李亮　朱津津　祝凌宇

摘要：虚拟现实与移动增强现实作为目前教育技术应用的新兴手段，在目前的教学资源设计过程中得到了大量的应用;该文主要根据目前虚拟现实以及移动增强现实在具体教学中的应用成果，从教学环境、知识结构、学习者关系等方面比较了虚拟现实和移动增强现实的不同特点，并进一步结合高校学生安全教育的教学场景需求，分析虚拟现实和移动增强现实在教学资源设计过程中的核心设计手段和重点展现内容，以虚拟现实结合增强移动现实，分析面向于高校安全防火教育的复合型教学资源的设计方法，为虚拟现实和移动增强现实技术在教学资源设计中的融合性应用提出了具体的方法。相对于传统的虚拟现实或者是移动增强现实独立的教学手段来说，复合性教学环境在教学内容的展现以及教学交互上具有更好的效果。

关键词：虚拟现实;移动增强现实;自然场景;复合性教学设计

中图分类号：G434 文献标识码：A

一、引言

近年来，随着信息技术的发展，新技术、新设备的应用，给教学组织、教育技术应用带来了巨大的变革。在此背景下，移动增强现实与虚拟现实作为目前教育技术的新兴交互手段，在教学过程中的应用将会越来越普遍。虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，这种模拟环境是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，能够使用户沉浸到特定环境中。移动增强现实（Mobile Augmented Reality，MAR）技术，是借助于智能移动端，实时的计算位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界与现实世界融合并进行互动。基于移动增强现实/虚拟现实的教育，是一种将认识世界、感知世界、构建知识紧密融合在一起的教育，也是一种无技术痕迹的教育，这样的教育真正体现了技术为教育服务的思想。因为AR/VR支撑的学习情境可以超出人和知识本体的描述，超出人的视觉观察点，所以能够让学习者更全面地观察事物，大大提高了学习者学习新事物的积极性。进人AR/VR情境，在学习的路线由教师通过问题进行设计的前提下，学习者可以按照个人的意愿进行体验。在这种情况下的教学过程中，学习者走哪条路径体现了教学的意志和策略。学习者的观测点、视点思维，在特殊处境下的创意以及导航漫游留下的学习轨迹，都为大数据提供了以学习者为中心的教学个性化数据基础。虚拟现实、移动增强现实与传统教学资源相比具有以下优势。

（一）更深的沉浸感

虚拟现实、移动增强现实与传统教学资源相比，最突出的优势就是其所构建的沉浸感学习环境，通过这一环境的构建，学习者能够将主要精力投入到学习场景中来，通过虚拟构建或者是信息加工的学习对象进行有效学习，将所要学习的知识内容从平面转化为立体的知识内容，使学习者具有更強的真实感。

（二）丰富的交互手段

在虚拟现实和移动增强现实教学中，交互手段将会更加丰富，可以通过用户动作行为、设备的图像采集以及其他多样化的交互手段，与教学内容之间产生交互，并通过交互响应获取相关的知识内容，与传统的教学资源点击响应的单一化互动手段相比，具有更强的互动感。

（三）更强的教学目的性

在虚拟现实和移动增强现实教学组织中，相关内容的呈现更多体现在教学组织者在一定的教学目的中对于学习对象、学习环境的创设，这与传统的教学手段相比更加体现教学组织者的教学目的。

综上所述，虚拟现实与移动增强现实相对于传统的教学资源上，为用户提供了更深的沉浸环境、丰富的交互手段。值得注意的是，由于虚拟现实与移动增强现实在教学环境构建上是不同的，也将会影响其在实际教学组织上的不同。因此，本文从教学环境、知识结构、学习者关系等方面比较虚拟现实和移动增强现实的不同特点，进一步提出了提出虚拟现实与移动增强现实在教学设计上的注意点，并在分析和设计的基础上对于高校防火安全教育提出了相关复合性设计思路。

二、教学环境分析

虚拟现实与移动增强现实在教学应用的过程中，实质性的区别在于教学环境的构建上，如表1所示，这一个根本性的区别也将会影响虚拟现实和移动增强现实的教学组织和教学应用等多个方面。

（一）虚拟现实教学环境的构建

虚拟现实教学，顾名思义是教学组织者通过计算机构建一个虚拟仿真的学习环境，通过学习者在虚拟的环境中与学习对象的交互，获取学习内容的过程。虚拟现实的教学环境是完全虚构的，教学组织者将会根据所要进行的教学内容和教学目的，设定虚拟现实的教学应用场景、学习对象以及所携带的教学知识内容和交互;在学习者学习的过程中，通过虚拟现实专用设备，在虚拟化构建的学习场景中与构建的学习对象进行交互响应，获取相应的学习知识内容。虚拟现实教学环境具有如下的特点：

1.人工性

虚拟现实学习环境首先是人工的，有目的性的。在学习场景的构建上，虚拟现实所构建的学习环境是完全依照教学组织者根据对于学习内容、学习目的的理解，结合自身对于教学过程的认识，通过交互手段承载所需要的教学内容来构建的，这样的场景构建具有非常明确的教学目的性。

2.有限性

由于虚拟现实的学习环境是人工构建的，因而，在教学环境中所承载的知识内容将全部来自于教学组织者的教学设计。在知识内容上一方面具有组织化的特性，另一方面，在传递的知识内容上也存在着有限性的情况。

3.封闭性

虚拟现实的学习环境构建上更加强调学习者沉浸学习的特性，在教学环境的构建上通过一个较为封闭的学习环境提升学习者的专注度，但是学习环境的构建上也将学习者与自然环境、与其他学习者进行了分割，学习者将会在一个较为封闭的学习环境中进行知识内容的交互学习。

（二）移动增强现实学习环境构建

移动增强现实学习是指借助于智能移动设备的图像采集、图像处理等设备，在一定的学习场景下，学习者与通过有目的性信息加工的学习对象进行交互，获取相应的知识内容。移动增强现实的教学环境构建是虚拟与真实相结合的，教学组织者通过智能移动端，对自然或人工的教学对象进行知识内容构建。学习者在一定的教学环境下，借助于智能移动终端对学习对象的识别，获取相应的知识内容。移动增强现实所构建的教学环境，具有如下的特点：

1.自然性

对移动增强现实学习环境的构建，教学组织者可以借助于自然存在的或者是人工创设的学习对象进行相应的学习环境构建，特别是基于自然存在的学习对象的利用，将会使学习过程与自然情景更好的融合，通过学习者在自然环境中的学习感知获取更加具有价值的知识内容，也在一定程度上赋予了移动增强现实教学环境更强的自然属性。

2.开放性

移动增强现实与虚拟现实不同，在教学环境构建上需要借助于外部的学习对象，触发学习内容的交互，对于学习者来说，学习环境将会受到外界的诸多影响，包括学习对象的自然属性，在具体的学习场景之下其他对象的信息属性以及其他人所带来的社会属性等多种影响，将会对学生沉浸式的学习过程产生一定的影响。

3.复杂性

在移动增强现实学习环境开放性属性前提下，学习目标环境所带来的其他对象信息、社会属性信息以及学习对象的其他属性信息，将构建一个具有一定冗余性、多维度的学习环境，学习者在学习的过程中对于这个复杂性的学习环境进行有效的筛选和分析，获取包含符合学习目的和其他与环境相关的知识内容。

综合以上几个方面，在教学环境上，移动增强现实与虚拟现实相比较，虚拟现实具有更强的教学目的，而对于移动增强现实来说，开放性的学习环境，给学习者更多的学习空间，更加强调学习者对于学习环境的感知。因此，在移动增强现实教学环境中，对于学习者的学习向导将会尤为重要。

三、知识体系分析

在虚拟现实和移动增强现实教学中，各个知识内容之间的结构将会影响到教学组织和教学设计的策略，进而也将会影响到教学效果。因而需要对于虚拟现实和移动增强现实教学所呈现的知识结构方面进行分析，进而确定在教学设计上的侧重点。

（一）知识表现形式上的不同

虚拟现实学习由于其构建的过程是依据于教学者对于教学目的、教学内容的理解所形成的知识体系结构，因而在知识内容上，教学者可以有目的性的将所需要传递的知识内容，通过教学引导、教学讲解以及教学总结等流程化的手段向学习者传。同时，教学组织者可以根据知识内在结构关系进行组织，学习者在接收的过程中也将会更加具有条理性，学习过程也将会更加清晰，如图1所示。同时，虚拟现实的知识内容相对连贯、密集，在短时间将会传递给学习者大量的信息;这一连续性、密集型的知识结构特点，使学习者需要在短时间内理解大量的学习内容，获取和掌握相关的知识，对于学习者的学习压力和学习储备要求较高。

而移动增强现实在学习运用中，学习者在大部分情况下处在一个相对开放性的自然环境中，在知识结构上更加依赖于学习对象的自然属性。在一般的情况下，各个学习对象之间在表层上是相对独立的，因而，在知识结构上呈现的是离散分布状态，知识内容面向学习者相对独立。虽然这使得学习者在学习的过程中具有更强独立性，但也会使学习者在学习的过程中出现知识点遗漏、学习盲目等问题，在一定程度上影响整体学习环境信息传递的完整性。同时，受到教学环境复杂性的影响，在移动增强现实学习中，其传递的知识内容将会呈现复杂性和冗余性的特征。与传统的教学形式相比，虽然借助于移动终端的交互特性构建了一定程度的沉浸式学习环境，但是在外部环境的影响下，学习者除了关注事先预设的学习对象所传递的学习知识之外，同时学习者还将会受到学习对象其他自然属性以及周边环境所传递的信息影响，这些信息一部分与预设的学习信息相符合，会为学习者提供更加有效的学习内容，但另外大量的冗余信息也将会给学习者在学习的过程中造成困惑，影响学习效果。

（二）知识传递手段的不同

虚拟现实的知识来源于教学组织者在教学环境的创设过程中人工赋予学习对象的知识信息。在知识的传递上，虚拟现实依赖于教学者对于教学内容、教学目的的理解基础上所构建虚拟化的学习场景，借助于学习对象或虚拟过程，主动地向学习者传递信息内容，在知识传递的模式上，更加类似于传统课堂的“教”的过程，为用户提供知识内容。

移动增强现实的知识来源于学生主动、自发地寻找学习对象并获取学习对象的相关知识信息。在知识的传递上，移动增强现实由学习者主动的发現学习对象，并借助于教学者对于学习对象基于教学内容、教学目的的信息加工，获取相关的知识内容的过程。在知识传递模式上，更加类似于传统教学课堂的“学”的过程。

在知识传递模式上，虚拟现实与移动增强现实之间的“教”与“学”的区别，直接影响了其各自在知识内容交互呈现和传递手段上的不同。如何“教”的明白、“学”的清楚，将会直接影响各自知识传递的有效性。

四、学习主体关系的分析

虚拟现实与移动增强现实在教学环境上的不同点，也就影响在具体的教学组织过程中对于知识呈现、交互、传递等方式的不同，这些不同点的分析，将会在实际的虚拟现实教学资源和移动增强现实教学资源的设计上提供更加有效的帮助。

（一）学习者之间的关系不同

虚拟现实的学习环境强调的是学习者的沉浸感学习状态，通过虚拟环境的构建，以虚拟现实设备构建一个个体的、虚拟的学习环境，学习者在虚拟现实环境中大部分是通过个体化的学习和感知，在学习环境下强调学习者的个体化学习能力。

移动增强现实是在真实的环境下通过相应的设备对信息加工所构建的学习环境，在真实环境下，必然会涉及学习者与学习者之间的社会化关系。在这一开放性的学习环境下，学习者之间可以通过面对面的互助、竞争、讨论等社会化学习手段，通过社会化的学习场景，使得学习手段上更加丰富。

在学习者之间的关系中，“个体化”学习与“集体化”学习上的不同，在教学组织中，对于协作化学习以及自主化学习的应用设计上，将会影响到学习效果，具体区别如图2所示。

（二）学生在学习过程中的地位

虚拟现实在教学组织的过程中，教学者更多的是作为主导性的角色出现的。教学者通过对于学习内容的理解，在一定学习目的的驱动下构建虚拟的学习组织过程，学生在该学习场景下进行学习，虽然学生在该学习组织过程中是主体地位，但是在内容获取上更多的是对于教学组织者的主导性行为响应。

移动增强现实在教学组织的过程中，学生更多的是作为主导性的角色出现的;教师根据教学内容，结合教学环境构建了一定的知识内容，但是在学生的学习过程中，这些知识内容更多的是对于学生学习过程启发性的作用，学生借助于这些信息加工工具，对自然学习对象进行感知性的学习，学习的成果更多的依赖于学生的感知能力以及学生自身的学习动力等多方面因素。

学习者在虚拟现实以及移动增强现实中不同的地位，将会给教学组织带来不同的影响。如何在不同的角色中对知识内容有效的组织，使学习的过程更加具有归属感，将会直接影响学习者的学习积极性。

在教学组织过程中，学习者之间不同的关系与地位，也为教学者在教学设计上提出了不同的关注点，只有通过对于这些关注点的把握，才可以更加有效的对于虚拟现实和移动增强现实教学资源的设计提供有效的帮助。

五、教学设计分析

虚拟现实与移动增强现实在学习环境构建上的不同、知识特性以及学习者关系特性上的区别，也影响了虚拟现实与移动增强现实在教学资源开发过程中教学手段设计的方法和应用。针对于不同的教学内容，选择适合的手段进行知识内容的呈现以及多种手段的复合应用，才能够在教学过程中，更好的发挥教学资源的效果。

（一）虚拟现实教学设计

虚拟现实在教学组织上，其最大的特点是沉浸式学习以及完整的教学理念的体现。因此，虚拟现实在实际应用过程中，更多的是对于系统化、体系化的知识内容的构建。在教学虚拟场景中，采用过程性、演进性的方法，在沉浸化的学习环境中构建相关的学习场景。学习者在学习场景中，以身临其境的感觉获取相关的知识内容。

在教学设计上，主要强调的是几点：

1.沉浸化的虚拟情境创设

沉浸化是虚拟现实最核心的交互优势。通过虚拟场景，学习者可以感受到在现实世界中无法感受到的学习环境，特别是针对于不可逆的学习环境的模拟上发挥着更大的作用。因而在虚拟现实的教学设计中，更加强调对于抽象化学习场景的设计，为学习者营造一个形象、封闭的环境，在这个环境中以适合的教学设计，让学习者将更多的精力投入到学习中，真正融入到虚拟世界中，将现实环境中无法构建的环境迁移到学生的学习环境中，学习者通过对虚拟世界的感知获取知识。因而，在虚拟现实的教学设计中，如何构建一个近似真实、具有良好沉浸性的虚拟教学环境是教学设计的关键。

2.教学过程的完整性

虚拟现实学习环境突出的是“教”的过程。通过在虚拟环境中，学生对于虚拟事件的响应、虚拟对象的交互等操作，来获取知识内容;在获取内容的同时，需要让学习者了解相关的知识内容与学习目的之间的关系。因而在虚拟教学设计中，首先需要交代学习者通过虚拟现实的学习，掌握哪些知识，学会哪些技能，让学习者帶着问题进入虚拟现实的环境中进行学习;同时，设置必要性的回顾性环节，将学习者在虚拟环境中的学习、交互过程能够以一定的形式在教学总结中进行再现，采用回顾性的学习教学手段，去弥补学习者在虚拟现实学习中由于紧凑性知识结构所造成的知识内容遗忘的问题。

（二）移动增强现实教学设计

移动增强现实学习，个人在研究上认为其最大的优势在对于真实、自然的情景的应用。借助于智能移动终端的便携性以及信息的有目的性架构，可以在学习对象的真实环境下，构建与学习目的相符的学习场景，让学习者在对于自然学习对象的自我感知的前提下，结合教学者对于教学内容的加工，以自主化、探索化的手段，加深学习者对于学习对象的认识以及学习对象与周边对象之间的关系的理解，提升学习者的认识水平。

在移动增强现实的教学设计上，需要注意以下几个方面：

1.对于离散性知识内容的有效约束

移动增强现实的离散性知识内容的特性在实际的教学中会造成学习者出现知识内容遗漏等问题，这在设计的教学中会影响学习效果。因此，在教学设计上，需要尽量将离散的教学内容以一定的形式约束，比如采用任务或结构化的形式，使学习者明晰在学习的过程中，哪些知识内容已经完成学习，哪些知识内容尚未学习。使离散化的学习内容，在发挥自由特点的同时，不会造成由于知识遗漏所产生的不良影响。

2.对于自然学习对象的有效利用

对于自然对象的利用是移动增强现实学习过程中的一个重要特性，在移动增强现实的教学设计过程中，本文认为应该尽量的以真实环境下的自然对象作为学习对象进行相关的知识传递，通过自然对象与复合属性以及与其他对象之间的关系，为用户传递复合型的信息内容，通过学习者对于复合信息的分析以及理解，逐层次建立学习者对于学习对象的信息模型，并在分析过程中加深学习者对于学习对象的认识，更加强调的是学习者自我探索化的学习方式，感知学习环境，之后在学习环境下，通过一定的手段对于学习对象所携带的知识信息进行探索性学习，构建完整的知识体系。

3.对于社会化属性的应用

学习者之间的沟通、协作对于移动增强现实学习环境的构建具有重要的作用。移动增强现实的开放性的学习环境，对于沉浸式学习环境的构建与虚拟现实相比存在着一定的不足，而通过社会化学习的相关手段，以学习者和学习者之间基于学习内容相关的沟通、协作和对抗等手段，将学习者的注意力吸引到学习内容上来，弥补在开放性学习环境下其他因素对于学习注意力的分散所带来的影响，扬长避短，提高移动增强现实的学习效果。

六、虚拟现实与移动增强现实的协同设计

上文对虚拟现实与移动增强现实在教学设计中的优势进行了分析。如果在教学资源的设计中，将虚拟现实与移动增强现实技术在智能移动端协同使用，发挥各自在相关知识内容传递和教学组织上的优势，将会产生更好的效果。下面，将会以面向于高校的防火安全教育内容为例，通过结合实际的分析与设计，明确虚拟现实与移动增强现实的复合教学资源设计思路。

在高校学生防火安全教育内容上，主要包括防火安全知识、灭火工具使用以及火灾逃生三个部分。三个部分内容在知识内容结构以及教学要求上存在着不同，这些不同点也就决定了在教学交互手段上的不同，如表2所示。因而，下面将会针对于防火安全教育的内容，分别分析不同的内容在教学交互手段的应用方法。

（一）基于移动增强现实的防火安全知识教育

防火安全知识主要包括对于学生在用电、火种等方面的安全教育，通过教育熟悉火灾防范知识。防火安全知识与学生切身相关，学习者对于静止化的学习对象所潜在的安全风险直接影响到学生的人身安全。因而在设计上，应用移动增强现实，对于自然学习对象的有效利用，通过智能移动终端的对象识别技术，对于学习对象进行识别，触发相应的学习内容，通过对于学习对象的加工，让学习者进行相关的知识内容学习，给学习者更加形象生动的知识内容。同时防火安全知识教学在学习对象上较为分散，学习对象之间在表层无明显的关联，因而在教学设计上，需要通过学习任务的形式，对于离散的学习内容进行约束，在学习过程中明确学习者的学习任务以及学习进程反馈，避免学习者在学习过程中对于学习内容的遗漏。

（二）基于移动增强现实的灭火工具使用教育

灭火工具使用的学习主要是让学习者掌握在火灾来临时，通过对于简单灭火工具的使用，达到对于小型火灾的救援工作要求。在知识内容上，需要让学习者理解各个灭火工具的基本属性，以及其适用的场合，使学习者掌握在不同的火灾发生情况下，选择适当的灭火工具。但是，由于部分灭火工具存在着操作不可逆性（如灭火器等），因而，需要借助于移动增强现实的沉浸感、丰富交互手段，为学习者营造一个真实的工具交互场景，如图3所示。

在教学交互设计上，首先通过教学组织者的安排，在学习者学习过程中触发相应的火灾场景。学习者对于火灾发生情况进行甄别，判断采用何种灭火工具。在选择灭火工具后，学习者借助于移动增强现实以及基于实物的识别技术，在移动终端屏幕上通过对于灭火器工具使用方法、过程等知识内容的加工以及虚拟对象的交互反馈，让学习者可以在真实的灭火工具为学习对象的前提下，以向导化的交互方法，掌握灭火工具的基本使用方法和灭火操作过程。

同时，针对于在灭火工具使用过程中部分知识内容抽象化的特点，在教学组织的过程中，以小组讨论的形式，通过学习者之间的讨论、小组之间的竞争等社会化学习手段的引入，在学习过程中加深学习者对于知识的理解、记忆。

（三）基于复合性教学交互设计的火灾逃生教育

火灾逃生让学习者掌握在火灾发生之后，熟悉在不同的火灾情况下，如何自我保护达到安全逃生的目的。火灾逃生知识内容中包含多个知识点，各个知识点之间呈现一定的顺序关系。在知识传递情景构建上，需要为学习者营造一个相对沉浸化的学习环境，让学习者感受到火灾突发的情况下所造成的危险以及相应的响应举措。在逃生演练中，学习者需要与逃生所需要的工具进行交互，通过交互获取相关工具的使用指南。因而，在火灾逃生教育交互设计上，采用复合性的教学交互设计方法解决火灾逃生不同阶段的教学需求。

在火災逃生知识教学场景设计上，通过智能移动终端构建一个虚拟现实的学习场景。在此场景下，以教学目的、教学内容和交互响应的完整化、流程化的教学组织形式，面向于学习者传递完整的逃生教学过程，通过虚拟场景进行火灾逃生相关知识点的学习，通过沉浸化的学习情境完成火灾逃生“教”的过程。

火灾的逃生演练是一个连续、完整的过程，在过程中需要学习者在遇到发生火灾的情况下，学会寻找逃生工具，选择适合的逃生路线。因此在设计上，以移动增强现实作为交互方法，通过智能移动设备的图像采集功能，在现实的场景下寻找适合于自我防护的工具，如湿毛巾等设备，如图4所示，以学习对象寻找过程、知识内容加工以及交互性虚拟操作等作为学习手段，通过真实性的学习对象与虚拟交互内容完成火灾逃生“学”的过程。

为了保证学习者逃生过程的正确性，以任务化的驱动形式对于各个关键性的步骤进行演练，通过智能移动终端的拍照功能进行关键性操作结果的记录。在对于逃生路径的记录上，借助于基于Lbeacon的室内定位技术，定期向移动终端发送当前设备的位置信息，结合对于关键性逃生指示标志等图像采集，通过数据绘制学习者的逃生演习路线以及时间等信息，使安全教育的组织者能对学习者的逃生手段、逃生路径等方式进行有效的验证，以简单且生动的方式使学生更加准确地掌握逃生的方法。

七、结语

虚拟现实与移动增强现实，在技术表现形式上具有一定的相同点，但是由于其对于学习对象的表示方法以及教学环境构建上的不同，在所实现的教学资源的知识结构组织、学习者关系建立以及教学设计上存在着很大的不同点。因此在实际的教学资源设计中，针对不同的知识点内容应用，需要有效的分析虚拟现实以及移动增强现实的具体教学实施特点，结合教学资源所要承载知识内容的内在联系以及教学目的，合理应用虚拟现实与移动增强现实等技术手段，才可以使新技术教学资源的教学效果充分发挥。

同时针对于虚拟现实和移动增强现实教学资源的教学特点，借助于移动智能终端，在教学资源的构建上融合使用虚拟现实和移动增强现实两种技术，在教学设计上实现两种技术在知识传递、结构组织以及学习者关系建立上的优势互补，有效发挥各自技术的特点，将会为教学资源技术应用开发提出一种新的技术路径和解决方法。