虛擬現實技術在歷史教學中的應用

陳華明 吳建平 方芳 徐溪溪 歐九瑜

摘 要：虛擬現實（VR）技術能通過創設情境與體驗虛擬世界，克服抽象歷史知識的教學難題，在教學過程中通過對臨場感的控制提升學習效果。根據虛擬現實技術在教學方面的優點，結合歷史教學現實需求，探索其在歷史教學中的應用，以便正確選擇需借助虛擬現實技術開展的教學內容。憑借視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等多感觀整合促進歷史深度學習。文獻綜合分析發現，建構主義學習理論情境教學與混合式教學可為虛擬現實教學應用提供理論基礎，其理論可引導虛擬現實教學與傳統教學方式有機結合，最終提升教學效果。

關鍵詞：虛擬現實技術;歷史教學;建構主義學習理論;深度學習;情境教學;混合式教學

DOI：10. 11907/rjdk. 181641

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）002-0190-04

Abstract： Virtual reality （VR） technology can overcome the teaching difficulties of abstract historical knowledge by creating situations and experiencing virtual world， and improve the learning effect by controlling the sense of presence in the teaching process. According to the advantages of virtual reality technology in teaching， combined with the actual needs of history teaching， we explore its application in history teaching with the purpose to choose the right virtual reality teaching content. The integration of visual， auditory， tactile and olfactory senses promotes the deep learning of history. Based on the comprehensive analysis of literatures， it is learned that constructivist learning theory's situational teaching and blended teaching can provide theoretical basis for VR teaching application. Its theory can guide the organic combination of VR teaching and traditional teaching methods， and finally improve the teaching effect.

Key Words： virtual reality technology; history teaching; constructivist learning theory; deep learning; situational teaching; blended teaching

0 引言

歷史文物、歷史場景、歷史人物及歷史事件等可通過虛擬現實技術“重現”，給歷史教學帶來創新的可能。近年來虛擬現實技術發展愈加完善，在教育領域的應用研究也逐漸增多。從近3年的研究趨勢看，其應用領域范圍大幅擴展，涉及醫學教育、實驗教學、仿真教學、虛擬場景、虛擬校園等，但其中虛擬歷史的研究較少。國外VR視頻開發主要關注科普文化方向，其次是在游戲及自然科學、物理、醫學課堂方面的研究，對于歷史教學沒有形成系統研究。雖然有一些虛擬現實技術的教育研究已轉向歷史課堂，但總體研究量還不能達到質變效果。歷史教育不僅能培養愛國情懷，還能提升人文素養、發展思維能力、端正價值觀。歷史教育具有重要意義，但常規多媒體課件已經無法滿足歷史教育的要求，教學日漸增長的媒體依賴性需要有更加先進的技術提供支持，虛擬現實技術在歷史教學中的應用給歷史教學改革帶來全新風貌，將歷史教學中的抽象問題進行虛擬現實設計，以現有技術是可以實現的。綜上所述，研究需在遵循客觀規律的基礎上，以建構主義理論為指導，將虛擬現實技術優勢應用于歷史教學中才能行之有效。

1 應用狀況

1.1 國外教育研究狀況

虛擬現實技術最早起源于美國，從模擬仿真物理現實開始， 1929年Edwin Link發明了飛行模擬器，隨著計算機技術的發展，虛擬現實技術也在逐步醞釀中[1]。1985年有學者將虛擬現實技術模擬人體用于醫學研究與教學活動;1992年美國東卡羅林納大學建立虛擬現實技術與交易實驗室（VREL），考察虛擬現實技術對教育的影響及在真實世界中的應用[2]。隨著技術日漸完善，加州Infinite Z公司開發了由計算機與虛擬現實顯示器組裝的Z Space，其配備的觸控筆工具可操縱虛擬物體，教學過程中學習者可與虛擬心臟進行互動。此外，全球第一款VR顯示設備發明者Tom Furness于2016年啟動了“VR+教育”事業，并借助AR/VR應用交流社區Virtual World Society建立VR內容創造者與金融支持聯盟，將大眾休閑的客廳變成知識交流的教室[3]。

其它發達國家也非常重視虛擬現實技術的教育應用。如英國第一個教育虛擬現實技術工程主要研究虛擬現實技術軟件包[4]。諾丁漢大學進行了桌面虛擬現實技術輸入及輸出設備、虛擬現實技術裝備小型化與推廣性方面的研究[4]。日本虛擬現實技術主要在建立大規模VR知識庫及虛擬現實游戲方面較為突出。東京大學與研究院等學術機構在VR不同領域進行了較為深入研究[5]。數百家教學機構利用Second Life向學生提供學習機會，在虛擬環境中參觀大學、訪問名勝古跡[3]。除各大科技巨頭的熱情投入外，大學及研究機構也展開了全面研究。目前國外建設虛擬現實課堂在技術方面已經成熟。

1.2 國內教育研究狀況

1996年天津大學國際標準虛擬校園成為國內最早開發的虛擬現實技術應用，西安虛擬現實工程技術研究中心為國內最早開展VR技術實驗的機構[4-5]。北京航天航空大學在VR視覺接口方面有一定研究成果，代表作品是分布式飛行模擬應用[6]。此外，浙江大學在建筑虛擬規劃、虛擬設計方面均有應用，哈爾濱工業大學以人機交互為研究重點，清華大學以“臨場感”研究為主[7-8]。

目前，北航、清華、浙大等高校與工業信息化部等部門及電子工業標準化研究院、高科技公司聯合研究VR技術教學應用，并在校內建立了虛擬現實技術實驗室，著手新一輪科學研究與技術開發[6]。國內企業如新東方、樂視公司合作欲打造英語課堂虛擬現實教學，安妮股份以虛擬現實技術兒童教育產品開發為主，百度則計劃2017年在貧困山區學校構建虛擬現實教室[9-10]。一些公司還成立了VR科普教育研究室，并開展“VR創客基地”研究，其中涉及歷史文物科普。

2016年8月30日，《關于請組織申報“互聯網+”領域創新能力建設專項通知》[11]指出，我國要建設虛擬現實/增強現實技術及應用實驗室。國家主席習近平2016年在杭州出席二十國集團工商峰會開幕式時，在題為“中國發展新起點，全球增長新藍圖”的演講中也指出虛擬現實技術的教育應用。2016年4月14日，工業和信息化部發布了《虛擬現實產業發展白皮書5.0》，全面闡述了國內外虛擬現實產業發展狀況，并指出：教育文化也是虛擬現實技術一個重要領域[12]。因此總體方向是將技術、設備、工具的使用與教學改革相結合，利用技術、設備與工具探索、創設適應信息時代特點的新型教學環節，創新教學模式，切實提升教育現代化水平。

2 建構主義學習理論依據

2.1 人工創設學習方法

建構主義學習理論強調通過技術支持下的系統方法創設人工學習環境，虛擬現實技術正是創設環境的大師。虛擬現實技術通過創設問題情景，引發學生對知識本身的興趣，產生認知需要，激發探究動機等。例如目前較為流行的做法是將VR視頻資源整合到頭戴一體設備中，應用網絡技術建立控制視頻播放的一體化平臺，通過無線局域網鏈接上傳資源，打造虛擬現實環境的人工創設學習方法[12]。在堅持以學習者為中心的條件下，學習者沉浸式地進行信息加工處理，教師引導學習者進行深入學習[13]。歷史教學中學習者在掌握原有知識（教師講解）下，通過虛擬現實歷史知識主動建構模型。

皮亞杰認知發展理論認為知識既非主觀的也非客觀的，而是個體與環境交互作用中逐漸習得的結果[14]。在學習過程中知識不是被傳遞的，而是學習者自我建構的。在歷史教學中對于歷史的理解因人而異，通過對抽象歷史知識的虛擬現實，每個學習者都會有自己的理解，而非僅背誦歷史文字，談及歷史千篇一律。

維果斯基心理發展理論認為促使學生心理發展的知識構架存在于社會-文化-歷史中，其強調對歷史的理解，可見歷史教學對于人的發展至關重要[14]。該理論強調學習需要協作，虛擬現實技術下的歷史教學通常需要學習者交流學習體驗，分享學習成果，并且在虛擬現實環境中學習者通過與虛擬歷史人物交流擴展學習范圍。

斯皮諾認為復雜知識的學習是“盲人摸象”，要從不同的視角去學習，最終構建完整的知識體系[13-14]。歷史教學要基于不同的教學目標從多個視角去理解，如對于歷史人物項羽和劉邦的學習要求有不同歷史視角。虛擬現實技術可以創設不同的歷史環境，使學生從不同的背景了解歷史。

2.2 混合式學習理論

實踐證明，用單一理論指導混合式學習或混合式教學無法得出研究結果。在基礎理論確立后也需要結合實際教學環境進行多種理論共存的研究。比如，教學最優化理論強調教學效果與教學時間最優比例，教學過程用較短時間達到良好效果，即學習者在知識與能力、過程與方法、情感態度與價值觀等方面獲得和諧發展，用合理時間取得較大效度，符合虛擬現實技術直觀呈現抽象知識的性質。行為主義理論認為學習是刺激-反應的聯結，通過反復刺激可以達到學習目的，而虛擬現實技術中的虛擬場景區別于傳統教育的刺激，強烈的代入感有助于增強學習者記憶。認知主義學習理論強調學習者發散性思維，通過思考總結、信息加工最終使有意義的學習發生[12]，而虛擬現實技術的想象性指學習者對所見所聞進行思考，主動習得知識。

3 歷史教學虛擬現實需求

3.1 歷史教學技術需求

傳統歷史教學通過書本文字傳播知識，教學效率得不到保障，而且課堂枯燥單一，多媒體課件大多淪為對文字的搬運，已經無法適應現在學習者學習要求，也無法滿足學習者生日漸新奇的求知欲望。虛擬現實技術利用計算機圖形系統、各種控制接口設備，生成可交互的三維仿真環境，提供沉浸式學習環境。增強現實技術將電子信息疊加于現實世界中，不僅可高度模擬現實世界，還可在虛擬環境中“接觸”模擬的實體。傳統視頻局限于單一平面內，信息接收者通過平面像素變化獲取信息，而虛擬現實技術不僅可以從視覺上將學習者帶入其中，還可從聽覺、觸覺、嗅覺等帶來多方位感知[15]，使學習者更深入地了解歷史。

3.2 加工抽象知識需求

歷史教學中，教師難以用普通多媒體課件教授比較抽象的知識，學習者掌握難度大。對于一些特殊場景，如文物、古建筑等難以用文字描述到位，即使用圖片或其它多媒體也不夠生動形象，原始居民的生活場景、居住建筑、使用的器具等需要通過模擬仿真才可在較短的教學時間內達到教學效果。VR技術為學生發展發散思維提供了豐富資源與便利空間，最大限度地發揮了學生主動性、積極性。啟發式教學方法與現場教學相結合，將抽象的歷史知識以虛擬現實的方式呈現在教學中更便于理解，可極大改進歷史教學效果。

3.3 提高學習效率需求

虛擬現實下的歷史教學可提高學習效率。傳統歷史教學強調背誦，學習自主與及探究性不足，無法滿足教學要求。虛擬現實技術可創建逼真的歷史環境，讓學習者注意力高度集中，有助于對知識的理解，從而提高學習效率。

3.4 促進教育公平需求

歷史教學由于地域、文化、資源差異存在發展不均衡現象。虛擬現實技術教學地域性不強，并且相較于大型科技館、展館、實地考察，虛擬現實投入成本低，容易實施。虛擬現實直觀地展現歷史知識，可以使不同文化背景的學習者具有相似的學習體驗，教學資源不再單一地靠教師傳播，有益于教育均衡發展，解決教育公平問題。

4 虛擬現實技術教育應用科學性

4.1 技術

綜合國內外研究狀況來看，虛擬現實技術日漸成熟，其應用范圍小到分子建模、流體實時仿真，大到建筑仿真、虛擬校園建設。對于在歷史教學中的應用，如歷史古跡恢復、文物模擬、歷史事件再現等，虛擬現實技術可提供強大的技術支持[16]，如《清明上河圖》VR視頻、大明宮復原圖、圓明園建筑復原等案例足以證明虛擬現實技術的成熟[17]。目前虛擬現實技術在歷史教學中的應用有完善的體系架構，結合多種理論的優點，解決當下多種教育問題具有一定的科學性。

4.2 政策與社會環境

符合政策指向、適應社會發展是在實踐中得出的科學觀念。近年來隨著虛擬現實的發展，特別是教育領域應用取得的成果離不開政策支持。美國三屆總統均提出重點發展虛擬現實在教育領域的應用，并且投入大量研究經費;日本更是大力提倡虛擬現實進入中小學教育研究;世界多國在本國虛擬現實教育應用領域均取得了一定成果。巨額商業資金進軍教育市場進行虛擬現實產品研發，搶占未來教育發展一席之地。在這樣良好的社會環境下，發展虛擬現實教育應用是可行的。

4.3 研究熱度

教育發展及技術進步都離不開廣大學者們積極、深入、長久的研究，虛擬現實技術歷經數十載發展，在教育領域的應用研究呈現百花齊放的盛景。自虛擬現實元年后研究又一次達到新高，如今研究熱度有增無減。

5 歷史教學內容選擇

虛擬現實技術教育領域研究狀況指引了研究方向，本文在相關理論指導下分析了研究可行性，最終通過歷史教學需求分析定位教學內容選擇。綜合研究所得經驗，歷史教學中部分抽象內容可以用虛擬現實的方式呈現。歷史學科具有過去性、豐富性、綜合性等特點，其內容不能試驗或者重演，但可以再現歷史情景[18]。

5.1 歷史文物與歷史古跡重建

歷史教學涉及豐富的歷史文物，但許多歷史文物僅以老舊的照片呈現在學生面前，或者通過教師用語言描繪圖片激發學生想象。例如歷史課上介紹古滇王國青銅器“?；~案”時，大部分學生認為它是一件巨大的青銅器，然而它僅70多厘米長。在一些條件好的學校或許可以通過參觀等途徑進一步了解，但大范圍實施比較困難。虛擬現實技術通過其強大的三維圖形表現力，可以將文物立體地呈現在學習者面前，學生既可以通過頭戴設備進行物體圖像虛擬、重建歷史文物，也可以VR/AR結合增加觸覺感受。

在歷史古跡重建方面，虛擬現實技術建?？梢詫⒍喾N樣式的歷史資料用豐富、生動的虛擬模型仿真出來，進而再造歷史景象，使歷史教學突破時空限制，把千百年前以至上萬年前的中外歷史現象重現在學生面前，學習者戴上特殊的頭盔、數據手套等傳感設備，或利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環境的一員，進行實時交互，感知、參與虛擬世界中的各種歷史現象，從而獲得身臨其境的感受和體會，形成深刻的印象與認知[18]。通過計算機技術模擬的虛擬現實，可全方位真實展現歷史文物或歷史古跡。如通過圓明園虛擬現實模型，學生利用頭戴一體設備可看到其真實圖景;一些青銅文物、古建筑均可借助虛擬現實技術還原其形態。學習者與虛擬環境相互作用、相互影響，在原有知識基礎上與信息、環境交融建構知識體系，場景的刺激、信息的再次加工促進有意義的學習發生。

5.2 歷史事件場景再現

歷史事件在歷史教學中必不可少，一些非常有價值的歷史事件通過簡單的文字描述難以凸顯其深刻性，虛擬現實技術可重現歷史事件場景，如鄭和下西洋、黃海戰役等可通過虛擬現實技術再現歷史時刻。歷史事件通過影視素材往往可以產生極強的表現力，學習者在視、聽、觸覺的刺激下能夠深入其中，同時VR技術還可增添更加生動的觸覺及味覺等。與文物、古跡不同的是歷史事件場景再現增加了聲音，并且以動態形式表現出來，學習者代入感強烈，然而歷史事件動態場景再現難度較大、成本也更高。

5.3 虛擬歷史人物

虛擬現實技術可創設個性化學習環境，使學習者與歷史人物面對面交流[20]。在三維建模的基礎上將歷史人物放置于特定場景，學習者進入后可與歷史人物交流，還可結合虛擬歷史古跡，創設如岳陽樓一樣的場景，與古人吟詩作對，盡情發揮學生才能;或者與先進人物一起座談、進行答疑，如偉大的科學家、思想家等，通過與其交談尋求答案、實現精神升華，從而達到學習知識、實現思想教育的目的[18]。學習者與歷史人物一同參與歷史事件，可以進入本位角色，從而更加易于理解人物遭遇。歷史教學中許多內容可通過虛擬現實技術加強教育效果，讓學習者真正融入到豐富多彩的歷史教學中，尤其對新技術依賴強烈的現代教學更凸顯了虛擬現實在教育領域應用的優越性。

6 技術促進歷史深度學習

對選擇的歷史內容以虛擬現實與傳統教學方式結合的形式，促進歷史知識深度學習。深度學習3個領域（即認知領域、人際領域、自我領域）的不同學習表現可通過虛擬現實技術實現。

6.1 認知領域

歷史教學要求讓學習者理解、掌握知識并且能夠將知識遷移[20]，且能夠創造性地應用知識解決問題。基本歷史常識及一些簡單的記憶可通過普通教學完成。而獲得批判性思維與解決問題的能力需通過虛擬現實技術使學習者“身臨其境”感受歷史，并且通過真實的歷史構建自己的知識觀，進而改變認知結構。

6.2 人際領域

虛擬現實情境下的學習環境能促進學習者有效溝通，學生在教學后能以故事的形式對歷史事件進行描述，并針對一些歷史人物作出不同的評價。在討論中形成協作學習，從而對存在的問題獲得多維理解。

6.3 自我領域

虛擬現實學習形式能夠提高學習者學習興趣，明確學習動機，直接促進學習的參與。在教學過程中學習者積極參與學習，通過學習動機的促進，使學生注意力更加集中，促使學習者主動學習。在形成自我監控及指導的自學能力下使學習者學會學習，為擴展其它學科知識打下基礎。

7 結語

虛擬現實技術在歷史教學中的應用建立于建構主義學習理論基礎上，根據歷史教學需求合理選擇歷史教學內容，從而實現歷史知識深度學習。歷史教學中難以用文字或常規多媒體表達的歷史知識可通過虛擬現實技術生動形象地進行描述，同時不排斥傳統教學中教師講授的形式。教學中心可在學習者與教師之間進行切換。虛擬現實技術同樣突破了時空限制，可縮小教育差距、促進教育公平。綜上所述，虛擬現實的仿真世界可提供多感官的強烈交互，給教育者與受教育者帶來新體驗，虛擬現實技術的應用有助于改進深度學習的教學設計。

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（責任編輯：江 艷）