沉浸式虛擬現(xiàn)實教學(xué)對學(xué)習(xí)效果促進(jìn)作用研究

鄭戌冰 曲克晨

（國家開放大學(xué)，北京100039）

一、研究背景

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概述及其對教育的影響

虛擬現(xiàn)實技術(shù)又被稱為“靈境技術(shù)”，是集計算機仿真技術(shù)、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)等于一體的一種綜合技術(shù)。最主要的特征是利用計算機生成一種三維模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互[1]。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、航天以及商業(yè)活動等領(lǐng)域[2]。近年來在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)有了驚人的發(fā)展，越來越多的大學(xué)和私立研究中心參與創(chuàng)新或研究虛擬世界的教育[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的原型和應(yīng)用針對不同類型的用戶（兒童，大學(xué)生，成年人，認(rèn)知或身體障礙學(xué)生等），涵蓋各種教學(xué)內(nèi)容（科學(xué)，藝術(shù)，身體運動或運動認(rèn)知技能等）和教學(xué)目標(biāo)（改進(jìn)學(xué)習(xí)，指導(dǎo)，培訓(xùn)，康復(fù)，發(fā)展現(xiàn)實生活技能）[4]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)之所以在教育領(lǐng)域發(fā)展迅速，是因為大多數(shù)的教育研究者認(rèn)為它有利于學(xué)習(xí)[5]。在“增強教育現(xiàn)實：元回顧與跨媒體分析”中共選出了26 篇文章進(jìn)行分析，主要比較VR 教學(xué)和非VR 教學(xué)的方案的差別；在提供了重要的文獻(xiàn)綜述的同時，得出了VR 教學(xué)具有優(yōu)越性的結(jié)論。從客觀方面來講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)有望促進(jìn)：抽象概念可視化；觀察肉眼無法觀測到的物質(zhì)或事件（微觀或宏觀）；可以進(jìn)行因時間、距離或安全等因素而不能進(jìn)行交互的活動[6]。從主觀方面來講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的3D 環(huán)境能夠：吸引學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升概念的理解；降低認(rèn)知負(fù)荷，釋放短時記憶，使學(xué)生注意力相對集中；使學(xué)生成為真正的知識探索者，在學(xué)習(xí)過程中逐步建構(gòu)自己的知識體系[7]。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)與沉浸學(xué)習(xí)的結(jié)合

心理學(xué)家Mihaly Csikszentmihalyi 提出了沉浸理論（flow theory）[8]，當(dāng)人們在進(jìn)行活動時如果完全投入情境當(dāng)中，注意力專注，并且過濾掉所有不相關(guān)的知覺，即進(jìn)入沉浸狀態(tài)[9]。沉浸學(xué)習(xí)是將沉浸理論運用到學(xué)習(xí)領(lǐng)域的成果，當(dāng)學(xué)生的學(xué)習(xí)達(dá)到沉浸狀態(tài)時，完全無視其他的干擾因素，充分享受學(xué)習(xí)帶來的快樂，獲得忘我的體驗，達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)狀態(tài)。因此將沉浸理論應(yīng)用于教學(xué)實踐，不僅能夠充分發(fā)揮學(xué)生的認(rèn)知主動性，提高學(xué)習(xí)效果，而且能夠激發(fā)學(xué)生的靈感，培養(yǎng)創(chuàng)造力[10]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，沉浸理論逐漸延伸到人機交互領(lǐng)域，尤其是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展為沉浸學(xué)習(xí)的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持，通過營造逼真的環(huán)境和利用設(shè)備實現(xiàn)人機交互調(diào)動受教育者的全部感覺器官，使受教育者全身心地投入到仿真的虛擬環(huán)境中去，達(dá)到沉浸體驗[11]。只有通過將沉浸學(xué)習(xí)內(nèi)涵和特征的分析與虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用特點比較，才能充分將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和沉浸理論相結(jié)合。Jackson&Marsh 總結(jié)了產(chǎn)生沉浸體驗的9 個因素，包括：明確的目標(biāo)、迅速的反應(yīng)、消除干擾等（表1）[12]。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，有的學(xué)者總結(jié)了虛擬現(xiàn)實教學(xué)的特點[13]，現(xiàn)將兩者的內(nèi)涵及特征進(jìn)行了比較（表1）。

表1 沉浸學(xué)習(xí)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)比對表

通過比較，不難發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)對沉浸學(xué)習(xí)效果具有促進(jìn)作用。因為技術(shù)的原因，以前的沉浸教學(xué)只能應(yīng)用于外語教學(xué)課堂中，在其他學(xué)科的學(xué)習(xí)中很難營造讓學(xué)生沉浸其中的環(huán)境。雖然，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域還處于初步嘗試階段，尚未大規(guī)模地引入課堂，且與傳統(tǒng)課堂相比其是否具有更高的學(xué)習(xí)效果還不得而知。但因其能夠創(chuàng)造逼真的情境甚至是現(xiàn)實世界難以接觸的事物，所以在各類學(xué)科中有廣泛的應(yīng)用前景。本文的研究重點是將二者結(jié)合，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸教學(xué)是否能夠產(chǎn)生更好的學(xué)習(xí)效果。

二、理論基礎(chǔ)

（一）沉浸理論

早期的沉浸理論認(rèn)為挑戰(zhàn)（challenge）和技能（skill）的平衡是影響沉浸感的主要因素：若挑戰(zhàn)太高，使用者對環(huán)境會缺少控制能力，而產(chǎn)生焦慮或挫折感；反之，挑戰(zhàn)太低，使用者會覺得無聊而失去興趣。1985年，馬西米尼和卡里根據(jù)研究對技能和挑戰(zhàn)的關(guān)系進(jìn)行了全面的梳理，最終得到了8 種組合關(guān)系：①高挑戰(zhàn)和中等技能：激發(fā)；②高挑戰(zhàn)和高技能：心流；③中等挑戰(zhàn)和高技能：掌控；④低挑戰(zhàn)和高技能：厭倦；⑤低挑戰(zhàn)和中等技能：輕松；⑥低挑戰(zhàn)和低技能：淡漠；⑦中等挑戰(zhàn)和低技能：擔(dān)心；⑧高挑戰(zhàn)和低技能：焦慮。它們間的動態(tài)組合關(guān)系如圖1所示。

圖1 沉浸模型的8 種組合關(guān)系圖

（二）建構(gòu)主義理論

知識觀：強調(diào)知識的動態(tài)性，個體的知識是由人建構(gòu)起來的，知識的意義也是由個人建構(gòu)起來的。學(xué)習(xí)觀：學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動地建構(gòu)自己知識經(jīng)驗的過程，即通過新經(jīng)驗與原有知識經(jīng)驗的雙向的相互作用。教學(xué)觀：教學(xué)要激發(fā)學(xué)生原有的相關(guān)知識經(jīng)驗，促進(jìn)知識經(jīng)驗的“生長”，促進(jìn)學(xué)生的知識建構(gòu)活動，以促進(jìn)知識經(jīng)驗的重新組織、轉(zhuǎn)換和改造[14]。

（三）知識的分類

皮連生（1991）根據(jù)知識和學(xué)習(xí)的特性，將知識分為了以下三種類型：（1）陳述性知識。主要是指言語信息方面的知識，是個人根據(jù)一定的線索能夠陳述的知識，用于說明事物“是什么”“怎么樣”“為什么”等問題；（2）程序性知識。主要是指“做什么”“怎么做”的知識，是一種實踐性的知識；（3）策略性知識。是關(guān)于“如何學(xué)習(xí)、如何思維”的知識，是調(diào)節(jié)自己的注意、記憶、思維的能力的知識。

三、研究假設(shè)

根據(jù)具體的學(xué)習(xí)方式和任務(wù)特征，高媛等學(xué)者將虛擬現(xiàn)實的學(xué)習(xí)體驗分為觀察性學(xué)習(xí)、操作性學(xué)習(xí)、社會性學(xué)習(xí)、科學(xué)研究這四種類型[15]。觀察性學(xué)習(xí)是指，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以任意轉(zhuǎn)換物理空間中的事物，甚至是現(xiàn)實世界中不可能直接觀察的，還可以將抽象的知識具象化。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，可以將抽象的陳述性知識形象生動地展示出來，使學(xué)生深刻地了解知識的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此本研究作出以下假設(shè)（圖2）：

圖2 理論框架模型

H1：基于VR 的觀察性學(xué)習(xí)體驗對知識的記憶有正向作用。

操作性學(xué)習(xí)是指，學(xué)習(xí)者可以動手操作來學(xué)習(xí)知識，并獲得行為結(jié)果和操作反饋。一方面，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中反復(fù)操作練習(xí)并獲得及時的反饋，提高熟練程度；另一方面，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中隨意操作學(xué)習(xí)內(nèi)容，驗證自己的假設(shè)，了解知識的結(jié)構(gòu)、框架、內(nèi)涵等。因此本研究做出假設(shè)：

H2：基于VR 的操作性學(xué)習(xí)體驗對知識點的領(lǐng)會有正向的促進(jìn)作用。

H3：基于VR 的操作性學(xué)習(xí)體驗對知識的領(lǐng)會有正向的促進(jìn)作用。

社會性學(xué)習(xí)是指，學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中與其他學(xué)習(xí)者進(jìn)行交互，交流學(xué)習(xí)心得，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。科學(xué)研究是指，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以使學(xué)習(xí)者進(jìn)行現(xiàn)實中不可能完成或有危險的研究活動，在此過程中學(xué)習(xí)者可以盡情實驗而無不良后果。學(xué)生進(jìn)行自主探究，有利于提高學(xué)生的想象力和創(chuàng)新思維的能力。因此本研究做出假設(shè)：

H4：基于VR 的社會性學(xué)習(xí)體驗對知識的運用有正向促進(jìn)作用。

H5：基于VR 的科學(xué)研究對知識的運用有正向促進(jìn)作用。

四、研究設(shè)計

本研究的目的是評估基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸教學(xué)對學(xué)生成績的影響，實驗設(shè)置如下：以初中物理課程中“牛頓第一定律”的教學(xué)為研究案例，研究對象為24名初中二年級的學(xué)生，均分為實驗組和對照組。為盡可能排除一切干擾因素，保證教學(xué)方式是唯一變量，研究對象的認(rèn)知發(fā)展水平基本一致：24 名初中二級的學(xué)生，以前沒有學(xué)習(xí)過牛頓第一定律，根據(jù)平時的學(xué)習(xí)成績均分為兩組；男生、女生約各占50%。

研究過程：（1）實驗組：學(xué)生佩戴VR 設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，教師組織教學(xué)、指導(dǎo)評價。（2）對照組：教師利用課堂現(xiàn)有的條件進(jìn)行知識的講授。實施過程：實驗組的12名學(xué)生，使用沉浸式虛擬現(xiàn)實設(shè)備HMDSA（頭戴式顯示器無跟蹤系統(tǒng)）學(xué)習(xí)牛頓第一定律，學(xué)習(xí)時間30 分鐘。對照組：傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，由教師講授，學(xué)習(xí)時間同樣是30分鐘。學(xué)習(xí)活動結(jié)束后，對兩組學(xué)生進(jìn)行隨堂測試，將測試內(nèi)容分為三部分：記憶性知識：6題；領(lǐng)會性知識：15題；運用性知識：4題。檢測兩組學(xué)生每種知識掌握情況，計算得分。分類收集數(shù)據(jù)，并分析兩組學(xué)生的成績，得出實驗結(jié)論。

測試后，對實驗組的12 名學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，探究使用VR設(shè)備的學(xué)生是否產(chǎn)生了觀察性學(xué)習(xí)等四種學(xué)習(xí)體驗以及這種體驗程度與學(xué)習(xí)效果之間的關(guān)系。將問卷調(diào)查結(jié)果與分類的成績進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論。

五、研究結(jié)論

對被測學(xué)生三種類型知識和總分的平均分進(jìn)行比較（圖3），并分別對兩組學(xué)生的成績進(jìn)行獨立樣本t 檢驗，分析兩組學(xué)生的成績是否就有顯著性差異（表2）。陳述性知識：實驗組與對照組的成績基本相同，實驗組高出0.667分，但兩者并不具有顯著性差異（P=0.634）；程序性知識：實驗組略低于對照組0.667 分，兩者并不具有顯著性差異（P=0.710）；策略性知識：實驗組高于對照組2.3分，兩者具有顯著性差異（P=0.028）；總平均分：實驗組高于對照組2.333 分，但是兩組學(xué)生的得分并不具有顯著性差異（P=0.255）。

圖3 虛擬現(xiàn)實教學(xué)對照實驗結(jié)果圖

表2 獨立樣本t檢驗表

測試結(jié)束后，僅對參與VR 學(xué)習(xí)的12 名學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，并將問卷調(diào)查結(jié)果與測試成績進(jìn)行相關(guān)分析。首先對量表進(jìn)行信度分析（見表3），本文采用的量表總信度系數(shù)是0.724，并且各分量表的信度系數(shù)也均高于0.7，因此該量表具有較高的穩(wěn)定性和一致性。

表3 信度分析表

將問卷結(jié)果和實驗組學(xué)生的成績進(jìn)行回歸分析，探究兩者之間的關(guān)系。共形成4 個回歸方程?；貧w方程1 為：Y1=1.923X1+14.457，兩者之間正相關(guān)（0.487），表示學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中觀察性學(xué)習(xí)體驗與陳述性知識得分的關(guān)系，證明假設(shè)1 成立。回歸方程2 為：Y2=1.366X2+49.705，兩者之間正相關(guān)（0.257），表示學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的操作性學(xué)習(xí)體驗與程序性知識得分的關(guān)系，證明假設(shè)2成立?；貧w方程3 為：Y3=1.530X3+16.230，兩者之間正相關(guān)（0.435），表示學(xué)生的操作性學(xué)習(xí)體驗與陳述性知識得分的關(guān)系，證明假設(shè)3 成立。學(xué)生的社會性學(xué)習(xí)體驗與策略性知識得分的關(guān)系，Sig=0.275，因此回歸方程不成立，證明假設(shè)4 不成立?；貧w方程5 為：Y5=2.303X5+5.385，兩者之間正相關(guān)（0.645），表示學(xué)生的科學(xué)研究體驗與策略性知識得分的關(guān)系，證明假設(shè)5 成立。

六、結(jié)論及建議

實驗結(jié)果顯示，兩組學(xué)生的總成績、知識的記憶成績以及知識的領(lǐng)會成績雖然實驗組略高，但是兩組并沒有統(tǒng)計學(xué)意義上的顯著差異，而對于運用型知識的學(xué)習(xí)，兩者具有顯著差異，實驗組優(yōu)于對照組。在實驗中的社會性學(xué)習(xí)體驗在本次學(xué)習(xí)設(shè)計中涉及較少，因此對學(xué)習(xí)效果并沒有產(chǎn)生顯著影響。除此之外，學(xué)生在虛擬環(huán)境中的學(xué)習(xí)體驗對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果都有正向作用，其中科學(xué)研究的體驗對學(xué)生知識的運用促進(jìn)作用最明顯，回歸系數(shù)為2.303；而操作性學(xué)習(xí)體驗對知識的領(lǐng)會學(xué)習(xí)促進(jìn)作用最弱，回歸系數(shù)僅為1.366。已有的研究表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)習(xí)效果有促進(jìn)作用。但是實驗證明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)并不是在任何知識領(lǐng)域都優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方式。本研究的測試的內(nèi)容依然是傳統(tǒng)的應(yīng)試教育形式呈現(xiàn)的，因此，實驗組和對照組的學(xué)生對于知識記憶、知識的領(lǐng)會以及總的成績上并沒有明顯的差異。甚至在偏重于對概念的理解和計算的知識上，因為教師的作用，對照組還優(yōu)于實驗組。知識實際運用的檢測并不是應(yīng)試教育考察的重點，所以傳統(tǒng)的課堂教學(xué)就會處于劣勢，而善于創(chuàng)設(shè)真實情境、致力于培養(yǎng)學(xué)生的形象思維、發(fā)散性思維的虛擬現(xiàn)實教學(xué)則更有優(yōu)勢。

目前，應(yīng)試教育的弊端逐漸顯現(xiàn)。我國正大力提倡素質(zhì)教育，旨在提高受教育者諸方面的素質(zhì)，尤其是創(chuàng)造力、行動力、形象思維能力以及解決實際問題的能力。從實驗結(jié)果來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)走進(jìn)課堂恰好彌補了傳統(tǒng)教育在這方面的短板。以本研究為基礎(chǔ)，為今后的虛擬現(xiàn)實技術(shù)走進(jìn)課堂提出幾點建議：

1.相互融合，取長補短。將傳統(tǒng)課堂和虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合起來，尋找兩種不同教學(xué)方式的最佳結(jié)合點，充分發(fā)揮兩者共同的優(yōu)勢。同時也不能忽視傳統(tǒng)教育的作用，可以根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，用于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、改變學(xué)習(xí)體驗以及提高學(xué)生的動手能力、知識運用的能力等；利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，彌補應(yīng)試教育的不足，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和知識遷移能力。

2.優(yōu)化技術(shù)，消除障礙。開發(fā)更多適合學(xué)生學(xué)習(xí)的VR 軟件和硬件。硬件方面，目前的硬件還不是很成熟，存在著沉浸感差、交互性不強和出現(xiàn)眩暈感等問題，這些問題都是阻礙學(xué)生產(chǎn)生更好學(xué)習(xí)體驗的障礙。而且目前的虛擬現(xiàn)實設(shè)備都比較昂貴，很多學(xué)校難以承擔(dān)其運行費用，目前市場上優(yōu)質(zhì)的虛擬現(xiàn)實教學(xué)資源也很匱乏。解決這一困境需要政府主導(dǎo)，大力支持虛擬現(xiàn)實設(shè)施設(shè)備的研發(fā)，同時組織專家，研發(fā)優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，以試點先行的方式，逐步向各級各類院校推廣普及。只有軟件和硬件得到了同步的發(fā)展，才能使其更有利于傳統(tǒng)知識的學(xué)習(xí)。

3.對癥下藥，因材設(shè)計。研究表明，虛擬現(xiàn)實教學(xué)對不同的知識會產(chǎn)生不同的影響，這就需要在設(shè)計VR 學(xué)習(xí)軟件時，要根據(jù)各類知識點的不同特點，進(jìn)行有針對性地開發(fā)。如果沒有根據(jù)知識的特性開發(fā)教學(xué)課件，很容易造成適得其反的效果。因此，本文建議教育研究者從更多的角度探究虛擬現(xiàn)實教學(xué)的特性，從而為虛擬現(xiàn)實課件開發(fā)者提供全方位的指導(dǎo)性建議，例如，以培養(yǎng)學(xué)生實際操作能力為主的課程，它需要的虛擬現(xiàn)實課件應(yīng)具備交互性強的特點。總而言之，虛擬現(xiàn)實課件的開發(fā)應(yīng)根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，從提高學(xué)生的不同學(xué)習(xí)體驗入手，提高學(xué)習(xí)效果。

本研究僅以一個學(xué)科的知識點為例，研究寬度尚有不足，因此未來的研究將探討虛擬現(xiàn)實對不同學(xué)科、不同知識學(xué)習(xí)效果的影響。