具身認(rèn)知視域下VR技術(shù)賦能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果探究

胡藝齡 聶靜 張?zhí)扃? 吳忭

摘要：在積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)的背景下，借助新興技術(shù)促進(jìn)學(xué)生的工程實(shí)踐和問題解決能力，成為工程教育變革的重要趨勢(shì)。針對(duì)這一知識(shí)與技能并重的復(fù)合能力，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)操作技能、啟發(fā)深度認(rèn)知上表現(xiàn)欠佳。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)通過多通道信息融合構(gòu)建交互式三維立體動(dòng)態(tài)場(chǎng)景及行為動(dòng)作仿真，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了強(qiáng)交互性、想象性和沉浸性的學(xué)習(xí)環(huán)境，有益于促成身體感知、行為控制和意義構(gòu)建的整合性學(xué)習(xí)。為了探究VR技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用機(jī)制，從具身認(rèn)知理論出發(fā)，對(duì)沉浸式VR環(huán)境與2D桌面仿真軟件環(huán)境下的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)成效進(jìn)行了差異分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的陳述性知識(shí)學(xué)習(xí)效果并無顯著差異;和2D仿真軟件相比，VR實(shí)驗(yàn)環(huán)境促進(jìn)了行為技能的遷移與實(shí)際情境下的問題解決，顯著提升了學(xué)習(xí)者的自我效能感和臨場(chǎng)感體驗(yàn)，但也帶來了諸如更高的認(rèn)知負(fù)荷和生理不適等負(fù)面影響。因此，未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度，既要利用VR賦能教學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也要正確認(rèn)識(shí)沉浸式學(xué)習(xí)帶來的認(rèn)知負(fù)荷與深度學(xué)習(xí)間的復(fù)雜關(guān)系。

關(guān)鍵詞：具身認(rèn)知;虛擬現(xiàn)實(shí);實(shí)驗(yàn)教學(xué);深度學(xué)習(xí);虛擬仿真

中圖分類號(hào)：G434 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1009-5195（2021）05-0094-09 ?doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.05.010

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于自然語言會(huì)話分析的問題解決能力測(cè)評(píng)技術(shù)及機(jī)制研究”（61977023）;華東師范大學(xué)“幸福之花”基金先導(dǎo)項(xiàng)目“屏幕文化下的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)及對(duì)腦智發(fā)展影響研究”（2019ECNU-XFZH014）。

作者簡(jiǎn)介：胡藝齡，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系（上海 200062）;聶靜、張?zhí)扃?，碩士研究生，華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系（上海 200062）;吳忭（通訊作者），博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系（上海 200062）。

一、引言

隨著媒體技術(shù)的不斷演進(jìn)，教育場(chǎng)景不斷拓展著“所能”的邊界，即能虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)時(shí)監(jiān)控、能仿真交互。教育的“空間”與“在場(chǎng)”被場(chǎng)景互聯(lián)重新定義。愈加“具身”（Embodiment）的新技術(shù)環(huán)境為專業(yè)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)提供了變革思路，也為“新工科”背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)環(huán)境與模式、學(xué)生工程實(shí)踐和問題解決能力提升提供了支撐。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為新興工程科技型人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一直以來都是學(xué)校建設(shè)與改革的重難點(diǎn)。隨著信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用與融合發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)在理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中逐步普及推廣，不斷促進(jìn)教學(xué)模式的變革。桌面虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通?；?D或3D建模技術(shù)，通過提供模像直觀的實(shí)驗(yàn)儀器和操作環(huán)境（于洪濤等，2008），以促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)相關(guān)概念的理解與知識(shí)的習(xí)得，在當(dāng)前中學(xué)理科教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。但桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅支持學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)環(huán)境的淺層次交互（如在有限屏幕內(nèi)的鼠標(biāo)、鍵盤交互），對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中操作技能的培養(yǎng)存在較大局限性。雖然學(xué)習(xí)者可通過想象的形式彌補(bǔ)部分操作細(xì)節(jié)，但體驗(yàn)到的臨場(chǎng)感亦相對(duì)淺薄。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)通過將多通道信息進(jìn)行融合，創(chuàng)建可交互的三維立體動(dòng)態(tài)場(chǎng)景及行為動(dòng)作仿真，從而使用戶產(chǎn)生沉浸式體驗(yàn)。由于其具備思維層次的深度化、構(gòu)建場(chǎng)景的豐富性、感官刺激的多樣化等優(yōu)勢(shì)（何聚厚等，2018），可模擬真實(shí)的全景實(shí)驗(yàn)環(huán)境，動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與條件，提供基于姿勢(shì)的行為交互，因而對(duì)增強(qiáng)學(xué)習(xí)者認(rèn)知及動(dòng)作技能具有極大潛力（Burdea et al.，2003）。近年來VR技術(shù)愈發(fā)受到國(guó)內(nèi)外教育研究者的青睞，并成為我國(guó)新時(shí)代開展教育信息化2.0行動(dòng)的重要基礎(chǔ)（任友群，2018）?！癡R+教育”的融合發(fā)展已成為我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵布局領(lǐng)域（中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部，2018）。從國(guó)際上來看，已陸續(xù)有學(xué)者將VR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)知識(shí)探究（Kim，2006）、化學(xué)的概念性知識(shí)學(xué)習(xí)（Liou et al.，2018）、生物細(xì)胞教學(xué)（Parong et al.，2018）、醫(yī)學(xué)訓(xùn)練（Smith et al.，2015）等教學(xué)或?qū)嶒?yàn)中，但大多數(shù)研究?jī)H關(guān)注VR環(huán)境是否提高了學(xué)習(xí)成效和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)等問題，并未深入探討VR環(huán)境是否能促進(jìn)認(rèn)知遷移和動(dòng)作技能的習(xí)得。在國(guó)內(nèi)，也有很多學(xué)者不斷挖掘VR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用潛能，但大多數(shù)研究集中于應(yīng)用構(gòu)想和系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)層面（黃劍玲等，2009;王娟等，2016），而對(duì)在基于VR的沉浸式實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中，信息呈現(xiàn)和感官交互方式是否確實(shí)有利于促進(jìn)學(xué)習(xí)者身心合一的學(xué)習(xí)表現(xiàn)尚缺乏充分的實(shí)證性探索?；诖?，本研究從具身認(rèn)知理論出發(fā)，將基于VR的沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的2D桌面仿真軟件同步應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)條件下的學(xué)習(xí)體驗(yàn)與成效，探索和驗(yàn)證VR環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用和效果。

二、研究綜述

1.虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)通過模擬現(xiàn)實(shí)世界中的某一領(lǐng)域知識(shí)及過程，或在一定程度上代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以達(dá)到幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)操作技能和促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知技能發(fā)展的目的（劉興波等，2011）。虛擬實(shí)驗(yàn)所具有的突破時(shí)空限制、安全、可靠、高效等優(yōu)勢(shì)為當(dāng)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式變革提供了新的途徑。目前學(xué)校中應(yīng)用最為廣泛的是基于2D建模技術(shù)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，比如中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中歐姆定律的探索、游標(biāo)卡尺的度數(shù)技巧訓(xùn)練等，學(xué)生主要通過操作鼠標(biāo)、鍵盤對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行控制與操作，進(jìn)而習(xí)得相關(guān)知識(shí)與技能。有研究者從心理學(xué)視角分析了此類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)技能發(fā)展的作用，認(rèn)為該系統(tǒng)有助于學(xué)生提取相關(guān)信息，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知技能的習(xí)得與遷移（于洪濤等，2008）。但研究也指出，在這類虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)生大多是通過實(shí)驗(yàn)儀器以及文字講解等獲得相應(yīng)的形象表征和符號(hào)表征，這類僅依托鍵盤鼠標(biāo)與虛擬環(huán)境的交互只能產(chǎn)生信息沉浸，并不能促進(jìn)其獲得實(shí)驗(yàn)所要求的動(dòng)作表征（于洪濤等，2008）。隨著VR技術(shù)在教育中的應(yīng)用推廣，國(guó)內(nèi)外教育研究者也開始采用沉浸式虛擬環(huán)境展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)，例如香港中文大學(xué)（2019）研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的EduVenture?VR（EV-VR）平臺(tái)，通過提供沉浸式虛擬學(xué)習(xí)空間，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)天文知識(shí)，模仿太空實(shí)地考察;Liou等人（2018）通過結(jié)合VR技術(shù)、VR設(shè)備以及三維交互式虛擬數(shù)字資源，為學(xué)生提供了一個(gè)整合式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，以幫助其提升學(xué)業(yè)成就及學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī);Bogusevschi等人（2020）則通過結(jié)合VR技術(shù)及VR實(shí)驗(yàn)室，為初中生講授水循環(huán)和降水形成的概念，以提升他們對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣?？梢钥吹?，隨著沉浸式VR技術(shù)的誕生，依托于其沉浸感強(qiáng)、交互性強(qiáng)、想象空間廣的特征，研究者陸續(xù)開始嘗試將其應(yīng)用于提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成效和學(xué)習(xí)興趣，但還未探索其在促進(jìn)深度學(xué)習(xí)和認(rèn)知遷移方面的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.具身認(rèn)知視域下的VR環(huán)境應(yīng)用成效

具身認(rèn)知（Embodied Cognition）是心理學(xué)中的新興研究領(lǐng)域，其主要涵義是認(rèn)為認(rèn)知是被身體及其活動(dòng)方式塑造的，認(rèn)知過程是身心一體的（葉浩生，2010）。具身認(rèn)知強(qiáng)調(diào)我們知覺的世界是一個(gè)以身體為中心的意義集合，身體與學(xué)習(xí)環(huán)境間的互動(dòng)是深度知識(shí)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。學(xué)者們嘗試從知覺符號(hào)、技術(shù)現(xiàn)象學(xué)、身體現(xiàn)象學(xué)等視角展開辨析（陳醒等，2019）。目前主流的具身認(rèn)知環(huán)境有通過器官感知與肢體運(yùn)動(dòng)來理解信息的感覺增強(qiáng)環(huán)境，基于手勢(shì)與知覺符號(hào)相匹配的相稱姿態(tài)動(dòng)作環(huán)境，以及結(jié)合直接具身和代理具身的身體參與運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境三類（柴陽麗等，2017）。VR環(huán)境由于具有多模態(tài)感知與沉浸式體驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有利于營(yíng)造具身認(rèn)知環(huán)境，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的深度認(rèn)知加工，因而被視為探究技術(shù)與具身認(rèn)知結(jié)合促進(jìn)學(xué)習(xí)“能否有效”“為何有效”“如何有效”的重要途徑。但是，VR的教學(xué)應(yīng)用成效也一直備受爭(zhēng)議。有研究認(rèn)為，VR對(duì)學(xué)習(xí)效果有中等或以上的積極影響（Merchant et al.，2014），有利于學(xué)生認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)和情感技能的習(xí)得（Jensen et al.，2018）;沉浸式VR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于程序性知識(shí)的習(xí)得更有利（李欣等，2019）。但也有研究認(rèn)為，盡管沉浸式VR實(shí)驗(yàn)環(huán)境比傳統(tǒng)的PPT放映更能激發(fā)學(xué)生的興趣與動(dòng)機(jī)，但卻并未能達(dá)到更好的教學(xué)效果（Parong et al.，2018），VR組與傳統(tǒng)的文本教學(xué)組在知識(shí)保留測(cè)試上沒有差異（Makransky et al.，2019）。值得一提的是，大多數(shù)實(shí)證研究在測(cè)評(píng)VR學(xué)習(xí)成效時(shí)，采用的多為題目類型的知識(shí)測(cè)試（李欣等，2019;Alfadil，2020），而很少設(shè)置貼近真實(shí)環(huán)境的行為遷移測(cè)試。

3.VR環(huán)境對(duì)非認(rèn)知因素的影響

VR對(duì)學(xué)習(xí)的影響不僅僅體現(xiàn)在認(rèn)知效果上，也表現(xiàn)于對(duì)學(xué)習(xí)者非認(rèn)知因素的作用。已有研究主要基于學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)理論與認(rèn)知負(fù)荷理論來分析VR促進(jìn)學(xué)習(xí)的作用機(jī)制。其中，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)理論又包括學(xué)習(xí)興趣理論（Renninger et al.，2016）與自我效能理論（Schunk et al.，2016）。學(xué)習(xí)興趣理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)感興趣的內(nèi)容時(shí)會(huì)更加投入，并獲得更好的學(xué)習(xí)成效。學(xué)習(xí)環(huán)境是激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵因素（Renninger et al.，2016）。VR提供的沉浸、交互式環(huán)境為激發(fā)學(xué)習(xí)興趣提供了支撐，而強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣又能進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的自我效能感。自我效能感是人們對(duì)自己是否有能力從事某項(xiàng)具體任務(wù)的主觀評(píng)價(jià)，學(xué)生會(huì)在相信自己有能力完成學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)更加投入學(xué)習(xí)（Schunk et al.，2016）。然而根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論可知，在多媒體學(xué)習(xí)中，有趣但與教學(xué)目標(biāo)無關(guān)的材料與細(xì)節(jié)會(huì)影響學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)（Mayer et al.，2008）。也就是說，如果將有限的認(rèn)知容量分配給與學(xué)習(xí)目標(biāo)不相關(guān)的冗余信息，則會(huì)增加認(rèn)知負(fù)荷，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)效果（Sweller et al.，2011）。因此，若要營(yíng)造形象可觀的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，必然會(huì)包含許多與學(xué)習(xí)目標(biāo)不相關(guān)的視覺或聽覺信息，而這些冗余信息也必然會(huì)增加學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷。

綜上所述，縱觀虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，從廣泛應(yīng)用的桌面仿真軟件到VR環(huán)境，學(xué)習(xí)媒體的變遷會(huì)如何影響學(xué)習(xí)體驗(yàn)？高沉浸感的媒介條件能否更好地提升學(xué)習(xí)成效？新媒介環(huán)境對(duì)學(xué)習(xí)者非認(rèn)知因素又會(huì)產(chǎn)生何種影響？這些都是值得研究者探討的問題。基于此，本研究選擇數(shù)字電路模擬實(shí)驗(yàn)為教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)探究低沉浸感的2D仿真軟件與高沉浸感的VR環(huán)境在提升學(xué)習(xí)效果上的表現(xiàn)。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅關(guān)注知識(shí)的獲取，更注重實(shí)驗(yàn)技能的遷移，因此在測(cè)評(píng)方式上，本研究選擇不同難度的知識(shí)保留測(cè)試（難度較低）與行為遷移測(cè)試（難度較高）來綜合評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成效。此外，研究還關(guān)注了兩種環(huán)境下學(xué)習(xí)者的自我效能感、臨場(chǎng)感體驗(yàn)、認(rèn)知負(fù)荷、生理不適以及技術(shù)接受度等因素，以便客觀比較兩類環(huán)境對(duì)學(xué)習(xí)的影響機(jī)制。具體地，本研究聚焦以下問題：（1）在基于VR和2D仿真軟件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者的自我效能感、臨場(chǎng)感體驗(yàn)、認(rèn)知負(fù)荷、生理不適及技術(shù)接受度是否存在差異？（2）基于VR和2D仿真軟件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境在學(xué)習(xí)者的知識(shí)獲取與技能遷移效果上是否存在顯著差異？

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.研究對(duì)象

本研究的被試選擇了來自上海市某所高校具有教育學(xué)相關(guān)專業(yè)背景的53名大學(xué)生，年齡在17～21歲之間。所有參與者的視力或矯正視力均正常，被隨機(jī)分配到VR組（即實(shí)驗(yàn)組，27人）和2D組（即控制組，26人），兩組被試的個(gè)體背景特征（視力、游戲頻率、VR學(xué)習(xí)體驗(yàn)等）無顯著差異。實(shí)驗(yàn)前被試均獨(dú)立完成了先驗(yàn)知識(shí)測(cè)試，對(duì)實(shí)驗(yàn)組成績(jī)（M=2.74，SD=0.81）和控制組成績(jī)（M=2.31，SD=0.83）進(jìn)行T檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)生在實(shí)驗(yàn)干預(yù)前的物理電路基礎(chǔ)知識(shí)水平不存在顯著差異（t=1.94，p>0.05）。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究的學(xué)習(xí)內(nèi)容為電子技術(shù)中的電路基礎(chǔ)知識(shí)與基本操作。具體包括電路相關(guān)概念（如串聯(lián)與并聯(lián)、短路與斷路等）與歐姆定律，以及各類電子元件（面包板、發(fā)光二極管、七段顯示數(shù)碼管、光敏電阻等）的使用方法。被試將通過PPT自主學(xué)習(xí)上述內(nèi)容。之后，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生通過觀看視頻了解沉浸式VR實(shí)驗(yàn)環(huán)境并熟悉相應(yīng)的操作，控制組學(xué)生則通過圖片與文字介紹了解2D仿真軟件的操作面板并熟悉相應(yīng)的功能。在任務(wù)開始前，主試也會(huì)提供必要的操作培訓(xùn)，并保證每一位被試都能獨(dú)立進(jìn)行軟件的操作。

實(shí)驗(yàn)組使用的VR設(shè)備是連接臺(tái)式電腦的HTC Vive頭戴式設(shè)備，包括一個(gè)頭戴式顯示器以及兩個(gè)單手持控制器，運(yùn)行Steam平臺(tái)的“Short Circuit VR”應(yīng)用，可以為被試提供全沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)（見圖1）?？刂平M使用配置相同的臺(tái)式電腦，所有操作在2D仿真軟件“Breadboard Simulator”上進(jìn)行（見圖2）。

3.測(cè)量工具

前測(cè)和后測(cè)任務(wù)。前測(cè)使用包含6道選擇題的先驗(yàn)知識(shí)測(cè)試，題項(xiàng)由研究團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)相關(guān)知識(shí)編制，并由物理教師交叉評(píng)閱確定，用來檢測(cè)被試與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的物理電路基礎(chǔ)知識(shí)水平，測(cè)試結(jié)果用于確保隨機(jī)分組的被試水平無顯著差異。后測(cè)設(shè)置了題目類的知識(shí)保留測(cè)試和真實(shí)環(huán)境下的動(dòng)手操作實(shí)踐測(cè)試兩種不同難度的測(cè)評(píng)任務(wù)。其中，知識(shí)保留測(cè)試也包含6道選擇題，用于考察被試是否掌握了與實(shí)驗(yàn)任務(wù)相關(guān)的原理性知識(shí);行為遷移測(cè)試要求被試應(yīng)用真實(shí)的物理元件來正確連接電路。

調(diào)查問卷。為充分了解參與者在不同媒體環(huán)境下的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和態(tài)度，研究使用的調(diào)查問卷包括臨場(chǎng)感（Wiebe et al.，2014）、自我效能感（Meluso et al.，2012）、認(rèn)知負(fù)荷（Hart et al.，1988）、生理不適（Kennedy et al.，1993）、技術(shù)接受度（Davis et al.，1989）等5個(gè)因子。通過對(duì)上述采納度較高的量表進(jìn)行編譯，并由專家對(duì)問卷內(nèi)容進(jìn)行審查，匹配問卷內(nèi)容與學(xué)習(xí)情境的適切性后，最終確定了包含19個(gè)題目的后測(cè)問卷，其中臨場(chǎng)感5題（原始問卷中結(jié)構(gòu)效度為0.92）、自我效能感3題（原始問卷中結(jié)構(gòu)效度為0.80）、認(rèn)知負(fù)荷3題（原始問卷中結(jié)構(gòu)效度為0.82）、生理不適3題（原始問卷中結(jié)構(gòu)效度為0.78）、技術(shù)接受度5題（原始問卷中結(jié)構(gòu)效度為0.90）。最終整體問卷內(nèi)部一致性系數(shù)達(dá)到0.853，且除生理不適外，問卷各維度的一致性系數(shù)均大于0.7（詳見表1），這表明問卷整體和部分的信度良好?？紤]到生理不適維度的3個(gè)題項(xiàng)涉及視覺疲勞、頭暈感、嘔吐感三種不同類別的生理反應(yīng)，盡管其內(nèi)部一致性系數(shù)相對(duì)較低，但后續(xù)分析仍將其作為重要的參照依據(jù)。

4.實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)約80～100分鐘（如圖3所示）。首先被試需要填寫基礎(chǔ)信息問卷，并完成電路知識(shí)水平測(cè)試。然后自主播放PPT，學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的電路知識(shí)與物理元件的使用，并初步熟悉操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求。實(shí)驗(yàn)組與控制組分別在沉浸式VR與2D仿真軟件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。之后，兩組完成同樣的后測(cè)問卷、紙質(zhì)知識(shí)測(cè)試題，以及行為遷移測(cè)試（即完成真實(shí)情境下的電路連接任務(wù)）。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與行為遷移測(cè)試的任務(wù)描述見表2。

四、結(jié)果與分析

1.非認(rèn)知因素的感知問卷結(jié)果分析

為了解學(xué)習(xí)者在非認(rèn)知維度上是否會(huì)因?yàn)閷W(xué)習(xí)媒體的不同而存在差異，研究對(duì)兩組學(xué)習(xí)者完成學(xué)習(xí)后的臨場(chǎng)感、自我效能感、認(rèn)知負(fù)荷、生理不適與技術(shù)接受度進(jìn)行了獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在臨場(chǎng)感方面，實(shí)驗(yàn)組（M=4.23，SD=0.55）高于控制組（M=3.44，SD=0.66），且存在顯著差異（t=4.69，p<0.001），這表明沉浸式VR技術(shù)相比2D仿真技術(shù)能提供更強(qiáng)的沉浸感，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在自我效能感方面，實(shí)驗(yàn)組（M=3.89，SD=0.65）也高于控制組（M=3.36，SD=0.81），且存在顯著差異（t=2.64，p<0.05），表明沉浸式VR技術(shù)相比2D仿真技術(shù)能讓學(xué)生在完成任務(wù)時(shí)獲得更強(qiáng)烈的成就感，更能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。在認(rèn)知負(fù)荷方面，實(shí)驗(yàn)組（M=3.43，SD=0.82）高于控制組（M=2.69，SD=1.13），且存在顯著差異（t=2.73，p<0.01），這說明沉浸式VR環(huán)境比2D仿真環(huán)境更加復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要處理更多的環(huán)境信息或干擾信息。在生理不適方面，實(shí)驗(yàn)組（M=2.31，SD=0.69）也高于控制組（M=1.78，SD=0.62），且存在顯著差異（t=2.89，p<0.01），這表明沉浸式VR技術(shù)相比2D仿真技術(shù)會(huì)對(duì)學(xué)生的生理造成更多不適，如學(xué)生在沉浸式VR環(huán)境中會(huì)體驗(yàn)到眩暈感。在技術(shù)接受度方面，實(shí)驗(yàn)組（M=4.27，SD=0.52）亦高于控制組（M=3.87，SD=0.53），且存在顯著差異（t=2.79，p<0.01），這說明即使沉浸式VR技術(shù)給學(xué)生帶來了較高的認(rèn)知負(fù)荷及生理不適，但VR技術(shù)帶給學(xué)生完備的知覺體驗(yàn)也使得他們對(duì)該技術(shù)有著更高的接受度。

2.學(xué)習(xí)效果分析

為了解學(xué)習(xí)者在認(rèn)知維度上是否會(huì)因?yàn)閷W(xué)習(xí)媒體的不同而存在顯著性差異，研究對(duì)兩組學(xué)習(xí)者的知識(shí)保持測(cè)試得分、遷移任務(wù)得分與遷移任務(wù)用時(shí)進(jìn)行了獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，進(jìn)而比較基于沉浸式VR和2D仿真軟件實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)者知識(shí)獲取（用知識(shí)保持測(cè)驗(yàn)評(píng)價(jià)）與技能遷移的效果（用行為遷移任務(wù)得分和任務(wù)用時(shí)評(píng)價(jià)），結(jié)果如表4所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組的知識(shí)保持測(cè)試得分（M=3.11，SD=0.80）低于控制組（M=3.35，SD=1.02），且不存在顯著差異（t=-0.93，p>0.05），這表明2D仿真技術(shù)與沉浸式VR技術(shù)在促進(jìn)學(xué)生獲取知識(shí)方面沒有顯著差異。實(shí)驗(yàn)組的遷移任務(wù)得分（M=3.52，SD=0.70）高于控制組（M=2.92，SD=0.84），且存在顯著差異（t=2.80，p<0.01）;同時(shí)實(shí)驗(yàn)組的遷移任務(wù)用時(shí)（M=13.78，SD=7.34）低于控制組（M=20.35，SD=9.01），且存在顯著差異（t=-2.92，p<0.01），這表明無論從任務(wù)完成質(zhì)量還是效率來看，沉浸式VR技術(shù)相比2D仿真技術(shù)都能讓學(xué)生在知識(shí)遷移上表現(xiàn)更好。

五、結(jié)論與討論

1.具身認(rèn)知視域下的VR學(xué)習(xí)環(huán)境促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)

從學(xué)習(xí)效果分析可以看到，沉浸式VR環(huán)境中被試在知識(shí)獲得上并未顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，這與以往研究結(jié)果類似（Makransky et al.，2019）。本研究中知識(shí)保持測(cè)驗(yàn)的題目?jī)?nèi)容大多屬于陳述性知識(shí)，主要考察學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的識(shí)記與理解，比如七段顯示數(shù)碼管某個(gè)接口對(duì)應(yīng)的引腳功能、發(fā)光二極管的作用原理等，此類題目并不涉及對(duì)所學(xué)知識(shí)的深層次加工，也無法凸顯不同媒介環(huán)境的效果差異，因此在兩種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的學(xué)習(xí)效果差異不明顯。從知識(shí)保留測(cè)試到真實(shí)任務(wù)實(shí)踐，需要被試將知識(shí)從一種情境遷移至另一種情境進(jìn)行應(yīng)用，這可視作深度學(xué)習(xí)發(fā)生的表征，需要學(xué)生對(duì)概念的深度理解和靈活應(yīng)用（龔靜等，2020）。通過行為遷移實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，沉浸式VR環(huán)境中被試的行為遷移表現(xiàn)顯著優(yōu)于對(duì)照組，無論從任務(wù)完成質(zhì)量還是完成效率來看，實(shí)驗(yàn)組都表現(xiàn)得更好。在本實(shí)驗(yàn)的沉浸式VR環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)涉及到身體知覺、物質(zhì)技術(shù)、時(shí)空關(guān)系等要素，這些相互作用的要素共同促成了具身認(rèn)知。在這一背景下，認(rèn)知、身體動(dòng)作和環(huán)境形成了一個(gè)具身認(rèn)知系統(tǒng)，動(dòng)作技能是聯(lián)結(jié)大腦與身體并通向認(rèn)知的重要通道，人的感知廣度、閾值、極限等都受到身體的物理屬性限制。在沉浸式VR環(huán)境中由于有身體參與認(rèn)知，激活的交感神經(jīng)有助于對(duì)概念的理解，同時(shí)交互引導(dǎo)也有助于心智擴(kuò)展（黃紅濤等，2018），這使得深度認(rèn)知得以發(fā)生。因此，實(shí)驗(yàn)組通過具身認(rèn)知實(shí)現(xiàn)了對(duì)知識(shí)的深層理解與組織建構(gòu)，也使得其在認(rèn)知遷移的真實(shí)任務(wù)完成中表現(xiàn)得更好。

2.多感官通道融合的臨場(chǎng)感有助于動(dòng)作技能的習(xí)得

沉浸式VR技術(shù)能營(yíng)造出更貼近現(xiàn)實(shí)物理空間的學(xué)習(xí)情境，使得學(xué)習(xí)者在信息沉浸的基礎(chǔ)上進(jìn)一步獲得感官沉浸。沉浸式VR通過模糊物理世界與數(shù)字或模擬世界之間的界限，營(yíng)造出強(qiáng)化后的臨場(chǎng)感，使得學(xué)習(xí)者能夠更好地與環(huán)境互動(dòng)。在利用五感（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺）塑造場(chǎng)景的過程中，隨著感知維度的增加，多模態(tài)特征更有助于增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的沉浸感（Merchant et al.，2014）。多自由度、多感官通道融合所帶來的信息刺激，為學(xué)習(xí)者營(yíng)造出極盡真實(shí)的感覺，并且能放大情緒反應(yīng)與感官體驗(yàn);也能為學(xué)習(xí)者提供身體歸屬感、涉入感以及態(tài)勢(shì)感知。相關(guān)腦電研究進(jìn)一步證實(shí)，相較于2D桌面仿真應(yīng)用軟件，在VR環(huán)境下人類大腦更易呈現(xiàn)與真實(shí)場(chǎng)景相似并穩(wěn)定的神經(jīng)模式（Petukhov et al.，2020），并使感知、認(rèn)知、操作協(xié)同發(fā)展，因而也更易于將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所獲得的動(dòng)作技能遷移至真實(shí)情境的問題解決過程中。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)層面上看，動(dòng)作技能的習(xí)得與遷移是教學(xué)的重中之重。在2D桌面仿真軟件環(huán)境中，學(xué)習(xí)者僅依靠鼠標(biāo)鍵盤與學(xué)習(xí)內(nèi)容的簡(jiǎn)單交互進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，并未涉及肌肉和骨骼的調(diào)動(dòng)，這就會(huì)省略更多的儀器操作細(xì)節(jié)而使其無法獲得必要的動(dòng)作表征。相對(duì)而言，VR環(huán)境更利于動(dòng)作技能的培養(yǎng)，它不僅可以為學(xué)習(xí)者提供啟發(fā)性的交互式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還可以激發(fā)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和探索積極性，使其在整合熟練中逐步掌握操作技能。

3.VR環(huán)境下的學(xué)習(xí)需平衡深度學(xué)習(xí)與認(rèn)知負(fù)荷

VR技術(shù)可為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)完全沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，支持學(xué)習(xí)者在環(huán)境中自由移動(dòng)、操控和創(chuàng)作;實(shí)時(shí)感官刺激能帶給學(xué)習(xí)者更強(qiáng)的臨場(chǎng)感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，并使其更加投入理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。同時(shí)，高投入的付出與及時(shí)的互動(dòng)反饋有助于提升學(xué)習(xí)者的自我效能感，促使學(xué)習(xí)行為的持續(xù)深入。因此，相較于2D桌面仿真環(huán)境，沉浸式VR環(huán)境中學(xué)習(xí)者在臨場(chǎng)感與自我效能感上的自我感知更為強(qiáng)烈。根據(jù)Pintrich（2003）的價(jià)值期望模型，興趣誘發(fā)的學(xué)習(xí)價(jià)值與自我感知的勝任感會(huì)促使參與者保持較高的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提升學(xué)習(xí)效益。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果也揭示，VR技術(shù)在營(yíng)造高沉浸感的學(xué)習(xí)環(huán)境、帶來積極學(xué)習(xí)體驗(yàn)的同時(shí)，其高維的感知特性也會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)過程產(chǎn)生負(fù)面影響，如VR環(huán)境導(dǎo)致了學(xué)習(xí)者更高的認(rèn)知負(fù)荷及生理不適問題（如疲勞、眩暈感等）。這提示我們?cè)诮逃龖?yīng)用中需要謹(jǐn)慎使用VR技術(shù)，尤其要謹(jǐn)防虛擬現(xiàn)實(shí)世界中多維的感知和豐富的場(chǎng)景信息可能對(duì)學(xué)習(xí)者的注意力和專注度造成的干擾。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮以人腦的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、以工作記憶的局限性為核心，通過“分離關(guān)聯(lián)元素效應(yīng)”（Isolated Interacting Elements Effect）或“模塊碎片化效應(yīng)”（Molar-Modular Effect）來調(diào)節(jié)內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，并盡量避免提升外部認(rèn)知負(fù)荷的注意力分散效應(yīng)、形式效應(yīng)及冗余效應(yīng)。但辯證地看，在高層次信息加工及深度學(xué)習(xí)中，一定程度的認(rèn)知負(fù)荷又會(huì)促使學(xué)習(xí)者進(jìn)行有意義的探索。例如，本研究中VR實(shí)驗(yàn)環(huán)境中部分元素并非與實(shí)驗(yàn)任務(wù)直接相關(guān)，可能會(huì)給學(xué)習(xí)者造成一定認(rèn)知負(fù)荷，但正是受這些多維感知和場(chǎng)景信息的啟發(fā)，實(shí)驗(yàn)組被試才可能在對(duì)物理元件的連接方式上有更多的創(chuàng)新性嘗試。

4.VR技術(shù)在教育場(chǎng)景中的應(yīng)用前景及教學(xué)建議

通過本實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，未來VR技術(shù)可以嘗試性地應(yīng)用于以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為代表，涉及學(xué)生認(rèn)知、動(dòng)作等綜合技能培養(yǎng)的教育情境中，比如中學(xué)或高等教育理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的復(fù)雜情境下的問題解決等。但同時(shí)，這類教學(xué)對(duì)教師的“控場(chǎng)”能力提出了更高要求。由于VR技術(shù)能帶來豐富的感官體驗(yàn)和交互效果，高度的沉浸感使學(xué)生更能專注思考和自由探究，因而如何辨別學(xué)生是否真正在學(xué)、效果如何，都需要教師對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。因此，事先設(shè)計(jì)合理的課程方案、實(shí)驗(yàn)中基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋監(jiān)控學(xué)習(xí)行為和過程（如虛擬化身的肢體語言觀察等）、課后匯聚多模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，是未來VR技術(shù)教學(xué)應(yīng)用的有效方式。同時(shí)，VR技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用離不開相應(yīng)教育資源的建設(shè)，目前更多是類似于Steam VR社區(qū)中關(guān)于VR游戲的應(yīng)用產(chǎn)品，而與具體學(xué)科教學(xué)內(nèi)容相匹配的VR教育資源極為稀少。隨著“VR+教育”理念的不斷深化，基于VR技術(shù)的教育資源開發(fā)將是未來教育新的發(fā)力點(diǎn)。

另外，VR教育產(chǎn)品設(shè)計(jì)離不開學(xué)習(xí)科學(xué)相關(guān)理論的指導(dǎo)。以本研究中VR實(shí)驗(yàn)環(huán)境為例，設(shè)計(jì)因素需要在認(rèn)知負(fù)荷與啟發(fā)深度學(xué)習(xí)之間力求平衡，比如可以考慮日常學(xué)習(xí)工具的習(xí)慣操作，減少學(xué)習(xí)者在適應(yīng)新技術(shù)上的困難，從而避免不必要的外在認(rèn)知負(fù)荷。但在涉及技能操作的具體細(xì)節(jié)上，需要盡可能詳盡呈現(xiàn)，因?yàn)檫@些細(xì)節(jié)通常會(huì)與實(shí)驗(yàn)任務(wù)相關(guān)，并且是真實(shí)環(huán)境下切實(shí)存在的問題。此類設(shè)計(jì)要素可能會(huì)削弱操作的流暢度，增加一定的認(rèn)知負(fù)荷，卻能啟發(fā)學(xué)習(xí)者深入思考并開展多樣化嘗試，促進(jìn)其深刻理解學(xué)習(xí)內(nèi)容?？傊?，對(duì)于VR這種新的學(xué)習(xí)媒介，多媒體學(xué)習(xí)理論的相關(guān)原則是否適用，也值得進(jìn)一步探索。

六、總結(jié)與展望

綜合來看，本研究基于數(shù)字電路模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過與2D桌面仿真軟件對(duì)比，對(duì)沉浸式VR環(huán)境中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和成效展開探究。結(jié)果表明，對(duì)VR環(huán)境下學(xué)習(xí)體驗(yàn)的認(rèn)識(shí)需要理性辯證地看待：與2D仿真軟件相比，VR實(shí)驗(yàn)環(huán)境能顯著提升學(xué)習(xí)者的自我效能感和臨場(chǎng)感體驗(yàn)，但同時(shí)帶來更高的認(rèn)知負(fù)荷及生理不適;VR實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)于知識(shí)獲取沒有明顯提升作用，但是卻顯著促進(jìn)了學(xué)習(xí)者的行為技能遷移與實(shí)際情境下的問題解決能力;學(xué)習(xí)者對(duì)VR的技術(shù)接受度更高?？梢钥吹?，VR技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)上具有應(yīng)用潛力，尤其是在問題探究與操作技能培養(yǎng)方面，但未來設(shè)計(jì)VR實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要權(quán)衡認(rèn)知負(fù)荷的要素，并嘗試突破VR自身的技術(shù)不足，盡力為學(xué)習(xí)者提供更為流暢與舒適的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。值得注意的是，由于研究情境與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的單一性，本研究也體現(xiàn)出一定的局限性，如對(duì)于VR和2D仿真軟件學(xué)習(xí)環(huán)境下的注意力與認(rèn)知加工過程缺乏深入的探索，未來可通過采集學(xué)習(xí)過程中的眼動(dòng)和腦電波等生理表征數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析并論證不同媒體環(huán)境下的認(rèn)知差異。此外，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的局限性，本研究?jī)H關(guān)注了VR環(huán)境對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)科問題解決能力的考察，并未關(guān)注到VR技術(shù)對(duì)其他高階思維能力（如創(chuàng)新能力）的影響，從“離身”到“具身”的高階思維發(fā)展機(jī)制還有待進(jìn)一步深化。

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收稿日期 2021-03-07責(zé)任編輯 劉選

Research on the Effect of VR Technology Enabling Experimental Teaching from the

Perspective of Embodied Cognition

HU Yiling， NIE Jing， ZHANG Tianqi， WU Bian

Abstract： In the context of actively promoting the construction of ?“New Engineering”， using advanced technology to boost students engineering practice and problem-solving abilities has become an important trend of engineering education transformation. In recent years， the experimental teaching application based on the desktop virtual learning platform has achieved certain results. However， because the low immersive learning environment does not support the full construction of motion representation， this model does not perform well in cultivating operational skills and inspiring deep cognition. Virtual Reality （VR） technology builds interactive three-dimensional dynamic scenes and entity behavior simulations through multi-source information fusion， providing a strong interactive， imaginative， and immersive learning environment for experimental teaching， which is beneficial to avoiding the limitations of desktop virtual experimental platforms. Therefore， this research compares the immersive VR environment with 2D desktop simulation software， focusing on the differences of learning experience and teaching effect in different virtual environments. The results showed that there was no significant difference in the effect of knowledge learning between the two experimental environments; compared with 2D simulation software， the VR experimental environment promoted the transfer of behavioral skills and problem-solving ability in actual situations， and significantly improved the learners self-efficacy and presence experience. However， the VR environment also brought some negative effects. The research confirmed the application advantages and development potential of VR technology in virtual experimental teaching. The study also explored the relationship between the cognitive load brought by immersive learning and deep learning， so as to provide some implications for the application of VR technology in experimental teaching.

Keywords： Embodied Cognition; Virtual Reality; Experimental Teaching; Deep Learning; Virtual Simulation