虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)效用模型建構(gòu)與實(shí)效驗(yàn)證

華子荀　歐陽琪　鄭凱方　蔡錦賢

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)因在交互性、沉浸性和認(rèn)知性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢而被認(rèn)為是一種能夠促進(jìn)教育教學(xué)發(fā)展的新型手段，但是，VR技術(shù)在教學(xué)中發(fā)揮效用的內(nèi)在機(jī)制還有待深入考證。教學(xué)效用是衡量技術(shù)能否發(fā)揮教學(xué)效果及其程度的指標(biāo)，具體包括學(xué)習(xí)參與、教學(xué)效率和教學(xué)效果三個(gè)維度。結(jié)合VR的技術(shù)優(yōu)勢和教學(xué)效用維度、經(jīng)由理論演繹建構(gòu)的基于VR技術(shù)的教學(xué)效用模型（VR-E3 Model），聚焦于研究VR的交互過程、沉浸過程和認(rèn)知過程三方面效用。其中，影響交互性效用的因素包括軟件因素、硬件因素、感知有用性、感知易用性、行為意向、學(xué)習(xí)者特征等;影響沉浸性效用的因素包括感知、交互感、沉浸感、臨場感等;影響認(rèn)知性效用的因素包括情緒信息、知識建構(gòu)、認(rèn)知發(fā)展等。經(jīng)過實(shí)證研究檢驗(yàn)表明，該模型具有較好的理論解釋力;VR技術(shù)產(chǎn)生教學(xué)效用的首因要素是教師的教學(xué)行為意向;VR技術(shù)因軟硬件的差異，會為使用者帶來不同的交互體驗(yàn);學(xué)校在配置VR設(shè)備時(shí)應(yīng)從教學(xué)需求和成本投入兩個(gè)維度進(jìn)行綜合考量。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);教學(xué)效用模型;模型建構(gòu);熵值法

中圖分類號：G434? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1009-5195（2021）02-0043-10? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.02.005

作者簡介：華子荀，博士，講師，廣東第二師范學(xué)院教師教育學(xué)院（廣東廣州 510303）;歐陽琪，正高級教師，廣州市天府路小學(xué)（廣東廣州 510630）;鄭凱方，中級教師，廣州市番禺區(qū)直屬機(jī)關(guān)幼兒園（廣東廣州511400）;蔡錦賢，碩士研究生，廣州大學(xué)教育學(xué)院（廣東廣州 510006）。

一、研究背景與問題

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是一種利用計(jì)算機(jī)模擬的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合的技術(shù)手段，其在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要解決“進(jìn)不去、看不見、動不了、難再現(xiàn)”的教學(xué)重難點(diǎn)問題（華子荀，2019）。VR技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在能夠?yàn)閷W(xué)生提供視覺、聽覺、動覺、觸覺的體驗(yàn)，其對學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)程度可以用“教學(xué)效用”來體現(xiàn)。教學(xué)效用包含學(xué)習(xí)參與（Engaging）、學(xué)習(xí)效率（Efficient）、教學(xué)效果（Effective）三方面內(nèi)容（Kim，2008;Merrill，2009;Hoffman，2014）。VR技術(shù)的教學(xué)效用在這三個(gè)方面都有所體現(xiàn)：首先，虛擬環(huán)境支撐的學(xué)習(xí)情境可以讓學(xué)習(xí)者更全面地觀察事物，有助于提高學(xué)生參與學(xué)習(xí)的動機(jī)與興趣（何聚厚等，2019）;其次，基于VR的資源設(shè)計(jì)能夠?yàn)槲锢?、化學(xué)等課程提供有效支撐，將抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化和形象化（蔡蘇等，2016），有助于提高教學(xué)效率;最后，在虛擬仿真環(huán)境中，教學(xué)內(nèi)容經(jīng)重新設(shè)計(jì)后便于向?qū)W習(xí)者傳遞知識，同時(shí)模擬操作也有助于學(xué)習(xí)者對知識的理解和掌握（徐鵬等，2016），從而達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

虛擬現(xiàn)實(shí)作為擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)的重要組成部分，不再局限于VR的基本理念，而是與多種類型的技術(shù)和設(shè)備相互融合（Fast-Berglund et al.，2018），但是，這種多設(shè)備融合的VR技術(shù)越復(fù)雜，就越難以明確究竟是何種因素在教學(xué)中發(fā)揮效用。因此，開展VR技術(shù)教學(xué)效用機(jī)制的研究，有利于應(yīng)對當(dāng)前課程體系及STEAM跨學(xué)科融合面臨的挑戰(zhàn)，更好幫助學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中獲得擬真的體驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而為學(xué)生的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐探索提供溝通橋梁。具體而言，本研究以VR技術(shù)的教學(xué)效用作為命題進(jìn)行探究，提出如下研究問題：

（1）學(xué)習(xí)者視角下VR技術(shù)發(fā)揮教學(xué)效用的核心因素有哪些？

（2）VR技術(shù)影響教學(xué)效用的核心因素之間具有怎樣的關(guān)系？

（3）不同VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式所產(chǎn)生的教學(xué)效果如何？

二、相關(guān)文獻(xiàn)綜述

VR技術(shù)的交互性、沉浸性和認(rèn)知性等基本特征（劉德建等，2016）解釋了學(xué)習(xí)者利用VR技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互、交互產(chǎn)生沉浸、沉浸促進(jìn)認(rèn)知的作用機(jī)制。其中，VR作為一種人機(jī)交互工具有助于提高學(xué)習(xí)者參與學(xué)習(xí)的積極性，作為一種學(xué)習(xí)輔助工具有助于使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生沉浸體驗(yàn)進(jìn)而提高教學(xué)效率，作為一種認(rèn)知發(fā)展工具有助于促進(jìn)學(xué)習(xí)者建構(gòu)知識并提高教學(xué)效果。

1.VR作為一種人機(jī)交互工具

視覺模擬是VR技術(shù)的重要人機(jī)交互中介。人機(jī)交互系統(tǒng)一般包括交互設(shè)備、交互軟件和人的因素三部分（孟祥旭，2010）。硬件和軟件對使用者的影響是VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的基本互動機(jī)制。一般來說，VR技術(shù)的硬件因素包括設(shè)備形態(tài)（Burdea et al.，1996）、成本因素（Borrero et al.，2012）與技術(shù)特性（Baritz et al.，2007），軟件因素包括軟件適用性（王曉春等，2009）、情境輸入特性（廖宏建，2014）、學(xué)習(xí)資源（馬建榮等，2012）等。

以使用者為中介因素，可以讓學(xué)習(xí)者評價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)的適用性，這一機(jī)制可以用技術(shù)接受模型（Technology Acceptance Model，TAM）來解釋。技術(shù)接受模型包括感知有用性（Perceived Usefulness，PU）、感知易用性（Perceived Ease of Use，PEU）和行為意向（Behavioral Intention，BI）三個(gè)核心要素（Lee et al.，2003）。在TAM理論框架下，有學(xué)者提出將個(gè)體差異、系統(tǒng)特征、社群影響、便利條件、動機(jī)、經(jīng)驗(yàn)等作為TAM三個(gè)核心要素的子要素（張思等，2014）。因此，VR作為一種人機(jī)交互系統(tǒng)應(yīng)包括硬件和軟件兩大因素，在TAM框架下，學(xué)習(xí)者可以評價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有用性、易用性和行為意向。

2.VR作為一種學(xué)習(xí)輔助工具

當(dāng)使用者產(chǎn)生較強(qiáng)的感知有用性和感知易用性時(shí)，他們使用該技術(shù)的行為意向就越明顯，而使用者的這種感知來自于視覺、聽覺和觸覺所引發(fā)的“示能性”。示能性是一種客體屬性，是由主體對客體的感知所觸發(fā)的（沈夏林等，2019）。利用VR技術(shù)輔助學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)即是調(diào)動學(xué)習(xí)者的感官體驗(yàn)，當(dāng)學(xué)習(xí)者看到、聽到、觸到虛擬對象時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)由感知到理解、再到鞏固的意義建構(gòu)（劉衡等，2013）。

在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，有學(xué)者提出VR技術(shù)對學(xué)習(xí)者產(chǎn)生的沉浸體驗(yàn)程度包括交互感（Interaction）、沉浸感（Immersion）和臨場感（Presence）（Huang et al.，2010）。其中，交互感是指由簡單的交互機(jī)制所引發(fā)的與虛擬物體、事件、場景之間的互動。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互是現(xiàn)實(shí)世界的映射，即讓學(xué)習(xí)者通過操作與反饋的相互作用來實(shí)現(xiàn)深刻認(rèn)知與反思（廖宏建等，2013）。沉浸感是指通過由交互對象引發(fā)的動覺行為，讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生某些經(jīng)驗(yàn)或能力上的變化。營造沉浸感是VR技術(shù)發(fā)揮作用的重要方式，依據(jù)環(huán)境模擬程度的不同，可以使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生由感官沉浸到意識沉浸的進(jìn)階（孔少華，2019）。臨場感是指通過復(fù)雜場景使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生對虛擬場景的擬真體驗(yàn)，并通過不斷的感覺增強(qiáng)和多人互動使學(xué)習(xí)群體產(chǎn)生協(xié)作與分享的經(jīng)驗(yàn)。這種臨場感是人類感官與虛擬輸入、輸出之間匹配的結(jié)果，它又可分為空間臨場感和社會臨場感兩種類型（Kim et al.，2014）。因此，VR作為一種學(xué)習(xí)輔助工具，通過調(diào)動學(xué)習(xí)者的感知實(shí)現(xiàn)知識的學(xué)習(xí)，進(jìn)而又由感知向交互感、沉浸感和臨場感不斷進(jìn)階，交互程度不斷提高，學(xué)習(xí)深度不斷加強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)臨場感的高階體驗(yàn)。

3.VR作為一種認(rèn)知發(fā)展工具

VR通過調(diào)動學(xué)習(xí)者感知產(chǎn)生交互感、沉浸感、臨場感的進(jìn)階，這是VR作為一種認(rèn)知發(fā)展工具在認(rèn)知性上的體現(xiàn)。還有研究者提出VR技術(shù)對學(xué)習(xí)者心理變化的影響（Diemer et al.，2015），即在產(chǎn)生臨場感的過程中，沉浸感作為外部因素，與感知作為內(nèi)部因素共同喚醒情緒，在此基礎(chǔ)上，情緒將發(fā)揮重要作用并引起認(rèn)知的發(fā)展，具體表現(xiàn)為臨場感評判和臨場感評價(jià)兩個(gè)方面。情感教學(xué)理論將情緒作為人類情感產(chǎn)生的基本單元。作為一種可操作的對象，情緒可分為低級情緒信息（或感官情緒信息）和高級情緒信息（或認(rèn)知情緒信息）（張奇勇等，2013），而重構(gòu)的虛擬世界為學(xué)習(xí)提供了可控的感官情緒信息來源（楊雪等，2012）。

在另一項(xiàng)關(guān)于VR促進(jìn)學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展的研究中，研究者提出了基于VR技術(shù)的動覺學(xué)習(xí)機(jī)制（RM2A），包含同化（Assimilation）、順應(yīng)（Accommodation）、機(jī)械學(xué)習(xí)（Rote Learning）與意義學(xué)習(xí)（Meaningful Learning）四種要素（華子荀，2019）。其基本原理是，學(xué)習(xí)者首先學(xué)習(xí)由VR技術(shù)引發(fā)的感官情緒信息，當(dāng)同化知識與順應(yīng)知識發(fā)生相互作用時(shí)，就會引發(fā)學(xué)習(xí)者產(chǎn)生認(rèn)知情緒信息。因此，使用VR技術(shù)的過程，會使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生感知、交互感、沉浸感和臨場感，而情緒是由感知到臨場感逐步發(fā)展的基礎(chǔ)。動覺學(xué)習(xí)機(jī)制中機(jī)械學(xué)習(xí)與意義學(xué)習(xí)又能分別代表感官情緒信息和認(rèn)知情緒信息，這從另一個(gè)側(cè)面解釋了由VR互動所引發(fā)的學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展的過程。

三、研究模型構(gòu)建

通過對VR技術(shù)的教學(xué)效用研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，VR技術(shù)自身的硬件和軟件會影響學(xué)習(xí)者的使用方式，學(xué)習(xí)者利用VR設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，逐步由感知發(fā)展到交互，再到沉浸和臨場感的產(chǎn)生，最終促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展。據(jù)此，本研究建構(gòu)了基于VR技術(shù)的教學(xué)效用模型（VR-E3 Model），如圖1所示。

該模型指出，學(xué)習(xí)者在使用VR技術(shù)的過程中，首先會認(rèn)識和使用該設(shè)備，其次是對軟硬件設(shè)備進(jìn)行操作，最后在人機(jī)交互過程中掌握學(xué)習(xí)資源所傳達(dá)的知識及其意義。該模型通過將教學(xué)效用的三種特性（即學(xué)習(xí)參與（Engaging）、學(xué)習(xí)效率（Efficient）、教學(xué)效果（Effective），構(gòu)成教學(xué)效用的表征E3）與VR技術(shù)的三種特征（即交互性、沉浸性、認(rèn)知性）相融合而成。該模型包含交互過程、沉浸過程和認(rèn)知過程三個(gè)循環(huán)流程。

第一，交互過程。該過程是學(xué)生使用VR技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)的第一層次，從人機(jī)交互的角度分析VR技術(shù)軟硬件因素對學(xué)習(xí)者的影響，在技術(shù)接受模型（TAM）框架下分析學(xué)習(xí)者使用具體的VR設(shè)備所產(chǎn)生的感知有用性、感知易用性和行為意向。

第二，沉浸過程。該過程旨在解釋學(xué)習(xí)者使用VR技術(shù)所產(chǎn)生的感知變化。在人機(jī)交互過程中，學(xué)習(xí)者使用軟硬件設(shè)備首先會產(chǎn)生感知，隨著參與的深入，感知會逐漸演化為交互感和沉浸感;通過不斷的操作、互動、反饋，學(xué)習(xí)者將由感官沉浸發(fā)展到意識沉浸，逐步實(shí)現(xiàn)對VR內(nèi)容的深度學(xué)習(xí)，最終產(chǎn)生最高階的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，即臨場感。

第三，認(rèn)知過程。該過程旨在從情感教學(xué)理論視角分析學(xué)習(xí)者使用VR設(shè)備的情緒變化，探索學(xué)習(xí)者內(nèi)部認(rèn)知的改變。學(xué)生利用VR進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程會產(chǎn)生情緒信息，包括低級情緒信息（對應(yīng)感官）和高級情緒信息（對應(yīng)認(rèn)知），這兩類信息的接收過程可以視為機(jī)械學(xué)習(xí)和意義學(xué)習(xí)。在情感教學(xué)理論的指導(dǎo)下，學(xué)生由感知發(fā)展到臨場感的過程中，情緒對引起認(rèn)知的發(fā)展發(fā)揮著重要作用，具體表現(xiàn)為臨場感評判和臨場感評價(jià)。因此，情緒信息的變化也可以解釋學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的變化，同時(shí)由情緒信息變化引發(fā)的積極態(tài)度也有助于促進(jìn)交互過程的行為意向。

四、研究設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.研究假設(shè)

根據(jù)本研究提出的三個(gè)研究問題，筆者運(yùn)用基于VR技術(shù)的教學(xué)效用模型嘗試從三個(gè)方面進(jìn)行探索，由此提出如下三個(gè)研究假設(shè)：

假設(shè)1：基于VR的交互過程能夠有效支撐學(xué)習(xí)者的沉浸過程，即產(chǎn)生的教學(xué)效用促進(jìn)了學(xué)習(xí)參與;

假設(shè)2：基于VR的沉浸過程能夠有效支撐學(xué)習(xí)者的認(rèn)知過程，即產(chǎn)生的教學(xué)效用提高了教學(xué)效率;

假設(shè)3：基于VR的認(rèn)知過程能夠有效支撐學(xué)習(xí)者的交互過程，即產(chǎn)生的教學(xué)效用提高了教學(xué)效果。

2.問卷設(shè)計(jì)

依據(jù)基于VR技術(shù)的教學(xué)效用模型，主要從交互性效用、沉浸性效用和認(rèn)知性效用三個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)設(shè)計(jì)。對于交互性效用的評價(jià)，包括設(shè)備測評和使用者測評兩個(gè)部分，其中，設(shè)備測評即測評設(shè)備的基礎(chǔ)屬性，使用者測評可通過使用者的反饋、自評等方式完成（李洪修等，2019）。由于基于VR的交互過程還涉及感官體驗(yàn)、感知、情緒等主觀因素，要想準(zhǔn)確評價(jià)VR的教學(xué)效用難度較高（史力范，2017）。為了降低調(diào)查對象的主觀偏差，本研究設(shè)計(jì)了《基于VR技術(shù)的教學(xué)效用調(diào)查問卷》，在問卷編制過程中，圍繞VR技術(shù)教學(xué)效用模型中交互性、沉浸性、認(rèn)知性三類要素及其子因素進(jìn)行了7級李克特問卷設(shè)計(jì)，其問卷結(jié)構(gòu)如表1所示。

3.研究工具設(shè)計(jì)

作為一種人機(jī)交互工具，VR設(shè)備對使用者的影響層次是不同的，軟硬件的不同設(shè)計(jì)對教學(xué)效果產(chǎn)生的作用也不盡相同。因此，驗(yàn)證VR的教學(xué)效用需要對不同類型的VR設(shè)備進(jìn)行劃分，以檢驗(yàn)各種類型的VR設(shè)備所產(chǎn)生的教學(xué)效用及其差異。

Wloka（1995）根據(jù)人機(jī)互動方式將VR設(shè)備劃分為多維輸入類、多維輸出類、多維參與類、動態(tài)虛擬世界四種類型。也有研究者從使用者感官調(diào)動的視角將VR設(shè)備劃分為動作捕捉、虛擬導(dǎo)航、視覺模擬、聽覺模擬、觸覺模擬等類型。本研究根據(jù)當(dāng)前中小學(xué)校普遍采用的VR設(shè)備及其教學(xué)形態(tài)進(jìn)行分類，形成了如表2所示的6種VR技術(shù)類別以及本研究選用的案例設(shè)備。

案例設(shè)備的選擇以通用性為標(biāo)準(zhǔn)。VR+AR模擬設(shè)備（VR+AR Haptic Display，VAHD）選取陜西歷史博物館AR掃描卡和百度AR進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，上述設(shè)備具有成本低、體驗(yàn)好、穩(wěn)定性高的特點(diǎn);頭戴式視覺模擬設(shè)備（Head-based Visual Display，HVD）選取Pico Neo VR進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該設(shè)備是一體化頭戴式VR設(shè)備，提供了較好的學(xué)習(xí)資源，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者制造沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn);手機(jī)支持視覺模擬設(shè)備（Phone-based Visual Display，PVD）選擇Google Cardboard進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是依托手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)高端VR眼鏡所制造的臨場感，具有成本低、開源性高的特點(diǎn);視聽互動模擬設(shè)備（Visual-Audio Interaction Display，VAID）選擇Switch Labo VR進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該設(shè)備能夠?yàn)槭褂谜咛峁┹^好的娛樂互動性體驗(yàn)，其互動游戲可融入多種課堂活動中;動作捕捉式模擬設(shè)備（Position Tracking Display，PTD）選擇Leap Motion進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該設(shè)備是一款體感互動裝置，可以與VR眼鏡配合使用，且提供了開發(fā)者工具包，具有較好的開源性;整合式觸覺模擬設(shè)備（Multiple Haptic Display，MHD）選擇ZSpace進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該設(shè)備能為課堂提供一體化的交互體驗(yàn)工具包，且設(shè)備本身包括多個(gè)學(xué)段和學(xué)科的互動資源，教學(xué)資源支持性好、互動性強(qiáng)。本研究選取的VR設(shè)備見圖2。

4.研究實(shí)施

本研究選取廣州和深圳兩地基礎(chǔ)教育一線教師共86人為實(shí)驗(yàn)對象。研究者首先向參與教師闡明本次調(diào)查的目的，之后分別針對6個(gè)類別的設(shè)備進(jìn)行解說和演示，要求每位教師用3個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間分別體驗(yàn)6個(gè)VR設(shè)備，并對6個(gè)設(shè)備的安裝細(xì)節(jié)、資源內(nèi)容、使用方式進(jìn)行充分了解。當(dāng)教師完全理解其內(nèi)容后，在工作人員的輔助下填答《基于VR技術(shù)的教學(xué)效用調(diào)查問卷》。同時(shí)，在調(diào)查對象體驗(yàn)VR設(shè)備的過程中，工作人員收集其設(shè)備安裝時(shí)長、體驗(yàn)時(shí)長、虛擬教學(xué)時(shí)長、協(xié)作時(shí)長和對設(shè)備的主觀評斷等數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)共發(fā)放86份問卷，最后回收有效問卷86份。從基本信息來看，男教師占比25.6%，女教師占比74.4%;受訪教師年齡30歲及以下占比55.8%，31～40歲占比34.9%，其他占比9.3%;學(xué)歷層次上，本科學(xué)歷占比76.7%，研究生學(xué)歷占比20.9%，其他占比2.4%;教師多為小學(xué)學(xué)段（74.4%），學(xué)科涉及語文（22.1%）、英語（12.8%）、數(shù)學(xué)（11.6%）、信息技術(shù)（8.1%）、科學(xué)（8.1%）、美術(shù)（7.0%）、音樂（4.7%）、體育（4.7%）等;多數(shù)教師體驗(yàn)過同類VR設(shè)備（67.4%），但絕大部分教師缺乏用VR進(jìn)行教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)（94.2%）。

五、數(shù)據(jù)分析

1.VR技術(shù)教學(xué)效用因素分析

通過問卷調(diào)查，研究者對受訪教師使用6種VR設(shè)備的教學(xué)效用進(jìn)行了驗(yàn)證，從回收的數(shù)據(jù)來看，該問卷的Cronbachs α信度系數(shù)為0.88，表明問卷信度較高;綜合6種設(shè)備在各二級因素的平均得分可知，受訪教師對交互性效用、沉浸性效用、認(rèn)知性效用的各因素均給予了較高的評價(jià)（如表3所示）。

在交互性效用方面，感知有用性和行為意向得分較高，表明受訪教師在體驗(yàn)VR設(shè)備過程中對該設(shè)備持肯定態(tài)度，并且具有應(yīng)用該類設(shè)備開展教學(xué)的行為意向;然而感知易用性得分較低，表明VR在設(shè)備適應(yīng)、開發(fā)適配的教學(xué)資源方面仍存在難點(diǎn)?？傮w來說，感知有用性和積極的行為意向證明了VR技術(shù)在促進(jìn)交互積極性方面有較好的作用。

在沉浸性效用方面，各項(xiàng)因素均獲得較高認(rèn)同度，表明受訪教師首先應(yīng)用VR設(shè)備進(jìn)行了視聽動覺感知，之后按照虛擬環(huán)境的提示進(jìn)行互動并產(chǎn)生交互感，逐步由感官沉浸轉(zhuǎn)化為意識沉浸，從而更加深刻地理解相應(yīng)交互模塊的內(nèi)容，最后產(chǎn)生模擬真實(shí)環(huán)境的擬真體驗(yàn)?？傮w而言，感知、交互感、沉浸感、臨場感的得分均較高，證明了VR技術(shù)對提高教學(xué)效率具有較好的作用。

在認(rèn)知性效用方面，受訪教師對情緒信息認(rèn)同度較高，對內(nèi)外部因素所產(chǎn)生的認(rèn)知發(fā)展也給予較高認(rèn)同度，但在知識建構(gòu)方面認(rèn)同度一般。這源于實(shí)驗(yàn)時(shí)間受限不能為受訪教師提供更加完整的互動知識，另一方面源于VR設(shè)備本身所提供的資源有限，不能提供覆蓋全部學(xué)科和學(xué)段的互動知識。總體來說，情緒信息和認(rèn)知發(fā)展的得分較高也證明了VR技術(shù)對促進(jìn)教學(xué)效果具有較好的作用。

為進(jìn)一步探究VR技術(shù)教學(xué)效用模型的解釋度，研究者對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了探索性因素分析，得到KMO測度檢驗(yàn)值為0.86，Bartlett球形檢驗(yàn)近似χ2值為3523.20，顯著性p值為0.00，這表明問卷數(shù)據(jù)適合進(jìn)行因素分析并且存在相關(guān)性意義。探索性因素分析得到數(shù)據(jù)的解釋度為82%，剔除因素負(fù)荷量小于0.6的因子，得到各類因素的負(fù)荷量結(jié)果（如表4所示）。

根據(jù)因素負(fù)荷量可知，在交互性效用方面，感知易用性的負(fù)荷量最高，表明受訪教師切實(shí)認(rèn)同VR技術(shù)對教學(xué)的有用性;在沉浸性效用方面，交互感與沉浸感的負(fù)荷量較高，表明受訪教師在實(shí)際體驗(yàn)VR技術(shù)時(shí)產(chǎn)生了較好的交互體驗(yàn);在認(rèn)知性效用方面，認(rèn)知發(fā)展的負(fù)荷量相對較高，表明受訪教師認(rèn)同運(yùn)用VR技術(shù)向?qū)W習(xí)者傳授知識的教學(xué)方式。

總體來說，本研究所選取的6種VR設(shè)備在交互性效用、沉浸性效用、認(rèn)知性效用三方面都獲得了較高的認(rèn)同度，問卷獲得的數(shù)據(jù)對VR技術(shù)教學(xué)效用理論模型解釋度達(dá)到82%，各因素的負(fù)荷量均在0.7以上，表明該問卷具有較好的信度和效度，也間接證明了該教學(xué)效用模型具有較好的理論解釋力，同時(shí)也驗(yàn)證了VR技術(shù)在提高學(xué)習(xí)參與、教學(xué)效率和教學(xué)效果方面具有重要作用。

2.VR技術(shù)的教學(xué)效用及其比較

（1）利用熵值反映不同設(shè)備類型的教學(xué)效用

由于VR技術(shù)在實(shí)現(xiàn)方式、使用體驗(yàn)、教學(xué)融入等方面存在較大差異，很難用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。為解決以上問題，本研究選取熵值法（Entropymethod）進(jìn)行VR的客觀數(shù)據(jù)測算和設(shè)備比較。熵值法是一種客觀賦權(quán)的方法，能夠?qū)o序變量進(jìn)行有條理的測算（Bulinski et al.，2019），通過計(jì)算不同指標(biāo)值的差異程度確定權(quán)重系數(shù)，避免人為干擾因素的影響，能夠客觀地反映指標(biāo)在綜合體系中的重要性（遲紹明，2004）。熵值法的計(jì)算采用熵值（e）、數(shù)據(jù)集無量綱化（Yij）與熵權(quán)（wj）三個(gè)公式，其中，因素的熵值越小則熵權(quán)越大，表明該因素的解釋力越高。

由于所計(jì)算熵值的數(shù)據(jù)更多體現(xiàn)為使用者行為，所以只對使用者的交互過程數(shù)據(jù)進(jìn)行熵值計(jì)算，而沒有對其沉浸性、認(rèn)知性過程數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，這源于人的主觀評判并非無序，而是經(jīng)過一定的主觀判斷所反映的。6類設(shè)備的熵值數(shù)據(jù)來自受訪教師體驗(yàn)VR技術(shù)的過程。交互性效用數(shù)據(jù)包括硬件因素?cái)?shù)據(jù)、軟件因素?cái)?shù)據(jù)及行為意向數(shù)據(jù)，其中設(shè)備中的硬件安裝、價(jià)格、穩(wěn)定性等為VR設(shè)備數(shù)據(jù)，計(jì)量單位為百分比;行為意向中的教學(xué)過程、混合教學(xué)、教學(xué)方式為受訪教師在使用VR設(shè)備開展相應(yīng)模擬動作時(shí)的時(shí)長數(shù)據(jù)，維度以分鐘為記錄單位。應(yīng)用Python實(shí)現(xiàn)熵值計(jì)算，得到6類設(shè)備的熵值、熵權(quán)及其綜合評價(jià)值的結(jié)果如表5所示。

根據(jù)熵值、熵權(quán)的分析結(jié)果，在交互性效用的三類因素中，硬件因素熵權(quán)最低（0.1094）、行為意向熵權(quán)最高（0.6930），表明受訪教師在使用VR設(shè)備時(shí)，設(shè)備差異對教師的影響是不確定的，但教師行為意向因素具有較高確定性，教師們更傾向于確定該類設(shè)備是否能夠支持其教學(xué)過程，包括課前、課中、課后的教學(xué)支持（A8/A9/A10），線上線下的混合式教學(xué)（A11/A12）以及在課堂教學(xué)中演示（A13）、實(shí)驗(yàn)（A14）、協(xié)作（A15）等方法的支持。

在6類VR設(shè)備中，頭戴式視覺模擬設(shè)備（HVD）綜合評價(jià)得分最高（32.89），其次為整合式觸覺模擬設(shè)備（MHD）、虛擬現(xiàn)實(shí)+增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模擬設(shè)備（VAHD）、手機(jī)支持視覺模擬設(shè)備（PVD）、視聽互動模擬設(shè)備（VAID）和動作捕捉式模擬設(shè)備（PTD）。針對設(shè)備的交互性數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析表明，6類設(shè)備在軟硬件因素的權(quán)重占比較低，教師們更關(guān)注該設(shè)備是否能夠輔助教學(xué);軟硬件因素雖然具有不確定性，但并不代表該因素不重要，設(shè)備的易用性、設(shè)備附加的教學(xué)資源都是支持教學(xué)的有效因素，尤其在積極性提升方面，交互性因素具有重要作用。

（2）VR設(shè)備與教學(xué)效用因素的相關(guān)性分析

本研究進(jìn)一步采用相關(guān)性分析對不同VR設(shè)備在教學(xué)效用因素上的表現(xiàn)進(jìn)行研究，結(jié)果如表6所示。

根據(jù)相關(guān)性計(jì)算結(jié)果，6類設(shè)備在教學(xué)效用三個(gè)維度上大部分存在相關(guān)關(guān)系，但其相關(guān)性系數(shù)介于0.2～0.3，表明其相關(guān)性一般。這可能與各類VR設(shè)備的特性及其使用體驗(yàn)有關(guān)。例如，VAHD設(shè)備以AR卡與智能手機(jī)相配合的方式進(jìn)行，不會涉及太多軟件的使用過程，因而與交互性效用不具有相關(guān)性，而與沉浸性效用、認(rèn)知性效用具有高度相關(guān)關(guān)系。HVD設(shè)備能夠?yàn)槭褂谜咛峁└叱两缘捏w驗(yàn)，因而在三種效用方面都有相關(guān)性，尤其是認(rèn)知性效用方面，其相關(guān)性較高。PVD設(shè)備由簡易的頭戴式框架和智能手機(jī)組成，要求使用者不斷進(jìn)行操作和交互，因而與交互性效用、沉浸性效用、認(rèn)知性效用均存在高相關(guān)關(guān)系。VAID設(shè)備以視聽覺互動為主，本研究選取Switch Labo VR，由于其開源性較低，缺乏合適的教學(xué)資源，因而與交互性效用、沉浸性效用不具有相關(guān)性，但其互動體驗(yàn)方式能夠較好地支持學(xué)習(xí)過程，因而與認(rèn)知性效用存在相關(guān)性。PTD設(shè)備以體感互動技術(shù)為主，還常常與VR眼鏡配合使用，能夠?yàn)轶w驗(yàn)者提供較好的沉浸互動，因此其與教學(xué)效用的三個(gè)方面都具有高相關(guān)性。MHD設(shè)備整合了虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、體感技術(shù)等多種互動方式，提供了整合性的互動體驗(yàn)，因而其與教學(xué)效用的三個(gè)方面都具有高相關(guān)性。

六、研究結(jié)果與結(jié)論

1.基于VR技術(shù)的教學(xué)效用模型構(gòu)建

教學(xué)效用是衡量技術(shù)能否發(fā)揮教學(xué)效果及其程度的指標(biāo)，具體包括學(xué)習(xí)參與、教學(xué)效率和教學(xué)效果。本研究基于VR技術(shù)在互動性、沉浸性、認(rèn)知性方面所具有的特征和優(yōu)勢，在相關(guān)文獻(xiàn)綜述基礎(chǔ)上提出了基于VR技術(shù)的教學(xué)效用模型（VR-E3 Model）。該模型中的教學(xué)效用體現(xiàn)在交互性效用、沉浸性效用和認(rèn)知性效用三個(gè)方面。其中，交互性效用的影響因素包括軟件因素、硬件因素、感知有用性、感知易用性、行為意向、學(xué)習(xí)者特征等;沉浸性效用的影響因素包括感知、交互感、沉浸感、臨場感等;認(rèn)知性效用的影響因素包括情緒信息、知識建構(gòu)、認(rèn)知發(fā)展等。同時(shí)，研究通過實(shí)證方式、運(yùn)用探索性因素分析方法驗(yàn)證了該模型具有較好的理論解釋力。

2.VR技術(shù)促進(jìn)教學(xué)效用的機(jī)制

VR技術(shù)教學(xué)效用因素分析結(jié)果驗(yàn)證了本研究提出的前兩個(gè)研究假設(shè)，發(fā)現(xiàn)了影響VR技術(shù)教學(xué)效用的核心因素及其作用關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)，VR技術(shù)產(chǎn)生教學(xué)效用的首因要素是教師的教學(xué)行為意向，有三方面的證據(jù)支持這一結(jié)果：一是在對6類VR設(shè)備的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行熵值計(jì)算得到教師的行為意向熵權(quán)最高（69%）;二是根據(jù)VR技術(shù)教學(xué)效用模型，使用該設(shè)備開展教學(xué)的行為意向也受到感知有用性（因素負(fù)荷量=0.75）及感知易用性（因素負(fù)荷量=0.91）的影響;三是當(dāng)使用者體驗(yàn)VR設(shè)備時(shí)，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)方式不同，將產(chǎn)生不同程度的交互體驗(yàn)，即感知、交互感、沉浸感、臨場感（其對應(yīng)的因素負(fù)荷量分別為0.78、0.81、0.80、0.77），而沉浸感和臨場感有助于學(xué)習(xí)者情緒信息的產(chǎn)生（因素負(fù)荷量=0.69），情緒信息又能為學(xué)習(xí)者知識建構(gòu)（因素負(fù)荷量=0.71）和認(rèn)知發(fā)展（因素負(fù)荷量=0.79）提供支持。

3.VR技術(shù)的實(shí)施難點(diǎn)及其解決策略

VR技術(shù)因軟硬件的差異，會給使用者帶來不同的交互體驗(yàn)。對VR設(shè)備教學(xué)效用數(shù)據(jù)的熵值計(jì)算結(jié)果表明，具有較大不確定性的因素是硬件因素（熵權(quán)=0.1094）和軟件因素（熵權(quán)=0.1977）。對受訪教師的訪談也證明了這一點(diǎn)，他們普遍關(guān)注VR技術(shù)如何應(yīng)用于課堂，而硬件安裝、價(jià)格因素、穩(wěn)定性、資源支持、開發(fā)難易度等因素會直接影響教學(xué)者的使用行為意向，因此，解決軟硬件問題成為VR教學(xué)的實(shí)施難點(diǎn)。熵值分析與相關(guān)性分析表明，本研究提出的研究假設(shè)三得到驗(yàn)證。相關(guān)性分析結(jié)果為VR的教學(xué)實(shí)施難點(diǎn)提供了較好的解決方案支持。由于6種VR設(shè)備都與認(rèn)知性效用具有高相關(guān)性，因此，解決以上實(shí)施難點(diǎn)，應(yīng)充分考慮教師對VR設(shè)備的接受度，初期可以考慮選擇購置成本低、開發(fā)難度低、穩(wěn)定性高的VR設(shè)備開展教學(xué)，如AR掃描教學(xué)卡、Google Cardboard紙盒眼鏡等，這樣不僅能夠激發(fā)教師的使用行為意向，也能較好地發(fā)揮VR設(shè)備在促進(jìn)認(rèn)知方面的效果。

4.學(xué)校開展VR教學(xué)的設(shè)備配置方案

根據(jù)熵值計(jì)算結(jié)果，各類別VR設(shè)備綜合評價(jià)得分由高到低依次為：HVD設(shè)備（wj=32.89）、MHD設(shè)備（wj=30.07）、VAHD設(shè)備（wj=29.05）、PVD設(shè)備（wj=28.56）、VAID設(shè)備（wj=27.86）、PTD設(shè)備（wj=27.68）。以上6類設(shè)備與認(rèn)知性效用均具有高相關(guān)性，實(shí)際應(yīng)用中可按其購置成本高低、開發(fā)性難易、資源支持是否豐富等因素進(jìn)行綜合考量，筆者提供了如圖3所示的教學(xué)配置方案，以供教師和管理者參考借鑒。

該方案將學(xué)校VR建設(shè)需求按照教學(xué)需求高低與投入程度高低兩個(gè)維度劃分為四種類別。對于低教學(xué)需求且低投入的學(xué)校，可購置VR+AR模擬設(shè)備，其成本低、互動性好，能夠?yàn)閷W(xué)生提供基本的VR學(xué)習(xí)體驗(yàn);對于高教學(xué)需求且低投入的學(xué)校，可考慮采用手機(jī)支持視覺模擬設(shè)備開展教學(xué)，利用VR設(shè)備與智能手機(jī)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)基本的VR沉浸體驗(yàn);對于低教學(xué)需求且高投入的學(xué)校來說，可考慮采購成本略高的動作捕捉式模擬設(shè)備或視聽互動模擬設(shè)備，這類設(shè)備還具有一定的開源性，能夠支撐未來的互動資源開發(fā)和課堂活動擴(kuò)展;對于高教學(xué)需求且高投入的學(xué)校，可考慮購置頭戴式視覺模擬設(shè)備或整合式觸覺模擬設(shè)備，這類設(shè)備雖然成本較高，但設(shè)備本身已經(jīng)提供了較好的教學(xué)支撐資源或方案，能夠有效幫助教師解決學(xué)科教學(xué)中的重難點(diǎn)問題。

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收稿日期 2021-01-15 責(zé)任編輯 劉選

Abstract： Virtual Reality （VR）， due to its unique benefits of connectivity， immersion and appreciation， is considered an effective way of promoting studentslearning and the teaching process. However， the mechanism of VR technology effectiveness in teaching still needs further research. Teaching Effectiveness is an indicator to measure how technology method plays a role in the teaching process， including learning engagement， teaching efficiency， and teaching effectiveness. Based on the theoretical research and model construction， this research presents the VR-E3 model， which focuses on the VR interaction， immersion and recognition process. The VR interaction variables include hardware， software， perceived usefulness， perceived ease of use， behavioral intention， learnerscharacteristics and etc. The VR immersion variables include perception， interaction， immersion and presence. The VR recognition variables include information of emotion， knowledge construction， recognition development and etc. The VR-E3 model illustrates the VR teaching mechanism well based on data analysis and entropy method. It is found that teachersbehavioral intention is the most significant variable for VR teaching effectiveness. Because of the software and hardware disparity， VR teaching can offer users different immersive experience. And two dimensions of teaching demand and cost feedback should be taken into account for VR facilities allocation of schools.

Keywords： Virtual Reality Technology; VR-E3 Model; Model Construction; Entropy Method