知識測驗，并針對學生的學習效果作出生成性評價，提出改進建議；生成的個性化知識測驗及答題情況還可以作為參考反饋至科技場館，使科技人員了解校內學生的知識水平、學習能力和心理狀態，有利于改進科技場館內互動項目，尤其是答題小游戲。

前景與挑戰

前景

融入VR、AR、MR 技術的“ 課前+ 課內+ 課外”“線上+ 線下”科學教育活動模式，將虛擬現實相關技術應用于館校結合科學教育，串聯家庭、學校和科技場館的科學教育活動，使線上、線下活動項目貫穿于整個科學教育活動，有利于促進館?？茖W教育合作，充分整合校內外科學教育資源，為學生提供身臨其境的學習內容和操作機會，能夠賦予教學內容直觀性、趣味性、現實性、系統性等特點，促進學生掌握知識與技能，激發學生對科學學習和VR、AR、MR 技術的興趣，鍛煉學生的技術與工程實踐能力、模型建構能力、數據分析能力、審美能力、創新思維能力、語言表達能力、自主學習能力和合作學習能力等，促進學生核心素養的全面發展，培育具備科學家潛質、愿意獻身科學研究事業的青少年群體。

此外，加強虛擬現實相關技術在館校結合科學教育中的應用，是跨學科技術整合的過程，有利于促進元宇宙、人工智能、5G 等其他前沿技術融入館校結合科學教育，實現遠程教育的進步，推進 STREAM 教育理念、STSE 教育理念、HPS 教育理念等在探索多元化教學方式中的實踐，使科學學習擺脫時間和空間的限制，讓游戲化學習更便捷、更真實、更豐富，促進真實學習走出特定情境，實現資源的多通道實時共享，助力師生、生生間的合作學習[4]。

挑戰

虛擬現實相關技術不夠成熟且成本較高，科技場館和學?？赡苡捎谫Y金受限，無法提供相關技術服務，特別是MR 技術服務。

科技館和學校對MR 技術的使用基本停留在頭戴式設備階段，MR 設備由于其高精度的特點，沒有配套完整的產業鏈，用戶在使用時可能出現尺寸不合適、有眩暈感、因延遲而使用脫節等問題，導致體驗感不佳，且VR、AR、MR 高精度儀器的損耗與修復也面臨著一些問題[4]。

由于應用VR、AR、MR 技術的科學教育活動屬于技術探究實踐活動，且一些相關應用操作復雜，可能難以達到高效完成教學目標的效果。

部分教師受專業水平限制，在掌握新型館校結合科學教育模式時可能遇到困難，也可能因畏難情緒而不愿用、不常用此類教育模式。

一些結合VR、AR、MR 技術的教學系統不夠完善，軟件開發程度也不夠高，使用頻率較低，很多學校仍處于未引進階段，需要一段時間滲透應用VR、AR、MR 技術的館校合作科學教育模式。

參考文獻

[1] 教育部. 全面提升中小學生科學素質——教育部等十八部門聯合印發《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》[J]. 科普研究， 2023， 18（3）： 2.

[2] 趙志敏. 虛擬現實技術在科技館的應用[J]. 科協論壇， 2018（6）： 14-15.

[3] 陸吉健，周美美，張霞，等. 基于MR 實驗的“多模態+ 人機協同”教學及應用探索[J]. 遠程教育雜志，2021， 39（6）： 58-66.

[4] 楊馨宇，黃斌. 混合現實（MR）在教育教學中的應用與展望[J]. 中國成人教育，2020（13）： 52-57.