碳纤维增强复合材料在军用舰船方面的应用及展望（5篇）

第一篇：碳纤维增强复合材料在军用舰船方面的应用及展望

碳纤维增强复合材料在军用舰船方面的应用及展望

碳纤维增强复合材料（CFRP）自问世以来就一直在军事领域特别是航空航天领域中发挥着重要作用。近年来随着应用研究的发展，国内外对其在海军舰艇上的应用越来越重视。CFRP在海军舰艇上应用时具有如下突出的优点：优良的力学性能；耐腐蚀（可耐酸、碱、海水侵蚀,水生物也难以附生）；大幅减重；优良的声、磁、电性能（透波、透声性好,无磁性,介电性能优良）；优良的设计、施工性；容易维护，维护费用远低于钢制舰艇。

早期CFRP仅仅应用在小型巡逻艇和登陆舰上。相对差的制造质量和船体刚度限制了其长度不能超过15m，排水量不超过20t。近年来随着低成本复合材料制造技术的提高，CFRP才开始应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和护卫舰上。

近几年国外制造的新型舰艇中不乏大量使用CFRP的亮点之作。美国制造的短剑号隐身快艇

“短剑”高速快艇长24.4米，宽12.2米，吃水0.9米；排水量67吨；动力装置为4台“毛虫”柴油机，每台功率1650马力，由4具6叶螺旋桨推进，在载重37吨下航速可达50节。艇体采用了比传统的钢材更结实、更轻巧的CFRP。一次能够运载12名全副武装的“海豹”突击队员和1艘长11米的特种作战刚性充气艇。同时，可搭载1架小型无人机。

目前，“短剑”是美国使用CFRP一次成型制造的最大船体，在整体制造成形过程中不用焊接，更无需铆接，因此船体外表十分光滑，重量也大为降低。尽管目前的成本相对于普通的钢和铝合金偏高，但在这—技术成熟后，进行批量生产的成本将有较大的下降空间。作为试验艇，“短剑”的单艘造价约为600万美元，试验总成本在1250万美元之内。

综合“短剑”艇体的这种设计，以及CFRP的使用，不但使其获得了高速，也使其行驶过程中的稳定性更高，高速行驶中的沉浮现象大大减轻，即使在高速回转时，依然可以保持平稳行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了艇的适航安全陛，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。与此同时，由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。瑞典制造的维斯比级轻型护卫舰

维斯比级轻型护卫舰（Visby-class corvette）是瑞典皇家海军最新锐的舰艇之一，由于奇特的外形设计，很好的隐身性能，并采用喷水推进装置使该级舰具有很高的机动性，同时又可减少舰的吃水，使该舰能在浅水海区使用等优点，使其受到国际社会的广泛关注。

该级舰的最大特点是采用全新的隐身设计技术。舰壳材料并非采用常规钢材，也不是普通玻璃钢，而是CFRP，采用特殊真空注入技术建造而成。为了达到关键性能要求，壳体必须尽可能轻，因而壳体采用夹心结构，由聚氯乙烯夹心和碳纤维乙烯基酯层压板构成，它不但具有很高的强度和经久耐用性，还具有优良的抗冲击性能。

“维斯比”舰的舰体、甲板、上层建筑基本都是CFRP夹层板制成的。与传统材料相比，这种材料不仅结构坚实，强度可与钢铁相媲美，而且无磁性，有利于降低舰艇产生的磁场，并有良好的抗震性能，因而可执行反水雷任务。此外，CFRP夹层板光滑平糙，有助于取得良好的隐身效果。同时还可以绝热，对舰内各种机械设备产生的红外辐射有较好的屏蔽作用。另外，这种复合材料比重轻，可减轻舰体重量，且不象铜那样容易腐蚀，从而大幅度减少全寿命费用。

为了用CFRP建造如此大的舰船，瑞典海军花费了大量的时间进行了试验,研究出了真空辅助夹层灌输法生产工艺。CFRP夹层板的芯是PVC材料制成的板材，厚度不等，从纸张一样薄到9厘米厚都有，上面有细小的格槽，然后将乙烯薄层和碳纤维覆盖在PVC主芯上。这种方法的优点是纤维含量比手工铺设的要高，结构重量更低。

印尼制造的全碳纤维导弹巡逻艇

印尼PT Lindun公司在2012年推出一款全碳纤维导弹巡逻艇，该导弹巡逻艇艇长63米，采用先进的三体船身设计，将成为东南亚地区最先进的海军舰船。该舰采用激进的穿浪船体设计以改进适航性和稳定性，并且完全由CFRP制成，采用了真空导入工艺和乙烯酯树脂。用这些材料构建船身结构增强了该舰的隐身性，同时降低了使用期运行、维护的成本。

如果将舰船上可以使用碳纤维来提高性能的结构部分归类，大致可分为如下几方面。

CFRP上层建筑

60年代中期以来巡逻炮艇上的炮艇甲板室就开始采用复合材料，70年代早期，猎雷艇的上层建筑也开始采用复合材料。芬兰皇家海军的快速巡逻艇劳马（Rauma）的上层建筑也采用复合材料夹层结构，船体采用铝合金。复合材料甲板室要克服两个主要问题：即采用钢时出现的腐蚀和水上重量过大。对于小型海军舰艇（长度小于20m）来说，采用复合材料代替钢可以减轻约65%的重量。

与钢和铝相比，CFRP上层建筑存在很多缺点，例如制造成本高，因为其和钢甲板的连接处花费昂贵，对于中型护卫舰来说，上层建筑采用CFRP代替钢会给建筑成本增加40%~140%，尽管如此，许多舰船制造者和海军已开始接受更高的制造成本，因为可以节省使用周期成本，从而降低总体成本。

CFRP桅杆

20世纪60年代复合材料首次应用在桅杆上。传统的钢桅杆采用开放式结构，突出在外，会干扰本舰的雷达和通讯系统且易于腐蚀。美国海军于1995年着手研制先进全封闭式桅杆/传感器系统（AEM/S），整个结构高28m,直径达10.7m,是美国海军舰艇上最大的CFRP水上结构。试验设计制作的AEM/S由两个外表面向内倾斜10°的上下两个六角锥形体结构组成,上半部覆盖FSS可让本身特定的周波数穿过，下半部能反射雷达波或由雷达吸波材料所吸收。各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内，结构内部传感器的电波能以极低的损耗穿过结构物，结构的外部由能反射电波的CFRP板材构成。由于所有设备都在结构内部，可以防止风雨和盐份的侵害，对设备的维修保养十分有利。这种AEM/S系统完全脱离了传统的桅杆概念，并装备在斯普鲁恩斯（Spru-ance）级驱逐舰——USS Arthur W.Radford上，取代原来钢桅杆的主要部分（即接近船尾的部分）。AEM/S系统的成功极大地促进了先进CFRP桅杆技术与下一代美国海军海面作战的水上设计部分的结合。

CFRP螺旋桨

海军舰艇的螺旋桨材料一直以来都是镍铝铜合金，存在很多问题例如加工复杂叶片时花费高，叶片容易疲劳产生裂纹，声学阻尼性相对较差，振动时会带来噪音等等。因此海军设计者们不得不考虑其它材料，最引人注目的材料是不锈钢、钛合金以及CFRP。

CFRP螺旋桨系统的设计和性能高度机密，近年来的研究进展未见公开发表。不过众所周知，CFRP叶片中的纤维可以承受主要的水动力和离心力。CFRP叶片的好处是承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小。因此可以通过设计纤维排列和堆积的顺序来优化叶片性能。纤维排列的方向影响叶片的推力、有效螺距和翘曲。因此叶片的设计和制造需要精确以确保获得最优性能。目前大批海军舰艇安装了CFRP螺旋桨，如登陆舰和扫雷艇。CFRP螺旋桨也用在鱼雷和小型船只上。

CFRP推进轴系

在减轻船体重量的趋势中，推进系统的动力传输部件的减重也提到了议事日程。典型的是在2或4台高速柴油机通过减速齿轮箱驱动喷水推进器的高速船上，无论柴油机与齿轮箱之间，还是齿轮箱和喷水推进装置之间的距离都缩短了。尤其是在双体船狭小的空间里要求错落布置4台柴油机，前部柴油机中发出的功率必须通过后部的柴油机传输出去。因此，这就要求配备重量最轻、部件最少的传动装置。而采用由碳纤维管材料的驱动轴，能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。

CFRP驱动轴的主要优点包括：明显地减轻了驱动轴的重量，轴越长，减重的量越大，复合轴减重的效果越明显；临界速度高，长轴系上通常不需要布置轴承，减少了轴承的数量，降低了成本，减轻了轴系，减少了部件，节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量；长寿命、低噪声、无腐蚀、无磨擦、免维修、不导电、无磁性。

高强度碳纤维绳索

文献检索表明日本已有相关碳纤维缆绳的报道，但技术保密非常严格，主要用途是海军军舰的缆绳和其他军用物品。

碳纤维突出的特点是强度和模量高，密度小，耐腐蚀性能好，膨胀系数低，耐高温蠕变性能好，摩擦系数小，自润滑，导电性高等特点。由于碳纤维既具有高于钢铁的拉伸模量和几倍乃至数十倍的拉伸强度，又具有纤维的可编织性能，以此作为基体材料制作碳纤维绳索，恰好可弥补钢丝绳和有机高分子绳索的不足，得到高性能的碳纤维绳索。碳纤维绳具有一系列优异的使用性能。与结构和直径相差不多的钢丝绳相比较，碳纤维绳具有巨大的优越性。碳纤维绳的重量还不到钢丝绳的四分之一，前者比后者轻得多，使用时省力；前者的弯曲刚性仅为后者的四分之一，前者易于弯曲便于作业，后者僵硬操作困难。此外，碳纤维绳的断裂伸长比钢丝绳小得多，应力-应变曲线为一直线，直至断裂，中间没有屈服点，因此，在多次重复使用时，不会有残余应变现象的发生。碳纤维复合材料绳索还具有良好的拉伸疲劳性能，在应力振幅小的条件下几乎没有疲劳现象发生，当应力振幅较大时也同样显示出优良的疲劳特性。碳纤维复合材料绳索耐腐蚀、不生锈和优良的耐候性也是钢丝绳无法与其相比的。

总之，碳纤维复合材料绳索，不仅重量轻，比强度、比模量高，而且耐腐蚀，在高温和低温环境中线膨胀系数小，性能稳定而柔软。具有传统绳索（天然纤维、有机纤维、无机纤维和钢丝绳等）无可比拟的优越性，将是传统绳索的更新换代产品。碳纤维绳索可以用于以下几个方面：支持（撑）性缆绳，如大跨度斜拉桥缆绳；增强混凝土，如海洋工程混凝土；舰船、海上作业船用缆绳；游艇支索；登山用绳索等。

CFRP烟囱

复合材料烟囱具有质轻、成本低的优点,以及优良的热绝缘性能，而且能够削弱雷达信号从而提高舰船的隐身性，已在MCMV上成功应用多年。Vis-by级和La Fayette级护卫舰的烟囱都采用复合材料夹层结构。当前目标是在大型军舰上使用复合材料烟囱。

以下还有一些正在研发之中，准备使用碳纤维的部位及部件。舰舱壁、甲板、舱门

此方面的应用正处于研究之中，优点是质轻20%~40%，更低的磁特性，火灾时热传导低，阻声性能更好；缺点是制造和安装的成本比钢制的高20%~90%。CFRP和周围钢结构的联结处需要足够的抗内部冲击损坏的能力，此即为成本大幅增加的主要原因。

附件

许多海军正考虑将CFRP应用在武器外罩和甲板防护板上，及作为导弹冲击遮护板，以免受高速射弹和榴散弹的冲击。日本专家对于如何提升军舰的生存能力已做了具体研究论证，使用低成本成型法制造的CFRP为主题的上层船体构造在耐爆炸以及耐燃烧性能方面已经可以达到了军用舰船的使用标准。

方向舵

舰艇用CFRP方向舵正处于研发之中，预计其比现有的金属舵轻50%，成本低20%。

设备底座

一个复合材料的底座比同尺寸的钢底座轻58%，且可以提供足够的保护，使机械和设备免受水下冲击载荷、抵抗冲击损坏。此外由于它的阻尼性和无磁性，复合材料底座能够降低舰艇的声音和磁特性。

热交换器

海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水腐蚀和侵蚀，因此维护费用高。由此还降低了使用寿命。美国海军正在考虑使用CFRP的热交换器。

管道系统

复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管道。1951，美国海军在一艘护航驱逐舰上安装了复合材料管道，望其比传统的黄铜管道便宜、质轻和更耐腐蚀，果复合材料管道在运输热水时迅速降解并开始渗漏。60年代，提高了复合材料管道的质量和耐久性后，国皇家海军将其安装在突击艇的压舱系统中。70年代早期，国海军在其巡逻护卫舰上也安装了复合材料管道。据估计，合材料管道的生产安装成本比黄铜或不锈钢管低15%50%。美英海军正继续挖掘复合材料管道的潜在应用价值。

目前,CFRP在海军舰艇上的应用非常广泛。但是，大部分已经成熟的技术仅应用于相对较小的海军舰艇（巡逻艇,MCMV、护卫舰）或大型舰艇的非结构、非关键性部件。随着科学的发展和技术的进步，CFRP在海军舰艇上的应用必将日益成熟。

第二篇：碳纤维增强复合材料在汽车上的应用终结版综述

碳纤维增强复合材料在汽车中的应用

摘要

随着汽车工业的飞速发展，减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，寻找较轻且性能良好的材料代替钢制汽车零件成为一个重要的研究方向。碳纤维增强复合材料具有强度高、重量轻、耐高温、耐腐蚀、热力学性能优良等特点，碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能，是当前汽车材料轻量化的重要研究发展方向之一。本文介绍了碳纤维增强复合材料的特点、成型工艺及在汽车行业的应用情况，以及碳纤维增强复合材料在汽车应用中存在的问题。

关键词：碳纤维 增强 汽车 应用

前言

现在社会汽车已成为人民出行必不可少的交通工具，在汽车给人类带来方便的同时也给环境带来了污染，汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25％，每天可节省750,000桶燃油，每年二氧化碳的排放量可减少1.01亿吨，因此汽车轻量化已成为汽车工业技术发展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构进行优化设计和改进外，采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。如选用铝、镁、钛、高强度钢、工程塑料和复合材料等，用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。

碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料，是目前最先进的复合材料之一。它以其质量轻、强度高、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗腐蚀材料，是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料，同时也受到汽车工业广泛重视，碳纤维增强复合材料在汽车方面主要是汽车骨架、缓冲器、弹簧片、引擎零件等，早在1979年，福特汽车公司就在实验车上作了试验，将其车身、框架等160个部件用碳纤维复合材料制造，结果整车减重33％，汽油的利用率提高了44％，同时大大降低了振动和噪音。

碳纤维具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点，可用于制造碳纤维增强聚合物、金属、陶瓷基复合材料，是先进复合材料最重要的增强体。碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能。本文将简述碳纤维增强复合材料的性能特点，及其在汽车工业应用的前景和存在的问题。由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，严重影响其在汽车工业中的应用。因此，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题，美国、日本等已将其列为汽车轻量化材料的研究计划。

碳纤维增强复合材料的特性

碳纤维增强复合材料以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。

碳纤维增强复合材料的成型加工技术包括碳纤维的坯体制造、碳基体的制造和基体与纤维的复合。首先，将碳纤维或碳纤维织物制成坯体，根据原料形式不同分为：长纤维缠绕法；碳毡短纤维模压或喷射成型；石墨布叠层。目前，其坯体研制以三向织物为主，三向织物以X、Y、Z方向互成90度正交排列，各方向的碳纤维在织物中保持准直，因此能较好的发挥纤维的力学性能。其次，制作复合材料的基体。碳-碳复合材料的基体有树脂碳和热解碳两种，树脂碳是由合成树脂或沥青经碳化和石墨化获得，热解碳是由烃类气体的气相沉积获得。最后，把坯体与基体复合成型。

碳纤维增强复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。

（1）具有很高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重一般为1.70～1.80g/cm3，密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度，强度为1200～7000MPa，；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料。纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

（2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异

（3）耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部。

碳纤维增强复合材料在汽车行业的应用情况

碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料。由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，它也是适用于制造汽车主结构――车身、底盘最轻的材料，受到汽车工业广泛重视。主要的应用有：发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮，传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等，底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等，车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。自从1953年第一辆全复合材料车身的汽车问世以来，复合材料在汽车上的应用不断增多。如今在汽车车身、尾翼、汽车底盘，发动机罩、汽车内饰等各个地方我们都能够发现碳纤维复合材料的身影。

碳纤维增强复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40～60％，相当于钢结构重量的1/3～1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50％。但由于碳纤维成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，仅在一些F1赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用，如BMW公司的Z-22的车身，福特公司的GT40车身、保时捷GT3承载式车身等，碳纤维增强复合材料以其优异的性能取得了飞速发展并且在社会各领域得到了越来越广泛的应用.增强纤维作为纤维增强复合材料的一个重要组分,其性能如何将直接影响着复合材料的应用层次,而且高性能增强纤维作为高竞争性、高赢利性品种一直是世界各大生产商乐于巨额投资的研发项目品种,它的发展及其在先进复合材料中的适应程度在目前乃至将来都有许多值得探索的地方.在先进复合材料中, 碳纤维增强复合材料是目前最常应用的高性能增强纤维之一，碳纤维复合材料具有足够的强度和刚度以及优良的综合性能，它的应用将可大幅度降低汽车自重达40～60％，对汽车轻量化具有十分重要的意义，已成为汽车轻量化材料的重要发展方向。为提高碳纤维增强复合材料的用量，美国、欧洲、日本等通过加紧研究廉价碳纤维的原丝（高品级聚丙烯晴丝）和碳纤维的低成本、高速率的生产工艺，使碳纤维的价格降低到约3美元/磅。目前碳纤维增强复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度却达到钢的7-9倍，以其制造的汽车可以节约燃油30％。碳纤维最初只应用于军事、航空航天等高科技领域，随着近年来碳纤维行业的逐步发展，才慢慢向汽车以及其他民用领域扩展。

1992年通用汽车公司介绍了超轻概念车（Ultralite Concept Car），该车的车身采用碳纤维复合材料，由手铺碳纤维预浸料工艺制造，整体车身的质量为191kg。用碳纤维取代钢材制造车身和底盘构件，可减轻质量 68%，从而节约汽油消耗40%。

丰田设计的“1/X”混合动力车，由于车身骨架采用碳纤维材料，创造出百公里耗油仅2.7升的超低燃耗记录。此外，三菱EVO X极致轻量化的车身改造，均缘于大量碳纤维套件的使用，如牌照框、导风罩、散热孔罩等构件均采用碳纤维材料。

卓尔泰克（Zoltek），是美国碳纤维领先制造商，已成立一个新的子公司，称为 Zoltek Automotive（卓尔泰克汽车公司），加快对轻质碳纤维在汽车业大幅应用的领域。这个新子公司将由两位在汽车复合材料应用方面德高望重的专家领导，并有超过12名来自卓尔泰克已有业务中的工程技术人员及其面向全球的销售人员加盟。

卓尔泰克公司董事长兼首席执行官Zsolt Rumy表示：“我们一直把汽车行业看作是我们的低成本、高性能碳纤维的最大的一个潜在市场。虽然我们已积极开发车用碳纤维很多年了，Zoltek Automotive的成立则是我们将产品开发与潜在市场需求更紧密联系的一个新的开始。我们将通过Zoltek Automotive的专业技术，开发新的生产方式，帮汽车行业客户制造性价比更高的碳纤维加工产品，使碳纤维技术的应用和流程更简易高效。”

日本帝人集团的总裁，也同样对进军碳纤维市场充满信心，认为通过未来几年在车辆中使用碳纤维增强塑料（CFRP），能够帮助电动汽车车身减重一半以上。

碳纤维复合材料具有比金属材料更高的刚性和抗冲击性能，还具有极佳的能量吸收能力，进一步保证了碳纤维复合材料汽车的安全性。据介绍，碳纤维复合材料的能量吸收能力比金属材料高4-5倍左右。数年来，F1车队一直采用碳纤维复合材料制造其赛车的碰撞缓冲构件，从而显着减少了这顶级汽车运动项目中的重伤事故。

碳纤维增强复合材料在汽车中的应用存在的问题

虽然碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量、比重小、耐腐蚀且具有较高的强度和硬度，但碳纤维增强复合材料的价格昂贵，大批量、高效率生产汽车零部件的工艺方法仍需要进一步发展、完善，严重影响其在汽车工业中的应用。除了价格因素之外，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用还存着在一些问题需要解决。存在的问题如下：

1.成本问题。碳纤维增强复合材料所用的纤维和基体材料价格高，是该材料在汽车工业广泛使用最大的障碍。生产碳纤维的原丝――聚丙烯晴丝较贵，美国正在研究以纺织商品级的聚丙烯晴丝为原丝并能够快速生产廉价碳纤维的工艺，可望将碳纤维的价格降至3美元/磅。

2.缺乏大批量、高生产效率的碳纤维复合材料汽车零部件的生产方法。

需研究能够生产多种形状和性能的汽车零部件工艺方法，由于汽车行业特点，要求工艺成本要低，生产率要高。研究发展高效、低成本的复合材料零件生产工艺意义重大。

3.缺乏复合材料的快速、大批量连接技术。4.复合材料汽车零部件的回收再利用问题。

5.碳纤维增强热固性树脂基复合材料的回收尚存在一定问题，有待解决。6.复合材料汽车零件的设计数据、试验方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。

结束语

碳纤维增强复合材料如此昂贵，还有发展空间吗？答案是肯定的。目前碳纤维增强复合材料在技术等各方面都取得了长足的进展，应用领域也在不断扩展，从以前主要集中在航空航天及代表科技前沿的军事领域，逐步拓展到工业应用领域，特别是近几年以来，碳纤维增强复合材料在土木工程、交通运输、纺织机械等方面的应用大幅增长，尤其在汽车上的应用大幅增加，据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13％的速度飞速增长。谁先掌握先机的技术，研究出高效率，成本低的生产先进工艺就能占领整个市场，因此而获得巨大的经济效益。目前我们需要做的是研究高效、低成本的生产工艺，研究快速、大批量的链接技术，研究回收复合材料的回收再利用技术，完善复合材料汽车零件的设计数据、实验方法、分析工具、碰撞模型等，从这几个方面入手，碳纤维增强复合材料的成本会大大降低。

目前碳纤维材料在民用量产汽车，尤其是中档产品应用也十分广泛，很多厂商也已经开始提供碳纤维材料的小组件，如后视镜壳、内饰门板、门把手、排挡杆、赛车座椅、空气套件等，同时可以原装位安装到发动机舱的风箱、进气歧管等碳纤维改装件也是品种繁多。碳纤维材料在汽车领域的应用越来越多也越来越广泛，相信在不久的未来，汽车排放越来越“低碳”，而汽车本身则会越来越“高碳”。随着碳纤维行业的不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成。

国际上已将碳纤维复合材料在汽车中的应用列为汽车轻量化材料发展计划的关键内容，并取得了重大进展国际碳纤维市场发展迅速，需求量的不断增长也给中国碳纤维行业提供了难得的发展机遇。随着应用研究的进一步深入，未来碳纤维产品将趋向于高性能化，民用、工业用量将继续保持大幅增长趋势。受益于庞大的内需市场，碳纤维增强材料汽车零部件这一细分市场必将有巨大的增长空间。

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第三篇：虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望

虚拟和增强现实（VRAR）技术在教学中的应用与前景展望

摘要 2016 年被称为“虚拟现实元年”，虚拟现实作为近年来极为火热的科技话题，给人们带来焕然一新的感官享受，激发了许多关于“虚拟现实 ”行业的发展想象与前景构想。同时，增强现实的出现，也让人们获得了极佳的体验感。本研究梳理了虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域，分析了虚拟现实和增强现实技术在教育中的应用、优势和存在的问题，阐述了虚拟现实和增强现实技术在创客教育和STEAM 教育中的作用，并对未来的发展前景进行了展望。关键词：虚拟现实；增强现实；VR；AR；创客教育；STEAM 教育；人工智能；大数据

一、虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域

（一）虚拟现实和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（VirtualReality，简称VR）技术最早起源于美国，1965 年虚拟现实之父伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）在国际信息处理联合会（IFIP）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（Augmented Reality，简称AR）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[1]。1966 年美国麻省理工学院（MIT）的林肯实验室正式开始了头戴式显示器（HMD）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[2]。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。

我国虚拟现实技术的研究起步于20 世纪90 年代初。随着计算机图形学、计算机系统工程等的高速发展，虚拟现实技术得到相当的重视。2016 年3 月17 日全国两会授权发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中指出：“大力推进先进半导体、机器人、增材制造、智能系统、新一代航空装备、空间技术综合服务系统、智能交通、精准医疗、高效储能与分布式能源系统、智能材料、高效节能环保、虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。”[3] “虚拟现实”位列其中，同时，投身于虚拟现实的创业团队呈爆发式增长。有人在展望2020 年重要新兴核心科技的发展时也把虚拟现实和增强现实技术列入当前重要的八项新兴核心科技（八项新兴核心科技如图1 所示）。国家广告研究院等多家机构联合发布的《2016 上半年中国VR 用户行为研究报告》显示，2016 年上半年国内虚拟现实潜在用户达4.5 亿，浅度用户约为2700 万，重度用户约237 万，预计国内虚拟现实市场将迎来爆发式增长。虚拟现实用户群体以80 后、90 后为主，集中在26 ～ 30 岁之间的85 后，占比达到28.4%，这与年青一族乐于接触新鲜事物的特点有关。另外，用户群体有从北上广等经济发达城市逐渐向全国扩散的趋势[4]。

（二）虚拟现实和增强现实的概念、特征和应用领域 1.虚拟现实技术

虚拟现实，是一种基于多媒体计算机技术、传感技术、仿真技术的沉浸式交互环境。具体地说，就是采用计算机技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验[5]。

虚拟现实具有3I 特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、构想性(Imagination)，是一个学科高度综合交叉的科学技术领域。虚拟现实与人工智能(AI)技术及其他相关领域技术结合，将会使其还具有智能(Intelligent)和自我演进演化(Evolution)特征[6]。头戴式虚拟现实设备如图2 所示，用手机扫描图3 二维码即可观看虚拟现实视频介绍。虚拟现实涉及门类众多的学科，整合了很多相关技术。虚拟现实是未来科技发展的方向之一，它可以从人的感觉系统上改变现有的空间感。虚拟现实现有的产业链大致可分为硬件设计开发、软件设计开发、资源设计开发和资源运营平台等几种类别。通过虚拟现实关键技术的突破以及“虚拟现实 ”的带动，会产生大量行业和领域的虚拟现实应用系统，为网络与移动终端应用带来全新发展，将会推动许多行业实现升级换代式的发展。虚拟现实可以应用于国防军事、航空航天、智慧城市、装备制造、教育培训、医疗健康、商务消费、文化娱乐、公共安全、社交生活、休闲旅游、电视直播等领域中。如2016 年10 月17 日中央电视台运用虚拟现实全息技术直播了“天宫二号”和“神舟十一号”交会对接及其共同建立组合体的过程，采用虚拟追踪技术，让“天宫二号”从大屏幕中“钻”了出来，通过机位的景别变换，观众可以直观地看到”“天宫二号”的数据和设计细节，使观众身临其境地全面了解“神舟十一号”“天宫二号”及其组合体内部构造和控制面板，同时主播文静还“走进”“天宫二号” 实验室内，逐一向观众介绍“天宫二号”的内部结构信息，与传统的新闻播报相比，电视直播应用虚拟现实技术显得更加生动活泼，视觉冲击力更强，观众感受更直观。2.增强现实技术

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[7]。

增强现实具有三大特点，即虚实结合、实时交互和三维配准[8]。

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（head-attached）、手持式（hand-held）、空间展示（spatial）[9]。增强现实智能眼镜如图4 所示，扫描图5 二维码可以观看Magic Leap 增强现实演示视频。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。3.混合现实技术

混合现实（Mixed Reality，简称MR）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[10]。混合现实技术效果如图6 所示，扫描图7 二维码可观看混合现实演示动画和视频。4.扩展现实技术 扩展现实（Expander Reality, 简称ER）是人联网和物联网的整合，是虚拟现实发展的高级阶段，虚拟现实发展到扩展现实阶段，现实和虚拟的边界被抹去，人们很难分辨自己是生活在虚拟世界还是现实世界[11]。扩展现实场景如图8 所示。5.虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实的区别 虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实四者间的区别是：虚拟现实的主战场是“虚拟世界”，人们使用虚拟现实设备探索人为因素所建立的虚拟世界，追求沉浸感，虚拟现实是纯虚拟数字画面；增强现实的主战场是“现实世界”，人们使用增强现实设备产生的虚拟信息来提升探索现实世界的能力，具有极强的移动属性，增强现实是虚拟数字画面加上裸眼现实；混合现实是数字化现实加上虚拟数字画面，从概念上来说，混合现实与增强现实更为接近，都是一半现实一半虚拟影像；扩展现实是人联网和物联网的整合，是虚拟现实发展的高级阶段，现实和虚拟的边界将被抹去。

二、虚拟现实和增强现实技术在教学中的具体应用 虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用潜力巨大、前景广阔，主要体现在运用虚拟现实和增强现实技术具有激发学习动机、创设学习情境、增强学习体验、感受心理沉浸、跨越时空界限、动感交互穿越和跨界知识融合等多方面的优势。虚拟现实和增强现实技术的应用，能够为教育工作者提供全新的教学工具，同时，能激发学生学习新知识的兴趣，让学生在动手体验中迸发出创新的火花。因此虚拟现实和增强现实技术应用于教育行业是教育技术发展的一个新的飞跃，它营造了自主学习的环境，由传统的“以教促学”的学习方式演变为学生通过新型信息化环境和工具来获取知识和技能的新型学习方式，符合新一轮教学改革的教育理念，有助于学生核心素养的培养。虚拟现实和增强现实设备有多种，这里分别介绍各种设备在教学中的具体应用。

（一）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。虚拟现实头戴设备如图9 所示，手机扫描图10 二维码观可看虚拟现实效果视频。2016 年，微视酷推出了一款虚拟现实课堂教学系统，在国内具有一定的代表性。该教学系统由一台教师用的平板电脑主控端、多套学生用的虚拟现实眼镜和IES 教育软件系统构成。系统具备一键操控、一键统计和一键打印功能，教师可根据教学进度需求，随时控制学生虚拟现实眼镜教学内容。微视酷开展了“VR 课堂1 工程”计划，跨越了全国多个省市。其中在陕西省榆林市高新小学呈现的“神奇星球在哪里”虚拟现实示范教学观摩课情景如图11 所示[12]。虚拟现实把学生从现实带到了虚拟世界，虚拟现实技术让学生成了一名宇航员，让学生看到了许多平常看不到的东西，与传统的课堂相比，虚拟现实课堂让学生获得身临其境的感受，有利于学生发挥想象力，能更直观地呈现授课内容，提高学生学习的积极性。

头戴式增强现实装置代表产品有微软HoloLens、MagicLeap 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”。以Ho-loLens 头戴式增强现实设备为例（如图12 所示），其主要硬件由全息处理单元（CPU GPU HPU）、光学投影系统（Lcos 微投影仪 光导透明全息透镜）、摄像头与传感器部分（6 个摄像头 惯性传感器 环境光传感器等）、存储部分、其他部件（耳机 麦克风 电池 结构件）等组成。学生在使用HoloLens 后，就可以扔掉电脑和手机，不用键盘、鼠标和显示屏幕，双手在空气中操作即可完成现在人们在电脑和手机上的所有操作，悬空操作即可完成机器人的3D 建模设计任务，如图13 所示。

（二）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 ～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。zSpaceZ300 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。

（三）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即可呈现出如图15 的演示效果。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。

三、虚拟现实与增强现实技术在教学中应用的优势分析

（一）虚拟现实与增强现实技术为学生自主学习提供了有利条件

虚拟现实和增强现实教学资源存在形式多种多样，根据采用的设备不同，可以将教学资源保存在网络运营平台、桌面式设备、移动设备和纸质图书里，学生可以在不同的地方采用不同的设备调用虚拟现实和增强现实教学资源进行随时随地的自主学习。如果学生在课堂上有些知识点未能掌握，可以重新学习一遍，增加对知识的巩固和理解，有时学生因为特殊原因未能在课堂上学习，也可以课后弥补，同时可以将虚拟现实和增强现实设备作为载体采用“翻转课堂”或“微课导学”教学模式[13][14]组织教学，为学生提供自主学习条件，教师也可以从繁重的重复性讲解中解脱出来，有针对性地为学生答疑解惑，有助于传统教学方式的变革。

（二）虚拟现实与增强现实技术为学生提供更加真实的情景 在传统的教学课堂上，知识的传输主要通过文字、图片、声音、动画和视频的形式呈现。遇到比较复杂的情况，比如数学课的立体几何、地理课的天体运动、物理课的磁力线和电力线、化学课的微观粒子结构、生物课的细胞结构等，教师用语言很难把这些知识点表达得非常清晰，同时由于每个学生的理解力不同，教学效果也会因人而异，甚至初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学，三维立体效果的呈现可以弥补这样的缺憾，能够把知识立体化，把难以想象的东西直接以三维形式呈现出来，让学生直观感受到文字所表达不出来的知识，真实的情景可以帮助学生对知识的理解和记忆，使学生的想象变得更加丰富。

（三）虚拟现实和增强现实技术能提高学生的学习兴趣 由于虚拟现实和增强现实技术具有视觉、听觉和触觉一体化的感知效果，学生具有真实情境体验、跨越时空界限、动感交互穿越的感受，能身临其境般在书海里遨游，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。身临其境的感受和自然丰富的交互体验不仅极大地激发了学习者的学习动机，更给学习者提供了大量亲身观察、操作以及与他人合作学习的机会，促进了学生的认知加工过程及知识建构过程，有利于实现深层次理解[15]。传统的学习方式让很多学生觉得枯燥乏味，为了应付考试不得不去死记硬背，但很多知识学生考完之后很快会忘得一干二净，而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学，新颖的学习方式和丰富多彩的学习内容能够极大地提升课堂教学的趣味性，生动形象的场景会加强学生的记忆，激发学生的学习兴趣。“兴趣是最好的老师”，兴趣也是学生学习新知识的不竭动力。

（四）虚拟现实和增强现实技术应用能促进优质资源均衡化 我国幅员辽阔，地区之间贫富差距较大，存在教学资源分配不均的情况。经济发达地区无论是软硬件配置，教学师资和教学资源都非常丰富，而经济落后、地域偏远的山村学校学生连接受最基本的教育都难以实现。各级政府和教育主管部门都在大力推进教育均衡发展，加大教育投资力度，而虚拟现实和增强现实技术应用将是解决城乡教育资源不均衡问题的一把金钥匙，有利于缓解教育资源两极分化，扩大优质资源的分享范围，能让教育资源不再受限于地区和学校，让教育发达地区的名教师通过虚拟现实和增强现实课堂走进山村学校，能通过整体优化教育资源配置，来缩小城乡差距，实现教育公平，同时这也是教育扶贫的较佳途径。

四、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中存在的问题 虽然虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用可以改变传统的教学方式、提高学习兴趣、实现教育均衡发展，但虚拟现实和增强现实技术发展还处在初级应用阶段，在技术瓶颈、资源开发、教学内容和推广普及等方面还存在很多问题。

（一）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。

（二）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。

（三）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

当前很多虚拟现实教育平台都只是在一个3D 视频或虚拟现实软件游戏的基础上构成虚拟现实教学。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”。

（四）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 ～ 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。

五、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中的前景展望

（一）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学形式的影响 随着科学技术的迅猛发展，在云计算、雾计算、物联网、“互联网 ”、大数据、人工智能突飞猛进的新时代背景下，虚拟现实和增强现实技术与人工智能、大数据和物联网融合，将会让虚拟现实和增强现实技术应用如虎添翼。根据国际数据公司的预测，未来一年里，在以消费者为导向的全球2000 强公司中，预计有30% 的企业将在营销活动中试验虚拟现实和增强现实技术。2021 年时，虚拟现实和增强现实技术将获得大规模应用，全球会有超过10 亿人通过虚拟现实和增强现实平台经常访问应用程序、内容和数据[16]。随着虚拟现实和增强现实软硬件设备的性能提升和价格降低，会有更多的教育投资公司开发出更加丰富多彩的教学资源，让虚拟现实和增强现实技术快速走进中小学课堂，在教学中大面积应用普及。依托其具有的沉浸性、交互性、构想性、虚实结合、实时交互和三维配准等超级体验感的优势，教师的教学方式和学生的学习方式都将会发生改变。虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用普及将会颠覆传统的教育方法和教学形式，具有巨大的应用潜力与应用前景。

（二）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学效率的提升 虚拟现实和增强现实技术与教育的结合，将会提高未来课堂的教学效率。因为传统教学模式是教师面向全班同学以灌输式、无差异的方式组织教学，而采用虚拟现实技术教学将使课堂教学采用个性化、自主式、体验式的方式组织教学，通过因材施教，每一位学生都可以在虚拟环境中，个性化地听老师为自己讲课，还能与虚拟环境中的老师互动交流。传统课堂为一人讲多人听，而虚拟现实课堂则相当于每个学生面前都有一位自己的老师。同时增强现实技术还可以将静态的文字、图片读物立体化，增加阅读的互动性、趣味性和真实感，创设现实情境，通过3D 模型使抽象的学习内容变得形象化、微观的学习内容变得可视化、复杂的学习内容变得简单化，帮助学生理解和识记抽象的概念。虚拟现实和增强现实作为教育工具应用在课堂上，将为学生展现一个能够交流互动的虚拟世界，既能满足学生的体验感和好奇心，又能以创新的方式传授知识，从而可以大大提升教师的教学效果、激发学生的学习兴趣、提高学生的学习效率。

（三）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学的创新 虚拟现实和增强现实技术能为学生提供多种形式的数字内容和虚实结合的情景化的学习环境，增强了学生在学习中的存在感和沉浸感。通过虚拟现实和增强现实技术能够将虚拟场景与现实世界相结合，通过穿越时空的方式进行交流互动，增强了学生的动手操作能力，提升了学生的感性认识和真实体验，激发了学生的创新意识和创新思维，培养了学生自主探究和自主学习的能力。虚拟现实和增强现实技术是多种先进技术的应用和多学科知识的汇聚与融合，是创客教育和STEAM 教育的较佳载体，将虚拟现实和增强现实技术应用于教学中，为学生的创客学习创造了条件，学生在创客空间里利用虚拟现实和增强现实技术通过主动探索、动手实践、创新设计、跨界融合来学习新知识和掌握新技能，利用先进的虚拟现实与增强现实技术为载体开展创客教育和STEAM 教育，学生在虚拟与现实交互和时空穿越的过程中通过“玩中做”“做中学”“学中做”“做中创”[17]，能够拓展发散性思维，迸发出更加丰富的创新火花，创意“智”造出更加丰富的创客作品。新一轮教学改革已经到来，“中国学生发展核心素养”总体框架正式发布（如图16 所示），其中实践创新作为六大综合表现之一被提出。而虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用正是一种教学模式的创新，将有助于推动教学改革的进程，有助于创客教育和STEAM 教育普及，有助于学生核心素养的培养。

六、结束语

人工智能、大数据分析与虚拟教育（VR 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。将虚拟现实和增强现实技术广泛地应用到课堂教学中，对于贯彻落实教育部关于“发展未来学校”和“智慧课堂改革”的设想有重大意义。虚拟现实和增强现实技术能够将虚拟对象与真实环境相融合，通过其较强的交互性能给学生带来更多的学习乐趣，并为学生提供一种新的学习媒体和学习体验，促使学生在愉悦的状态下进行移动学习、自主学习、项目学习和创客学习。依托虚拟现实和增强现实技术为创客教育的载体，能让学生通过自主探究、跨界融合、团队协作、开拓创新来提升核心素养。让虚拟现实和增强现实技术与教育完美结合，快速走进中小学课堂，将为开启未来教育创新之路做出巨大贡献。参考文献：[1]百度百科.伊凡·苏泽兰[DB/OL].（2015-04-28）[2016-12-23].http://baike.baidu.com/item/%E4%BC%8A%E5%87%A1%C2%B7%E8%8B%8F%E6%B3%BD%E5%85%B0.[2][15] 高媛, 刘德建, 黄真真, 黄荣怀.虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战[J].电化教育研究, 2016，(10):77-87，103.[3]新华网.中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[DB/OL]（2016-3-7）[2016-12-23].http://news.xinhuanet.com/politics/2016lh/201603/17/c_1118366322.htm.[4]微视酷VR 课堂.2016 半VR 用户报告：上半年国内潜在用户达4.5 亿[DB/OL].（2016-10-10）[2015-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMjUyOTcwNg==&mid=2247483743&idx=1&sn=2064e3b574d1f958862fbb688d4641a0&chksm=96dc0f9aa1ab868c0f0bcfc518b0409b3f9dcee101f517e664 386f48f192e39af13d0da0007c&mpshare=1&scene=23&srcid=0105DOdlurJU3dkoq6sFxiO6#rd.[5]张建武, 孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究,2010,(4):109-112.[6]战略前沿技术.赵沁平院士：VR 进入爆发前夜，“VR ”将产生大量行业颠覆性应用[DB/OL].(2016-5-20)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NDQyNzYyNw==&mid=2650613898&idx=3&sn=f0aaf47e8236c26caaa5d4964c4429f7&mpshare=1&scene=23&srcid=0101pavIUz59bxP2 D5RcLxFp#rd.[7]汪存友, 程彤.增强现实教育应用产品研究概述[DB/OL].(2016-5-16)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NzU4MDM0MA==&mid=2650852785&idx=1&sn=221b20320bea14557abc2d1db74f0487&mpshare=1&scene=23&srcid=1222DOnb2MBJNymgkrp11InU#rd.[8]蒋中望.增强现实教育游戏的开发[D].上海:华东师范大学,2012:2-6.[9]战略前沿技术.增强现实（AR）产业深度报告：超越现实，重塑世界[DB/OL].(2016-7v18)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NDQyNzYyNw==&mid=2650615288&idx=4&sn=f29d29d72e4264cb8af7a4f3c60df4ac&mpshare=1&scene=23&srcid=01010TOG9jjH1CFvhGY bq9Z9#rd.[10]百度百科.混合现实[DB/OL].(2016-10-13)[2016-12-23].http://baike.baidu.com/item/ 混合现实/9991750.[11]翟振明.黑科技惊爆出世，抹掉现实和虚拟界限的ER 你知道吗[DB/OL].(2016-12-14)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTU5NTYyOQ==&mid=2658506720&idx=1&sn=0292f25ddde6cc0ebdd45ca4ec99a318&chksm=80dc0862b7ab8174a635ebe8da6e8c3dce24bea34cdbd8beaa00147f1fa12484a9ea02673b9c&mpshare=1&scene=23&srcid=1214odt7K3yBxP5Qn5 tGQS58#rd.[12]微视酷VR 课堂.微视酷VR 课堂挺进大西北，榆林市高新小学首堂VR 课正式启动[DB/OL].(2016-12-05)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMjUyOTcwNg==&mid=2247483828&idx=1&sn=6d2133357210a9b538bce1fe73c74e2a&chksm=96dc0f71a1ab8667d4410944e4a3bbfbbeefb2163de11ba3e1 d66640fb0d6f6dc36ef0c287ba&mpshare=1&scene=23&srcid=0105JIRz71LCDcr8bEu1BUDg#rd.[13]王同聚.中小学机器人教学中“微课”的制作与应用研究[J].中国电化教育,2014，(6)：107-110，126.[14]王同聚.“微课导学”教学模式的构建与实践——以中小学机器人教学为例[J].中国电化教育,2015，(2)：112-117.[16]WPR.2017 新技术展望（1）： 创新创业机遇与发展趋势分析[DB/OL].(2016-12-28)[2016-12-29].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwODMzNjU4Ng==&mid=2651218140&idx=2&s=67639383384f9fe3275490 813068f6a3&chksm=8082a579b7f52c6f0e9a5b5020e2a9578c79dee076b461fcfd21528eaf9fbed087894c7a1afa&mpshare=1&scene=23&srcid=0101PDDVIc9wuKK4nVVCqtRJ#rd.[17] 王同聚.基于“创客空间”的创客教育推进策略与实践——以“智创空间”开展中小学创客教育为例[J].中国电化教育,2016，(6)： 65-70，85.本文发表于《数字教育》2017年第1期（总第13期）特稿栏目，页码：1-10。作者简介：王同聚（1968—），男，河南泌阳人，硕士生导师，中学高级教师，智创空间创始人，研究方向为智能机器人创客教育、STEAM 教育、教育信息化应用等。