圖情學(xué)科虛擬現(xiàn)實情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型構(gòu)建與教學(xué)實踐研究

李俊煬 彭國超 張寧 梁嘉政

摘 要： ［目的／ 意義］ 基于信息系統(tǒng)理論， 提出一種面向圖情學(xué)科教學(xué)的ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型， 讓學(xué)習(xí)者在沉浸式體驗中獲得知識并提升知識的理解水平， 并為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。［方法／ 過程］ 研究基于設(shè)計科學(xué)研究方法， 為ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計提出了４ 項基本原則， 據(jù)此進行系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)， 選取來自信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生， 通過實驗和問卷對系統(tǒng)進行了評估， 驗證了系統(tǒng)設(shè)計原則的可用性和有效性。［結(jié)果／ 結(jié)論］研究發(fā)現(xiàn)ＶＲ 情境能增強學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)沉浸感， 并能有效提升學(xué)習(xí)效果、豐富學(xué)習(xí)體驗、提高學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞： 信息管理與信息系統(tǒng)； 情境學(xué)習(xí)； 虛擬現(xiàn)實； 設(shè)計科學(xué)研究

ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０８２１．２０２３．０８．０１３

〔中圖分類號〕ＴＰ３１１； Ｇ６４２ ０ 〔文獻標(biāo)識碼〕Ａ 〔文章編號〕１００８－０８２１ （２０２３） ０８－０１３９－１１

虛擬現(xiàn)實（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ， ＶＲ）技術(shù)是一種利用計算機模擬真實環(huán)境， 使得用戶能與環(huán)境交互的技術(shù)。ＶＲ 技術(shù)改變了當(dāng)下數(shù)字信息資源在二維平面中的呈現(xiàn)和傳播方式， 同時也改變了人們對信息的獲取和感知方式［１］ 。２０２２ 年１１ 月１ 日， 工業(yè)和信息化部、教育部、文化和旅游部、國家廣播電視總局、國家體育總局五部門印發(fā)《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動計劃（２０２２—２０２６ 年）》， 重點強調(diào)要加速和深化ＶＲ 技術(shù)在教育培訓(xùn)、文化旅游等多行業(yè)多場景應(yīng)用落地， 提升全產(chǎn)業(yè)鏈條供給能力［２］ 。在新文科建設(shè)的背景下， 圖情學(xué)科應(yīng)充分利用新興信息技術(shù)賦能學(xué)科的教學(xué)與研究， 推動學(xué)科教學(xué)模式的創(chuàng)新， 促進學(xué)科的交叉融合， 拓展和發(fā)掘圖情學(xué)科研究新的增長點與發(fā)展機遇。

１ 研究背景

圖情學(xué)科是一種強調(diào)理論、方法和技術(shù)應(yīng)用的應(yīng)用型學(xué)科， 具有很強的實踐性［３］ 。其中， 信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)（以下簡稱“信管”）是一門處于人類行為信息和物體信息交融匯聚點的“永續(xù)性社會建設(shè)” 專業(yè)［４］ 。這意味著， 信管專業(yè)會隨著社會、組織及個人的變化， 以及信息技術(shù)的革新而不斷地發(fā)展與進步［５］ 。但是， 這種發(fā)展的隨附性也為該專業(yè)的教學(xué)大綱、教學(xué)理論和教學(xué)方法的適用性帶來了可持續(xù)性的問題。

ＶＲ 技術(shù)的特點是能提供一種“邊做邊學(xué)”（Ｌｅａｒｎ－ｂｙ－ｄｏｉｎｇ）方法的體驗， 將學(xué)習(xí)重點從“陳述性知識” 轉(zhuǎn)移到“面向?qū)嵺`” 的內(nèi)容［６］ 。Ｈａｍ?ｉｌｔｏｎ Ｄ 等［７］ 的研究表明， 目前將ＶＲ 技術(shù)作為學(xué)習(xí)工具的學(xué)科主要是醫(yī)學(xué)、自然科學(xué)（生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)）和人文地理學(xué)， 研究關(guān)注在ＶＲ 技術(shù)如何影響學(xué)生的信息獲取動力和知識認(rèn)知能力等方面。Ｈｕａｎｇ Ｈ Ｍ 等［８］ 開發(fā)的ＶＲ 醫(yī)療學(xué)習(xí)系統(tǒng)驗證了ＶＲ 情境學(xué)習(xí)有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機， ＶＲ技術(shù)的特性對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生了積極影響。

Ｐａｒｏｎｇ Ｊ 等［９］ 在對比ＶＲ 教學(xué)和多媒體幻燈片教學(xué)的研究結(jié)論也表明， ＶＲ 沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動力。在圖情領(lǐng)域， 王鐸等［１０］認(rèn)為ＶＲ 技術(shù)相比于２Ｄ 平面視頻， 可以產(chǎn)生更強的臨場感， 使得用戶表現(xiàn)出更好的信息接受效果。劉錦宏等［１１］ 的研究發(fā)現(xiàn)， 在同樣的學(xué)習(xí)內(nèi)容的條件下， ＶＲ 閱讀的學(xué)習(xí)效果比普通閱讀的效果更好。張磊等［１２］ 研究指出， 在ＶＲ 閱讀環(huán)境下， 用戶希望虛擬環(huán)境中能有較多的可交互元素。

當(dāng)前， 大多數(shù)研究者關(guān)注于ＶＲ 技術(shù)對用戶學(xué)習(xí)行為的影響， 尚未有研究利用ＶＲ 技術(shù)結(jié)合問題式教學(xué)模式來提升學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)效果和理解水平的實證研究。本研究旨在探索ＶＲ 技術(shù)在圖情學(xué)科教學(xué)中使用的可行性和有效性。通過利用ＶＲ 技術(shù)為圖情學(xué)科的學(xué)習(xí)者提供一種虛擬學(xué)習(xí)情境， 幫助學(xué)習(xí)者理解理論知識， 增加實踐經(jīng)驗， 從而增強學(xué)習(xí)體驗和提升學(xué)習(xí)效果。

２ 相關(guān)理論與研究

２ １ 情境學(xué)習(xí)理論

情境學(xué)習(xí)（Ｓｉｔｕａｔｅｄ Ｌｅａｒｎｉｎｇ） 理論強調(diào)知識和情境的相互作用［１３］ 。在情境設(shè)計時通常會選擇參考真實且較為復(fù)雜的情境， 讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中自主提出問題， 并驅(qū)動自我去解決問題。情境學(xué)習(xí)理論的本質(zhì)是讓學(xué)習(xí)者積極參與陌生的環(huán)境進行實地考察， 并沉浸其中獲取知識和經(jīng)驗［１４］ 。情境學(xué)習(xí)的主要參與者是專家（領(lǐng)導(dǎo)者）和學(xué)習(xí)者（新手）。專家掌握情境詳細(xì)且真實的情況， 能對現(xiàn)狀提出建設(shè)性的想法， 不同的專家之間存在交流互動［１５］ ；學(xué)習(xí)者通常沒有先驗知識， 需不斷地與專家進行交流學(xué)習(xí)， 逐步掌握該情境的實際現(xiàn)狀與存在的問題， 如圖１ 所示。

２ ２ 具身認(rèn)知理論

具身認(rèn)知（Ｅｍｂｏｄｉｅｄ Ｃｏｇｎｉｔｉｏｎ） 理論認(rèn)為， 人的認(rèn)知體驗不能脫離身體感受， 人的理解能力依賴于身體在認(rèn)知過程中發(fā)揮的作用［１７］ 。如圖２ 所示，具身認(rèn)知理論主要基于兩種假設(shè)： ①行為： 認(rèn)知涉及身體與大腦的相互作用； ②意識： 這些相互作用會在大腦中表現(xiàn)出來［１８］ 。

２ ３ 多媒體學(xué)習(xí)理論

多媒體學(xué)習(xí)（Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｌｅａｒｎｉｎｇ）理論是學(xué)者Ｍａｙｅｒ Ｒ Ｅ［２０］ 提出的一種基于計算機的輔助學(xué)習(xí)形式。他對人如何處理信息做出３ 點假設(shè)： ①雙通道假設(shè)： 人類學(xué)習(xí)時會同時調(diào)用語言系統(tǒng)（口語敘述）和視覺系統(tǒng)（文字、圖片、音頻和視頻）兩個通道； ②容量有限假設(shè)： 兩個通道傳遞信息和處理信息的能力是有限的； ③主動加工假設(shè)： 人的感官會積極主動地參與認(rèn)知過程， 而不僅僅是被動的接收信息來學(xué)習(xí)， 如圖３ 所示， 在學(xué)習(xí)過程中， 學(xué)習(xí)者會將學(xué)習(xí)對象的聲音和圖像表征與自身長期記憶中的先驗知識結(jié)合起來［２１］ 。

２ ４ 建構(gòu)主義理論

建構(gòu)主義（Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｉｓｔ Ｔｈｅｏｒｙ）教學(xué)方法認(rèn)為，學(xué)習(xí)應(yīng)該是積極主動的， 教學(xué)設(shè)計者應(yīng)該為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造一個有利于知識構(gòu)建的情境， 讓學(xué)習(xí)者在目標(biāo)明確的真實情境下學(xué)習(xí)［２３］ 。通過幫助學(xué)習(xí)者將新的信息與現(xiàn)有的經(jīng)驗相結(jié)合， 讓學(xué)習(xí)者在先前知識的基礎(chǔ)上建立新的知識［２４］ 。

２ ５ 問題式學(xué)習(xí)法

問題式學(xué)習(xí)（Ｐｒｏｂｌｅｍ－ｂａｓｅｄ Ｌｅａｒｎｉｎｇ） 方法是一種以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)方法， 通過將學(xué)習(xí)者帶入實踐情境中， 讓學(xué)習(xí)者從實踐中自主發(fā)現(xiàn)問題，并應(yīng)用理論知識和技能提出可行的解決方案［２５］ 。這種方法通常以案例學(xué)習(xí)的模式被使用， 利用文字描述構(gòu)建出學(xué)習(xí)情境， 并將學(xué)習(xí)內(nèi)容在情境中表現(xiàn)出來。

３ 研究方法和設(shè)計原則

本研究利用ＶＲ 技術(shù)將一個信管專業(yè)的課程教學(xué)案例進行實例化， 創(chuàng)作了一個ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過模擬案例的真實情境來幫助學(xué)生獲取案例信息， 讓學(xué)生能更好地理解案例內(nèi)容， 更精準(zhǔn)地分析案例問題， 并針對案例提出可行的解決方案，使學(xué)生能從“實踐” 中學(xué)習(xí)專業(yè)知識與方法。

３ １ 設(shè)計科學(xué)研究方法

設(shè)計科學(xué)研究（Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ＤＳＲ）方法的特點之一是能呈現(xiàn)出理論知識的迭代過程，根據(jù)案例的選擇對設(shè)計知識的貢獻分析， 突出案例研究的設(shè)計理論知識貢獻， 以供后來者參考［２６］ 。該方法廣泛應(yīng)用于計算機科學(xué)、教育學(xué)、工程學(xué)等多個領(lǐng)域。使用ＤＳＲ 方法首先要識別當(dāng)前案例學(xué)習(xí)過程中存在的問題及問題間的相關(guān)性， 隨后提出在ＶＲ 環(huán)境下的解決方案， 并依照方案設(shè)計和開發(fā)制作人工制品（模型、理論、應(yīng)用、系統(tǒng)等）， 最后評估該設(shè)計和人工制品對解決問題的適用性及可行性［２７］ 。ＤＳＲ 方法的特點是使用迭代的方式， 將設(shè)計階段、開發(fā)階段、評估階段發(fā)現(xiàn)的新知識與現(xiàn)有知識比較， 持續(xù)補充和改進現(xiàn)有知識與理論， 并依照改進后的理論改進系統(tǒng)設(shè)計， 最終在經(jīng)過數(shù)次循環(huán)后， 得到一個成熟有效的結(jié)論， 如圖４ 所示。

３ ２ 案例背景

本研究以中山大學(xué)信息管理學(xué)院的“信息管理與信息系統(tǒng)” 專業(yè)本科選修課程“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計” 為例。該課程的教學(xué)情境基于一個真實的企業(yè)案例， 并以此設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)是運用信息系統(tǒng)理論， 為一家企業(yè)設(shè)計一種能滿足其各個部門信息需求的管理信息系統(tǒng)。學(xué)生需要訪談各個部門的領(lǐng)導(dǎo)， 分析其部門工作職能和需求，并結(jié)合信息系統(tǒng)分析和設(shè)計的相關(guān)理論知識， 提出一個面向整個企業(yè)的綜合性管理信息系統(tǒng)的設(shè)計方案。

３ ３ 系統(tǒng)設(shè)計原則

在過往的課堂教學(xué)中， 案例信息主要是以紙質(zhì)文檔或電子文檔的形式獲取， 然而， 在這種方法里， 學(xué)生可獲取信息的方式較為單一。為了增強學(xué)習(xí)知識的靈活性， 同時又能提升學(xué)習(xí)的深度， 本研究融合以上所述的情景學(xué)習(xí)理論、具身認(rèn)知理論、多媒體學(xué)習(xí)理論、建構(gòu)主義理論和問題式學(xué)習(xí)理法， 提煉出以下４ 項設(shè)計原則， 如圖５ 所示。并且基于信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)理論， 從內(nèi)容、場景和功能３ 個模塊開展了ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)的分析與設(shè)計， 建構(gòu)了ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)的總體框架。

３ ３ １ 原則１： 集成復(fù)用多樣的信息資源類型

ＶＲ 情境下的信息資源可以從獨立到整體進行構(gòu)建［２９］ 。各種信息都可以從中抽取出相應(yīng)的特征，組成一個獨立的特征元素集合成為信息資源元數(shù)據(jù)； 隨后通過對信息資源的屬性判別， 以文本、圖片、音頻、視頻、３Ｄ 模型等資源類型進行整體分類， 并可在這些類型之間進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化。

３ ３ ２ 原則２： 聚合表現(xiàn)多元的知識內(nèi)容獲取

在ＶＲ 情境下， 知識可以通過多重表征和富語義呈現(xiàn)， 學(xué)習(xí)的質(zhì)量、強度、深度、廣度都與普通的學(xué)習(xí)方法不同， 存在著多面性的體驗， 學(xué)生學(xué)習(xí)過程中有著較強的自主性［３０］ 。學(xué)生能自主把握學(xué)習(xí)的節(jié)奏， 自由地從多種不同的渠道獲取信息， 并通過自己的思考將信息整理融合， 以此激發(fā)學(xué)生知識發(fā)現(xiàn)和知識構(gòu)建的能力。

３ ３ ３ 原則３： 創(chuàng)建具象化的虛擬認(rèn)知情境

使用ＶＲ 技術(shù)能用敘事的形式， 通過對時間、空間、場景的模擬， 再現(xiàn)案例的發(fā)生情境， 讓學(xué)生身臨其境地參與到案例進程當(dāng)中［３１］ 。學(xué)生在閱讀文字案例時， 會在大腦中形成抽象的案例場景以幫助自己理解。ＶＲ 技術(shù)則可以具象化地構(gòu)建出案例中的人物、建筑及其空間位置布局， 幫助學(xué)生沉浸到案例內(nèi)容中， 使學(xué)生快速理解案例環(huán)境， 提升案例分析能力。

３ ３ ４ 原則４： 提供以身體為認(rèn)知通道的交互體驗

基于ＶＲ 技術(shù)的感知體驗主要由學(xué)生、環(huán)境、媒介３ 個維度構(gòu)成， 在ＶＲ 環(huán)境下與虛擬環(huán)境進行越多交互體驗， 學(xué)生能獲得的真實感越強［３２］ 。不同的交互功能， 能調(diào)動人體不同的感知通道。當(dāng)多種感知通道同時激活時， 學(xué)生的具身體驗感增加，更容易理解抽象內(nèi)容， 提高學(xué)習(xí)效果［３３］ 。

４ ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

４ １ 設(shè)計研究流程

依據(jù)設(shè)計科學(xué)研究方法， 本研究按照以下幾個步驟展開：

①發(fā)現(xiàn)問題： 尋找影響學(xué)生從文本中獲取和理解案例信息的阻礙因素； 分析用戶對ＶＲ 案例系統(tǒng)的需求， 包括功能需求和非功能需求； ②提出建議：根據(jù)①制定在ＶＲ 環(huán)境中解決問題的方案， 明確若干個研究目標(biāo)； ③設(shè)計和開發(fā)： 根據(jù)①、②設(shè)計和開發(fā)ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)； 開發(fā)環(huán)境配置Ｕｎｉｔｙ３Ｄ２０２１ ２ ８ 版本， ３ｄｓＭａｘ， Ｃ＃語言； ④對ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)進行測試和評估； ⑤整理ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)的評估結(jié)果， 生成文檔。將與①、③、④相關(guān)的評估結(jié)果反饋到相應(yīng)步驟， 并重復(fù)該步驟。

４ ２ ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)總體框架設(shè)計

ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基本架構(gòu)由５ 個層級組成，系統(tǒng)的設(shè)計原則決定了各層級應(yīng)當(dāng)包含的主體要素， 如圖６ 所示。

應(yīng)用層面向用戶呈現(xiàn)ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)， 讓用戶的感官系統(tǒng)能直接與ＶＲ 人物、ＶＲ 物品、ＶＲ 環(huán)境交互， 并構(gòu)建出ＶＲ 場景的整體感官交互體驗。交互層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)， 用戶在使用這些功能的過程中， 會充分調(diào)動身體感知， 從而達(dá)到與ＶＲ 中的人、物、環(huán)境交互的目的。數(shù)據(jù)層通過建設(shè)ＶＲ 模型資源庫， 為ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計和建造過程提供支撐。ＶＲ 模型資源庫可以從單獨個體模型和整體模型兩個方面建設(shè)。在新的個體或場景模型設(shè)計中， 能隨時從ＶＲ 模型資源庫中調(diào)用現(xiàn)有模型， 快速配置到開發(fā)環(huán)境。技術(shù)層指導(dǎo)ＶＲ場景建設(shè)與功能開發(fā)需要使用的相關(guān)技術(shù)， 包括軟件系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)、３Ｄ 模型制作技術(shù)、場景渲染技術(shù)、虛擬引擎軟件的使用技術(shù)等。硬件層用于保障ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)能流暢運作， 包括運行該系統(tǒng)的高性能ＰＣ 主機， 提供ＶＲ 視覺及聽覺功能的ＶＲ頭盔， 提供ＶＲ 操作功能的ＶＲ 手柄， 以及提供ＶＲ體感功能的ＶＲ 行走儀。

４ ３ 系統(tǒng)模塊設(shè)計

ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要由ＶＲ 場景、ＶＲ 功能、ＶＲ 內(nèi)容３ 個模塊組成， 如圖７ 所示。

①ＶＲ 場景模塊中包含虛擬人物、虛擬物體、虛擬環(huán)境３ 種類型的虛擬資源， 將何時、何地、何人、何事等場景構(gòu)成要素具象化體現(xiàn)出來（原則２）；

②ＶＲ 功能模塊主要利用ＶＲ 技術(shù)模擬現(xiàn)實世界的物理交互邏輯， 讓用戶能自由調(diào)動感知器官， 用多種方式自由體驗（原則１， 原則４）。例如， 添加在ＶＲ 場景中使用“瞬間移動” 傳送功能， 用戶能更快速地在虛擬世界中移動； 用戶可以隨時隨地“空中懸浮” 打開地圖， 獲取人物或房間的位置信息。本研究加入了雙移動模式， 其一為傳送， 其二為ＶＲ行走儀。用戶可以根據(jù)自我喜好選擇一種單獨使用或兩種同時使用。ＶＲ 內(nèi)容模塊用多種信息資源類型呈現(xiàn)案例信息， 用戶在ＶＲ 場景中可以根據(jù)自己的喜好和需求自由選擇資源類型（原則３）。

４ ４ 系統(tǒng)體驗流程

ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)按照１ ∶１ 的比例真實還原了案例中描述的相關(guān)場景， 包括辦公室、廠房、倉庫、車輛、停車坪、卸貨區(qū)、職工等場景要素。旨在提升ＶＲ 情境學(xué)習(xí)的真實感， 讓學(xué)生感到在現(xiàn)實中開展“現(xiàn)場實地” 調(diào)研的體驗。

圖８ 展示了ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)的用戶體驗流程。用戶可以選擇閱讀紙質(zhì)案例文本或進入ＶＲ 案例獲取案例信息， 完成后對已獲得的信息進行分析， 根據(jù)當(dāng)前的分析結(jié)果判斷是否需要反復(fù)閱讀或使用ＶＲ 案例， 最終得出案例分析結(jié)果。

５ ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)測試與評估

本研究旨在證明ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)在學(xué)習(xí)過程中信息獲取的有效性以及對現(xiàn)實問題描述分析的適用性， 并用問卷的形式調(diào)查課程學(xué)習(xí)者是否認(rèn)為ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)對他們理解案例和完成案例分析有幫助。

實驗測試與評估條件： ①硬件： 高性能臺式計算機、顯示器、ＨＴＣ ＶＩＶＥ ＰＲＯ 頭盔， 定位器、ＶＲ手柄控制器、ＶＲ 行走儀； ②場所： 中山大學(xué)信息管理學(xué)院， “ＶＲ＋文化” 實驗室。

５ １ 測 試

本研究在測試階段開展了開發(fā)人員測試和實驗室人員測試兩種類型的系統(tǒng)測試方法。開發(fā)人員測試是開發(fā)人員參照系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)需求， 階段性地完成開發(fā)工作并測試系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性。實驗室人員測試是非開發(fā)人員對照ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)需求， 逐步逐個進行功能性和非功能性測試， 共進行了５ 輪測試。參照每輪的測試結(jié)果，持續(xù)改進了ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計。

５ ２ 評 估

５ ２ １ 預(yù)實驗

受試者選取擔(dān)任過或正在擔(dān)任“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計” 課程助教的３ 名博士研究生和１ 名碩士研究生， 以及修習(xí)過本門課程的２ 名本科生參與ＶＲ 情境學(xué)習(xí)預(yù)實驗。其中男性４ 人， 女性２ 人。有ＶＲ 體驗經(jīng)驗者３ 人， 無ＶＲ 體驗經(jīng)驗者３ 人。

實驗過程中， 每人體驗平均總耗時４０ 分鐘，其中５～１０ 分鐘學(xué)習(xí)和熟悉ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)使用教程， ３０ 分鐘自由探索體驗。在受試者體驗完ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)后， 填寫問卷。研究人員針對預(yù)實驗數(shù)據(jù)進行分析， 并根據(jù)分析結(jié)果對問卷的問題和選項進行修正， 以論證問卷設(shè)計的有效性。

５ ２ ２ 正式實驗

受試者選取正在修習(xí)中山大學(xué)信息管理學(xué)院本科教學(xué)課程“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計” 的全體學(xué)生，共３０ 名， 皆為大學(xué)二年級本科生， 且專業(yè)都為信息系統(tǒng)與信息管理， 年齡在１９ ～２１ 歲區(qū)間， 共進行了３０ 場有效實驗。其中男生占比４６ ７％， 女生占比５３ ３％。實驗前體驗過ＶＲ 的占比３６ ７％， 實驗前未體驗過ＶＲ 的占比６３ ３％。

實驗過程如圖９、圖１０ 所示， 受試者首先學(xué)習(xí)ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)《使用教程》， 隨后便可根據(jù)系統(tǒng)提示自由體驗。

實驗結(jié)束后， 受試者需要填寫實驗問卷， 問卷包含量表題和開放問題兩種題型。

５ ３ 評估結(jié)果

研究使用ＳＰＳＳ 對問卷量表題進行信度分析，各指標(biāo)維度Ｃｒｏｎｂａｃｈ α 系數(shù)都大于０ ７， 說明具有內(nèi)部一致性， 信度水平較高。受試者對ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)有用性的評價平均值介于“同意” 與“非常同意” 之間， 系統(tǒng)的易用性、沉浸性、交互性、具身感知４ 個維度的態(tài)度則介于“一般” 和“同意”之間， 說明受試者對該系統(tǒng)表現(xiàn)出較為認(rèn)可態(tài)度。

６ 研究結(jié)果討論

本研究基于設(shè)計科學(xué)研究方法， 提出４ 項虛擬現(xiàn)實情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計原則， 構(gòu)建出相應(yīng)的系統(tǒng)模型， 并采用實驗和問卷的方式對系統(tǒng)進行了評估， 評估過程中按照參加順序?qū)κ茉囌邚模校薄校常斑M行編號， 得出以下研究結(jié)果。

６ １ 具象化的認(rèn)知情境能顯著提升學(xué)習(xí)效果

６ １ １ ＶＲ 環(huán)境有利于激發(fā)學(xué)習(xí)動力

ＶＲ 環(huán)境是ＶＲ 場景模塊的主要組成部分， 包含除人物和物體以外的空間、地表、方位等信息。問卷結(jié)果顯示， 有７０％參與實驗的受試者提到了“空間” “位置” “地點” “布局” “分布” 這些空間名詞。建筑、案例相關(guān)人物、案例相關(guān)地點的具體位置是受試者最關(guān)注的３ 個要素。根據(jù)情境學(xué)習(xí)理論， 學(xué)習(xí)者會積極參與陌生環(huán)境的實地考察工作。實驗觀察發(fā)現(xiàn)， 超過半數(shù)的受試者在體驗過程中表現(xiàn)出了對ＶＲ 環(huán)境的自主探索行為。如Ｐ２３、Ｐ２９ 表示“想看到其他相關(guān)信息”。建構(gòu)主義理論鼓勵學(xué)習(xí)者在情境中使用交流和互動的方法來發(fā)現(xiàn)知識［３４］ 。實驗觀察發(fā)現(xiàn)， 在目標(biāo)地點和位置都相當(dāng)明確的情況下， 受試者仍然會選擇停下或偏移當(dāng)前路線， 仔細(xì)觀察附近的環(huán)境并嘗試與之交互。有超過２／３ 的受試者在案例信息獲取完成后， 依然會對ＶＲ 場景進行深度探索。

６ １ ２ ＶＲ 場景有助于強化認(rèn)知與記憶

ＶＲ 場景是ＶＲ 情境具象化的基礎(chǔ)， 由虛擬人物、虛擬物體、虛擬環(huán)境融合構(gòu)建而成。受先驗知識影響， 受試者會嘗試將自我認(rèn)知和想象的場景與ＶＲ 場景進行比較。如Ｐ３ 提到“對我想象中的建筑布局作了印證， 更清楚地了解了職員所處的位置”，表明當(dāng)人的意識與環(huán)境匹配時， 會加強對當(dāng)下情境的理解。Ｐ１９ 認(rèn)為“加深了案例信息的印象， 記憶更長久”， 說明ＶＲ 場景的具身體驗對記憶能力有強化效果。系統(tǒng)提供的地圖功能在實驗中獲得了較高的認(rèn)可度（平均分４ １３ 分）， 如Ｐ４、Ｐ１７、Ｐ２２ 認(rèn)為“地圖工具能很好地幫助了解環(huán)境”， 說明適當(dāng)?shù)靥峁W(xué)習(xí)工具可以幫助學(xué)習(xí)者快速熟悉和適應(yīng)環(huán)境。

６ １ ３ ＶＲ 情境能幫助深入理解知識內(nèi)容

具象化的認(rèn)知情境原則提出， 學(xué)習(xí)者會將先前的知識與情境學(xué)習(xí)的經(jīng)驗聯(lián)系起來， 并形成或構(gòu)建出自己的知識。問卷結(jié)果顯示， 有８３ ３％的受試者認(rèn)為ＶＲ 案例顯著提高了他們對案例內(nèi)容的理解。

受試者表示， ＶＲ 情境幫助他們理解了案例人物之間的關(guān)系， 理解了不同案例人物的工作職責(zé)和能力，理解了之前一直困惑的案例人物的工作內(nèi)容。情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為傳統(tǒng)學(xué)習(xí)是抽象的， 不便于內(nèi)容的理解。ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過將知識內(nèi)容具象化， 直觀地呈現(xiàn)在受試者的面前， 彌補了部分學(xué)習(xí)者因缺乏實踐經(jīng)驗而難以想象情境的問題， 降低了知識理解的門檻。

６ ２ 多樣的信息資源類型能增強學(xué)習(xí)體驗

多樣化信息資源類型ＶＲ 內(nèi)容模塊包含文字、圖片、語音、視頻、３Ｄ 模型多種資源類型， 并且對相關(guān)的人物和物體進行了特征區(qū)分標(biāo)注。例如，人物的具象化能幫助受試者通過性別、外貌、服裝、聲音快速識別和記憶其身份與工作內(nèi)容。Ｐ１２、Ｐ１５、Ｐ１８、Ｐ２２ 認(rèn)為“這些信息資源讓他們更容易理解案例情境”， 這反映出多樣化的ＶＲ 內(nèi)容資源降低了學(xué)習(xí)難度， 使受試者獲取案例信息更加的簡單與直觀， 增強了學(xué)習(xí)體驗。

６ ３ 多元的知識內(nèi)容獲取方式能提高學(xué)習(xí)興趣

現(xiàn)實中知識的主要載體是文字， 而ＶＲ 情境中的知識與信息的載體則是由多元化的情境要素構(gòu)成， 包括人物、物品、建筑、環(huán)境等。由多元知識內(nèi)容獲取原則可知， 相比于僅使用文字表述， 不同的知識載體能提供多元化的知識內(nèi)容， 從而更有效地提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。如Ｐ５、Ｐ１２、Ｐ３０ 認(rèn)為“案例人物、地圖、車輛、道路、廠房、辦公室、倉庫中的貨物等” 一切與案例內(nèi)容相關(guān)或非相關(guān)的情境要素， 都對他們的學(xué)習(xí)和理解案例產(chǎn)生了積極作用。

６ ４ 身體感知交互體驗?zāi)茉黾映两?/p>

６ ４ １ 智能化交互可有效提升真實感

身體感知交互體驗原則提出， 人在交互體驗中會調(diào)動視覺、聽覺、身體等方面的感知通道， 使他們與虛擬世界充分交互， 從而獲得沉浸感體驗， 提升整體體驗的真實感。如Ｐ１８、Ｐ１９ 認(rèn)為“與人物的交互加深了案例信息的理解”。ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)中智能化交互功能主要體現(xiàn)為虛擬人物和虛擬物體能實時判定受試者的位置， 并對受試者觸發(fā)相應(yīng)的動作。與此同時， 受試者可以做出一些行為予以反饋， 例如開門、抓取、放下、點擊、行走、跑步等動作。Ｐ９、Ｐ２１、Ｐ２６ 認(rèn)為“智能化交互功能讓他們體驗到了真實感”。這說明當(dāng)人與虛擬場景互動時， 會增加人與場景相互協(xié)作及相互影響的機會， 這種互動能提高用戶在ＶＲ 場景的真實感體驗［２５］ 。

６ ４ ２ 受試者對ＶＲ 場景有較強的可交互性需求

部分受試者認(rèn)為無法與ＶＲ 場景中出現(xiàn)的非案例相關(guān)的人物、物體進行對話和交互， 降低了他們的真實感。這說明對ＶＲ 場景添加場景要素時， 應(yīng)當(dāng)同時考慮添加交互功能或物理反饋效果， 否則會影響整體的真實感體驗。除此之外， Ｐ１４ 認(rèn)為“與人物的對話不夠智能化， 希望能在對話中加入智能語音”。程序化的固定交流模式不足以滿足對話功能體驗， 也從側(cè)面證明了智能化交互對體驗有著正面提升效果。

７ 未來改進建議

７ １ 豐富ＶＲ 內(nèi)容， 避免簡單重復(fù)文字信息

ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的ＶＲ 文檔和人物對話有著與現(xiàn)實文檔相同的案例內(nèi)容。部分受試者希望在ＶＲ 環(huán)境中獲取到與文檔不同的或更為詳細(xì)的內(nèi)容信息。與此同時， 結(jié)合實驗過程中的觀察和問卷結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 受試者會對已知或沒有挑戰(zhàn)性的內(nèi)容感到枯燥或厭倦［３５］ 。因此， 本研究建議增加對案例內(nèi)容的注釋， 幫助學(xué)生提升理解。通過對案例文本內(nèi)容進行可視化和多媒體化， 并為文本添加注釋標(biāo)簽， 將兩者相互關(guān)聯(lián)， 讓學(xué)生在ＶＲ 場景中進行人物對話或閱讀文本時， 可根據(jù)需求自行體驗。

７ ２ 注重其他ＶＲ 資源展示的必要性與合理性

為了真實還原案例發(fā)生的原現(xiàn)實場景， ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)按照案例企業(yè)實際的空間布局， 添加了一部分與案例文本內(nèi)容非相關(guān)的ＶＲ 資源， 例如廠房、工人、運輸車等。本研究發(fā)現(xiàn)， 受試者對于非內(nèi)容相關(guān)的ＶＲ 資源展示持兩種相反的態(tài)度， 一種認(rèn)為這些資源的展示幫助自己理解了案例發(fā)生的場景； 另一種則認(rèn)為這些資源是多余的存在。對此，本研究建議在保證與案例內(nèi)容相關(guān)的ＶＲ 資源完整展示的前提下， 綜合考慮用戶對其他ＶＲ 資源展示的需求， 通過評估與判斷該類型ＶＲ 資源展示的必要性與合理性， 適當(dāng)?shù)丶尤敫哔|(zhì)量其他ＶＲ 資源。

７ ３ 增強學(xué)生ＶＲ 技術(shù)素養(yǎng)培訓(xùn)， 優(yōu)化ＶＲ 交互體驗

本研究發(fā)現(xiàn)， 近２／３ 的受試者從未體驗過ＶＲ設(shè)備。受試者對如何使用ＶＲ 設(shè)備的熟悉程度不足， 導(dǎo)致其在實驗開始的一段時間內(nèi)主要專注于如何順利地在ＶＲ 場景中操控“自己” 方面， 分散了受試者學(xué)習(xí)和體驗ＶＲ 案例的注意力。對此， 本研究建議為學(xué)生提供更多的ＶＲ 課程及應(yīng)用體驗機會， 培養(yǎng)和提升學(xué)生的ＶＲ 技術(shù)適應(yīng)力。同時， 設(shè)計更簡易操作的界面和交互功能， 提供簡潔易懂的操作教程， 使得學(xué)生能快速適應(yīng)ＶＲ 環(huán)境并投入學(xué)習(xí)中。

８ 總 結(jié)

研究結(jié)果表明， ＶＲ 情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)在信息管理與信息系統(tǒng)教學(xué)中具有良好的學(xué)習(xí)提升效果。在適用情境學(xué)習(xí)方法的不同內(nèi)容場景下， 該系統(tǒng)模型可以提供ＶＲ 實例化建設(shè)指導(dǎo)。例如在圖情學(xué)科專業(yè)學(xué)習(xí)， 以及圖書館、文化館、博物館等公共文化服務(wù)學(xué)習(xí)等領(lǐng)域具有廣泛的適用性。

本研究也存在著一定局限性。首先， 受試者在數(shù)量上受限于正在學(xué)習(xí)“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計”課程的學(xué)生， 難以擴大樣本量， 未來可考慮跨學(xué)年增加樣本數(shù)量。ＶＲ 設(shè)備操控適應(yīng)性因人而異， 部分交互功能設(shè)計體驗不夠友好， ＶＲ 信息的呈現(xiàn)方式和效果仍有優(yōu)化提升空間， 同時還需避免造成或徒增受試者的認(rèn)知負(fù)荷。

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（責(zé)任編輯： 陳 媛）