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月虚拟现实教育应用白皮书理论、技术与实践 第1章 虚拟现实教育应用概要·········································21.1 虚拟现实教育应用的政策与趋势·································31.2 虚拟现实教育应用的显著优势···································41.3 虚拟现实教育应用的实践问题···································5第2章 虚拟现实教育应用理论模型与场景·······························82.1 虚拟现实支持的课堂探究学习场景······························92.2 虚拟现实支持的课外自主学习场景······························102.3 虚拟现实支持的高校实践教学场景······························122.4 虚拟现实支持的职业技能实训场景······························152.5 虚拟现实支持的教学技能培养场景······························17 引言·····························································10102CONTENTS xPbZbZtMrOaYdXaQbP8OpNqQtRpMfQmMuNkPoMtN9PnMsRNZtPpRvPnPoR第3章 虚拟现实教育应用技术体系···································203.1 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··········································243.2 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第4章 虚拟现实赋能教学模式创新···································284.1 VR支持的沉浸式翻转课堂教学模式····························294.2 Cloud VR支持的虚实融合职业技能实训模式·····················304.3 VR支持的教-学-评一体化实践教学模式·························334.4 云边端技术架构下的教学模式创新·····························34第5章 虚拟现实教育应用建议与展望·································365.1 应用建议···················································375.2 未来展望···················································38参考文献·························································40附录·····························································4403040506 01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、Cloud VR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。引 言 虚拟现实教育应用概要01虚拟现实技术（Virtual Reality, 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。02 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。《Transforming American Education: Learning Powered by Technology. National Education Technology Plan (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。《Future Ready Learning: Reimagining the Role of Technology in Education. National Educa-tion Technology Plan (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。《Reimaging the Role of Technology in Higher Education（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《The Promise of Immersive Learning: Augmented and Virtual Reality’s Potential in Education》，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。1.103 英国同样关注VR/AR技术在职业教育中