摘要：近年来，VR技术火爆，众多VR应用技术已经迅速覆盖了影视、游戏、体育等多个文化娱乐领域。VR技术具有可为使用者提供真实感极强的虚拟场景，适用于教育事业。同时，增强现实技术的研发与出现，也给虚拟现实技术提供了很大的增幅。将虚拟现实技术与增强现实技术相结合，在平日的教学活动中，不仅使得老师能够更加详细和形象的去讲解知识点，也让学生更加容易去理解知识，让学习不在拘泥于课本上的文字之中。

关键字：虚拟现实技术；增强现实技术；结合；教学

1 引言

VR是Virtual Reality的简称，即虚拟现实技术，虚拟现实是由计算机视觉、仿真技术、人机交互等多种信息技术演变发展而来的新型计算机技术。通过将视觉与现实世界隔离开，借助显示设备，使人能够穿越沉浸于一个完全的虚拟世界。虚拟现实技术建立人工构造的三维虚拟环境,用户以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响,极大扩展了人类认识世界,模拟和适应世界的能力。虚拟现实技术广泛应用于仿真训练、工业设计、交互体验等多个领域，解决的许多重大和普遍性的需求。

增强现实是在虚拟现实的基础上发展起来的一种新兴技术。增强现实技术基于计算机的显示与交互、网络的跟踪与定位等技术，将计算机形成的虚拟信息叠加到现实中的真实场景，以对现实世界进行补充，使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验。增强现实具有三大特点，即虚实结合、实时交互和三维配准。增强现实具有三种呈现显示方式，按距离眼睛由近到远划分分别为头戴式、手持式、空间展示。增强现实的应用领域非常广泛。如在教育领域增强现实可以为学生呈现全息图像、虚拟实验、虚拟环境等；在旅游业增强现实可以帮助游客自助游玩景区，以虚拟影像的形式为游客讲解景区概况、发展历史、人文景观等内容；在零售业中增强现实技术可以实现一键试穿，在网上销售中具有极大的应用空间。增强现实在工业、医疗、军事、市政、电视、游戏、展览等领域都表现出了良好的应用前景。

混合现实是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。混合现实技术结合了虚拟现实技术与增强现实技术的优势，能够更好地将增强现实技术体现出来。根据史蒂夫·曼恩的理论，智能硬件最后都会从增强现实技术逐步向混合现实技术过渡。混合现实技术和增强现实技术的区别在于混合现实技术通过一个摄像头让你看到裸眼都看不到的现实，增强现实技术只管叠加虚拟环境而不管现实本身。

2 虚拟现实技术与增强现实技术的起源

2016年被业界称为“虚拟现实元年”，可能有人会误认为这项技术是近年来才发展起来的新技术。其实不然，虚拟现实技术最早起源于美国，1965年虚拟现实之父伊凡·苏泽兰在国际信息处理联合会会议上发表的一篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，描述的就是我们现在熟悉的“虚拟现实”，早在虚拟现实技术研究的初期，苏泽兰就在其“达摩克利斯之剑”系统中实现了三维立体显示。增强现实是指在真实环境之上提供信息性和娱乐性的覆盖，它是苏泽兰在进行有关头戴式显示器的研究中引入的。1966年美国麻省理工学院的林肯实验室正式开始了头戴式显示器的研制工作。在这第一个头戴式显示器的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的头戴式显示器系统。1989年，VPL公司的 Jaron Lanier 提出用“Virtual Reality”来表示虚拟现实一词，并且把虚拟现实技术开发为商品，推动了虚拟现实技术的发展和应用。虚拟现实技术兴起于20世纪90年代。2000年以后，虚拟现实技术在整合发展中引入了 XML、JAVA 等先进技术，应用强大的 3D 计算能力和交互式技术，提高渲染质量和传输速度，进入了崭新的发展时代。虚拟现实技术是经济和社会生产力发展的产物，有着广阔的应用前景。2008 年 2 月，美国国家工程院 (NAE) 公布了一份题为“21 世纪工程学面临的 14 项重大挑战”的报告。虚拟现实技术是其中之一，与新能源、洁净水、新药物等技术相并列。为了获得虚拟现实技术优势，美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发。

3 虚拟现实和增强现实技术在教学中的具体应用

3.1 头戴式虚拟现实和增强现实设备在教学中的应用

头戴式虚拟现实设备一般包含头戴式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备等，分为移动虚拟现实头盔和分体式虚拟现实头盔。国外有脸谱、谷歌、微软、三星等公司的虚拟现实头盔产品，国内有微视酷、蚁视、暴风魔镜、中兴、乐视、华为、小米等100多种虚拟现实头盔产品。结合国内外的研究报告以及目前虚拟现实教育实践情况，虚拟现实和增强现实技术在生物、物理、化学、工程技术、工艺加工、飞行驾驶、语言、历史、人文地理、文化习俗等教学中均可应用。

学生使用头戴式虚拟现实设备体验学习时具有置身真实情境的沉浸式感觉，能给学生以绝佳的真实体验，使人如身临其境，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。例如地理学科讲述关于宇宙太空星际运行的课程时，在现实生活中学生无法遨游太空，如果戴上头戴式虚拟现实设备，就可以让学生从各个角度近距离观察行星、恒星和卫星的运行轨迹，观察每个星球的地表形状和内部结构，甚至能够降落在火星或月球上进行“实地”考察、体验星际之旅等。

头戴式增强现实装置代表产品有微软 HoloLens、Magic Leap 和 Meta 2 等，均有酷炫的体验感，能够让使用者在任何地方观看虚拟电视，甚至可以把影像投影在墙上、手机屏幕或者面前的空气中，这些增强现实设备应用将取代所有的“显示器和屏幕”。

3.2 桌面式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用

桌面式虚拟现实与增强现实设备具有代表性的产品是美国zSpace公司的虚拟现实教育一体机，美国从 2013 年开始使用，现在使用的zSpace Z300为第三

代产品。根据美国最新的《新一代科学教育标准》，zSpace开发出了包含2到12年级多门学科的课件，课件分布在六款软件之中，教师可采用系统平台自带

课件实施教学计划，也可创造性地自主开发新课件。zSpace不仅可以成为教学工具，还为学生、老师提供了丰富的素材资源。在美国的小学、中学和大学有 250

多所学校上万名学生正在使用 zSpace STEAM 实验室课件来进行学习。我国的云尚互动公司 2015 年年底将zSpace Z300引入中国，2016年4月“智创空间”获赠6套该设备用于创客教育和STEAM教育的推广普及，至今共有 2700 多人次来体验学习。zSpace Z300的内容覆盖了小学、初中和高中的生命科学、数学、物理、化学、历史、地理、地球与空间科学、艺术等多个学科，课件总数达440多个。该平台还提供课件资源开发系统，教师可以根据需要将stl、obj等格式的3D模型文件导入系统，同时可以加入文本、图片、声音和视频文件，教师可以像制作 PPT 课件一样进行修改和自主开发能够在 Z300 平台上运行的课件资源。Z300 平台的使用方法有两种：一种是戴上3D眼镜（含追踪和非追踪眼镜），戴追踪眼镜者用激光笔操作，其他人戴上非追踪眼镜都可以看到 3D 虚拟现实效果；另一种是增加一个全息摄像头和平板电脑（或投影），将Z300设备的3D 影像叠加投射到平板电脑上即可呈现出裸眼3D的增强现实效果。

3.3 手持式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用

手持式增强现实设备多采用移动设备与APP软件相结合的方式。APP有视+AR、AR、4D 书城、幻视、视视AR、尼奥照照等，另外有多种增强现实图书都有相配套的 APP，如《机器人跑出来了》、《实验跑出来了》、《恐龙争霸赛来了》这套“科学跑出来”系列增强现实科普读物有 iRobotAR、iScienceAR、恐龙争霸赛来了等多个 APP，它们的原理都是采用手机摄像头获取现实世界影像，通过手机在现实世界上叠加虚拟形象的形式，实现增强现实的特殊显示效果。有的 APP 中提供了丰富的教育资源，如安全教育、科普读物、识字卡片、益智游戏等，特别适合儿童教育。使用方法有两种：一种是手机 APP 与相配套的纸质图书一起使用，用手机摄像头扫描图书上的图片，在手机屏幕上即可呈现出如图 14 的演示效果；另一种使用方法是运用APP下载增强现实资源并与外界实景叠加。增强现实特效非常逼真，利用这些 APP 进行学习，学习过程具有真实感、体验感、沉浸感，增强了学生学习知识的兴趣，可以达到寓教于乐的教学效果。

四、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中存在的问题

4.1 虚拟现实设备应用中的眩晕问题

人们在使用虚拟现实设备时会出现眩晕感，从硬件结构来看，由于现在的科技还无法做到高度还原真实场景，许多用户使用配置达不到要求的虚拟现实产品时会产生眩晕感；虚拟现实界面中的视觉反差较大，实际运动与大脑运动不能够正常匹配，影响大脑对所呈现影像的分析和判断，从而产生眩晕感；虚拟现实设备的内容有相当一部分资源是从 PC 电脑版上移植过来的，UI 界面不能很好地匹配虚拟现实设备，不同的系统处理上也无法达到协调统一，画面感光线太强或太弱都不能让用户接受；虚拟现实设备帧间延迟跟不上人的运动，会有微小的延迟感，当感官与帧率不同步时也会让使用者产生眩晕感。

4.2 虚拟现实和增强现实技术在教学中资源短缺 

目前虚拟现实和增强现实产业刚起步，软硬件设施不完备，开发人员技术力量不足，很多学校未配备虚拟现实和增强现实设备；中小学校的很多教师还没有接触过虚拟现实和增强现实，不知道如何在教学中应用，更谈不上如何去开发虚拟现实和增强现实教学资源。因此，针对中小学教学所开发的虚拟现实资源很少，课程资源短缺是虚拟现实和增强现实在中小学推广的最大瓶颈。但随着虚拟现实和增强现实技术的迅猛发展，将虚拟现实和增强现实技术应用于教学势在必行，未来虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用势必带来课堂教学方式的颠覆性改变。

4.3 虚拟现实和增强现实教学平台和资源的设计重形式轻内容

构成虚拟现实教学。虽然学生在虚拟世界玩得津津有味，课堂气氛很活跃，学生互动、交流和讨论很热烈，表面上看学生得到了沉浸式的体验感，但是有些虚拟现实教育平台所提供的知识点讲解还停留在现实世界中，课本内容的单调、枯燥并没有因软件的存在而得到缓解，知识要点的讲解没有变得更加生动、有趣和有针对性，这种只重视形式而不重视内容、教与学完全脱节的虚拟现实课堂

只能称为“伪虚拟现实课堂”。

4.4 虚拟现实和增强现实设备价格较高和技术条件限制导致普及困难

企业的前期研发成本较高、设备销售量较少，导致多数虚拟现实和增强现实设备销售价格居高不下，很多学校因资金问题望而却步，无力购买售价高昂的虚拟现实和增强现实设备，进而导致虚拟现实和增强现实技术在学校的推广普及步履艰难。如 zSpace Z300刚引入我国时每台售价20多万元，微软的 HoloLens还未上市，公布的预售价在每台 2 万元以上，普通头戴式虚拟现实设备的价格也在 2000到5000元之间。大多数虚拟现实软件普遍存在语言专业性较强、通用性较差和易用性差等问题。受硬件局限性的影响，虚拟现实软件开发花费巨大且效果有限。另外在新型传感应用、物理建模方法、高速图形图像处理、人工智能等领域，都有很多问题亟待解决。三维建模技术也需进一步完善，大数据与人工智能技术的融合处理等都有待进一步提升。以上诸多原因的存在制约了虚拟现实和增强现实技术在中小学教学中的推广和普及。

4 结语

人工智能、大数据分析与虚拟教育被称为影响未来的三大科技创新方向。未来的虚拟现实和增强现实技术将结合更多高新科技元素如人工智能、云计算、大数据和移动技术等，而随着虚拟现实和增强现实技术的发展，其在教育领域的发展前景也将会越来越广阔。虚拟现实和增强现实学习环境带给我们的不仅仅是一个技术平台或工具，更会孕育出一种新型的教学模式和教学方法。

参考文献：

[1]张量,金益,刘媛霞,牛丽.虚拟现实（VR）技术与发展研究综述[J].信息与电脑(理论版),2019,31(17):126-128.

[2]王辞晓,李贺,尚俊杰.基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用及发展前景[J].中国电化教育,2017(08):99-107.

[3]王同聚.虚拟和增强现实(VR/AR)技术在教学中的应用与前景展望[J].数字教育,2017,3(01):1-10.

[4]Azimkulov Ayan（阿阳）. VR技术的虚拟教学应用研究[D].东华大学,2017.

[5]郭天太. 基于VR的虚拟测试技术及其应用基础研究[D].浙江大学,2005.

[6]黄鑫. 基于VR技术的虚拟教学应用研究[D].华中师范大学,2005.