CIT&華為：2023虛擬現實教育應用白皮書-理論、技術與實踐（49頁）.pdf

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1、互聯網教育智能技術及應用國家工程研究中心華為技術有限公司 ICT新機會孵化部2023年09月虛擬現實教育應用白皮書理論、技術與實踐第1章 虛擬現實教育應用概要21.1 虛擬現實教育應用的政策與趨勢31.2 虛擬現實教育應用的顯著優勢41.3 虛擬現實教育應用的實踐問題5第2章 虛擬現實教育應用理論模型與場景82.1 虛擬現實支持的課堂探究學習場景92.2 虛擬現實支持的課外自主學習場景102.3 虛擬現實支持的高校實踐教學場景122.4 虛擬現實支持的職業技能實訓場景152.5 虛擬現實支持的教學技能培養場景17 引言10102CONTENTS第3章 虛擬現實教育應用技術體系203.1 虛擬現

2、實教育應用關鍵技術21 3.1.1 近眼顯示技術21 3.1.2 內容制作技術22 3.1.3 感知交互技術23 3.1.4 渲染計算技術23 3.1.5 網絡傳輸技術243.2 不同學習場景中的技術需求剖析25 3.2.1 演示型課堂講授教學場景25 3.2.2 協作式小組研討學習場景26 3.2.3 互動式個人自主學習場景26 3.2.4 實訓類職業技能學習場景27第4章 虛擬現實賦能教學模式創新284.1 VR支持的沉浸式翻轉課堂教學模式294.2 Cloud VR支持的虛實融合職業技能實訓模式304.3 VR支持的教-學-評一體化實踐教學模式334.4 云邊端技術架構下的教學模式創新3

3、4第5章 虛擬現實教育應用建議與展望365.1 應用建議375.2 未來展望38參考文獻40附錄440304050601全球性公共衛生危機帶來的不確定性、世界經濟形勢的復雜多變使各國的教育與社會發展面臨前所未有的挑戰。聯合國兒童基金會發布構建后疫情時代韌性教育系統：國家、地方和學校各級教育決策者的應有思考，指出要創建安全與韌性的教育生態環境，強調通過消除數字鴻溝，以有效抵御外部沖擊和改善內部結構。在數字化生存的大背景下，教育系統的韌性需要在技術的支撐下得以生長和發展。新冠疫情持續期間，我國各級各類學校充分利用信息技術開展“停課不停學”，彰顯了技術賦能在增強教育系統韌性方面的潛能。當前，全國各級

4、各類學校共有53.7萬余所，網絡多媒體教室超過580萬間，約占全國教室數量的68。中小學(含教學點)互聯網接入率達到100%，99.5%的中小學擁有多媒體教室。過去20余年的信息化建設為教育系統通過數字化轉型增強自身韌性，為應對充滿不確定性的未來提供了可能。同時，以虛擬現實（VR）、人工智能（AI）為代表的新一代信息技術為加快推進教育數字化轉型和智能升級提供了重要支撐。隨著VR產業的不斷成熟，世界各國紛紛對VR等新興技術在教育領域的應用進行戰略布局。近兩年，工信部、教育部等五部委發布虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（20222026年）和元宇宙產業創新發展三年行動計劃（2023-2025年）

5、，明確指出要深化虛擬現實在教育培訓行業的深度融合，推進構建虛擬教室、虛擬實驗室等教育教學環境，鼓勵通過平臺共享虛擬仿真實驗實訓資源，擴大優質教育資源覆蓋面。當前，VR技術在我國教育系統的應用已經全面滲入基礎教育、高等教育和職業教育領域，形成VR支持的集體課堂學習、小組研討學習、自主探究學習、職業技能學習和教師素養培訓等典型應用場景。同時，由建設虛擬仿真實驗基地和平臺、智慧校園、智慧教室等基礎設施升級為打造沉浸式課堂等創新教學模式，形成了VR支持的沉浸式翻轉課堂教學模式、Cloud VR支持的虛實融合職業技能實訓模式，以及VR支持的教-學-評一體化實踐教學模式。VR在教育領域的常態化規?；瘧萌?/p>

6、面臨重重阻力，需要政府、學校、企業、家庭、研究機構等多方協同參與，共同打造引領教育高質量發展的VR教育應用生態體系。技術架構創新是VR教育教學常態化應用的必然趨勢。云控網聯技術架構將簡化時空限制，有望推動虛擬實驗教學和虛擬仿真實訓從小規模試點走向大規模常態化應用。通過云渲染使能算力云化，降低建設成本；通過統籌算力資源，共享基礎設施；通過算網協同，保障大寬帶、低時延的網絡傳輸；通過算顯分離，在終端層面改善學生學習體驗；通過云-邊-管-端分層協同，將VR教學帶入每一間教室。引 言虛擬現實教育應用概要01虛擬現實技術（Virtual Reality,VR）被認為是21 世紀影響人們生活的重要技術之一

7、。2022年11月發布的虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（20222026年）中明確指出，要深化虛擬現實在教育培訓行業的深度融合，在中小學校、高等教育、職業學校建設一批虛擬現實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓基地。面向實驗性與聯想性教學內容，開發一批基于教學大綱的虛擬現實數字課程，強化學員與各類虛擬物品、復雜現象與抽象概念的互動實操，推動教學模式向自主體驗升級，打造支持自主探究、協作學習的沉浸式新課堂。為響應教育部2022年工作要點提出的“實施教育數字化戰略行動，加快推進教育數字化轉型和智能升級”。作為國內首個教育數字化轉型試點區，上海市發布了上海市教育數字化轉型實施方案（20212023

8、），并明確表示要在基礎教育、職業教育、高等教育探索基于VR的沉浸式、體驗式教學，推動上海市教育數字化轉型。綜上可見，VR在教育領域的深度融合應用能為教育數字化轉型和智能升級奠定堅實基礎。02 虛擬現實教育應用的政策與趨勢隨著VR產業的不斷成熟，VR技術支持的沉浸式學習已成智能時代教育領域的趨勢。世界各國紛紛對VR/AR/MR等新興技術在教育領域的應用進行戰略布局，各國相關政策所涉及的內容涵蓋基礎設施建設、集成化平臺構建、教育教學模式革新等方面。國際政策方面，美國教育科技部推行國家科技教育計劃NETP，并陸續發布相關文件，確立VR技術在教育領域應用的目的旨在解決教育公平問題。Transformi

9、ng American Education:Learning Powered by Technology.National Education Technology Plan(2010)中建議：通過促進政府公共部門與私營企業的合作來整合VR技術的系統性評估資源；通過促進各州與私營組織和公共部門之間的合作來設計、開發、驗證和擴大基于新技術的評估資源；提倡在新的評估資源中使用嵌入式評估技術。Future Ready Learning:Reimagining the Role of Technology in Education.National Educa-tion Technology Plan

10、(2016)中重點強調了VR有利于促進教育公平、學生的人格塑造、增強學生對知識的理解的潛能。Reimaging the Role of Technology in Higher Education（2017）中給出了要利用VR技術提供高保真場景、促進高等教育教學科研創新的建議。2021年，美國著名科技創新基金會ITIF發布The Promise of Immersive Learning:Augmented and Virtual Realitys Potential in Education，開篇直指“AR/VR解決方案可以增強課堂體驗并擴大各類學習的機會。政府應對沉浸式技術研究、技能培養、

11、技術內容開發以及技術公平運用等方面投入更多資金，來促進國家的進一步創新與發展”。此外，美國國家科學基金會NSF資助了研究VR技術等新興技術在K-12課堂、高等教育課堂、高校虛擬學習實驗室研發中心等教育領域應用的眾多科研項目。在韓國，政府發布的相關政策主要聚焦于建構產學研合作體系，以期使用VR/AR技術推進職業教育與產業融合發展。2017年政府工作報告提出要開發引入VR和增強現實（AR）的沉浸式數字教科書，并從小學開始擴展無線網絡平板電腦等基礎設施。職業教育振興計劃2018提出要推進中小學創業體驗教育，支持在虛擬空間體驗創業過程。實現創新增長的5G+戰略2019指出要發揮VR、AR、MR等技術的

12、互動和智能化特點提供高度現實感和體驗的內容?？茖W、數學、信息、融合教育綜合計劃（20-24）文件指出，將人工智能（AI）和VR/AR等前沿教育技術真正引入教育領域。到2024年，所有學校將建成應用尖端技術的“智能科學實驗室”。產業教育與產學研合作基本計劃(1923)（2020年修訂）中提到，加強AI等未來領域的中小學職業教育，引入使用AR/VR的非面對面實地培訓。1.103英國同樣關注VR/AR技術在職業教育中的前景，提倡使用相關技術為學生提供學習體驗和技能培訓。英國于2019年發布的Realizing the potential of technology in education通過闡明格

13、林姆斯比學院（Grimsby Institute）中的繼續教育學院和高等教育學院是如何使用VR和AR的實例，為其他學校和教育部門在為學生的職業生涯做更好的準備這一方面提供指導。此外，經濟合作與發展組織（OECD）發布的文件Education at a Glance 2020：OECD indicators中提出受COVID-19影響，需特定設備進行學習和實踐演練的職業教育正在經歷史無前例的危機，OECD國家已經采取諸多措施，包括增加使用更適合職業教育與培訓的在線和虛擬平臺。在我國，隨著教育信息化被提升至國家戰略層面，VR技術在教育中的應用逐漸由職業教育拓展到高等教育和基礎教育領域，由建設虛擬仿

14、真實驗基地和平臺逐漸拓展到結合5G技術建設智慧校園、智慧教室，打造沉浸式課堂。教育部等六部門關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見中將“智慧校園新型基礎設施”作為教育新型基礎設施體系建設的重要方向之一，其中包括完善智慧教學設施、建設智慧科研設施、部署智慧公共設施三個主要措施；建設科研協同平臺，提供虛擬集成實驗環境、科研實驗數據共享等服務，支撐跨學科、跨學校、跨地域的協同創新。5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）中提出要建設5G+智慧教育，加快5G教學終端設備及AR/VR教學數字內容的研發，加大5G在智慧課堂、全息教學、校園安防、教育管理、學生綜合評價等場景的推

15、廣，提升教學、管理、科研、服務等各環節的信息化能力。虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（20222026年）進一步提出在中小學校、高等教育、職業教育建設一批虛擬現實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓基地，打造支持自主探究、協作學習的沉浸式新課堂，推進“虛擬仿真實驗2.0”建設。綜上，各國在政策部署上對VR教育應用各有側重。美國NETP中有關VR技術在教育領域應用的目的旨在解決教育公平問題。韓國發布的相關政策主要聚焦于建構產學研合作體系，以期使用VR/AR技術推進職業教育與產業融合發展。英國同樣關注VR/AR技術在職業教育中的前景，提倡使用相關技術為學生提供學習體驗和技能培訓。在我國，VR技術在

16、教育中的應用已經全面滲入職業教育、高等教育和基礎教育領域，已由建設虛擬仿真實驗基地和平臺、建設智慧校園、智慧教室等基礎設施升級為打造沉浸式課堂等教育教學模式革新，全面助力教育數字化轉型和智能升級。虛擬現實教育應用的顯著優勢VR因其沉浸性和交互性特征，可用于創設多樣化的擬真學習環境，尤其是模擬現實世界中難以接1.204觸、無法復現的場景和事物，在教育領域的應用已彰顯出顯著優勢。一項針對高等教育和K-12教育領域VR技術應用的系統性文獻綜述研究1發現：VR在幫助學生完成空間知識表征要求比較高的任務，以及勝任現實世界中不切實際或不可能完成的體驗式學習任務方面優勢顯著；VR能夠通過給學生提供參與學習任

17、務的機會，激發學生的內在動機和學習興趣；能夠通過情景化學習促進學生對科學知識的理解和技能遷移。VR/AR教育教學應用調研報告2（以下簡稱調研報告）顯示，VR能促進觀察性學習、操作性學習和社會性學習活動的開展，在基礎教育、高等教育、職業教育、非正式學習等不同的教育場景中均具有優勢?？傮w來說，VR教育應用具有如下三方面的顯著優勢。首先，VR的可視化三維呈現方式支持學習者多視角觀察，有助于增強學習內容的吸引力、激發學習者的興趣和學習動機，優化學習體驗。在基礎教育中，360全景視頻、沉浸式VR內容等在教學中的應用能顯著提高學習者注意力、激發學習興趣和動機，改善學習體驗3。在高等教育和職業教育中，教育內

18、容和教育方式更加多樣化，學習者能在VR虛擬場景中通過觀察來輔助進行概念學習和技能鍛煉4。在非正式學習中，集成各公共文化服務機構的資源創建VR展覽，能實現“足不出戶”卻又“觸手可及”的線上參觀體驗，提升學習和體驗質量。其次，VR的沉浸性和交互性特征能夠提供身臨其境的學習體驗，有助于促進學習者對知識技能的習得與遷移5。在基礎教育中，沉浸式VR支持學習者與虛擬環境交互，繼而促進學習者對事實性知識的保留，對概念和程序性知識的深入理解和掌握6。在高等教育和職業教育中，各類沉浸式VR實驗和實訓系統為學習者提供了更形象、更具啟發性的學習環境，能提升學習者的臨場感、享樂感、自我效能感，還能促進知識習得和技能訓

19、練7。在非正式學習中，VR人機交互應用多通過游戲的方式呈現，“舊藏品”與“新技術”的融合有助于擴展學習者的感知體驗，增強非正式學習效果。最后，可實現遠程連接與互動的VR社交應用有助于減少虛擬環境中的孤獨感體驗，增強交流意愿、培養協作意識，促進社會情感技能的培養8。在基礎教育、高等教育和職業教育中，VR社交應用可以幫助搭建“遠程課堂”，通過加強虛擬環境中的社會交互性，促進學生之間、師生之間的交流，實現互動式情景教學和實訓9。在非正式學習中，多人協作互動式VR游戲可以提高科普教育的趣味性、有效性，虛擬社交互動平臺還能夠幫助減少社交障礙人群心理上的孤獨感10。虛擬現實教育應用的實踐問題目前，國內外科

20、技企業如微軟、Meta等均在積極布局VR教育，zSpace提供的3D仿真軟硬件系統和教學內容在美國也大受歡迎。國內新興的創業公司、VR的硬件公司以及傳統的教育公司和內容研發公1.305司也紛紛參與VR教育。但VR教育的應用目前仍處于發展初期，還有諸多問題亟待解決。（1）VR教育教學常態化應用阻力重重阻力一是政策環境方面尚不具備條件。調研報告顯示，校長等領導層面均表示大規模的資金投入是VR教育應用決策時首先考慮的問題。而當前中小學對VR硬件設備采購的專項資金支持不足，導致常態化教學中VR硬件設備數量不足?；A教育使用VR設備開展學習時，生機比遠超1：1，甚至高達6：1。此外，學校的教學考核中缺乏

21、相應的政策支持。訪談教師均表示虛擬實驗教學需要花費額外的時間和精力來組織課堂，但由此帶來的工作量并未納入學校日?？己朔秶?。阻力二是配套的教學和資源管理軟件不足。一方面，配套的教學管理軟件的操作形式限制了其在教學中的應用場景，無法滿足靈活組織教學活動的需求。調研報告顯示，教師對學生學習情況的監管和評價是VR教學常態化開展中面臨的一大挑戰。另一方面，對內容資源統一管理的配套軟件不足，無法很好地實現資源存儲、分發、更新與共享。在職業教育領域，仍然缺少對內容資源統一管理的配套軟件，無法與實訓教學很好地匹配。阻力三是符合教學需求的優質內容資源短缺。調研報告顯示，當前的VR內容多集中在理化生的實驗教學，無

22、法滿足其它學科的教學需求。同時，VR教學內容本身的適切性、靈活性和共享性不足，無法滿足不同場景的教學需求。部分校長在訪談中表示VR內容資源是否能夠滿足實際的教學需求，是否允許教師能夠根據自身需求靈活修改和個性化設計是VR教育應用決策時重點考慮的部分。阻力四是基礎教育常態化應用受客觀條件限制。對小學生而言，用眼健康問題是開展常態化應用時教師和校長的顧慮之處。VR設備常態化應用是否會影響小學生的視力健康，以及VR體驗中出現的眩暈等身體不適感是否會影響小學生的身體健康，這些問題尚未得到科學論證。對中學生而言，學習時間緊，學業任務繁重，學生的時間投入成本和學習效果是開展常態化應用時面臨的主要挑戰。圖1

23、-1 VR教學常態化應用面臨挑戰06圖1-2 VR教學規?；瘧矛F狀（2）VR教學深入應用受制于教師信息化教學能力教師信息化教學能力是推動VR教學走向深度融合和創新應用的關鍵。然而，調研報告顯示，半數以上的教師表示在利用VR開展教學時自身的信息化教學能力不足。一是缺乏各種操作技能專題培訓，指導教師熟練操作和使用各種VR設備和軟件工具資源。二是缺乏系統化的、持續的理論和實踐培訓，指導教師將VR資源有效地整合到日常教學實踐。（3）VR教學規?；瘧蒙腥狈Τ墒斓膶嵺`模式當前，VR教育應用仍然處于以學校為單位的試點探索或教師個人層面的摸索，尚未在區域層面形成成熟的實踐模式。調研報告顯示，近50%的中小

24、學教師認為VR在基礎教育的應用處于以學校為單位的試點階段，28%認為仍然處于教師個人摸索階段；近60%的職校教師認為目前所在學校中VR在教學上的應用仍處于以學校為單位的試點階段，33%認為尚處于教師個人初步探索階段?？傮w而言，VR在賦能教育的實踐過程中存在內生動力不足和外部支撐薄弱的問題。VR本身的技術體系尚不夠成熟，表現在VR硬件系統的易用性和可用性尚不能滿足在教育領域常態化應用的需求，配套的軟件資源和內容資源也不完全符合教育教學的需求。就外部支撐而言，國家層面的政策支持相對不足，教育的重要利益相關者對VR教育應用帶來的各種風險存在隱憂，支撐VR常態化應用的多方合作機制也尚未健全。07技術賦

25、能教學需要以教育教學理論為指導，遵循學與教的基本規律，才能夠發揮其最大的效力。教育系統的復雜性在于學習場景的多樣性、動態性和自組織性。虛擬現實賦能教學需要以場景為抓手，找準技術賦能的發力點；以教育教學理論為指導，精心設計技術支持的教學活動和流程；以循證研究為導向，全面評估技術賦能帶來的短期和長期效益。按照教育的不同類型，白皮書分別呈現了虛擬現實在基礎教育、高等教育和職業教育領域應用的五大典型場景，剖析了這些典型場景背后的理論模型，以期為虛擬現實在教育領域的深入應用提供理論指導和實踐指南。08虛擬現實教育應用理論模型與場景02 虛擬現實支持的課堂探究學習場景探究學習是中小學課堂教學中的重要環節。

26、但受限于課堂時空有限以及探究所需條件的不足，課堂探究學習往往無法給每一位學生提供親身體驗、深入探究的機會。特別是科學探究中的實驗環節，由于實驗材料的限制或是實驗安全的考慮，學生很難在有限的課堂時間內通過實驗探究獲得直接的經驗，并據此主動完成意義建構。虛擬現實技術在課堂探究場景中的應用能夠為打破課堂時空限制，支持每一位學生在課堂有限時間內親身體驗、深入探究提供機會。案例簡介：分子的特征（九年級化學）本案例11是一堂探究復習課，課堂內容圍繞分子的特征展開，依次復習了分子之間有間隔、同種分子的化學性質相同、不同種分子的化學性質不同三個重要知識點，并在此基礎上進一步探究常見氣體的檢驗。授課地點是在學校

27、的多功能實驗室，授課對象為九年級學生。理論模型：體驗式學習理論體驗式學習(Experiential Learning)由美國社會心理學家、教育家大衛庫伯(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）理論12。體驗式學習強調個人經歷或經驗在學習過程中的重要作用，認為學習是通過經驗的轉化而創造知識的過程，非常重視學習者的主動性、參與性以及直觀感受和體驗，強調通過具體的體驗和反思活動來掌握知識和技能13。體驗式學習圈模型包括：具體體驗觀察反思抽象概念積極實踐四個循環的學習階段14。虛擬現實技術在幫助學習者勝任現實世界中不切實際或不可能完

28、成的體驗式學習任務方面頗具優勢15。在本案例中，“放飛孔明燈”這種在課堂環境無法完成的體驗活動，以及“驗證液氧的化學性質”和“檢驗氧氣與二氧化碳”這兩個在傳統課堂只能通過觀看視頻或教師演示進行的實驗都可以通過虛擬現實技術的支持實現讓每個學生親身體驗和參與。教學內容和過程設計：首先，學生用3D交互課件模擬放飛孔明燈，完成“放飛孔明燈”實驗，從宏觀現象中體驗分子間隔的改變，深入理解“分子之間有間隔”這一基本知識點。3D交互課件不僅讓現實世界不可能完成的“放飛孔明燈”這一任務變得可能，還有效地避免了在真實世界放飛孔明燈帶來的安全隱患。其次，學生用3D交互課件驗證液氧的助燃性，完成“驗證液氧的化學性質

29、”實驗，通過在虛擬環境中動手操作和觀察，驗證“同種分子的化學性質相同”這一科學猜想。由于液氧的不易獲得性，傳統課堂學生只能通過觀看視頻獲得間接的學習經驗，3D交互課件為學生通過親自動手操作獲得直接的學習經驗2.109提供了機會。再次，學生用VR仿真交互課件檢驗氧氣和二氧化碳的性質，利用VR頭顯設備和交互手柄在360擬真的實驗環境完成“檢驗氧氣與二氧化碳”實驗，理解“不同種分子的化學性質不同”這一基本知識點。在傳統的實驗教學中不可能大批量制取氧氣和二氧化碳，學生只能通過觀看教師演示，無法親自動手實踐，但利用VR仿真交互課件，每一名學生都能身臨其境做實驗，獲得直接的學習經驗。最后，學生用央館虛擬實

30、驗創編系統，編輯“未知氣體的探究”實驗，檢驗氮氣、氧氣與二氧化碳的性質。學生通過做中學，體驗“發現問題（矛盾）分析實驗現象解釋現象”的過程，建立“觀點、證據和結論之間的邏輯關系”。虛擬實驗創編系統為學生設計實驗方案、驗證實驗猜想、修正實驗方案等提供了可能，也大大節約了傳統實驗室中實驗設計帶來的繁瑣的實驗器材和用品的準備、整理時間。2.210教學效果評價：本案例充分利用央館虛擬實驗資源，在30分鐘內層層深入，遞進式地引導學生完成“放飛孔明燈”、“驗證液氧的化學性質”、“檢驗氧氣與二氧化碳”、“檢驗氮氣、氧氣與二氧化碳”4個實驗，并在最后一個實驗里實現對現有知識的綜合運用和拔高?？梢?，虛擬實驗支持

31、的課堂教學能夠縮短實驗時間，支持學生在課堂上有限的時間內進行了多個實驗方案的驗證，大大提高了實驗教學的課堂容量和質量。同時，虛擬實驗解決了真實實驗中實驗儀器不足、藥品種類缺乏的問題，減少了老師準備實驗器材的繁瑣和難度，降低了實驗成本，增加了學生動手實踐和重復驗證的機會。虛擬現實支持的課外自主學習場景“雙減”政策出臺后，中小學生的課外自主學習成為關注的焦點。教育部等十八部門聯合印發關于圖 2-4學生操作3D交互式課件（左）和VR課件進行化學實驗（圖片來源網絡）加強新時代中小學科學教育工作的意見，明確指出要在教育“雙減”中做好科學教育加法。課外自主學習無疑為做好科學教育加法提供了重要途經，家庭是中

32、小學生開展自主學習的主要場所。實驗教學是科學教育的重要內容，是培養創新人才的重要途經。如何幫助中小學生在課外，特別是實驗條件有限的家中既能動腦又能動手，開展自主探究，鞏固實驗知識，提升科學素養成為亟待解決的難題。虛擬實驗在中小學生課外自主學習中的應用則為破解上述難題提供了新的思路。案例簡介：七年級生物假期探究活動本案例16是圍繞七年級下冊生物學中的相關內容開展的課外自主學習探究活動，旨在將同學們的寒假自主學習與新學期開學后的新知探索做好銜接，包含模擬膈肌運動與胸廓容積的變化、膝跳反射、用廢舊報紙制作再生紙三個探究活動。學生為七年的學生，學習的場所是在家中。教學理論：體驗式學習理論、生成性學習理

33、論生成性學習理論（Generative Learning Theory，GLT）由美國教育心理學家維特洛克（Merlin Wittrock）提出，認為學習的生成過程是學習主體根據自己的先前經驗、態度、興趣，以及認知策略對當前環境中的感覺信息產生選擇性注意，獲得選擇性信息并利用原有認知結構建構該信息的意義，從而獲得新知識、新經驗的過程17。該理論將人類的學習過程分為注意和選擇性知覺、主動建構意義、建構完成和意義生成幾個階段18。菲奧雷拉（L.Fiorella）教授在生成性學習理論的基礎之上，提出了八種促進技術情境下生成性學習發生的策略：總結（Summarizing）、制圖（Mapping）、繪畫

34、（Draw-ing）、想象（Imagining）、自我測試（Self-Testing）、自我解釋（Self-Explaining）、教授他人（Teaching）和扮演（Enacting）。研究表明，在虛擬現實支持的學習中采用生成性學習策略有助于提升學習者的知識保留和知識遷移表現19。在本案例中，教師在體驗式學習理論的指導下，通過中央電教館虛擬實驗教學服務平臺為學生在家開展實驗探究提供了親身體驗和深入探究的機會。同時，在生成性學習理論的指導下，要求學生將探究過程和實踐成果通過拍照或視頻的方式記錄下來，然后上傳至人人通教育云平臺進行互動交流，學科教師針對學生的探究過程進行點評和個性化指導。教學內容

35、和過程設計：本案例以任務驅動的模式，引導學生選擇模擬膈肌運動與胸廓容積的變化、膝跳反射、用廢舊報紙制作再生紙三個探究活動中的一個進行探究實踐。下面以模擬膈肌運動與胸廓容積的變化活動為例進行介紹?；顒用枋觯何覀兠繒r每刻都在進行呼吸，呼吸與人類生活息息相關。正常成年人一般情況下呼吸頻率是16-18次每分鐘，每天呼吸2萬多次。你們知道呼吸是怎樣發生的嗎？11請參考七年級下冊生物學P46“演示實驗”內容和中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統中的視頻“模擬膈肌運動與胸廓容積的變化”和3D課件“模擬膈肌運動與胸廓容積的變化”，嘗試制作模擬肺與外界氣體交換的裝置。制作的過程以照片或視頻的形式在人人通上進行提交

36、，還可以寫上簡單的制作心得哦！活動實施過程：首先，在放假前教師將中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統的賬號、使用幫助和探究活動介紹下發給學生，并與學生、家長保持交流，及時解答疑惑。其次，學生在家中利用課本自主學習實驗內容，再應用“央館虛擬實驗”資源完成模擬實驗，在對實驗具備一定認知的基礎上，再利用家里的有關材料進行實物實驗探究，實現從虛擬實驗探究到實物實驗探究的完美過渡。最后，探究活動結束后，學生將探究過程、成果、心得體會等以照片或視頻的形式上傳至武漢教育云平臺的人人通空間，由學科老師進行收集，并在班級群中開展討論交流和點評。1212教學效果評價：本案例中虛擬實驗的應用打通了學校課堂學習和家庭自

37、主學習的連接，完美結合了虛擬實驗探究和實物實驗探究的優勢，有效激發了該校學生對實驗探究活動的興趣和熱情。該活動也得到了家長們的大力支持，為家校合作提升學生科學素養提供了很好的思路。不少家長表示，這樣虛實結合的探究活動有利于促進學生深入思考，并提升動手能力，進一步加深了學生對相關知識的理解。虛擬現實支持的高校實踐教學場景作為人才培養重要組成部分的實踐教學是根據認識的本質和規律、實踐的特點和作用以及教學目的2.3圖 2-5 央館3D交互式課件界面（左）、學生完成的虛擬實驗結果（中）和實物探究結果（右）（圖片來源網絡）和要求開展的實踐活動，是培養學生動手能力、創新能力和創新精神的重要教學環節，是促進

38、學生知識、能力、素質協調發展的重要途徑和手段20。然而，人文社科的實踐教學環節一直被忽視，使其長期處于“紙上談兵”的狀態。2019 年，教育部正式啟動“六卓越一拔尖”計劃2.0，全面推行“四新”建設。相比于新工科、新醫科、新農科，新文科建設的實踐教學問題更加凸顯。強化人文科技戰略融合的新文科建設對高等教育理念、教育目標、培養模式、專業建設、課程體系、教學方法以及實驗實踐環節等均提出了新要求。虛擬現實技術支持的虛擬仿真實驗實踐教學為新文科背景下的創新人才培養提供了新思路。案例簡介：公共衛生危機事件新聞采訪虛擬仿真教學本案例是來自國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺iLab的一門國家一流虛擬仿真教學課

39、程。課程通過“課堂教學-虛擬仿真實驗-實驗結果評價反饋-學習策略及效果改進”的新型教學模式，讓學習者自主進入虛擬現場，沉浸式、交互式地體驗現場采訪的各個環節，培養學生的新聞意識、政策意識、危機意識，以及自主學習能力、采訪能力、寫作能力、問題解決能力等。本案例的授課對象是大學生，學習的場所在多媒體教室。教學理論：情境學習理論情境學習理論源自于讓萊夫（Jeau Lave）與丁納溫格（Etienne Wenger）合著的情境學習：合法的邊緣性參與（Situated Learning:Legitimate peripheral Participation）這部人類學研究領域中關于“情境認知與學習理論”

40、的經典名著21。情境學習理論將知識視為個人和社會或物理情境之間聯系的屬性以及互動的產物，要求將學習置于知識生產的特定的物理或社會情境中；將參與視作學習的關鍵成分，要求學習者通過理解和經驗的不斷地相互作用，在不同情境中進行知識的意義協商22。虛擬現實技術通過模擬類似于真實世界的物理或社會情境，允許學習者參與其中，通過與虛擬環境的持續互動，完成對知識的意義建構。本案例運用虛擬現實技術為學生創設了擬真的公共危機事件報道場景，讓學生以第一人稱視角體驗和參與采訪中的各項任務，在體驗和參與的過程中完成知識技能習得。教學內容和過程設計：（1）課堂教學階段教師向學生說明實驗目的、實驗原理（即新聞采訪與寫作的相

41、關基礎知識）、實驗內容、實驗過程以及實驗要求，并指導學生進行相關的實驗操作，介紹整個實驗流程以及虛擬仿真系統內的功能模塊，同時教授學生如何使用實驗設備及各種硬件。（2）虛擬仿真實驗階段13以情景模擬和場景啟發為基礎，啟發學生進行采訪工作的實踐操作，以此來培養學生思考問題、分析問題以及處理危機問題的能力，提高學習效果。實驗項目設有學習模式和考核模式。在學習模式，學生可以首先選擇進行個人自主學習、探究和練習，系統設有提示點，幫助和引導學生進行正確的操作和知識點細節的理解。在進行練習后，學生可以進入考核模式，在不依靠輔助提示的情況下自主檢驗學習情況和成果。（3）實驗結果評價反饋階段系統根據內置的評分

42、標準對學生的實驗作品和實驗結果進行評估和分析。與此同時，教師將對考點和扣分點予以討論和總結，組織學生進行作品互評和實驗心得分享。（4）學習策略及效果改進階段教師與學生共同討論實驗過程中的得失，總結個人學習成效的長短優劣，提出發揮優勢、補強短板的具體策略，以利于后續的進一步學習。在上述四個階段中，均貫穿了情景還原、任務驅動和人機交互等幾種基本的教學方式，讓學生在實踐中樹立一種工程師式的操作思維，體驗其中的細致嚴謹和需要付出的艱辛勞動，塑造良好的職業習慣，培養從事新聞職業的自豪感。教學效果評價：由于公共危機事件報道具有突發性、危險性和不易接近性，很難讓學生親身參與并進行系統地學習。虛擬仿真實驗教學

43、注重教學過程中的整體性和連貫性，系統地融合了公共衛生危機事件的內涵，采訪過程中的專業知識，以及社會心理狀況的調查等必要內容。同時，由于新聞采訪需要在現場完成，傳統教學中很難對學生的學習過程進行監控并開展過程性評價。虛擬仿真軟件能將學生的實驗操作過程記錄下來，并實時觀察，實驗過程中還設置有多個考點，可以有效開展過程性評價。作為對傳統教學的延伸與拓展，虛擬仿真實驗教學的虛實結合、沉浸交互及共享開放特征，能夠支持學生隨時隨地開展實踐學習，拓展了實踐學習的時空范圍。圖2-7學生自主實驗探究（左）和虛擬采訪操作界面（右）（圖片來源網絡）14 虛擬現實支持的職業技能實訓場景職業教育領域的職業技能實訓對虛擬

44、現實技術的支撐有著強烈的需求。2023年，教育部印發了關于加快推進現代職業教育體系建設改革重點任務的通知，要求各校要瞄準專業實訓教學中“高投入高難度高風險、難實施難觀摩難再現”等現實問題，結合自身實際，有效運用虛擬現實、數字孿生等新一代信息技術，建設職業教育虛擬仿真實訓基地，開發資源、升級設備、構建課程、組建團隊，革新傳統實訓模式，有效服務專業實訓和社會培訓等?？梢?，職業技能實訓是虛擬現實賦能職業教育的重要抓手。案例介紹：航空產業集群虛擬仿真實訓基地本案例來自長沙航空職業學院的航空產業集群虛擬仿真實訓基地。該實訓基地針對航空復雜工藝“看不見”，航空昂貴設備“進不來”，航空專業維修安全環境“難實

45、現”等傳統教學難題，圍繞“航空維修-航空運營管理-航空服務”產業鏈實訓要求，打造集“教學、實訓、培訓、科研、競賽、科普”六位一體的航空產業集群。教學理論：情境學習理論、具身認知理論具身認知（Embodied Cognition）建立在對傳統離身認知的批判基礎之上23，其核心觀點是：認知過程的進行方式和步驟實際上是被身體的物理屬性所決定的；認知的內容是身體提供的；認知、身體、環境是一體的,認知存在于大腦,大腦存在于身體,身體存在于環境24。具身認知強調環境在認知過程中的重要作用，認為學習是學習者對環境的感知和作用于環境的行為之間互動的結果25。虛擬環境中,學習者通過擁有一個虛擬身體（Avatar

46、）獲得具身化體驗，通過控制虛擬身體與虛擬環境進行交互，在持續的交互與反饋過程中完成與身體經驗相關的認知加工。職業教育中的復雜技能學習除了需要為學生營造真實的學習請境外，還需要以具身認知理論為指導對復雜技能學習任務進行精心設計，以此來促進學生對復雜技能的習得和在真實情境中的遷移。實訓內容和項目：航空產業集群虛擬仿真實訓基地覆蓋通用航空器維修、空中乘務、無人機應用技術、航空物流管理和航空機電設備維修5個專業。實訓基地針對教學資源的個性化開發與持續更新的需要，拓展校企合作模式，加強創新，進一步推動院校教學實訓、校企職工培訓的轉型升級，形成多元化人才提升需求的培訓體系。實訓項目包括機務維修、航空公共安

47、全時間應急管理、飛行仿真實訓、事故應急救援、航空器環控系統維修等，支持課程包括空氣動力學和維護技術基礎、航空機械基礎等?？諝鈩恿W和維152.4護技術基礎課程與企業緊密聯系，在課程基礎上設立航空維護技術導師團，教學過程中進一步將維護技術基礎和崗位能力以及國賽項目相融合，成為崗位練兵的重要支撐。航空機械基礎以課促賽，將日常教學與發動機拆裝調試技能大賽的內容有機結合；通過在課程教學實施過程中注重結合航空特色，深挖思政元素，讓學生了解中國航空的發展史和偉大成就等，激發學生愛國、航空情懷，增強學生職業自豪感、使命責任感。圖 2-8 各類航空實訓項目界面展示（圖片來源網絡）16教學效果評價：VR使航空復

48、雜工藝360度展示在學生面前，支持學生通過在虛擬環境中反復觀察和操作高仿真航空設備，從而達到航空專業維修的考核要求?；?AR/VR 虛擬交互技術，能夠實現對易耗型的實驗教學或者破壞性的實驗教學的支持，從而降低真實設備的損耗，同時也確保實驗的安全。學生以第一人稱角色扮演的方式進行崗位模擬操作，掌握業務流程和操作技巧，大大提高了學生學習興趣與教學效率，實現了“線上數字資源學習+線下VR虛擬仿真訓練”的職業技能學習新模式，全方位助力航空專業人才的培養。2.5 虛擬現實支持的教學技能培養場景師范院校天然連接著基礎教育和高等教育，在提高人的數字素養、深化教育數字化變革、建設教育強國中具有重要的紐帶作用

49、。智能時代的教師數字化素養培訓是當前教師培訓工作的重點，也是師范類院校人才培養的關鍵。2022年底，教育部發布教師數字素養教育行業標準，規范化教師數字素養培訓，提升教師利用數字技術優化、創新和變革教育教學活動的意識、能力和責任。作為數字化素養的重要組成部分，教師的數字化教學技能培養已無法依賴傳統的講授式培訓方式來開展，而必須要依賴虛擬現實、人工智能等新興技術的支持。案例描述：基于混合現實技術的職前教師專業實踐項目本案例來自俄克拉荷馬州立大學（Oklahoma State University）開展的一項研究，目的是調查參加混合現實模擬Mursion課程的師范生如何看待混合現實模擬課程對他們的學

50、習、職業自信心，以及后續的教育實習的影響。Mursion是一個混合現實模擬，它提供了一個由數字和物理組件組成的環境。該模擬程序使用人工智能和真人演員的混合來模擬不同的交互設置，幫助師范生在虛擬環境中學習授課、管理課堂和練習教學技能，為師范生教學模擬提供了在受控環境中進行真實練習的機會，并減少了可能的風險。理論模型：情境學習理論、體驗式學習理論虛擬現實、混合現實等支持的仿真模擬可以為教師或師范生提供擬真的教學場景和體驗式學習的機會。學生在沉浸式虛擬環境中可以通過Avatar的形式進行角色扮演，在對各種教學活動的體驗中完成教學技能的習得。研究內容和過程設計：研究邀請了師范生同時參加混合現實模擬Mu

51、rsion的課程和一門教育實習課程。師范生在模擬課程中參加了以下三個場景中的一個：引導和吸引中學生參與討論，給中學生上康奈爾筆記課，或者與成人一起主持家長會。模擬課程是在一個配備了LCD智能板屏幕的混合現實技術實驗室進行的，該屏幕用于訪問模擬。實驗室為師范生提供了一個開放空間，讓他們參與模擬，并在空間的周邊設置了座位，讓師范生在等待輪到模擬的時候觀察他們的同伴。在每位師范生參與模擬結束后，主持人帶領師范生進行匯報，并對所經歷和觀察的事情進行反思。在模擬課程結束之后，研究人員從參與課程學習的94名師范生中選擇了13名進行深度訪談，每次訪談持續20分鐘左右，收集他們在混合現實模擬中的體驗的質性材料

52、并進行數據分析。17實驗效果評價：首先，參加培訓的師范生都認為混合現實模擬提供了一種比他們在教育實習中更真實的觀察體驗。其次，師范生表示在混合現實模擬培訓期間，從對同伴的觀察中感知到學習遷移的發生，因為他們會根據在同伴參與模擬期間所做的觀察來調整自己在模擬中的行為表現。師范生反饋從混合現實模擬經驗中學習到的知識遷移到了他們在課程結束后的教育實習中。例如，一位師范生明確表示她在家長/教師會議場景中與家長化身的經歷影響了她后來在參與真實的家長會時的決策。最后，參加模擬培訓的師范生表示，由于通過模擬進行了練習，在未來的教育實習中，他們更有信心能處理好在模擬體驗中遇到的類似情況?？梢?，混合現實模擬不僅

53、能夠為師范生提供教學技能練習的機會，而且有助于提升師范生的職業自信心。圖2-9參與者使用Mursion與虛擬場景中的學生進行交互2618虛擬現實技術體系包含硬件開發相關的產業技術體系，與資源生產相關的軟件工具和內容生產工具體系，以及與行業應用相關的技術融合體系。技術體系細分而言，包含內容制作技術、采集建模技術、感知交互技術、渲染呈現技術、傳輸分發技術、自然顯示技術。其中，共性技術體系包含混合增強智能新架構與新技術，虛擬現實智能建模技術、三維智能建模與云建模技術、VR模型的大規模數據采集技術，以及高效內容制作的底層算法支撐。每個子體系下的關鍵技術如圖3-1所示。圖 3-1虛擬現實技術體系總體而言

54、，虛擬現實有單機智能與網聯云控兩種技術路徑。目前，大多數企業基于單機智能這一技術路徑，重點關注近眼顯示、渲染計算、感知交互與內容制作方面的研發創新、技術產業化及控制成本等相關工作，網聯云控主要體現在內容上云后的流媒體服務。未來，虛擬現實的發展不是兩者簡單相加，而是有機融合：在云、網、邊、端、用、人等相結合的創新體系下，通過重構現有系統架構，觸發產業飛躍發展，并且在這一深度融合創新的框架下，重新定義新技術、新產品、新標準、新市場與新業態，并進行迭代更新、優化與升級27。20虛擬現實教育應用技術體系03 虛擬現實教育應用關鍵技術如圖3-2所示，虛擬現實涉及如下關鍵技術：近眼顯示技術、內容制作技術、

55、感知交互技術、渲染計算技術、網絡傳輸技術等。3.13.1.1 近眼顯示技術VR近眼顯示的理論基礎是雙眼立體視覺原理，同一物體在左右雙眼視網膜成像時存在著視差，雙眼視差通過視覺皮層融合進而產生三維立體感。頭戴式顯示技術正成為虛擬現實主流立體視覺顯示技術，頭盔式顯示器(Head Mounted Display,HMD)的技術思路是當用戶佩戴頭盔顯示器后，左右眼顯示屏可為雙眼提供立體圖像，進而產生立體視覺效果。近眼顯示的參數指標是影響用戶體驗感受的主要因素29，主要包括視場角(Field of View,FOV)、分辨率(Resolution)、刷新率(Refresh Rate)、運動到成像時延(M

56、otion-to-Photon Latency,MTP)等。圖 3-2 虛擬現實關鍵技術2821視場角主要用于衡量寬廣度，指的是顯示器兩側邊緣與觀察點(眼睛)連線的夾角，視場角的大小直接決定著用戶的視覺感受，視場角是用戶的臨場感30和沉浸感31的重要因素。在水平方向上，人單眼的舒適角度為60，在此方位區間內人眼視力最為敏感；單眼的視野(不轉動眼球、脖頸)約為左右各95，雙眼重合的視野角度為120。通常VR頭顯的水平視場角要達到90，才能保證較高的沉浸感，目前主流商用頭盔顯示器的FoV通常是在90-120。角分辨率(Pixel Per Degree,PPD)是衡量清晰度的重要概念，指的是視野里單

57、位角度包含的像素數，通常計算方式是(單眼成像)視野內最長對角線像素量除以該對角線的視場角。從數字上看，PPD越高，顯示的畫面自然可以越精細，有研究稱人眼正常視力下角分辨率極限為60 PPD。目前，主流VR顯示設備的角分辨率多為20PPD左右，距離理想效果的要求尚有較大差距，VR頭顯屏幕的低分辨率通常是引發“紗窗效應”的重要原因。刷新率主要用于衡量畫面的流暢程度，指的是VR屏幕上圖像的每秒更新的頻次，理想的刷新率應在90-120Hz或以上。一般而言，VR顯示的刷新頻率越高，屏幕上圖像閃爍感就越小，穩定性也就越高，圖像顯示越自然清晰，可以減輕用眼疲勞32。若畫面延遲較高，則可能在高速位移或視野轉動

58、時發生畫面閃爍、重影、余暉等現象，使用戶產生眩暈感33。一般來說，如能達到80Hz以上的刷新頻率，就可完全消除圖像閃爍和抖動感，減輕用眼疲勞。運動到成像時延是用戶頭部移動與VR設備顯示反映用戶移動的變化之間的延遲。一旦用戶的頭部移動，VR場景應該與移動相匹配。這兩個動作之間的延遲越多，VR畫面看起來就越不真實，并且容易產生暈動癥34，VR系統一般需要20ms的低延遲，甚至是7ms的低延遲。3.1.2 內容制作技術基于用戶與虛擬環境內容之間的交互程度，可分為弱交互和強交互兩種類型。前者用戶在虛擬環境中可選擇視點和位置，用戶體驗是相對被動，體驗內容也是預先規劃好的，主要包括VR直播、VR全景視頻等

59、應用場景；后者是內容須根據用戶的交互信息進行實時渲染，自由度、實時性與交互感更強。在弱交互方面，主要呈現出強調高質量、多格式的專業生成內容(PGC)和操作便捷、成本可控的用戶生成內容(UGC)兩種發展訴求，技術選型包括手機式、一體單目/多目、陣列式、光場式等內容采集設備。VR視頻的交互體驗自由度也正從基于視野轉動的3DoF發展為場景中自由移動與觀看的6DoF。同時，通過采集用戶實時心率、眼動、語音、微表情等多元化生理指標，可建構出依據用戶偏好反饋的定制化內容敘述線。此外，隨著VR直播的常態化，制作上云將成為簡化虛擬現實內容攝制流程的關鍵技術。在強交互方面，3D數字模型通?；趻呙钄祿蚨嘁暯菆D

60、像進行三維建模，通過紋理映射實現實體表面真實感處理，并嵌入文本、音頻和視頻信息完成實體重建。當前，基于RGBD相機等技術方案低成本、高速率生成高質量3D模型正成為可能。此外，虛擬化身的制作作為VR多人社交的關鍵，通過追蹤采集用戶數據并實時投射于虛擬化身的外觀及行為表現，使得VR用戶對于虛擬化身的感知與控制形成交互閉環。在技術方面，基于口型、眼動、表情、手勢肢體等上半身虛擬化身技術初步走向成熟，有望增強VR社交的臨場感與互動程度。22在支撐性技術方面，Web XR推動了虛擬現實內容與各類終端平臺、操作系統間的解耦，提供了更加便捷的網頁VR/AR應用開發環境，有望成為下一代Web沉浸體驗的基石。O

61、pen XR在強化對Web XR網頁開發框架支撐的同時，深化了對新一代3D圖形應用程序Vulkan的協同，適配了手勢、眼動追蹤等多元化的交互方式，豐富5G邊緣計算等應用場景。操作系統（OS）聚焦發展實時性、多任務、感知交互與端云協同；開發引擎方面可選擇具有平衡性能和低功耗的特性的引擎（Unity、Unreal）。3.1.3 感知交互技術理想人機交互可讓虛擬現實用戶聚焦交互活動本身，而忘記交互界面的存在，自然化、情景化與智能化成為感知交互技術的主要特征。追蹤定位是感知交互領域的基礎能力，存在著Outside-in和Inside-out兩條技術路線35。前者需要在環境中布置(基站外設)定位器，實現

62、從外到內的位置計算；后者則只需借助VR設備自身的傳感器進行環境感知與位置計算。當前，基于視覺+IMU慣性測量融合的Inside-out追蹤定位技術全面成熟，正規?；瘧糜陬^顯終端。Inside-out在追蹤定位方面已接近Outside-in的效果，這種省去基站外設的追蹤方式符合大眾市場發展趨勢。在VR交互方面，VR控制器輸入是當前最為常見的輸入方式，手勢追蹤初步成熟，基于手勢追蹤的裸手輸入、裸手+控制器等交互外設協同共存將成為發展趨勢。手勢追蹤技術的優勢在于消減了用戶對交互外設的配置操作與購買成本，無須考慮充電配對問題，且手勢信息等增強了虛擬現實體驗的社交表現力。當前，6DoF頭動追蹤仍是VR

63、終端的重要交互輸入，但在達到沉浸體驗門檻后，眼動追蹤成為VR終端的新標配。眼動追蹤技術主要分為基于特征與基于圖像的發展路徑，該技術發展焦點在于眼動算法如何基于所采集的原始眼動行為來理解用戶意圖。3.1.4 渲染計算技術虛擬現實渲染的核心在于渲染質量與效率間的平衡優化，主要包括本地渲染與云渲染兩種類型。在本地渲染方面，PC VR的計算與渲染是在配備GPU顯卡的PC主機進行處理，VR頭顯承擔的是視音頻輸出、交互輸入等功能，代表性產品包括HTC VIVE PRO、Oculus Rift系列。VR一體機由于具備獨立處理器、支持HDMI輸入，能夠在本地進行獨立運算、輸入和輸出的功能，代表性產品譬如HTC

64、 VIVE Focus3、Pico Neo 4。沉浸式VR眼鏡作為輕量級的VR設備，則是利用手機、PC機的獨立顯卡的計算能力，從而為用戶渲染顯示，代表性產品為Huawei VR GLASS、HTC VIVE Flow等。云渲染與本地渲染并非是相互獨立的發展軌道，相比于本地渲染依賴于終端完成，其聚焦云網邊端的協同渲染，將渲染算力導入云端，具有降低終端配置成本的優點。當前，公有云的云控網聯需要解決云上算力成本、確定性網絡成本等難題，面向消費者進行大規模推廣應用仍然存在一定距離。在教育領23域，尤其是高等教育，云端渲染不需要依托公有云支持，可通過學校區內私有云共享算力資源、并改造學校局域網滿足確定性

65、時延的要求，從云-管-邊-端協同配合，實現端云算力協同、終端算顯分離，有助于解決掉原來傳統功能型虛仿教室的各種問題。3.1.5 網絡傳輸技術工信部出臺的“雙千兆”網絡協同發展行動計劃中提到，系統推進固定網絡和移動寬帶邁入千兆時代，第五代固定網絡(F5G)千兆寬帶和5G網絡共同構成雙千兆接入網絡聯接。教育部“數說教育十年”新聞發布會顯示，學校的信息化配置水平顯著提高，2021年全國義務教育學?；ヂ摼W(固定網絡)接入率接近100%。固定網絡作為新基建的先導基礎，經歷了語音時代、寬帶時代、視頻時代、4K超高清時代，正跨入以10G PON全光接入、200G/400G OTN全光傳送為代表的第五代全光網

66、絡(F5G)全光時代。光纖網絡在光纖入戶(FTTH/FTTO)的基礎上，正進一步拓展至房間(FTTR)、終端等，通過配合WiFi6保障每間教室的高質量、多并發的虛擬現實學習體驗。此時，千兆光網+云VR將成為F5G時代的典型特征與重點應用的結合。與前幾代固定網絡相比，F5G千兆網絡憑借著超大帶寬(eFBB)、全光連接(FFC)和極致體驗(GRE)關鍵特征推動光纖網絡突破傳統的產業邊際，可為教育的高質量發展提供高速、便捷、綠色、安全的數字底座，持續助力教育數字化轉型與智能升級。第五代移動通信技術(5G)是具有高速率、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術，5G通訊設施是實現人機物互聯的網絡基礎

67、設施。5G的三大類應用場景包括增強移動寬帶(eMBB)、超高可靠低時延通信(uRLLC)和海量機器類通信(mMTC)。由于虛擬現實編碼率高、交互性強，在4G網絡下僅可滿足2K業務，尚難以滿足4K/8K虛擬現實在教育教學中的規模部署，須依托于5G的上行大帶寬、網絡低時延等能力滿足虛擬現實的進階體驗。此外，多接入邊緣計算(MEC)將密集型計算任務遷移到附近的網絡邊緣，降低核心網和傳輸網的擁塞與負擔，減緩網絡帶寬壓力，并快速響應用戶請求并提升服務質量。通過MEC邊緣服務，可降低云化虛擬現實(Cloud VR)在教育應用中的網絡連接和終端硬件門檻，加速教育行業的規?；瘧?。除了以上五種關鍵技術外，在虛

68、擬現實與行業應用融合發展行動計劃（20222026年）中還提到了壓縮編碼技術和安全可信技術。壓縮編碼技術是對傳輸的內容進行壓縮編碼以其更快的傳輸內容的方法。在行動計劃36中，壓縮編碼技術重點推動基于視角的超高分辨率（8K及以上）虛擬現實視頻編碼技術。突破六自由度虛擬現實視頻、球體視頻、全息視頻、沉浸式音頻、多模態數據等壓縮編碼技術。研究自適應網絡傳輸等關鍵技術，推動虛擬現實編解碼向網絡智能協同方向發展。以5G、人工智能、大數據、云計算、區塊鏈、數字孿生等為代表的信息技術時代的發展，網絡安全存在的問題受到廣泛的關注和極大的重視?；谥鲃用庖叩闹鲃臃烙尚庞嬎慵夹g可有效提高系統整體的防護效果37。

69、可信計算是在計算和通信系統中廣泛使用基于硬件安全模塊支持下的可信計算平臺，其組件、操作或過24程的行為在任意條件下是可預測的，并能很好地抵抗應用程序軟件、病毒以及一定物理干擾造成的破壞，可以維護計算機系統用戶本身的利益和外來用戶的正常運行，提高了系統整體的安全性38。在行動計劃39中，安全可信技術重點推動安全可信的虛擬現實產品和服務在各場景中應用，突破基于可信計算主動免疫雙體系并行動態度量檢驗技術，加快可信計算在虛擬現實網絡應用協議與接入機制的應用研究與推廣。不同學習場景中的技術需求剖析3.2.1 演示型課堂講授教學場景演示型課堂講授作為現階段最典型的教學情景，通常是以40-50人教學班為單位

70、進行講授或者演示。教師在課堂中通過實物、圖像、教具或現場操作等進行示范教學(“做給學生看”)，演示教學使抽象、復雜的教學內容變得直觀。VR賦能的演示型課堂講授教學中，三維立體呈現可幫助學生對教學內容建立直觀感性的認識，可視化的分析過程可幫助學生理解事物的基本原理和過程。該教學場景中的學習終端在短期內仍會以觸控一體機+平板/PC為主，并步發展至沉浸式VR/AR眼鏡、VR一體機等。學習資源的形態主要是以VR視頻為主，部分教學活動會涉及少量的3D模型。同時，該場景中的感知交互技術是以觸控交互和頭動追蹤為主，渲染計算方面對算力的要求不高，以本地/本機渲染為主，網絡環境以校園尤其是教室內的無線網絡（Wi

71、Fi6、5G CPE）為主。3.2教學規模 40-50人教學班、講授型(演示)教學目的 講授型(演示)、感性經驗到理性邏輯學習內容 以VR視頻觀看為主、少量3D模型操作教學顯示 短期內以觸控一體機+平板/PC為主，逐步發展至沉浸式VR/AR眼鏡、VR一體機等感知交互 觸控交互、頭動追蹤為主渲染計算 本地/本機渲染為主網絡傳輸 教室內無線網絡(WiFi 6、5G CPE等)253.2.2 協作式小組研討學習場景協作式小組研討學習場景中，學生以小組形式參與學習，小組有共同的學習目標，并在一定的激勵機制下最大化個人和他人習得成果。其對于培養學習者的團隊協作能力、交流溝通能力、問題解決能力和批評性思維

72、等具有獨特優勢。通常其教學規模是以40-50人組成的教學班，將學生分為3-4人小組進行研討學習。VR賦能的協作式小組研討學習中，學習終端在短期內仍會以平板/PC為主，逐步發展至沉浸式VR/AR眼鏡、VR一體機等。學生在小組學習中先明確學習任務，進行分工協作，根據在虛擬環境中的探索與發現，小組成員相互交流與討論。協作式小組研討學習，成員之間互相協作，通過協同與交流溝通進行知識建構，此時學習資源的形態主要是以3D模型為主。同時，該學習場景下多人追蹤定位是關鍵，還涉及觸控交互、頭動追蹤等感知交互技術。在渲染計算方面，多人協作學習的模式短期內會以本地的PC主機渲染為主，逐步過渡到邊端協同的渲染方式，網

73、絡環境主要基于校園無線網絡（WiFi6、5G CPE）接入。教學規模 40-50人教學班(以組為單位，每組3-4人)、探究與討論 教學目的 探究與協作、知識建構學習內容 以3D模型操作為主教學顯示 短期以平板/PC為主，逐步發展至沉浸式VR/AR眼鏡、VR一體機感知交互 多人追蹤定位、觸控交互、頭動追蹤等渲染計算 本地的PC主機渲染為主，逐步過渡到邊端協同的渲染方式網絡傳輸 校園范圍內無線網絡(WiFi 6、5G CPE等)3.2.3 互動式個人自主學習場景互動式個人自主學習場景是學生個人進行自主性學習，在虛擬學習平臺進行社交互動。VR賦能的互動式個人自主學習中，學習終端是以PC VR、VR一

74、體機為主，輕量級可用沉浸式VR眼鏡、AR眼鏡等。學習資源的形態主要包括VR視頻、3D模型以及虛擬化身，虛擬化身(學習者、教師、同伴)可給與學習者較好的社會臨場感體驗。本場景中的感知交互技術涉及頭動追蹤、手勢追蹤、觸覺反饋等，其中手勢追蹤技術能夠捕捉學生的手部、手指的運動，支持學生動手操作和社交表達等，觸覺反饋技術則給學生在探究過程中精準的操作體驗。在渲染計算方面，互動式個人自主學習多數是以本地的端側渲染為主，部分學習內容需要借助于邊端協同的渲染方式。網絡環境包括配有無線網絡（WiFi6、5G CPE）教室內校園環境或者家庭網絡環境。263.2.4 實訓類職業技能學習場景實訓類職業技能學習場景的

75、教學規模是以30人以上組成的教學班進行職業技能的訓練。學習者更多的是通過動手實踐進行操作性學習，利用雙手操控虛擬對象實現“做中學”。此學習場景可還原真實情境中具有較高難度的職業技能訓練的操作，學習者可進行多次練習以習得知識經驗與技能。對于具有危險性的職業技能，可以確保學習者的安全。VR賦能的實訓類職業技能學習中，學習終端是以沉浸式VR/AR眼鏡、VR一體機為主，在虛擬環境的學習內容主要是3D模型。同時，該場景下多人追蹤定位是關鍵，還涉及頭動追蹤、手勢追蹤、觸覺反饋等感知交互技術。在渲染計算方面，實訓類職業技能學習需要借助云端渲染的能力，實現端云協同渲染。以班或年級為單位的大規模實訓，為保障確定

76、性網絡時延，網絡環境可采用F5G為主的固定網絡，實現光纖到終端，為學習者提供極致流暢的網絡體驗。小規模實訓也可采用無線網絡（WiFi6、5G CPE等）的方案。教學規模 個人學習為主教學目的 知識技能習得、學習社群學習內容 VR視頻、3D模型、虛擬化身(社交)教學顯示 以PC-VR、VR一體機為主，輕量級可用沉浸式VR眼鏡、AR眼鏡等感知交互 頭動追蹤、手勢追蹤、觸覺反饋等渲染計算 以本地的端側渲染為主，部分需進行邊端協同的渲染網絡傳輸 家庭網絡、教室可用無線網絡(WiFi 6、5G CPE等)教學規模 30人以上教學班、職業技能訓練教學目的 動手實踐、技能訓練學習內容 以3D模型操作為主教學

77、顯示 VR/AR眼鏡、VR一體機為主感知交互 多人追蹤定位是關鍵，包括頭動追蹤、手勢追蹤、觸覺反饋等渲染計算 端云協同渲染網絡傳輸 F5G網絡為主，小規?？捎脽o線網絡(WiFi 6、5G CPE等)27當前，VR在教育領域的應用已由建設虛擬仿真實驗基地和平臺、智慧校園、智慧教室等基礎設施升級為打造沉浸式課堂等創新教學模式，形成了VR支持的沉浸式翻轉課堂教學模式、Cloud VR支持的虛實融合職業技能實訓模式，以及VR支持的教-學-評一體化實踐教學模式。這些創新教學模式為VR在基礎教育、職業教育和高等教育的應用提供了可供借鑒的實踐操作指南，對于深化VR教育應用，賦能教育數字化轉型提供了思路和方法

78、。28虛擬現實教育賦能教學模式創新04 VR支持的沉浸式翻轉課堂教學模式（1）背景資料沉浸式翻轉課堂教學模式由武漢市二橋中學在三年多的實踐探索中總結提煉而來，是VR在基礎教育應用的創新實踐模式。作為央教館中小學虛擬實驗教學試點項目的首批試點校之一，二橋中學在推進虛擬實驗常態化教學的過程中不僅受到了從央館、省館、區館到市館智能部門的支持，還得到了高校專家學者在教學理念、專題教研、案例設計、教學模式等方面的引領和指導。為推進虛擬實驗的常態化應用，學校強化頂層設計，建立專項工作機制，形成了“校領導-學科組長-學科教師”的三級工作方案，同時將虛擬實驗教學納入教師教學工作量，采用績效激勵機制，積極組織教

79、師參與央館、市館及區館組織的虛擬實驗教學培訓，引導教師利用央館虛擬實驗平臺自主創編資源，組織教研團隊與骨干教師研發校本資源，學校組織篩選符合實際教學需求的虛擬實驗資源，構建校本資源庫。為推進虛擬實驗常態化應用的順利實施，學校建立了專門的虛擬實驗室，充分利用智慧教室和創客教室的現有資源，打造實驗教學硬件環境；同時依托央館虛擬實驗教學平臺和武漢教育云平臺，構建了沉浸式翻轉課堂教學模式，并經過多輪實踐檢驗，驗證該模式的教學效果。（2）教學模式沉浸式翻轉課堂教學模式如圖4-1所示，在課前預備階段，學生和教師都需要通過央館虛擬實驗教學服務系統、武漢教育云平臺進行課前準備。其中，教師通過系統選取教學資源，

80、精準分析學情，并且通過系統發布任務。學生利用系統進行精準化預習，同時系統也會發布本節課的任務清單，反饋實驗數據。在課中實施環節，教師利用系統組織虛擬教學，創設沉浸環境，從而能夠個性化輔導和動態追蹤學4.1圖4-1 VR支持的沉浸式翻轉課堂教學模式29生疑難。學生在課堂中可通過沉浸式學習開展合作探究，分享交流。在課后鞏固環節，教師通過系統平臺創建學習任務，發布作業，并實時記錄學習過程。學生通過平臺推送的課后作業進行練習和模擬，并提交作業，從而達到個性化提升的效果。（3）實踐啟示VR在基礎教育領域的常態化應用首先需要從政策層面強化頂層設計，建立專項工作機制和考核獎勵機制，從上自下形成技術創新教學的

81、良好氛圍。其次，需要構建校本VR資源庫，確保VR資源的適切性，發揮其在解決教學重難點方面的優勢，重構基于VR資源的創新教學模式。最后，需要為教師提供必要的支持和培訓，搭建交流分享平臺，構建VR教學應用實踐共同體，提升教師信息化教學能力。Cloud VR支持的虛實融合職業技能實訓模式（1）背景資料實訓是職業教育人才培養的關鍵環節?；诙喙δ軐嵱柺业谋镜鼗渴鹉Ｊ皆趯嵺`過程中暴露出諸多問題。首先是網絡基礎設施無法滿足大班并發無線串流，僅能開展分組輪流實訓，降低了教學效率。其次是各專業構建專屬虛擬實訓室，基礎設施互不共享，造成設備資源極大浪費；設備日常充電、管理維護帶來額外的工作負擔；課程資源與硬件

82、設備捆綁嚴重，資源設備兼容問題頻發。第三，功能型教室僅能服務于本地教室教學應用，無法通過網絡利用個人終端設備做泛在實訓練習，滿足學生的個性化學習需求。最后，基于功能性教室的虛擬仿真實訓無法滿足教師對實訓過程的集中監控和管理，無法實現對學生實訓數據的記錄和存儲，不利于教師提供及時反饋和個性化指導。針對上述問題，深圳職業技術學院通過5G+XR的方式，通過建設 5G 專網和實時云渲染平臺，將資源和應用部署在云端，渲染和計算由云端負責，破解了上述基于功能實訓室的本地化部署模式在終端、時空、平臺、人員等方面的限制。隨著顯卡性能的提升，以及服務器端資源池化技術的成熟，實時云渲染將會在高校的虛擬仿真教學中得

83、到更進一步的應用。圖4-2展示了云-邊-管-端分層協同的虛擬仿真實訓技術架構。面向教學應用層面的“云”端，可以提供以虛代實的虛擬實訓、以虛助實的虛擬仿真，以及虛實融合的多維實訓。通過整合資源管理平臺、教學管理平臺和內容創建平臺，可以實現實訓資源聚合，支持跨專業、跨校共享；實現學情精準分析和教學即時反饋，支持教-學-評一體化良性互動；實現教學內容自主開發和教學資源持續更新，解決內容設備的兼容性問題。面向渲染計算層面的“邊”端，通過統籌算力資源，共享基礎設施，提供跨專業、學院的算力資源共享，提供內容渲染、多人協同、大空間定位等能力，滿足多類教學需求。面向網絡通信層面的“管”端，通過算網協同，提供大

84、帶寬、低時延傳輸網絡，保障高密實訓，為實訓學習提供極致體驗。面向設備使用層面的終端，支持VR、AR、數字大屏、移動終端等多類實訓終端，適配多類實訓內容，實現靈活教學。4.230（2）教學模式經過十余年的探索，深圳職業技術學院總結了“一中心，四協同、兩保障”職業院校虛擬仿真教學體系，即以教學應用為中心，從資源開發、平臺建設、環境建設、團隊建設四個維度統籌推進，通過建立規范標準和采用政策激勵兩項保障措施，最終促進高職虛擬現實教學可持續高效發展。在規范標準方面，主要包含建立虛擬仿真資源建設標準，VR教室建設標準、VR/AR課程標準、以及教學模式指導標準等。在政策激勵方面，主要采用以賽促建和以賽促用的

85、方式，實施教學信息化能力提升工程，以及開展信息化教學改革項目等政策激勵措施。31圖4-2 云-邊-管-端分層協同的虛擬仿真實訓技術架構圖4-3 Cloud VR支持的虛實融合職業技能實訓模式圖4-3展示了基于Cloud VR的虛擬仿真教學平臺的虛擬融合實訓教學模式。在該模式中，XR虛擬仿真教學平臺的使用和實踐貫穿實訓教學的課前、課中和課后全環節。在課前預備階段，學生和教師根據學生基礎和專業適當設置自學和研討學時。其中，教師通過系統選取教學資源，精準分析學情，并且通過系統發布任務。學生利用系統進行精準化預習，同時系統也會發布本節課的任務清單，反饋實驗數據。在課中實施環節，教師利用虛擬仿真教學平臺

86、對實驗內容中規定學生必須掌握的基本概念和理論知識進行講解。利用虛擬仿真教學講解實驗目的、工藝流程、軟件界面及操作、課程具體安排、注意事項等。重點對背景工藝流程、實驗設備、軟件中自動控制設備的調節和設置等講解。學生通過對課件的學習，利用虛擬現實進行實驗操作，并可以開展合作探究，分享交流。之后，學生到真實的實訓環境開展實訓學習，提升實訓學習的效率。在課后鞏固環節，教師通過系統平臺創建學習任務，發布作業，并實時記錄學習過程。學生通過平臺推送的課后作業進行練習和模擬，并提交作業，從而達到個性化提升的效果。實驗完畢合格后，學生可按要求寫出實驗報告，指導教師可在平臺中對報告進行批改。教師改完實驗報告后，可

87、利用平臺對學生進行反饋，并集中對實驗中存在的問題予以總結，針對這些問題可在后續實驗中進行有針對性的講解和強調。（3）實踐啟示技術體系架構創新是實現職業院校虛擬仿真教學常態化開展的必然選擇。XR虛擬仿真實訓平臺創新方案能夠為校區、社區、校際等不同場景的實訓教學奠定技術基礎?；谠?邊-管-端架構的XR虛擬仿32真實訓技術架構能夠滿足學?！敖y一架構，開放共享，支撐學校高質量發展”的理念，“學校統籌建平臺，專業群統一建基地，專業聚焦建內容，校企協同建生態”將成為職業院校虛擬仿真平臺建設的新方案和新形態。VR支持的教-學-評一體化實踐教學模式（1）背景資料作為一門對操作技巧要求非常高的實踐性臨床醫學，

88、口腔醫學的實踐教學長期以來面臨缺少可視化、定量化和自主化操作的訓練環境。由于師資力量的配備，實踐教學中教師無法對每個學生的操作細節和過程做到全程監控、準確評估和及時糾正，導致教學效率不高。為解決上述難題，北京大學口腔醫學院與北京航空航天大學合作研發了應用于口腔教學的“視聽觸多感覺反饋口腔虛擬仿真系統，開啟了將口腔醫學實驗教學與虛擬仿真技術相結合的漫長探索。經過十余年的探索，研發團隊于2015年形成了國內首款可穩定模擬牙周臨床關鍵技能的口腔虛擬仿真操作訓練系統，以及國際上首套牙周虛擬仿真實驗教學系統Unidental，開創并引領了口腔實踐教學新模式。4.3圖4-4 VR支持的教-學-評一體化實踐

89、教學模式33 云邊端技術架構下的教學模式創新教學模式創新是技術賦能教育的核心指向，但是模式的創新需要從頂層教學理念引領到學習資源與環境的適配，再到底層技術架構的支撐。VR教學的常態化開展需要從底層技術架構突破，帶動資源與環境的重構?；凇霸?邊-管-端”架構的技術支撐體系，能夠滿足學?！敖y一架構，開放共享，支撐學校高質量發展”的理念，通過整合資源管理平臺、教學管理平臺和內容創建平臺，可實現VR資源的聚合，以及跨專業和跨校共享；邊緣計算基礎設施可實現區域或高校內的算力資源共享，提供3D內容渲染、4.434（2）教學模式如圖4-4所示，基于視聽觸多反饋口腔虛擬仿真實驗教學將傳統臨床訓練環境與VR環

90、境有機結合，打通教師教學、學生練習和教學評價三環節，形成了教-學-評一體化的口腔實踐教學新模式。對學生練習而言，口腔醫學生在實際接觸臨床患者前，至少要在仿頭模實驗室里進行為期一年的學習，實踐各種口腔疾病的診療過程，鞏固理論知識，訓練臨床技能。之后再利用口腔虛擬仿真操作訓練系統進一步學習，掌握精細動作技能。仿真系統可模擬常見及非常見病例，具有可高精度量化、無材料消耗等特色，可以使學生重點掌握實際操作所需要的幅度、力度和方向，支持多次重復練習。對教師教學而言，教師不僅要在傳統環境中完成理論講授，以及現場指導學生使用虛擬仿真系統學習，還要基于虛擬仿真教學系統開展集體備課，設計情景交互式教學內容，包括

91、臨床接診、檢查、診斷等，探索虛擬仿真教學的新規律和新方法。對教學評價而言，虛擬仿真系統可以實時記錄學生的力覺運動數據，并做到全程監控、準確評估，幫助教師輕松開展量化的過程性評價和學期結束的總結性評價。通過對學生力覺運動數據的挖掘分析，能夠精準地找到學生在日常練習過程中的操作難點和易錯點，為后續的教學設計提供數據支持，真正實現以評促教。同時，仿真系統支持人機交互回放和分析，讓學生通過自主訓練、評價和反饋，追溯和觀察操作中的錯誤，完成自我監督和糾正，真正實現以評促學。（3）實踐啟示基于頭戴式顯示設備的VR滿足了人們對視覺和聽覺交互的需求，卻忽略了觸覺感受。而在建筑、醫學等特殊的學習場景中，觸覺交互

92、是非常重要的。本案例是VR觸覺交互在教育領域應用的典范，形成了VR支持的教-學-評一體化口腔實踐教學模式，解決了傳統口腔實踐教學面臨的缺少可視化、定量化和自主化操作的難題。但虛擬仿真實踐教學不能替代傳統的臨床實踐教學，需要通過“以虛補實、以虛促實、虛實結合”的方式來共同提高教學效果。未來，虛擬仿真系統還可應用在需要力反饋交互的其它教學場景，比如需要身體參與的抽象概念理解、教育游戲，以及科技館、博物館等場館體驗。多人協同、大空間定位、AI分析等能力，滿足多種類型的教學需求；面向設備使用層面的終端，支持VR、AR、數字大屏、移動終端等多類教學終端，適配多類教學內容，最終實現教學模式的創新。未來，以

93、高等教育領域為例，可采用學校統籌建平臺、專業群統一建基地、專業聚焦建內容的邏輯，校企協同生態將成為VR教育走向大規模常態化應用的新方案和新路徑。35VR在降低真實學習成本，擴大學生實踐學習時空范圍，提升學生學習體驗方面具有顯著優勢。當前，由于技術、資源、環境、政策等各方面條件的限制，VR在教育領域的應用尚未進入大規模常態化應用階段，仍需要政府、學校、企業、家庭、研究機構等多方協同參與，共同打造引領教育高質量發展的VR教育應用生態體系。通過技術架構創新，推動VR在教育領域的深度融合和常態化應用，構建以教室為中心，貫穿學校、家庭、社會等場域的線上線下融合的沉浸式學習環境，為智能時代的學習者提供更加

94、優質、靈活和個性化的學習支持服務，促進教育公平和高質量發展。虛擬現實教育應用建議與展望0536 應用建議建議1：政企校通力合作，打造引領教育高質量發展的VR教育應用生態 體系技術創新教育是一項復雜的系統工程，需要政府、學校、企業、家庭、研究機構等多方協同參與。第一，搭建國內VR資源開發的通用平臺，建立相關技術標準。當前，VR資源開發平臺多基于國外的平臺，不利于我國VR產業的可持續發展。同時，業界需要建立從硬件設備到軟件系統再到資源開發等一系列相關技術標準，形成行業規范，確保VR教育應用的可持續發展。第二，跟進配套軟件資源的研發，實現對VR學習過程的實時監管和追蹤評價。首先，研發國內VR資源開發

95、的通用軟件工具，提供模塊化的操作方式，讓一線教師可以自主開發符合自身需求的VR資源用于教學。其次，研發用于對VR資源統一管理的配套軟件，提高學校在資源管理、更新與維護方面的管理效率。最后，研發用于監測和評價學生VR學習情況的教學管理軟件，減輕教師在VR教學過程中的監管負擔，提升教學效率。第三，建立VR軟硬件資源教育行業準入機制，確保學習體驗質量。當前VR硬件設備品種繁多，各學校對VR硬件設備的采購并未形成統一標準。調查顯示，VR硬件設備帶來的生理不適感，以及對用眼健康潛在的影響是其教學應用面臨的一大挑戰。因此，有必要建立VR軟硬件設備教育行業的準入標準，為學校采購提供依據，確保學習體驗質量。建

96、議2：積極探索VR內容資源共建共享機制，構建優質教學資源庫VR內容資源的可獲得性和適切性是影響其教育應用的關鍵。建議積極探索VR內容資源共建共享機制，構建優質教學資源庫。第一，探索多樣態的資源共建共享模式，實現合作共贏?；A教育領域，需要以政府為主導，構建一批基于課程大綱的優質教學資源庫。高等和職業教育領域，可以打造以學校為主體，多方參與的資源建設與應用生態，搭建以VR為紐帶的校企合作新模式。第二，積極探索以區域為單位的內容資源共建共享機制，推進規?；瘧?。一方面，以區域為單位，政府主導、學校、企業、研究機構多方參與，設計開發符合區域發展需求的VR內容資源。另一方面，以區域為單位，開展VR教學

97、應用培訓，共享VR教學應用優質課例。中央電教館目前開展的“中小學虛擬實驗教學應用課例征集項目”就是該方面的有益嘗試。建議3：努力探尋VR教育應用的最佳實踐路徑，確保技術應用的效果 和效率VR內容的高沉浸性、強交互性特點決定了其在教學中的應用存在特定的教學模式。建議努力探尋5.137VR教育應用的最佳實踐路徑，確保技術應用的效果和效率。一是采用實證研究的方法，驗證適合VR教學的有效策略和模式，確保VR教學應用效果。調查顯示，中小學教師認為VR在教學中的應用最適合用來開展體驗式學習。職業教育領域的教師則認為VR最適合用來開展實踐實訓。二是采用循證實踐的范式，在VR教學應用的實踐過程中迭代驗證和總結

98、最佳實踐路徑，為VR教育教學應用提供實踐指南和可供操作的范例。建議4：加強對VR教育應用中交叉類共性科學問題的研究，為深化技 術應用提供理論指導和決策依據VR教育應用是一個涉及計算機科學、教育學、心理學、腦科學、生理學等多學科領域知識的實踐場域，需要加強對共性導向、交叉融通類科學問題的研究，為深化技術應用提供理論指導和決策依據。一是加強VR設備長期使用對學生視力健康影響的研究，為VR顯示技術的研發提供方向。二是加強VR環境中的學習發生機制研究，揭示技術賦能學習的原理與規律，為VR環境設計提供科學依據，為VR教育應用提供理論支持。三是加強VR教學常態化開展對學生的認知發展、心理健康和社會情感技能

99、發展影響的研究，為即將到來的元宇宙時代的人才培養提供方向引領和決策依據。建議5：提供多元化的政策支持和技術服務支持，創新VR教育應用模式隨著國家雙減政策的推行，學校需要在政策層面探索和引導虛擬教育教學應用的新思路和新方法。建議提供多元化的政策支持和技術服務支持，創新VR教育應用模式。第一，鼓勵師生基于VR開展第二課堂的教學創新和學習探索活動，為校本VR內容資源的建設提供政策和資金支持。第二，充分發揮公共服務機構的教育服務功能，倡導科技館、博物館、圖書館等公共服務機構為學生提供VR學習資源和場地設備。學校與上述場館機構開展密切合作，共同探索VR教育教學創新應用模式。第三，探索基于VR的實踐技能測

100、評，創新教育測評方式。專家建議以往必須通過實驗室開展的實驗技能考核，以及職業技能培訓效果測評未來可以考慮采用VR的方式替代，以減少相關人力、物力和財力的浪費，提高技能測評的效率。未來展望VR支持的沉浸式學習是智能時代的重要學習方式之一。沉浸式學習環境的構建將成為教育數字化轉型與智能升級的重要推動力。隨著信息技術的發展，學習環境正在由封閉式物理環境過渡到開放式網絡5.238在線空間，由學校等正式學習場域延伸至家庭、社會等非正式學習場域。當前，全國各級各類學校共有53.7萬余所，網絡多媒體教室超過580萬間，約占全國教室數量的68。中小學(含教學點)互聯網接入率達到100%，99.5%的中小學擁有

101、多媒體教室。過去20余年的信息化持續建設已然為VR支持的沉浸式學習環境的構建奠定了堅實的基礎。通過推動VR在教育領域的深度融合和常態化應用，構建出以教室為中心，貫穿學校、家庭、社會等場域的線上線下融合的沉浸式學習環境，能夠為智能時代的學習者提供更加優質、靈活和個性化的學習支持服務，促進教育公平和高質量發展。技術架構創新是VR教育教學常態化應用的必然趨勢。云控網聯技術架構將簡化時空限制，有望推動虛擬實驗教學和虛擬仿真實訓從小規模試點走向大規模常態化應用。通過云渲染使能算力云化，可在多教室、多學校分時復用，降低投資成本。通過學校統一門戶平臺，聚合VR資源，支持跨校共享，統一教學管理，支持教學分析，

102、支持內容開發，持續更新資源。通過統籌算力資源，共享基礎設施，滿足VR資源在全校、甚至區域范圍的共享，提供內容渲染、多人協同、大空間定位等能力，滿足多類學習情景的需求。通過算網協同，提供大寬帶、低時延的網絡傳輸，保障高并發需求。通過算顯分離，在終端層面改善VR設備佩戴體驗，支持VR、AR、數字大屏、移動終端等多種終端類型，讓VR教學與其他類型的教學兼容，實現靈活教學。通過云-邊-管-端分層協同，將VR教學帶入每一間教室。39參考文獻141528 Natale,A.F.D.,Repetto,C.,Riva,G.,et al.(2020).Immersive Virtual Reality in K

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113、efresh rate on image quality and viewer comfort EB/OL.2022-04-20.https:/re-search.ncl.ac.uk/expeditionresearchscholarships/postergalleries/2018posters/Cheng Chong Chua.pdf.34 Ryu Y,Ryu E S.Overview of Motion-to-Photon Latency Reduction for Mitigating VR SicknessJ.KSII Transactions on Internet and In

114、formation Systems(TIIS),2021,15(7):2531-2546.3639 工業和信息化部.虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（20222026年）EB/OL.https:/ 張大偉,沈昌祥,劉吉強,張飛飛,李論,程麗辰.基于主動防御的網絡安全基礎設施可信技術保障體系J.中國工程科學,2016,18(06):58-61.38 李超,韓翔,劉釗,趙利.基于可信計算的跨網數據安全交換技術J.計算機工程與設計,2021,42(10):2762-2769.附錄附錄一 VR資源平臺學段K-12 具體應用空間站體驗、空間發射系統體驗、天文館展覽等非正式學習細胞進化、免疫系統體驗、太

115、空機械模擬等非正式學習實驗教學學科學習藝術與文化由專注于在AR/VR中提供沉浸式體驗的公司提供的專業服務海洋生物學習幫助有學習障礙的中學生發展和練習社交技能阿斯伯格綜合癥青年患者社交和生活技能課程資源提供機構NASASteam中央電教館基礎教育VR資源云平臺谷歌藝術與文化ClassVRKai XRBioDiveProject VOISSFloreo參考網址The International Space Station Experiencehttps:/www.nasa.gov/mission_pages/sta-tion/research/experi-ments/explorer/Inves

116、tigation.html?#id=7877NASA VR/360 Multimedia for Planetari-um Shows and Informal Educationhttps:/informal.jpl.nasa.gov/muse-um/360-video*https:/ 具體應用虛擬仿真教學Mozilla Hubs冠狀病毒的實踐課程Flying Among the Stars天文學Oxford Medical Simulation 病人護理實踐平臺Microsoft HoloLens現場臨床教學Center for Immersive Media 藝術課程學習Virtual

117、and Augmented Reality Language Training(VAuLT)語言交流與學習Career Mindset Development 采用交互的對話方式在虛擬場景中練習工作場所的溝通技巧XR Innovation Projects 軟技能和領導力培訓zSpace 資源提供機構高等教育電子音像社穆爾西亞天主教大學（UniversidadCatlica de Murcia）普渡大學（Purdue University）牛津大學倫敦帝國理工學院醫學院藝術大學俄勒岡大學應用第二語言研究中心Bodyswaps公司密歇根大學創新基金健康科學參考網址http:/www.ilab-

118、https:/ai.umich.edu/xr-innova-tion-projects 應用領域 STEM 教育 醫療保健 教育藝術、人文和其他學科 軟技能和 職業發展技術教育和專業培訓45學段高等教育教師培訓 具體應用FerrisNowVR Initiative交互式STEM教育教學TeachLivETeachers Lens 資源提供機構先進制造農業科學交通運輸費里斯州立大學佛羅里達大學教育模擬技術研究中心媒體上的 XR 訓練營參考網址1、NOCTI 合作，在zspace中能夠獲得33種行業證書2、美國有 50 多所技術學院安裝了 zSpace 工具https:/www.ferris.ed

119、u/HTM-LS/news/archive/2020/octo-ber/usda.htm*https:/ccie.ucf.edu/crest/abouthttps:/ 應用領域技術教育和專業培訓新教師或師范生高壓力課堂情境訓練教師在教學過程中的性別和種族歧視46附錄二 VR內容開發平臺VR內容開發平臺國內VR視頻制作、傳播與內容發布平臺面向世界各地的VR全景內容創作分享平臺VR創想+是一款面向K12學生的建構式學習工具軟件，能夠幫助學生通過完成建構式任務更好的掌握知識。中視典Open VR快速開發平臺，具備成熟的“平臺+內容+終端+應用”完整生態系統，為教育教學提供有力技術保障和服務。Auto

120、XR內容快速創建系統致力于打造XR時代的PPT，能夠幫助教師把一些抽象或者三維的模型、系統加載到AutoXR中，通過事件定義演繹方式和觸發方式，一鍵輸出到VR頭盔、CAVE系統、全息設備等XR呈現平臺上進行展現。HUAWEI開發者聯盟VR Engine是面向HUAWEI VR內容開發者開發的一站式內容開發和上傳平臺。百度VR的VR創作中心有專業全面的3D環物、3D模型、全景圖、全景視頻、景深漫游等VR內容編輯創作工具，生成可在手機和VR頭顯上體驗的3D化、交互式、沉浸式的虛擬現實內容。Oculus Share在應用開發方面，Oculus也有專屬的SDK供開發者使用。Steam Store&Vi

121、veportVIVE Wave 是一個開放式的 VR 平臺，兼備完善的開發工具，使得移動端 VR 內容開發變得更加簡單，更提供高性能的 VR 設備優化。Gear VR StoreENTiTi Creator用戶使用ENTiTi平臺上傳圖片和視頻以及相應的動作指令，輕松創建AR/VR內容,比如3D圖像、動畫或者游戲。該平臺也適合小型企業用戶，比如零售行業改變傳統的產品在線展示方式，或者教育培訓行業。HTML5 Pano是國內首家跨平臺三維全景漫游系統開發與WebVr制作平臺。只需上傳全景圖片或利用API，就能生成專業的跨平臺三維全景漫游系統。宇見VR旨在為更多VR制作愛好者提供一個在線一鍵生成V

122、R全景圖片，VR視頻和物體環視等VR場景應用的VR全景內容制作平臺。參考網址https:/ 首都師范大學初等教育學院祁彬斌 互聯網教育智能技術及應用國家工程研究中心呂 萌 西安交通大學碩士生李一萌 中國傳媒大學碩士生張 嬌 首都師范大學碩士生張 怡 北京師范大學碩士生楊世海 華為技術有限公司ICT新機會孵化部梁世雄 華為技術有限公司ICT新機會孵化部陳 浩 華為技術有限公司企業BG公共事業系統部孟 瑜 華為技術有限公司戰略研究院惠艷妮 華為技術有限公司企業BG公共事業系統部周小紅 華為技術有限公司ICT新機會孵化部孫鵬飛 華為技術有限公司企業BG公共事業系統部趙祎鑫 華為技術有限公司企業BG公共事業系統部黃榮懷 互聯網教育智能技術及應用國家工程研究中心曾海軍 互聯網教育智能技術及應用國家工程研究中心武仲科 北京師范大學人工智能學院王學松 北京師范大學人工智能學院龐明勇 南京師范大學教育科學學院王宏宇 虛擬仿真實驗教學創新聯盟馬小強 教育部教育技術與資源發展中心（中央電化教育館）申佳麗 北京師范大學人工智能學院專家團隊