一种应用VR、AR、MR 虚拟现实相关技术的馆校结合科学教育模式

毛欣烨　黄芳

随着教育与前沿技术的不断结合，教育行业在提升教学效率和教育体验，均衡优质教育资源等方面取得了显著成效。在虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）和混合现实（Mixed Reality，MR）3 种虚拟现实相关技术的帮助下，以信息技术为背景的现代教育打破了传统教育的诸多限制，能以新兴技术手段创生沉浸式教学环境，优化教学过程，有利于学生掌握知识与技能、激发学习积极性、发挥主体性、提升学习效果。馆校结合作为科学教育的有效途径，其作用也在与虚拟现实相关技术的整合中得到延伸。

2023 年5 月，教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，要求探索利用人工智能、虚拟现实等技术手段改进和强化实验教学，并广泛组织中小学生前往科学教育场所，进行场景式、体验式科学实践活动，弥补优质教育教学资源不足的状况[1]。

目前，虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用仍不够深入和全面，馆校结合科学教育的形式也较为单一。本文尝试提出一种“课前+课内+ 课外”“ 线上+ 线下” 的科学教育活动模式，该模式融虚拟现实相关技术于馆校结合科学教育，并包含一系列馆校间科学资源共享形式，以期充分整合校内外资源，提升馆校之间的合作紧密度，克服虚拟现实相关技术融入馆校结合科学教育所面临的一些困难。

虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的應用现状

近几年， 国内实体科技馆和数字科技馆均建设有虚拟现实相关展品或专题，科技场馆的展教水平、服务时效性、服务创新驱动发展能力均得到了一定程度的提升[2]，国内外已有一些学校引入了科技场馆提供的虚拟现实相关技术，并将其应用于课堂教学和科学教育实践活动，以此激发学生的学习兴趣，为学生提供更为沉浸的学习体验，在提高学生学习成绩、优化教学质量等方面取得了显著成效。目前，所应用的相关技术以VR 技术为主，AR 技术较少，MR技术鲜见。

虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育应用中存在的问题

在学校和科技场馆中，仅小部分展品和项目使用了VR、AR 技术，MR技术的应用鲜见，且虚拟现实相关技术的应用程度不高，大多数VR 技术的应用停留在使用VR 虚拟影像播放视频、建设VR 模拟游戏等层面，而AR 技术的应用也仅注重简单体验。在科技场馆和学校中，应用VR、AR、MR 的展品、仪器和项目，通常仅涉及浅层现象及原理，科学学习的深度不够；融入虚拟现实相关技术的智能对话场景有待完善，很多科技馆内的人机问答设备只能回答特定问题，不能起到答疑解惑且有问必答的作用。此外，科技场馆向学校提供的VR、AR、MR 技术和相关应用也偏少。

虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育活动中的一种应用模式

“课前 + 课内 + 课外”“线上 +线下”科学教育活动模式

该模式将科学教育活动分为课前、课内、课后3 个阶段，分别在家庭、学校、科技场馆中进行，其中广泛应用VR、AR、MR 技术，使科学教育活动具有线上、线下相结合的形式（图1）。该模式包含两个关键要素：课前、课内、课外教学活动串联进行；以及应用虚拟现实相关技术。整项科学教育活动包含以翻转课堂为特征的课前科学教育活动，以及以校内课堂教学为特征的课内科学教学活动、以科技场馆实践为特征的课外科学教育活动，学习内容前后衔接，具有一定的深度和广度，有利于增强馆校间合作的紧密度，也有利于学生掌握科学知识和技能，自主构建完整的知识体系。同时，将虚拟现实相关技术贯穿于科学教育活动的全过程，赋予科学教育活动以线上和线下相互交织的活动形式，有利于开展跨学科教学活动，拓宽教学途径，也有利于全面培养学生的核心素养。

VR技术的应用

科技场馆和学校联合建设线下VR、AR、MR 体验馆和线上VR 虚拟实验室；馆校联合开发VR 教具、材料和游戏，让学生能观看科普视频和动画，观察肉眼难以看到的结构模型，或通过VR 游戏在人机交互中学习或巩固知识；在3D 建模技术和人工智能技术的协助下，学生可以通过VR 模型编辑器自主制作3D 模型，再使用3D 打印仪器，以手工或机器制作的形式打印模型，再进行观察和讨论。

AR 技术的应用

在科技场馆提供的AR 识别机前扫描指定图文，学生即可在显示屏上观察到周围环境中出现虚拟影像，体验沉浸式学习；学生还可利用移动设备参与AR 游戏、观看科普视频、观察AR 模型，在现实和虚拟的叠加场景中学习或巩固知识；科技场馆和学校也可联合企业和社会机构，研发和优化AR 教育软件，使学生能通过移动设备，于任意时间、地点应用AR 技术进行科学学习，使科学学习摆脱时间和空间的限制。

MR 技术的应用

对于优化学习方式，应用MR 技术可以在现实中创设模拟情景，在教室、科技场馆以图文、视频、动画、语音等形式展现知识，师生可利用头戴式仪器在真实世界中呈现虚拟影像，使用手势互动即可拖动、缩放、旋转整体影像，点击局部部位即可观察细节和内部结构，还可以进行立体视频影像播放、与ChatGPT 等人工智能系统进行语音交互、切换多种影像、以多种形式展现事物等操作，将交互体验从一维拓展至多维，打破时间、空间的界限，充分调动学生的视觉、听觉、触觉多方位感官，实现师生、生生、人机多重交互，为学生带来身临其境的奇妙学习体验。同时，对于优化教学方式，智能设备还可以收集、整理分析教学过程中产生的数据，帮助教师跟踪、记录、评价学生的学习情况，为教师提供生成性的学习效果反馈，有利于教师对课堂实行精准把控[3]。

此外，除结合VR、AR、MR 技术外，本模式还可以融入其他前沿技术，共同优化科学教育活动体系，比如以5G 技术、元宇宙技术为支撑，与学校合作搭建“互联网+”教学平台，并在其中引入VR、AR、MR 技术和ChatGPT 等人工智能技术。

馆校虚拟现实相关科学资源共享形式

馆校多形式合作，创生科学教育活动

线下合作形式

学校可以选择24 小时博物馆开展短时间参观活动，学生可以与各项展品互动、参与手工制作活动、采访科技工作者、担任小小讲解员，录制科普视频；科技场馆可以派科技工作者前往学校，参与展品讲解、开设讲座等科技辅导工作。此外，馆校还有更多合作形式，比如合作建设流动博物馆、科普大篷车、科技馆科学院、虚拟现实相关技术体验馆，进而开展参观、讲解、制作、服务等馆校科学教育实践活动，联合举办促进馆校结合应用VR、AR、MR 技术的研讨会，联合举办青少年科技赛事，开发相关教研活动以推动科学教师专业发展，推动区域及国家层面的整体项目式合作。

线上合作形式

学校可利用WebQuest 建构探究学习模式、问题引导教学模式逐步开展教学活动，科技场馆负责提供系统技术支持，以5G、元宇宙技术为支撑，与学校合作搭建“互联网+”教学平台，并在教学平台内建设虚拟实验室，研发VR、AR、MR 游戏，在翻转课堂中应用VR、AR、MR 技术， 由此学生可以在教师的引导、组织下，通过课堂学习、参观科技场馆、查阅网络资料等途径搜集信息、开展科学学习、构建知识体系，也可以利用网络平台开展探究性学习和研讨交流活动，最后进行反思、评价和总结，最终完成馆校间的科学教育实践活动。

馆校间还可以共享智能教学评价系统，由科技场馆提供技术支持，与学校合作搭建网络平台，完善面向学校学生和科技场馆参观者的科学教育评估体系，从科学知识、科学方法、科学精神、科学思维、科学本质、迁移应用等方面对学习者进行全方位评价和反馈，再由系统进一步提出问题和相关改进方法，必要时师生可以开拓下一个相关议题，在学习循环模式中开展探究性学习。

校外合作形式

科技场馆可提供展品、仪器设备、科技人员、网站资料系统、科普经验、实践场地等资源，配套多元研学活动开展结合虚拟现实相关技术的科学教育活动；科技场馆可增设融入VR、AR、MR 技术的科普项目，完善已有科普设施，向社会募集设施改进意见，举办设计大赛， 开发应用VR、AR、MR 技术的科普设施和科学教育活动。

校内合作形式

学校可提供虚拟现实相关技术教具的设计理念、展品和设备的改进创新思路、优秀活动作品、科学教育理念和方法、科普场地等；学校可以调研自身的科学教育设施需求，从科技场馆引进VR、AR、MR 相关设施， 在校内建设虚拟实验室，研发、创新应用VR、AR、MR 技术的科学教育活动；科技场馆可以通过派遣科技辅导员进校科普展品知识、教授科技课程、开设科技讲座等活动，协助融入VR、AR、MR 技术的馆校结合科学教育活动的开展；学校可以和科技场馆合作，因地制宜创设校本课程，开展综合性实践活动，培养小小讲解员；在科技场馆的技术支持下，学校可以建设融入信息捕捉技术和人工智能技术的教学辅助系统，用于跟踪、记录、分析学生的学习数据，予以师生实时的反馈和评价。

由此，学生可以在学校和科技场馆分别开展课堂和课外实践活动，以此串联起馆校之间科学教育活动和知识学习体系，融正式学习和非正式学习于一体，提高学生的知识掌握水平和探究实践能力。并且，无论在馆在校，馆校间都可以进行线下和线上交流，实现资源共享。

馆校间相互交流作品、理念、设备与测验情况，共享评价和反馈

学校与科技场馆间可以通过多种交互方式共享资源，共同生成评价和反馈并相互借鉴。

学生可向科技场馆提供优秀活动作品，为科技场馆提供展览材料和项目优化经验。比如，学校从科技场馆引进3D 打印技术和相关仪器，让学生在教师的指导下，利用VR 模型编辑器和3D 打印仪器自主制作模型和教具，并利用模型开展观察和实践活动，再由学校将优秀活动作品送回科技场馆进行展览，并对3D 建模活动和相关仪器提出优化建议。

教师可为科技场馆提供教学理念和教学经验，科技场馆可为学校提供前沿技术、科普经验、展品仪器和科普视频，学校教师还可与科技工作者相互交流，共同创新或研发虚拟现实相关教具和科学教育活动，积极组织馆校间合作研学活动。

学校可以在智能教学评价系统内，利用虚拟现实相关技术和人工智能技术生成个性化知识测验，并针对学生的学习效果作出生成性评价，提出改进建议；生成的个性化知识测验及答题情况还可以作为参考反馈至科技场馆，使科技人员了解校内学生的知识水平、学习能力和心理状态，有利于改进科技场馆内互动项目，尤其是答题小游戏。

前景与挑战

前景

融入VR、AR、MR 技术的“ 课前+ 课内+ 课外”“线上+ 线下”科学教育活动模式，将虚拟现实相关技术应用于馆校结合科学教育，串联家庭、学校和科技场馆的科学教育活动，使线上、线下活动项目贯穿于整个科学教育活动，有利于促进馆校科学教育合作，充分整合校内外科学教育资源，为学生提供身临其境的学习内容和操作机会，能够赋予教学内容直观性、趣味性、现实性、系统性等特点，促进学生掌握知识与技能，激发学生对科学学习和VR、AR、MR 技术的兴趣，锻炼学生的技术与工程实践能力、模型建构能力、数据分析能力、审美能力、创新思维能力、语言表达能力、自主学习能力和合作学习能力等，促进学生核心素养的全面发展，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。

此外，加强虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用，是跨学科技术整合的过程，有利于促进元宇宙、人工智能、5G 等其他前沿技术融入馆校结合科学教育，实现远程教育的进步，推进 STREAM 教育理念、STSE 教育理念、HPS 教育理念等在探索多元化教学方式中的实践，使科学学习摆脱时间和空间的限制，让游戏化学习更便捷、更真实、更丰富，促进真实学习走出特定情境，实现资源的多通道实时共享，助力师生、生生间的合作学习[4]。

挑战

虚拟现实相关技术不够成熟且成本较高，科技场馆和学校可能由于资金受限，无法提供相关技术服务，特别是MR 技术服务。

科技馆和学校对MR 技术的使用基本停留在头戴式设备阶段，MR 设备由于其高精度的特点，没有配套完整的产业链，用户在使用时可能出现尺寸不合适、有眩晕感、因延迟而使用脱节等问题，导致体验感不佳，且VR、AR、MR 高精度仪器的损耗与修复也面临着一些问题[4]。

由于应用VR、AR、MR 技术的科学教育活动属于技术探究实践活动，且一些相关应用操作复杂，可能难以达到高效完成教学目标的效果。

部分教师受专业水平限制，在掌握新型馆校结合科学教育模式时可能遇到困难，也可能因畏难情绪而不愿用、不常用此类教育模式。

一些结合VR、AR、MR 技术的教学系统不够完善，软件开发程度也不够高，使用频率较低，很多學校仍处于未引进阶段，需要一段时间渗透应用VR、AR、MR 技术的馆校合作科学教育模式。

参考文献

[1] 教育部. 全面提升中小学生科学素质——教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》[J]. 科普研究， 2023， 18（3）： 2.

[2] 赵志敏. 虚拟现实技术在科技馆的应用[J]. 科协论坛， 2018（6）： 14-15.

[3] 陆吉健，周美美，张霞，等. 基于MR 实验的“多模态+ 人机协同”教学及应用探索[J]. 远程教育杂志，2021， 39（6）： 58-66.

[4] 杨馨宇，黄斌. 混合现实（MR）在教育教学中的应用与展望[J]. 中国成人教育，2020（13）： 52-57.