虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)教育的研究綜述（2000—2019年）

羅恒 馮秦娜 李格格 李文昊

[摘? ?要] 近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，涌現(xiàn)出了大量的理論研究和實(shí)證研究。為了總結(jié)過(guò)去20年（2000—2019）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)和發(fā)展趨勢(shì)，文章采用系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述法，選取了以EBSCO數(shù)據(jù)庫(kù)為主的60篇高質(zhì)量實(shí)證研究，對(duì)論文內(nèi)容進(jìn)行深度閱讀并從研究情境、技術(shù)特性、教學(xué)設(shè)計(jì)和效果評(píng)價(jià)四個(gè)維度開(kāi)展編碼分析。研究表明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)教育的應(yīng)用周期較短，且多在半沉浸式VR學(xué)習(xí)環(huán)境中開(kāi)展， 頭戴式顯示器的使用近十年來(lái)有較大提升。此外，VR環(huán)境中的學(xué)習(xí)過(guò)程缺乏必要的教學(xué)指導(dǎo)，教學(xué)評(píng)價(jià)仍沿用傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式，教學(xué)策略不分學(xué)段均以探究式學(xué)習(xí)為主，且只有少數(shù)文獻(xiàn)匯報(bào)了教學(xué)效果的效應(yīng)量?；诰C述結(jié)果，文章提出了在基礎(chǔ)教育中有效開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的對(duì)策和建議。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實(shí); 基礎(chǔ)教育; 實(shí)證研究; 研究綜述; 技術(shù)特性; 教學(xué)設(shè)計(jì)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 羅恒（1983—）男，湖北武漢人。副教授，博士，主要從事教學(xué)設(shè)計(jì)、數(shù)字化學(xué)習(xí)研究。E-mail：luoheng @mail.ccnu.edu.cn。

一、引? ?言

2020年3月2日，美國(guó)高等教育信息化協(xié)會(huì)（EDUCAUSE）發(fā)布《2020地平線(xiàn)報(bào)告（教學(xué)與學(xué)習(xí)版）》，將擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Extended Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)XR）作為影響未來(lái)教育的新興技術(shù)之一。擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（AR、VR、MR、HAPTIC）是指物理環(huán)境與虛擬環(huán)境的混合，或提供完全沉浸式虛擬體驗(yàn)的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）作為擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)的一種，近年來(lái)因持續(xù)降低的設(shè)備成本和日益完善的技術(shù)功能，吸引了眾多學(xué)者的目光。VR技術(shù)是融合立體顯示技術(shù)、場(chǎng)景建模技術(shù)和自然交互技術(shù)等多種技術(shù)于一身的綜合性技術(shù)，借由虛擬環(huán)境模擬出真實(shí)世界中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等效果，并借助計(jì)算機(jī)、傳感器等人機(jī)交互手段實(shí)現(xiàn)自然交互[1]。其“3I”特性，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）及想象性（Imagination）[2]能給用戶(hù)帶來(lái)全新的體驗(yàn)，使VR在娛樂(lè)、醫(yī)學(xué)、航空等多個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，VR技術(shù)逐步應(yīng)用于教育領(lǐng)域，展示了促進(jìn)教學(xué)變革創(chuàng)新的巨大潛力。

國(guó)內(nèi)核心期刊論文對(duì)于VR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的研究大多從理論視角出發(fā)，探討VR技術(shù)支持教學(xué)的理論框架和設(shè)計(jì)策略[3-5]。近年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始從實(shí)證角度探究VR在多種教育情境中的應(yīng)用效果，例如對(duì)二語(yǔ)習(xí)得的應(yīng)用研究[6-7]、交通安全訓(xùn)練的效果研究等[8]。 然而，這些實(shí)證研究較為零散，研究者對(duì)VR教育應(yīng)用的有效性也尚未達(dá)成共識(shí)。同時(shí)，不少學(xué)者在綜述研究中未區(qū)分虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）[9-10]，忽略了不同技術(shù)特性對(duì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)帶來(lái)的影響：VR將用戶(hù)沉浸在完全虛擬的世界中，強(qiáng)調(diào)基于數(shù)字媒介帶來(lái)的臨場(chǎng)感;AR是將信息或虛擬對(duì)象疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，強(qiáng)調(diào)虛擬與現(xiàn)實(shí)的共存聯(lián)系[11]。二者在沉浸性、交互性和想象性的差異給用戶(hù)帶來(lái)的視聽(tīng)體驗(yàn)不同，因此無(wú)差別綜述VR和AR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)分析失焦、結(jié)論泛化等諸多問(wèn)題。

此外，當(dāng)前關(guān)于VR教育的綜述類(lèi)文獻(xiàn)大多沒(méi)有區(qū)分基礎(chǔ)教育和高等教育[12-14]，盡管兩者在教學(xué)對(duì)象、教學(xué)內(nèi)容等方面存在較大的差異。基礎(chǔ)教育服務(wù)對(duì)象主要年齡段為6～18周歲的中小學(xué)生，這一年齡段的學(xué)生自理能力差、思想欠成熟、自我保護(hù)能力薄弱，這一階段的教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)“德智體美勞”全面發(fā)展，而且國(guó)內(nèi)地區(qū)差異性使得基礎(chǔ)教育資源也參差不齊。因此，將基礎(chǔ)教育和高等教育領(lǐng)域共同納入VR教育的綜述研究范圍，無(wú)法體現(xiàn)教育情境差異帶來(lái)的影響。相對(duì)而言，VR在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少，起步較晚，更值得進(jìn)行系統(tǒng)綜述和總結(jié)。

綜上，本文聚焦VR技術(shù)和基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，試圖對(duì)過(guò)去二十年間VR教育應(yīng)用研究進(jìn)行梳理，探究VR教學(xué)過(guò)程中教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)策略和教學(xué)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)及其衍變發(fā)展趨勢(shì)，力圖總結(jié)國(guó)內(nèi)外已有經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)VR技術(shù)在我國(guó)基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用進(jìn)程。具體研究問(wèn)題包括：

（1）VR技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的研究有哪些特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)？

（2）基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中常用的VR設(shè)備有哪些特性？這些特性如何支持教學(xué)實(shí)踐？

（3）基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中的VR應(yīng)用體現(xiàn)了哪些教學(xué)設(shè)計(jì)理念、原則和策略？

（4）基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中的VR教學(xué)效果如何？有哪些常見(jiàn)的研究方法和重要發(fā)現(xiàn)？

二、研究方法

本文采用系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述法開(kāi)展研究，主要包含以下步驟：確定問(wèn)題、制定標(biāo)準(zhǔn)、檢索文獻(xiàn)、篩選文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)提取、統(tǒng)計(jì)分析、撰寫(xiě)綜述[15-16]。確定文獻(xiàn)后，通過(guò)編碼量表對(duì)所選文獻(xiàn)進(jìn)行量化編碼，并從研究情境、技術(shù)特性、教學(xué)設(shè)計(jì)、效果評(píng)價(jià)四個(gè)維度對(duì)所選文獻(xiàn)內(nèi)容作進(jìn)一步的量化分析和可視化呈現(xiàn)。

（一）文獻(xiàn)篩選方法

本文回顧了過(guò)去20年（2000—2019）在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的VR應(yīng)用于基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的實(shí)證研究論文。本文以EBSCO為主要文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，以ERIC、JSTOR、IEEE、Elsevier和SpringerLink為補(bǔ)充來(lái)源，并以?xún)山M關(guān)鍵詞進(jìn)行任意組合作為搜索字符串。第一組字符串包括“virtual reality”及其簡(jiǎn)寫(xiě)“VR”，第二組包括教育情境關(guān)鍵詞如“education、class*、teach*、learn*等”。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)標(biāo)題和摘要進(jìn)行初始篩選，共獲取215篇文獻(xiàn)。

根據(jù)研究目的，本文進(jìn)一步對(duì)初篩文獻(xiàn)進(jìn)行精選，步驟如下：（1）研究情境必須是基礎(chǔ)教育（幼兒園、小學(xué)、初中、高中），排除高等教育、特殊教育等情境;（2）必須是實(shí)證研究（定量、定性、設(shè)計(jì)研究和混合研究等），排除綜述、理論類(lèi)文章;（3）文章聚焦VR技術(shù)，排除AR、MR的相關(guān)研究;（4）選取同行評(píng)審的期刊文章，排除專(zhuān)著和會(huì)議論文等研究成果。根據(jù)以上篩選條件，最終確定60篇來(lái)自Computers & Education、Computers in Human Behavior、British Journal of Educational Technology等37個(gè)不同期刊上的實(shí)證研究。

（二）編碼分析方法

本文使用表1的文獻(xiàn)編碼表對(duì)最終選取的60篇相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了量化編碼，編碼分為研究情境、技術(shù)特性、教學(xué)設(shè)計(jì)和效果評(píng)價(jià)四個(gè)維度。

三、研究發(fā)現(xiàn)

（一）整體發(fā)文趨勢(shì)

1. 發(fā)文數(shù)量

在60篇文獻(xiàn)中，報(bào)告了VR實(shí)證研究的地點(diǎn)有47篇，其中來(lái)自美國(guó)的論文最多，有11篇。來(lái)自國(guó)內(nèi)的研究有10篇（包括臺(tái)灣6篇），說(shuō)明國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于VR應(yīng)用于基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的研究起步較早且日趨成熟。如圖1所示，2000年以來(lái)VR技術(shù)在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用迎來(lái)兩個(gè)高峰。2006年迎來(lái)的第一個(gè)高峰是基于臺(tái)式電腦的半沉浸式VR學(xué)習(xí)環(huán)境，如臺(tái)灣學(xué)者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)地球運(yùn)動(dòng)軟件[17]。由于VR技術(shù)的不成熟及其教育應(yīng)用的復(fù)雜性，其在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與研究逐漸陷入停滯。近年來(lái)，隨著VR技術(shù)的迅速發(fā)展和設(shè)備成本的持續(xù)降低，完全沉浸式的VR學(xué)習(xí)環(huán)境重新吸引一線(xiàn)中小學(xué)教師和研究者的興趣，相關(guān)研究在2019年迎來(lái)了第二個(gè)高峰。該現(xiàn)象也符合2017年《地平線(xiàn)報(bào)告（基礎(chǔ)教育版）》的預(yù)測(cè)，VR技術(shù)將在2～3年內(nèi)被引入基礎(chǔ)教育領(lǐng)域。

2. 研究類(lèi)型

如圖2（a）所示，研究者采用實(shí)驗(yàn)研究、質(zhì)性研究、調(diào)查研究、設(shè)計(jì)研究、混合研究等多種方法對(duì)VR教育應(yīng)用展開(kāi)研究。其中以實(shí)驗(yàn)研究最為普遍（34篇），研究者多通過(guò)分組比較和量化統(tǒng)計(jì)分析驗(yàn)證VR教學(xué)的有效性。其次是質(zhì)性研究（16篇），通過(guò)對(duì)個(gè)案進(jìn)行訪談，結(jié)合視頻、音頻等數(shù)據(jù)，探究VR課堂應(yīng)用所產(chǎn)生的問(wèn)題[18]以及兒童在VR環(huán)境中的協(xié)作過(guò)程[19]。此外，早期有學(xué)者通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查了解學(xué)生對(duì)某一學(xué)科的認(rèn)識(shí)[20]以及VR學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)[21]從而設(shè)計(jì)虛擬學(xué)習(xí)場(chǎng)景;后期也有學(xué)者利用問(wèn)卷調(diào)查獲取學(xué)生VR學(xué)習(xí)體驗(yàn) [22]。另有5篇文獻(xiàn)屬于教育設(shè)計(jì)研究，面向特定教學(xué)問(wèn)題對(duì)VR學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行多輪迭代的設(shè)計(jì)與完善，并提出教學(xué)設(shè)計(jì)原則。例如，有學(xué)者利用VR技術(shù)開(kāi)發(fā)了物理引擎模擬物理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景[23]。唯一一篇混合研究為Johnson-Glenberg團(tuán)隊(duì)在兩所高中進(jìn)行的兩次地理學(xué)科實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試、問(wèn)卷和觀察等混合方法評(píng)測(cè)學(xué)習(xí)者在組裝地質(zhì)層的表現(xiàn)，檢驗(yàn)VR學(xué)習(xí)效果[24]。

為更準(zhǔn)確解讀實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，本文分別統(tǒng)計(jì)了VR教學(xué)的持續(xù)時(shí)間和學(xué)習(xí)次數(shù)。圖2（b）和（c）的結(jié)果表明，VR體驗(yàn)時(shí)間在0～3小時(shí)（28篇）、VR學(xué)習(xí)次數(shù)為一輪（23篇）最為常見(jiàn)，說(shuō)明大部分VR教學(xué)效果的測(cè)量是在短期VR教學(xué)干預(yù)后開(kāi)展的，且缺乏重復(fù)驗(yàn)證。此類(lèi)研究設(shè)計(jì)無(wú)法排除VR作為新興技術(shù)所帶來(lái)的新奇感效應(yīng)（Novelty Effect），即VR教學(xué)效果可能隨著學(xué)生新奇感的逐漸削弱而減弱。因此，未來(lái)相關(guān)研究需考慮對(duì)VR學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行持續(xù)追蹤和反復(fù)測(cè)量，從而提升研究結(jié)果的可信度。此外，我們注意到約37%和23%的文獻(xiàn)并未匯報(bào)VR學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)和學(xué)習(xí)次數(shù)，影響了研究結(jié)論的可解讀性。

（二）研究情境

VR在基礎(chǔ)教育的應(yīng)用學(xué)科分布見(jiàn)表2，主要集中在三個(gè)領(lǐng)域：基礎(chǔ)科學(xué)（物理、化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等）、社會(huì)科學(xué)（歷史學(xué)、人類(lèi)學(xué)、社會(huì)學(xué)、教育等）和健康與醫(yī)學(xué)（健康科學(xué)、醫(yī)學(xué)訓(xùn)練、心理健康、安全教育等）。其他學(xué)科則包括以STEAM教育、創(chuàng)客教育等為代表的非正式學(xué)科。小學(xué)和初中學(xué)段更多地將VR技術(shù)應(yīng)用于健康教育、社會(huì)科學(xué)。兒童的健康教育一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，利用VR技術(shù)構(gòu)建危險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行技能訓(xùn)練能避免真實(shí)訓(xùn)練所帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。例如，學(xué)生通過(guò)在模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)[25]、交通路口等虛擬場(chǎng)景里反復(fù)練習(xí)[26]，以此增強(qiáng)安全意識(shí)，提高安全技能。此外，義務(wù)教育階段強(qiáng)調(diào)德智體美勞全面發(fā)展，因此，VR也被更多地應(yīng)用在培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)情感技能和文化意識(shí)方面。例如，有學(xué)者在傳統(tǒng)歷史學(xué)科教學(xué)中融合VR技術(shù)，構(gòu)建古羅馬場(chǎng)景以提高學(xué)生對(duì)歷史事件的情感共鳴[27]。高中生的認(rèn)知特點(diǎn)接近于成人，且學(xué)習(xí)目的性較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容主要是基礎(chǔ)科學(xué)，因而高中階段VR教學(xué)的案例相對(duì)較少。典型案例包括高中科學(xué)課程利用VR開(kāi)展自學(xué)，提升學(xué)生的科學(xué)自我效能感[28]。

（三）VR技術(shù)發(fā)展

VR學(xué)習(xí)體驗(yàn)依托于計(jì)算機(jī)、頭戴式顯示器和VR眼鏡等設(shè)備，然而不同設(shè)備帶來(lái)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)有較大的差異。本文對(duì)55篇（除去設(shè)計(jì)類(lèi)文章）文獻(xiàn)中使用的VR設(shè)備進(jìn)行了分析。圖3（a）表明，2000—2009年期間，VR主要為基于臺(tái)式電腦的半沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，通常需要投影設(shè)備呈現(xiàn)VR場(chǎng)景;2010—2019年間，VR眼鏡和頭戴式顯示器迅速發(fā)展，漸漸成為主流VR設(shè)備，支持全沉浸式的虛擬體驗(yàn)。除了高質(zhì)量的沉浸體驗(yàn)外，便攜性是決定VR設(shè)備在課堂中應(yīng)用推廣的重要條件。然而文獻(xiàn)中僅有18篇論文描述了具有便攜特點(diǎn)的VR設(shè)備。同時(shí)滿(mǎn)足沉浸性、交互性和便攜性的VR教學(xué)應(yīng)用較為匱乏，且受限于高昂的設(shè)備價(jià)格。

從圖3（b）可看出，基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的VR學(xué)習(xí)體驗(yàn)仍然以半沉浸式、低交互為主， 主要依靠鼠標(biāo)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，因此本質(zhì)上并未帶來(lái)革新式的虛擬學(xué)習(xí)體驗(yàn)。VR的想象性體現(xiàn)在創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)生活中沒(méi)有或無(wú)法親臨的虛擬場(chǎng)景，例如歷史事件和危險(xiǎn)場(chǎng)景等。然而文獻(xiàn)中的VR場(chǎng)景有80%仍是基于現(xiàn)實(shí)世界構(gòu)建，并未充分發(fā)揮VR的想象性。其原因可能是大部分VR教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生分析解決真實(shí)問(wèn)題的能力，強(qiáng)調(diào)問(wèn)題情境的真實(shí)感和相關(guān)性。

（四）VR教學(xué)設(shè)計(jì)

1. 教學(xué)指導(dǎo)與教學(xué)評(píng)價(jià)

中小學(xué)生在VR環(huán)境中開(kāi)展有效學(xué)習(xí)活動(dòng)需要在關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)中獲得合理的引導(dǎo)。如圖4（a）所示，VR學(xué)習(xí)中常見(jiàn)的引導(dǎo)模式有教師指導(dǎo)、數(shù)字化引導(dǎo)、手冊(cè)自學(xué)等方式。在60篇文獻(xiàn)中，有21篇文獻(xiàn)是在虛擬場(chǎng)景中加入了數(shù)字化引導(dǎo)設(shè)計(jì)，例如在小學(xué)地理課程虛擬環(huán)境中設(shè)置彈窗選項(xiàng)，學(xué)生可根據(jù)提示選擇不同的學(xué)習(xí)場(chǎng)景[29];有10篇文獻(xiàn)是教師在學(xué)生進(jìn)入VR前對(duì)學(xué)生開(kāi)展培訓(xùn)，培訓(xùn)方式包括視頻指導(dǎo)、口述指導(dǎo)和實(shí)際操作講解;有8篇文獻(xiàn)中使用了混合式引導(dǎo)設(shè)計(jì)，一般由教師在VR學(xué)習(xí)前對(duì)學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一指導(dǎo)，同時(shí)在VR學(xué)習(xí)環(huán)境中通過(guò)多種人機(jī)交互形式指引學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)。例如某VR項(xiàng)目在教授二次函數(shù)知識(shí)過(guò)程中，首先由教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行設(shè)備使用指導(dǎo)以及任務(wù)講解，同時(shí)VR系統(tǒng)在學(xué)習(xí)過(guò)程中彈出講解動(dòng)畫(huà)，為完成任務(wù)提供關(guān)鍵信息[30]。另有兩篇文獻(xiàn)將技術(shù)操作說(shuō)明或者書(shū)本作為學(xué)習(xí)指引材料，引導(dǎo)學(xué)生熟悉VR操作、明確學(xué)習(xí)要求[31]。此外，有19篇文獻(xiàn)并未提及學(xué)習(xí)指導(dǎo)的設(shè)計(jì)。VR環(huán)境中缺乏必要的指引，不僅存在安全隱患，也會(huì)影響學(xué)習(xí)效果。

學(xué)習(xí)效果是所有研究者都關(guān)注的問(wèn)題。如圖4（b）所示，研究者采用了多種方式對(duì)VR學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中以試卷、問(wèn)卷和訪談等傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式最為常見(jiàn)，共有27篇。例如Wu等人在小孔成像的VR教學(xué)前后采用里克特量表對(duì)學(xué)生的問(wèn)題解決能力和學(xué)習(xí)態(tài)度進(jìn)行測(cè)試[32]。隨著VR技術(shù)的飛速發(fā)展，VR內(nèi)嵌式評(píng)價(jià)也變得更加普遍。該模式以VR環(huán)境中內(nèi)嵌的測(cè)試題為主，具有反饋及時(shí)、情境性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文一共發(fā)現(xiàn)了8篇相關(guān)文獻(xiàn);例如Akman等人針對(duì)小學(xué)分?jǐn)?shù)課設(shè)計(jì)的一款荒島探險(xiǎn)游戲內(nèi)設(shè)計(jì)測(cè)試題任務(wù)，只有正確回答問(wèn)題才能通關(guān)獲得救援[33]。結(jié)合傳統(tǒng)和VR內(nèi)嵌兩種評(píng)價(jià)的混合評(píng)價(jià)方式有7篇;例如一款面向歷史學(xué)科教學(xué)的VR游戲要求學(xué)生以游戲闖關(guān)形式完成6項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，后續(xù)輔以問(wèn)卷和訪談來(lái)評(píng)估學(xué)習(xí)效果[22]?；旌鲜皆u(píng)價(jià)整合了數(shù)字化評(píng)價(jià)和傳統(tǒng)評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，既保證了反饋的及時(shí)性，又能對(duì)學(xué)習(xí)效果做出權(quán)威系統(tǒng)評(píng)測(cè)。此外，有18篇文獻(xiàn)未提及評(píng)價(jià)方式。評(píng)價(jià)是教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，VR學(xué)習(xí)中評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)的缺失將影響教學(xué)的完整性和有效性。

2. 教學(xué)策略

如圖5所示，研究者利用VR開(kāi)展教學(xué)主要采用以下教學(xué)策略：探究式、協(xié)作式、練習(xí)式及內(nèi)容呈現(xiàn)式。探究式教學(xué)主要以任務(wù)為導(dǎo)向，促進(jìn)學(xué)生在虛擬環(huán)境中以問(wèn)題解決為目標(biāo)開(kāi)展探索，例如學(xué)生在荒島生存任務(wù)中需要完成包含數(shù)學(xué)知識(shí)的各項(xiàng)任務(wù)[33]。協(xié)作式教學(xué)以小組為單位完成學(xué)習(xí)任務(wù)，例如小組成員合作創(chuàng)建三維情境、故事腳本和角色扮演[23]。練習(xí)式教學(xué)策略以技能訓(xùn)練為主，例如對(duì)小學(xué)生開(kāi)展火災(zāi)逃生、行人安全等技能訓(xùn)練。內(nèi)容呈現(xiàn)式教學(xué)將現(xiàn)實(shí)中肉眼不可見(jiàn)的物體及其變化過(guò)程以立體的形式向?qū)W習(xí)者展示，如利用VR技術(shù)3D展示人體細(xì)胞的形態(tài)和功能等知識(shí)[28]。

由圖5（a）可以看出，近20年來(lái)，內(nèi)容呈現(xiàn)式及探究式兩種教學(xué)策略所占的比重有較大的變動(dòng)。2000—2009年間文獻(xiàn)中使用內(nèi)容呈現(xiàn)式教學(xué)策略的VR應(yīng)用僅占8%，而后十年增長(zhǎng)到了35%。受益于VR技術(shù)在內(nèi)容呈現(xiàn)方面好的表現(xiàn)，近年來(lái)VR可以更全景細(xì)膩地展示各類(lèi)事物和場(chǎng)景，例如細(xì)胞結(jié)構(gòu)和歷史場(chǎng)景等。探究式教學(xué)策略的應(yīng)用在近十年間的占比由起初的70%減少到41%，原因可能有以下兩點(diǎn)：首先，該策略適用于具備一定探究能力的初高中學(xué)生，而初高中學(xué)段主要以升學(xué)考試為目的，使用VR開(kāi)展探究式教學(xué)需要花費(fèi)大量時(shí)間且效果無(wú)法保證。其次，探究式學(xué)習(xí)要求學(xué)生收集整合多源信息，積極參與協(xié)作會(huì)話(huà)，但當(dāng)前VR設(shè)備對(duì)信息檢索、實(shí)時(shí)溝通及小組協(xié)作等活動(dòng)的支持仍有限，無(wú)法滿(mǎn)足探究式學(xué)習(xí)的核心需求。

圖5（b）分學(xué)段呈現(xiàn)了VR教學(xué)策略的使用情況。整體上，小學(xué)、初中、高中階段的策略使用較為一致：探究式教學(xué)策略仍然是最為廣泛使用的策略，VR沉浸性、交互性、想象性特點(diǎn)能夠吸引學(xué)生在VR學(xué)習(xí)環(huán)境中開(kāi)展探究。內(nèi)容呈現(xiàn)式教學(xué)位居第二，且在小學(xué)階段得到了更普遍的應(yīng)用。受學(xué)科、學(xué)段影響最大的教學(xué)策略為練習(xí)式教學(xué)，作為小學(xué)階段健康安全教育中常見(jiàn)的VR教學(xué)策略，在初中和高中階段其他學(xué)科教育中的應(yīng)用寥寥，表明教學(xué)策略的選取取決于不同認(rèn)知層次的學(xué)習(xí)者及學(xué)科，需要研究者酌情進(jìn)行選擇。

（五）VR研究方法

1. 數(shù)據(jù)收集

本文梳理了文獻(xiàn)中使用的數(shù)據(jù)收集方式。由于一篇文獻(xiàn)可能使用多種數(shù)據(jù)收集方法，因此數(shù)據(jù)收集方法的計(jì)數(shù)大于本文綜述的文獻(xiàn)數(shù)量。結(jié)果顯示問(wèn)卷調(diào)查（30篇）是VR實(shí)證數(shù)據(jù)的主要來(lái)源，題目測(cè)試（23篇）也是常用的數(shù)據(jù)收集方法。觀察記錄（28篇）和采訪交流（19篇）也得到應(yīng)用，但大多用于質(zhì)性研究，或?yàn)榱炕Y(jié)果提供質(zhì)性證據(jù)解讀?？傮w而言，問(wèn)卷調(diào)查是最為便捷的數(shù)據(jù)收集方法，但具有一定的主觀性;題目測(cè)試可以直接檢測(cè)學(xué)習(xí)效果，卻忽略了學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)體驗(yàn);觀察記錄和訪談相較于前兩種方式，能夠深入了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，但需花費(fèi)較多時(shí)間。因此，多樣化、多源化的數(shù)據(jù)收集方式值得推崇，能提升研究結(jié)果的有效性及可靠性，幫助讀者深入了解VR學(xué)習(xí)的效果和體驗(yàn)。

2. 數(shù)據(jù)分析

文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)分析方法，除描述性分析外，其他方法主要分為差異分析（n=32）和相關(guān)分析（n=9）。其中差異分析包括t-test、ANOVA、ANCOVA、MANOVA、非參數(shù)檢驗(yàn)、卡方檢驗(yàn)、Mann-Whitney U-test、The Wilcoxon Paired Sign Rank Test等方法，相關(guān)分析包括相關(guān)系數(shù)、回歸模型、結(jié)構(gòu)方程模型、因子分析等方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究比較組間差異能檢驗(yàn)VR教學(xué)的效果，而建模分析變量之間的復(fù)雜關(guān)系有助于探究VR教學(xué)起作用的機(jī)制和相關(guān)影響因素。

在所有32篇使用差異分析的文獻(xiàn)中，有26篇得到顯著的組間差異結(jié)果，有4篇得到不一致的發(fā)現(xiàn)，只有2篇文獻(xiàn)結(jié)果顯示VR教學(xué)沒(méi)有帶來(lái)顯著差異。由此可見(jiàn)，VR技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)教育領(lǐng)域總體上能提升教學(xué)效果，帶來(lái)積極影響。此外，本文統(tǒng)計(jì)了VR教學(xué)效果的效應(yīng)量，發(fā)現(xiàn)匯報(bào)效應(yīng)量的文獻(xiàn)（Effect Size）僅有8篇，其中5篇報(bào)告了Cohens d，2篇報(bào)告了Cohens f，1篇報(bào)告了partial η2。其中有3篇文獻(xiàn)報(bào)告了多個(gè)因變量的效應(yīng)量，且大部分呈現(xiàn)強(qiáng)效應(yīng)[24，27，35]。效應(yīng)量大小反映了VR教學(xué)的實(shí)際效果，相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏會(huì)使教學(xué)管理者無(wú)法判斷VR技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的可推廣性和成本效益;后續(xù)研究者也無(wú)法獲取相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)VR教學(xué)的效果進(jìn)行元分析。

四、結(jié)論與思考

本文結(jié)合了VR的3“I”特性、VR教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)文獻(xiàn)開(kāi)展梳理分析。研究結(jié)果表明，隨著技術(shù)設(shè)備的完善，VR技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)教學(xué)效果產(chǎn)生了總體較為積極的影響。但已有VR教育研究中教學(xué)指導(dǎo)的缺乏，教學(xué)方式的不合理以及單一化的研究方法，使得研究結(jié)果指導(dǎo)基礎(chǔ)教育教學(xué)實(shí)踐的價(jià)值有限。基于本綜述的相關(guān)發(fā)現(xiàn)，筆者提出以下四點(diǎn)建議，期望為VR技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

（一）深化VR在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用

從文獻(xiàn)綜述結(jié)果來(lái)看，VR對(duì)學(xué)習(xí)者整體學(xué)習(xí)效果有較好的正向影響，但仍存在三個(gè)問(wèn)題。首先，應(yīng)用于基礎(chǔ)教育的VR技術(shù)的沉浸性和交互性處于較低水平。因此，在設(shè)計(jì)VR教學(xué)時(shí)，要充分利用VR的沉浸性、交互性和想象性，針對(duì)不同學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)段特點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)干預(yù)，將VR環(huán)境和學(xué)習(xí)任務(wù)有效聯(lián)通。其次，當(dāng)前VR設(shè)備的便攜性仍有限。提升VR設(shè)備的便攜性能加速VR在課堂教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。最后，VR教學(xué)的周期普遍較短，其長(zhǎng)期教學(xué)效果未知，一次性教學(xué)干預(yù)容易受到VR技術(shù)新奇性效應(yīng)的影響。當(dāng)VR從新技術(shù)成為常規(guī)技術(shù)后，學(xué)生能否持續(xù)從VR學(xué)習(xí)環(huán)境中得到效益無(wú)法估計(jì)。因此在未來(lái)研究中，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果需要長(zhǎng)期觀察，才能得到更可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（二）結(jié)合多種指導(dǎo)開(kāi)展教學(xué)

技術(shù)教學(xué)的有效性需要依靠合理的教學(xué)指導(dǎo)方式。目前對(duì)VR技術(shù)的研究眾多，但大多數(shù)研究者似乎忽略了如何有效指導(dǎo)學(xué)生使用VR技術(shù)開(kāi)展學(xué)習(xí)。VR環(huán)境與課堂環(huán)境差異較大，需要不同的教學(xué)指導(dǎo)，且VR設(shè)備帶來(lái)的眩暈、跌倒等安全隱患不容忽視。然而，文獻(xiàn)中使用VR開(kāi)展教學(xué)前大多缺乏設(shè)備使用培訓(xùn)和環(huán)境適應(yīng)訓(xùn)練，易導(dǎo)致學(xué)生在體驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)身體不適;VR體驗(yàn)中缺乏有效引導(dǎo)，造成學(xué)生在VR學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)漫無(wú)目的探索的問(wèn)題;VR體驗(yàn)后未能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)和反思，影響知識(shí)的自我建構(gòu)和遷移。因此，VR學(xué)習(xí)過(guò)程中需提供必要的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和評(píng)價(jià)來(lái)提升學(xué)習(xí)效果。指導(dǎo)和評(píng)價(jià)方式可以綜合多樣，在虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境中靈活開(kāi)展。

（三）設(shè)計(jì)個(gè)性化教學(xué)策略

從文獻(xiàn)研究結(jié)果來(lái)看，教學(xué)策略主要分為探究式、協(xié)作式、練習(xí)式、內(nèi)容呈現(xiàn)式教學(xué)，針對(duì)不同年齡段的學(xué)生采取的教學(xué)策略有微小的差異，選擇教學(xué)策略時(shí)需要考慮教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對(duì)象的差異。雖然VR技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提供情境體驗(yàn)式、感官具象化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，但其對(duì)于抽象隱性知識(shí)反而不易表達(dá)。低年級(jí)的學(xué)習(xí)內(nèi)容主要是對(duì)簡(jiǎn)單基礎(chǔ)知識(shí)的感知與理解或安全技能的培養(yǎng)，因此使用內(nèi)容呈現(xiàn)式或練習(xí)式教學(xué)策略更符合學(xué)生特點(diǎn)。針對(duì)高年級(jí)的學(xué)生，學(xué)習(xí)內(nèi)容和任務(wù)對(duì)高階思維有著更高的要求，且學(xué)生具有一定的自主探究和小組協(xié)作能力，此時(shí)探究式學(xué)習(xí)或協(xié)作式學(xué)習(xí)策略可能更符合高年級(jí)學(xué)生的特點(diǎn)。因此同其他技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)類(lèi)似，在設(shè)計(jì)VR教學(xué)策略前需要對(duì)學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行深度分析，從而選擇最合理的教學(xué)策略實(shí)現(xiàn)VR教學(xué)效果的最大化。

（四）VR教育研究方法多元化

當(dāng)前VR教育文獻(xiàn)中，數(shù)據(jù)收集的方法以量化數(shù)據(jù)為主，而分析方法則包括多種差異分析和相關(guān)分析方法，其研究結(jié)果的內(nèi)部效度較高。對(duì)于VR學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)仍然以傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式為主，通過(guò)問(wèn)卷、測(cè)試或記錄學(xué)習(xí)行為進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)量化數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行分析。然而問(wèn)卷、測(cè)試和行為記錄表等工具缺少信效度檢驗(yàn)，其研究結(jié)果的構(gòu)想效度無(wú)法估計(jì)。此外，大量文獻(xiàn)在進(jìn)行差異性分析時(shí)只匯報(bào)了顯著性而沒(méi)有匯報(bào)效應(yīng)量大小，使得讀者對(duì)VR教學(xué)的實(shí)際應(yīng)用效果缺少估計(jì)。因此，今后的VR研究中可以通過(guò)多元化的數(shù)據(jù)收集和分析、規(guī)范的量化數(shù)據(jù)匯報(bào)方式等措施來(lái)提高研究結(jié)果的信效度，科學(xué)指導(dǎo)VR技術(shù)在基礎(chǔ)教育情境中的推廣和應(yīng)用。

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A Review on the Application of VR Technology in K-12 Education： 2000-2019

LUO Heng，? FENG Qinna，? LI Gege，? LI Wenhao

（Faculty of Artificial Intelligence in Education， Central China Normal University， Wuhan Hubei 430079）

[Abstract] In recent years， virtual reality technology （VR） has been widely applied in the field of K-12 education， and a large number of theoretical and empirical studies have emerged as a result. To summarize the research findings and development trends of VR technology in K-12 education in the past 20 years （2000-2019）， this study conducts a systematic literature review and selects a total of 60 high-quality empirical studies from the EBSCO database for further reading and systematic coding from the aspects of research context， technology， pedagogy， and effect. The study results reveal that most VR interventions in K-12 settings last for relatively short period of time and are implemented with semi-immersive VR learning environment， and the use of head-mounted displays has witnessed an increase in last decade. In addition， the learning process in VR environment lacks proper scaffolding， teaching evaluation still follows the traditional ones， teaching strategies are based on inquiry-based learning regardless of the learning period， and only a few studies publish the effect size of teaching effect. Based on the research findings， this study proposes some countermeasures and suggestions for the effective implementation of VR teaching in K-12 education.

[Keywords] Virtual Reality; K-12 Education; Empirical Research; Research Review; Technology Affordance; Instructional Design