多種理論視角下的VR教育應(yīng)用研究綜述

段丹萍

摘? 要 利用文獻(xiàn)分析法對(duì)國外虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，梳理虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育應(yīng)用的三個(gè)發(fā)展階段，并從認(rèn)知與學(xué)習(xí)視域、人與技術(shù)的關(guān)系視域和教學(xué)設(shè)計(jì)視域考察了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育應(yīng)用的研究現(xiàn)狀。

關(guān)詞鍵 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);教學(xué)設(shè)計(jì);協(xié)作學(xué)習(xí);三維學(xué)習(xí)環(huán)境;信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G712? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）06-0054-04

Research Summary of Application of VR in Education from Various Theoretical Perspectives//DUAN Danping

Abstract This paper analyzes， sums up and summarizes the relevant literatures of virtual reality education in foreign countries by using the method of literature analysis， and combs the three stages of the

application of virtual reality technology education， and from the per-

spective of cognition and learning， the relationship between human and technology and the visual field of instructional design， the research status of the application of virtual reality technology educa-

tion is investigated.

Key words virtual reality technology; instructional design; collabo-rative learning; 3D study environment; information technology

1 前言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。本研究對(duì)近40年來國外VR教育應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行搜集，根據(jù)研究需要篩選出其中68篇進(jìn)行重點(diǎn)分析，梳理VR教育應(yīng)用的發(fā)展歷程，分別從認(rèn)知與學(xué)習(xí)、人與技術(shù)的關(guān)系和教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)視域分析VR教育應(yīng)用研究現(xiàn)狀，以期為VR教育應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

2 VR教育應(yīng)用的發(fā)展歷程

VR技術(shù)發(fā)展歷史上經(jīng)歷了三次熱潮（Curcio I D D，2016）。

1）20世紀(jì)60年代，VR的基礎(chǔ)原理和產(chǎn)品光學(xué)構(gòu)造的建立;

2）20世紀(jì)90年代，世嘉、任天堂、索尼等公司推出商業(yè)VR產(chǎn)品;

3）2014以來，F(xiàn)aceBook、三星、谷歌、索尼、HTC等科技巨頭推出VR設(shè)備計(jì)劃。

VR技術(shù)在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用相對(duì)VR技術(shù)的發(fā)展有所滯后，但總體上二者的發(fā)展態(tài)勢(shì)保持一致的上升趨勢(shì)，可分為以下三個(gè)階段。

第一階段（1960—1990年）：VR技術(shù)的萌芽及其在職業(yè)技能培訓(xùn)領(lǐng)域的初步應(yīng)用。此階段，雖然VR技術(shù)剛起步，僅有一些簡(jiǎn)陋的VR輸入輸出設(shè)備，如計(jì)算機(jī)屏幕、頭盔式顯示器、護(hù)目鏡和手套等[1]，還沒有形成正式的教育VR應(yīng)用程序，但研究者已經(jīng)意識(shí)到VR在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用潛力：VR使得人們理解和操作計(jì)算機(jī)生成的信息變得更加容易[2]，且被證明是一個(gè)有效的成人學(xué)習(xí)環(huán)境;在VR世界中，參與者可擁有不同的學(xué)習(xí)體驗(yàn);VR環(huán)境既可供觀察，學(xué)習(xí)者還可以與VR中的物體和空間進(jìn)行交互，如可以使用工具來創(chuàng)建新的環(huán)境、修改舊的環(huán)境、進(jìn)行模擬考試、修正錯(cuò)誤、進(jìn)行游戲等[3]。

第二階段（1991—2013年）：VR的產(chǎn)品化發(fā)展及其在多個(gè)學(xué)科應(yīng)用的快速增長(zhǎng)。此階段，成本的降低、計(jì)算機(jī)處理能力的巨大飛躍、萬維網(wǎng)的普及和寬帶連接的普及，使得VR向桌面式、分布式和沉浸式等多元化產(chǎn)品發(fā)展，加劇了桌面式VR的應(yīng)用，可提供共享的VR環(huán)境，通過同步、異步通信支持協(xié)作學(xué)習(xí)[4]。但由于沉浸式VR設(shè)備的技術(shù)瓶頸和相對(duì)高昂的成本，沉浸式VR的應(yīng)用相對(duì)較少。VR從最初的職業(yè)技能培訓(xùn)逐步擴(kuò)散到基礎(chǔ)教育和高等教育多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。研究者也逐步開始關(guān)注VR促進(jìn)學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)、教學(xué)設(shè)計(jì)模型或框架、VR學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)模型、效果評(píng)估方法等。

第三階段（2014—）：VR技術(shù)突破及多元化融合應(yīng)用。此階段，隨著VR技術(shù)和虛擬產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，“VR元年”這一說法多次被提出，再次掀起VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注熱潮。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景下，人們的教育觀和學(xué)習(xí)觀正發(fā)生深刻變革，VR將融合AR、MR、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，形成更符合學(xué)習(xí)者需求的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。但是，要有效發(fā)揮VR促進(jìn)學(xué)習(xí)的作用，僅僅依賴VR產(chǎn)品的技術(shù)突破遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要更多地關(guān)注如何有效應(yīng)用VR促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)。

3 多種理論視角下的VR教育應(yīng)用研究現(xiàn)狀

VR技術(shù)的引入給教育者帶來極大的興奮和期望。不過，需要注意的是，該技術(shù)只是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)媒介，須在教與學(xué)理論的指導(dǎo)下有效地實(shí)施，才能輔助學(xué)習(xí)過程。本研究從認(rèn)知與學(xué)習(xí)視域、人與技術(shù)的關(guān)系視域和教學(xué)設(shè)計(jì)視域考察VR教育應(yīng)用理論研究現(xiàn)狀。

認(rèn)知與學(xué)習(xí)視域

1）建構(gòu)主義理論視角。根據(jù)建構(gòu)主義的觀點(diǎn)，學(xué)習(xí)是在一定的情境即社會(huì)文化背景下，借助其他人的幫助即通過人際間的協(xié)作活動(dòng)，主動(dòng)建構(gòu)內(nèi)部心理表征，從而實(shí)現(xiàn)的意義建構(gòu)過程[5]。韋恩[6]認(rèn)為，建構(gòu)主義理論為基于VR的學(xué)習(xí)提供了一個(gè)有效的和可靠的理論基礎(chǔ)。他指出：傳統(tǒng)教育中傾向于促進(jìn)第三人稱的象征性經(jīng)驗(yàn)，而沉浸式VR提供了專門為幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的第一人稱非符號(hào)的經(jīng)驗(yàn)，即“虛擬化身”;“虛擬化身”經(jīng)驗(yàn)在常規(guī)教育中很難獲得，卻是人們與真實(shí)世界的日?；?dòng)的主要構(gòu)成部分;沉浸式VR支持三種知識(shí)建構(gòu)的體驗(yàn)，包括虛擬世界中對(duì)象大小的操作、信息的傳導(dǎo)和抽象概念的具體化，這些體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)世界中難以達(dá)到，但對(duì)于學(xué)習(xí)非常重要。

許多研究者從學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)的角度分析了VR技術(shù)如何支持建構(gòu)主義學(xué)習(xí)[7-10]：VR學(xué)習(xí)環(huán)境可提供一個(gè)在視覺、聽覺、觸覺、動(dòng)覺等多維度問題的三維表征，與其他技術(shù)手段支持的問題表征方式相比，使得圍繞問題的情境創(chuàng)設(shè)更具吸引力、趣味性和吸引力;VR學(xué)習(xí)環(huán)境提供了一個(gè)問題操作空間，讓學(xué)習(xí)者能夠自由地探索和操作環(huán)境中的虛擬對(duì)象;除了本身包含學(xué)習(xí)者所需要的信息外，分布式VR尤其是基于網(wǎng)絡(luò)的桌面式VR，允許學(xué)習(xí)者從網(wǎng)絡(luò)中獲取其他相關(guān)信息，從而構(gòu)建自己的知識(shí);分布式VR可以讓學(xué)習(xí)者一起交流和執(zhí)行任務(wù)，體驗(yàn)共享的空間感、存在感和時(shí)間感，為社會(huì)學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)提供環(huán)境和認(rèn)知工具。

2）經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)理論視角。經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：“學(xué)習(xí)是通過經(jīng)驗(yàn)的轉(zhuǎn)換創(chuàng)造知識(shí)的過程，知識(shí)是掌握與轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的結(jié)果?！盫R技術(shù)能夠較好地支持經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)活動(dòng)的開展：VR學(xué)習(xí)環(huán)境可提供與真實(shí)生活相似或者真實(shí)世界中難以實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)習(xí)者通過虛擬化身主動(dòng)參與并沉浸在虛擬世界中，積極參與解決現(xiàn)實(shí)世界中的問題;與沉浸式VR相比，雖然桌面式VR提供的經(jīng)驗(yàn)多維度都較之減弱，但仍能支持以第一人稱的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)習(xí);VR環(huán)境是高度互動(dòng)的，它能提供多用戶的協(xié)作環(huán)境、動(dòng)態(tài)的反饋、學(xué)習(xí)檢驗(yàn)、實(shí)時(shí)的個(gè)性化任務(wù)選擇和探索等;VR的多重表征和沉浸體驗(yàn)，有利于掌握復(fù)雜的、抽象的概念;VR環(huán)境可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)影響，有助于激發(fā)學(xué)生積極參與學(xué)習(xí)。

3）具身認(rèn)知理論視角。與傳統(tǒng)認(rèn)知理論“學(xué)習(xí)過程僅是在大腦內(nèi)進(jìn)行”的觀點(diǎn)截然不同，具身認(rèn)知理論認(rèn)為“認(rèn)知是建立在身體以及身體與世界之間的相互作用中”，它強(qiáng)調(diào)認(rèn)知的具身性、體驗(yàn)性和環(huán)境的嵌入性。三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的特征與具身認(rèn)知理論的觀點(diǎn)非常契合，體現(xiàn)在：三維學(xué)習(xí)環(huán)境最重要的特征是透明的界面，用戶可以直接控制在虛擬的世界中的對(duì)象;VR環(huán)境能提供良好的具身交互，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸體驗(yàn)，從而使學(xué)習(xí)者覺得自己在一個(gè)更真實(shí)和更有意義的教育空間。

研究已經(jīng)開始證明VR技術(shù)對(duì)具身學(xué)習(xí)的影響作用，特別是在STEM領(lǐng)域的學(xué)習(xí)效果。如一項(xiàng)關(guān)于學(xué)生利用計(jì)算機(jī)模擬向心力的研究表明，參與者在高具身性條件下比在低具身性條件下能獲得更高的持續(xù)學(xué)習(xí)的身體體驗(yàn)感[11]。另一項(xiàng)研究考察了中學(xué)生采用具身交互的方式，在沉浸式VR環(huán)境中學(xué)習(xí)重力和行星運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，具身交互對(duì)促進(jìn)概念理解、批判性思維和積極的科學(xué)態(tài)度培養(yǎng)具有顯著效果[12]。

人與技術(shù)的關(guān)系視域? VR技術(shù)應(yīng)用于學(xué)習(xí)領(lǐng)域，歸根到底是人對(duì)技術(shù)的使用。要讓VR技術(shù)更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)，需要從技術(shù)的本質(zhì)出發(fā)，關(guān)注人與技術(shù)之間的關(guān)系以及技術(shù)在學(xué)習(xí)中的影響作用。

1）技術(shù)哲學(xué)理論視角。隨著技術(shù)哲學(xué)理論的發(fā)展，以唐·伊德（Don Ihde）為代表的技術(shù)哲學(xué)家的思想改變了人們對(duì)技術(shù)的認(rèn)識(shí)。人和技術(shù)之間的關(guān)系是伊德關(guān)注的焦點(diǎn)，他認(rèn)為人與技術(shù)的關(guān)系分為具身關(guān)系、詮釋關(guān)系、他者關(guān)系和背景關(guān)系。技術(shù)哲學(xué)的發(fā)展影響著人們對(duì)技術(shù)的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了技術(shù)應(yīng)用范式的轉(zhuǎn)換，也為VR技術(shù)促進(jìn)學(xué)習(xí)帶來啟發(fā)。鑒于VR的多感知性、沉浸性、交互性、和構(gòu)想性特征，VR技術(shù)與人之間的中介關(guān)系和具身關(guān)系已經(jīng)得到論證，但如何從這兩種關(guān)系，尤其是具身關(guān)系中發(fā)現(xiàn)VR與學(xué)習(xí)之間的相互作用規(guī)律，從而設(shè)計(jì)有效的方法促進(jìn)學(xué)習(xí)，還需要深入研究。VR技術(shù)與人之間是否存在他者關(guān)系和背景關(guān)系？若存在，VR應(yīng)具備什么特征？在這兩種關(guān)系中，VR如何促進(jìn)學(xué)習(xí)？等等，這一系列問題尚需得到解答。

2）可供性理論視角?？晒┬裕ˋffordance）又譯為給養(yǎng)，根據(jù)吉布森（Gibson J J，1979）和蓋弗（Gaver W W，1992）的可供性理論的觀點(diǎn)[13]，可供性指環(huán)境中的實(shí)體所具備的屬性，這些屬性為行動(dòng)者提供行動(dòng)的可能性。因此，在考察環(huán)境在學(xué)習(xí)中的可供性時(shí)，需要同時(shí)考慮環(huán)境的物理屬性和連接學(xué)習(xí)的功能屬性。馬特·鮑爾[14]提出一種將學(xué)習(xí)任務(wù)的可供性要求與信息技術(shù)工具的技術(shù)可供性相匹配的方法，用來幫助指導(dǎo)和告知技術(shù)選擇和學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的過程。在鮑爾的基礎(chǔ)上，達(dá)爾加諾和李[15]將VR學(xué)習(xí)環(huán)境分為三大類：三維仿真與微觀世界、作為學(xué)習(xí)資源接口的三維環(huán)境和三維多用戶的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。確定了VR學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)習(xí)可供性包括空間知識(shí)表征、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)投入、情境學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，并提出基于三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)習(xí)模型。

3）技術(shù)接受模型理論視角。由戴維斯（Davis，1986）提出的技術(shù)接受模型（Technology Acceptance Model，

TAM）被廣泛作為解釋或預(yù)測(cè)人對(duì)信息技術(shù)接受的理論基礎(chǔ)。TAM認(rèn)為，信息技術(shù)接受指用戶愿意使用信息技術(shù)，用戶對(duì)信息技術(shù)的使用行為受到其使用意向直接影響，而使用意向受到感知有用性和感知易用性的影響。技術(shù)接受模型理論可作為對(duì)VR系統(tǒng)功能、VR系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)的接受程度的評(píng)估依據(jù)。已有研究表明，具有高仿真和用戶控制的VR學(xué)習(xí)環(huán)境一定能夠促進(jìn)概念理解。因此，需要設(shè)計(jì)一系列適當(dāng)?shù)?、被認(rèn)為有用的學(xué)習(xí)任務(wù)以及任務(wù)支持，同時(shí)易于學(xué)習(xí)者使用，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)者在與學(xué)習(xí)環(huán)境交互過程中對(duì)內(nèi)容的理解[16]。感知有用性可定義為用戶認(rèn)為使用VR系統(tǒng)會(huì)提高解決問題的任務(wù)績(jī)效的程度，其影響因素包括任務(wù)績(jī)效、易用性、有效性、任務(wù)的輕松性和愉悅性;而感知易用性指用戶認(rèn)為使用VR系統(tǒng)的難易程度，其影響因素包括可控性、易學(xué)習(xí)性、易掌握性和易使用性[17]。VR特征是交互體驗(yàn)的基礎(chǔ)，涵蓋了可用性的結(jié)構(gòu)，包括質(zhì)量和易訪問性兩個(gè)方面。其中，質(zhì)量方面通過感知有用性進(jìn)行評(píng)估，而易訪問性方面則通過感知易用性進(jìn)行評(píng)估[18]。

教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)視域? 使用特定的技術(shù)或媒體形式并不保證特定學(xué)習(xí)結(jié)果或?qū)W習(xí)效益。因?yàn)榧夹g(shù)本身對(duì)學(xué)習(xí)并沒有影響，而是通過由技術(shù)所支持或促進(jìn)的任務(wù)、活動(dòng)和基礎(chǔ)教學(xué)戰(zhàn)略對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生影響。良好的教學(xué)設(shè)計(jì)可以使虛擬環(huán)境從各個(gè)方面促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)概念、原理和理論的理解[19]。雖然一般的教學(xué)設(shè)計(jì)模型和理論是有用的，但還需要開發(fā)更具體的教學(xué)設(shè)計(jì)模型，用于指導(dǎo)應(yīng)用特定的信息技術(shù)支持教學(xué)和學(xué)習(xí)[20]?，F(xiàn)有基于VR的教學(xué)設(shè)計(jì)模型主要從指導(dǎo)VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的角度出發(fā)。Chen C J等[21]提出桌面式VR學(xué)習(xí)環(huán)境開發(fā)的教學(xué)設(shè)計(jì)模型。該模型結(jié)合教學(xué)設(shè)計(jì)的整合性目標(biāo)的概念、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)模型和多媒體學(xué)習(xí)的認(rèn)知理論等，提出VR學(xué)習(xí)環(huán)境開發(fā)的宏觀策略與微觀策略。阿爾瓦羅·桑切斯[22]等提出一個(gè)用于開發(fā)VR教學(xué)系統(tǒng)的模型，該模型認(rèn)為任何VR教學(xué)系統(tǒng)都包括源知識(shí)、模型、資源、過程、參與者等基本的組成部分。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多學(xué)科多領(lǐng)域交叉、滲透、融合的產(chǎn)物。具體到教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，應(yīng)針對(duì)待解決的教學(xué)問題，依據(jù)教育教學(xué)基本理論，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)和開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境或資源，利用它們支持或促進(jìn)學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)活動(dòng)等的有效實(shí)施，從而對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生正向影響。未來，有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用的研究將更加注重教學(xué)理論和學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)，關(guān)注學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從方法和策略層面推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育應(yīng)用的發(fā)展?！?/p>

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