国外虚拟现实（VR）教育研究与启示

来源:用户上传      作者:傅永超

　　摘 要：虚拟现实（VR）技术为教育领域的发展带来了新的机遇，能够让学生在虚拟学习环境中充分互动，解决传统课堂上交互性、沉浸感不强的问题。文章针对国外VR教育的相关成果进行研究，总结出VR系统沉浸感、交互性、想象力和表征保真度四个最主要特征，并结合实例分析了VR的教育功能，对VR教育模式在课堂上开展的有效性进行了探讨，最后得出本研究的结论和启示：理解VR学习过程，凸显VR教育特征;重视VR教育功能，开展VR课程实践;开设VR高校课程，支持VR教育落实。
　　 关键词：虚拟现实;VR;教育研究
　　 中图分类号：G434     文献标志码：A          文章编号：1673-8454（2019）22-0006-07
　　“虚拟现实”（简称VR）一词最早由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）于20世纪80年代提出[1]，是由图像编辑、圖形设计和多媒体交织应用产生的产品[2]。它利用计算机生成一种模拟环境，使得人们可以在虚拟的世界中进行探索和互动。与静态图片不同的是，VR计算机图像是实时动态的3D立体逼真图像，是对真实物体和场景的模拟。在3D虚拟现实中，与计算机的交互从纯粹的视觉交互扩展到各种交互，用户可以应用感知体验和认知处理能力，与虚拟现实中的对象进行交互。目前，随着虚拟现实技术的不断革新，已经广泛运用在医学、教育、工业仿真、游戏等领域中。由于虚拟现实可以构建多感官虚拟环境，因此它比其他一些计算机辅助学习材料更具“沉浸感”，并且对学生的学习产生更大的影响。
　　 一、VR系统的分类和特征
　　1.VR系统的分类
　　 根据用户参与和沉浸感的程度，结合在教育中的使用情况，本研究主要讨论两类虚拟现实系统：沉浸式虚拟现实系统和桌面虚拟现实系统。
　　（1）沉浸式虚拟现实系统
　　 沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR）是一种高级的、较理想、较复杂的VR系统。它采用封闭的场景和音响系统将用户的视听觉和外界隔离，使用户完全置身于计算机生成的环境中，产生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的感觉。常见的沉浸式VR系统有头盔式VR系统（HMD）和洞穴式VR系统（CAVE）[3]，具有高度的实时性、高度的沉浸感、先进的软硬件以及良好的系统整合性等特点。
　　（2）桌面虚拟现实系统
　　 桌面虚拟现实系统（Desktop VR）是一套基于普通PC平台的小型VR系统。学习者可以坐在屏幕前通过诸如鼠标、触摸屏、触摸板或手持控制器之类的界面进行交互。与沉浸式VR不同，桌面VR被称为非完全沉浸式VR，虽然缺乏头盔显示器的投入效果，但传播相对广泛，因为它具有价格低廉、易于使用且可在家中远程使用的优点。[4]
　　 此外还有一种增强虚拟现实系统（Augmented Reality，简称AR），这是一种将数字信息与来自物理世界环境的信息相结合的系统，用户能够同时与虚拟对象进行交互并查看物理环境。相比之下，VR是完全通过数字图形进行实时沉浸式模拟。因此，AR将虚拟对象集成到物理空间中，而VR阻挡来自物理环境的信息，随后将用户传输到完全虚拟的世界。也就是说，VR为用户提供了在心理上沉浸在虚拟环境中的感觉，AR允许用户与现实世界中的虚拟物品和物体进行交互。因此，AR和VR从根本上来说是不同的。
　　 Huang等比较了AR和VR对学生通过听觉和视觉信息呈现的科学知识保留的影响。研究者以太阳系太空博物馆为主题，通过准实验研究，测量被试的科学知识、注意力分配水平、空间存在感和享受度。结果表明，在关注介导的环境、空间存在感和享受度方面，VR均高于AR。此外，VR在视觉信息保留方面得分更高，AR在听觉信息保留方面得分更高。因此，教育工作者在选择设计课程时，应根据不同的学习内容选择相应的技术手段。[5]
　　2.VR系统的特征
　　 Burdea和Coiffet将“沉浸—交互—想象”定义为VR系统的三要素（3I）[6]，这也是区别于其他系统的主要特征。Choi和Baek使用探索性因子分析和多元回归分析，发现表征保真度（representational fidelity）和学习者交互（learner interaction）与学生的心流体验相关[7]，通过对现有文献的回顾，Dalgarno和Lee也将其确定为VR的两个重要因素[8]。因此，将沉浸感、交互性、想象力和表征保真度确定为VR系统的四个最主要特征。
　　（1）沉浸感
　　 沉浸感可以分为精神沉浸和身体（感官）沉浸。因此，这两种类型的沉浸在创造VR世界的成功个人体验中起着重要作用。当用户移动时，在场景中建立物理沉浸的视觉、听觉或触觉设备的响应会发生变化，用户可以解读视觉、听觉和触觉线索来收集信息，同时使用他们的本体感受系统来导航和控制合成环境中的对象，以实现物理沉浸。另一方面，精神沉浸是指VR环境中的“深度参与状态”。例如，如果VR世界是为娱乐目的而设计的，那么精神沉浸的成功取决于用户的参与程度。[9]沉浸式虚拟环境可以为学生提供有趣的学习体验和积极的学习过程，并且这个有趣的虚拟环境能够激发学生的学习过程。因此，教育工作者希望利用VR技术的沉浸式力量，激发学生参与学习活动的意愿。
　　（2）交互性
　　 虚拟环境中的沉浸程度取决于参与者之间的互动性，这对于参与者的虚拟体验至关重要。从交互的主体上，可以分为师生、生生以及学生与内容的交互。首先，许多学生非常需要师生之间的交互。在VR学习环境中，“教师”以新的方式存在，触发了学生学习的动机，并通过与学生的交互提供反馈和支持。学生与内容的交互是获取知识信息并使学生理解课程内容的重要过程。VR学习环境为学生提供了更快、更真实的方式来与学习内容进行交互，在某些情况下，角色扮演是尝试不同角色以理解课程内容不同观点的良好策略。生生之间的交互是学生之间信息、思想和互动的交流。研究表明，交互是影响学习成绩的关键因素。[9] 　　 从交互的形式上，可以分为对话、控制、操纵、搜索和导航五种。在VR学习环境中，学生通过与在线虚拟现实中教师的交互以及可选择的附加信息来实现对话。学生还可以通过决定何时进行实验，选择是否在提示回答多项选择题时进一步阅读，以及通过选择他们练习特定组件的次数来控制学习的速度。学生需要找到正确的工具并充分准备以开展相应的技术，最终确定相关参数。此外，VR还能提供参与信息搜索的机会，通过一些书面材料，提供他们所需要的概念、技术和材料的背景知识。最后，通过导航为学生提供交互，学生在虚拟环境中，能够通过从各种可用来源中进行选择以确定学习的内容，并通过在周围导航来决定下一步该做什么。[10]
　　（3）想象力
　　 想象力，即创造力。VR倡导将创造力融入课程，为反思性学习活动提供学科导向的基础。创造力是解决问题的核心资源之一，大多数问题需要创造性思维来解决。因此，学生可以通过精心设计的思维能力来解决问题，从而提升自己的创造力。创造性的想象力使学生能够在他们的头脑中形象化新的想法和概念，而不是立即呈现给感官。VR在想象力方面促使学生开发解决开放式问题的能力，拥有创造性的学生可以应用他们从虚拟环境中收集到的知识，并适当地运用发散和融合思维来构建新知识。因此，VR技术作为一种教学工具值得广泛关注，教学设计师从建构主义框架中选择不同的教学策略，或将一种或多种策略组合成一个虚拟现实课程设计。[9]
　　（4）表征保真度
　　 表征保真度是指虚拟环境与现实世界之间的相似之处。VR能够为三维图像和场景内容提供真实度，为平滑对象和视图变化提供真实度以及保证对象行为的一致性程度。[3]相对于外界存在的诸多事物来说，我们能够看到、听到、触摸到、闻到以及尝到的东西是非常有限的，所谓真实实际上是我们大脑的产物，更多的是由一个持续的感知流所构成并持续变化的程序，而虚拟现实正是对这些认知方式的一种操纵。
　　二、VR教育的功能
　　 VR体验可以是视觉、听觉，有时也可以是触觉。在科学教育中，这些类型的沉浸式体验可用于让学生参与科学实践，让学生接触复杂的想法，通过为他们提供早期的復杂概念，改变他们的自然学习进度。VR环境提供了丰富、逼真、身临其境的体验，并从360度的全景视角观察物体，这些身临其境的体验可能会激发好奇心，自然地引导学生提出问题并进行探究。查阅有关VR在教育中使用的文献，发现VR的教育功能主要体现在以下几个方面：
　　1.提高对困难概念的理解
　　 根据建构主义理论，学生积极地从个体经验中构建有意义的知识。这一理论方法侧重于学生对学习过程的控制，并试图将知识作为一种概念来缓解与现实生活经验之间的差距。
　　 Passig等测试了VR是否有可能改善幼儿教师在幼儿园进行日托时对幼儿认知状态的理解。每个学年开始时，幼儿园教师都要承担很大的责任，她们必须接收大量兴奋和情绪化的幼儿，让他们冷静下来，给予他们情感上的支持，关心他们的身体需要，保持耐心。为了更好地了解幼儿如何经历从家庭到新的托儿所环境的过渡，并促使相应地采取更好的行动，教师必须意识到幼儿的相关认知经历。研究者利用VR模拟了幼儿在日托中一天的经历，包括了1岁至2岁幼儿可能出现的认知和情绪状态，要求教师在由逻辑支配的虚拟世界中执行各种任务。结果表明，教师对幼儿的认知和情感体验的意识在实验后进行的测试中明显改善，一定程度上证明了VR可以在短时间内从“当事者”的角度讲授困难概念。[11]
　　 Shim等描述了运用VR模拟进行的生物实验，并评估基于VR的生物学模拟在生物教育中的潜力。研究者设计和开发了以“眼睛的结构和功能”为主题的生物学模拟，当学生通过按键盘上的数字按钮移动多个视点时，他们可以通过眼睛的虹膜和瞳孔看到各种形状的花。通过移动视点和改变花的位置，学生可以观察到眼睛的虹膜和瞳孔的变化以及花的形状。前后测验结果表明，该VR课程能帮助学生更好地理解眼睛的结构和功能，学生积极并沉浸在学习活动中。[4]
　　 Huang等提供了两个案例来调查VR用于学习的情况。一个是基于网络的3D VR互动学习系统，专为医学生设计，以获取有关人体结构的知识。学生可以在VR学习环境中进行探索或导航，并操纵3D学习对象，从全方位角度观察并了解人体结构。结果表明，随着环境提供的沉浸感、交互性和想象力的增加，学生的学习动力和解决问题能力也随之提高。另一个是协同虚拟现实学习系统，它是一种基于Java的程序，被称为3D人体器官学习系统3D-HOLS。它包含两种模式，第一种模式是单用户自学习模式，在这种模式下学生个体与3D器官交互并阅读课程网页;第二种模式是协作学习模式，此模式允许多个学生在虚拟空间中进行交互、练习和讨论。结果表明，基于VR的协作学习系统对学生概念理解产生积极的影响。[9]
　　2.提高发现学习能力
　　 布鲁纳认为学习的目的不在于掌握琐碎的知识，而是在获取、追求知识的过程中学会怎样学习。学习过程的定位性质非常重要，它强调在知识、技能和体验之间建立联系，VR学习环境能够将学习者置于环境的中心，并突出丰富多彩的学习体验过程。在日常课堂中，学生往往会因为各种原因不能亲自发现知识，例如需要探索的环境过于昂贵、不切实际（森林、大海等），或者大批人的到访会对当地产生负面影响等，教师在这种情况下通常会选择把知识直接呈现出来。通过VR，学生可以沉浸在基于现实的环境中，参与复杂和模拟的情境、信息以及与空间、其他学生和教师互动，实现教育的价值。
　　 Schott和Marshall基于Unity软件构建了一个虚拟岛屿，重点关注岛屿的大小、地理特征和地形、各种各样的自然和人造特征，最重要的是通过嵌入式视频代表的岛上成员，包含岛内居民和外部利益相关者，作为探索岛屿的过程，学生需要寻找岛上成员“与之交谈”。该课程的学习目标是了解这个岛上的生活和可持续发展的概念。具体来说是在小岛屿系发展中国家的背景下，更深入地了解可持续发展的三大支柱（环境、社会文化和经济因素）及其相互交织的复杂关系，学生的任务包括进行“田野工作”的学习实践，该实践工作在地理和地质等学科中具有悠久的历史。它需要3-4名学生一起完成三项连续任务：①了解不熟悉的环境、生活方式以及人民和外部利益相关者的观点;②将课程中的理论归纳成他们学到的东西;③讨论是否应制定可持续发展建议以及应采取的形式和措施。学生以“单人”模式进入岛屿，并以各种类似的有效方式与他们的小组成员互动，以讨论他们观察到的内容。[12] 　　 Hutchison创建了一个科学单元，探索如何利用VR来支持学生参与科学和文化内容，课程计划包括VR在内的教学，以培养学生的好奇心和发现植物、动物的栖息地，总共分为五个教学阶段：
　　 第一阶段：激活先验知识。在进行探索之前，学生们作为一个团队，进行头脑风暴确定他们对植物和动物栖息地的了解，并描述他们对植物和动物栖息地的所有个人经历。
　　 第二阶段：探索VR以激发兴趣并发展问题。学生们使用VR设备探索雨林、沙漠和草原栖息地中的动植物，目的是了解这些栖息地及其外观，并帮助学生提出他们可以解决的与栖息地相关的问题，以便进一步探索回答。在花了大约五分钟探索栖息地之后，学生们记录下他们的观察结果，并开始集体讨论他们想要回答的关于栖息地的问题。
　　 第三阶段：在VR 栖息地中搜索问题的答案。学生们花费更长的时间通过VR应用程序沉浸在栖息地中，并使用他们识别的多模式资源来寻找问题的答案。他们可以听到声音，从各种角度检查环境，探索应用程序中提供的所有事实和其他书面信息，观看提供的视频，并尝试想象在不同环境中的不同感受。学生们通过屏幕环境截图的方式记录下收集到的信息，这样学生既能够快速捕获他们以后可能会用到的新信息，又无需离开沉浸式环境。
　　 第四阶段：审查并寻求其他信息来源。在学生记录信息后，应检查是否有足够的数据来回答问题。教师与学生合作，综合他们的信息共同解决提出的问题。
　　 第五阶段：创建数字文本以展示理解并提供证据。因为学生收集的大部分信息来自视觉资源，因此要求学生使用创建数字文本的方式报告问题的答案。根据教师想要解决的标准，指导学生介绍他们的问题，使用从VR环境和其他来源收集的事实和图像来显示与他们问题相关的数据，并进行回答。通过VR学习这个科学单元，为学生提供了一个自己探索世界、发现新知识的机会，以沉浸式体验的方式让他们对自然世界充满好奇。[13]
　　3.加強实践技能的学习
　　 技术、技能等实践知识是情境性的，只有当这些知识的形成发生在社会交往、身体以及相互交织的环境中时，它们的形成才是最有效和最有意义的。通过VR来创建模拟现实世界的环境，可以让学生在安全的真实环境中练习，按照自己的进度没有拘束地排练，并在面对真实场景时培养所需的信心，减少发生错误的风险，增加安全性。
　　 Jou和Wang根据既定的教学目标和学生学习成果的分类，在知识、理解、模拟、应用和创造五个维度中培养技术技能。VR学习环境为满足不同目标而开发，包括了技术性质、机械操作、工艺参数选择、工艺流程设计等各个方面，在特定的、渐进的基础上发展技术技能。[2]
　　King等共同设计并开发了VR学习环境，使医疗保健专业的学生能够在他们自己选择的地点和时间进行学习。学生在进入临床实践时将能够提高他们的信心，并且将有机会体验“安全失败”（能够在真实的虚拟临床模拟中犯错，而不会伤害现实生活中的患者）。课程主题是尿检模拟，包括了一个单独的咨询室，其中学生扮演医生，等待病人的到来。从患者敲门开始模拟，学生可以选择他们将如何迎接、互动和通知患者作为尿检分析模拟的进展。学生可以在自己的手机、笔记本电脑或台式电脑上体验模拟，也可以使用3D VR头盔和触觉设备体验完全身临其境的情景。整套课程需要在技术研究人员、医疗保健学者和从业者之间进行认真的协同设计，以确保创建的VR学习环境具有可持续性、可信赖性和对所有各方的价值。[14]
　　 学生将他们研究的各个领域的概念和理论应用到虚拟场景，又在虚拟环境中进行协作以进一步增强他们所经历的地方感，同时也为他们的共享体验带来了现实感。这反过来又让学生对学习有了一种价值感，认识到他们的虚拟经历将对其职业实践有重大的好处。
　　4.培养创新创造能力
　　 以学生为中心，教育目标是为未来社会培养多元化人才。在这个瞬息万变的时代，有限的知识不足以应对未来社会的挑战。创造力是当前和未来人们的基本能力，也是学校教学的关键因素。对于新一代学生来说，未来的全球化竞争是一种趋势，创造力的培养可以帮助学生适应多变的情况，摆脱困境。拥有创造力，可以有效地解决问题，提高生活质量。VR通过提供启发式和高度交互的模拟虚拟环境来增强学生的学习体验，进而达到培养目标。
　　 Lau和Lee通过提供交互式模拟，讨论了模拟在创造教育中的作用。研究者使用了ActiveWorld？訫（AWs）这一用于教育的模拟虚拟平台，重点了解学生的学习过程以及他们对模拟虚拟环境的反应。
　　学习过程分为五种不同的类型：①社交聚会。学生进行社交聚会活动，例如打招呼、和队友碰头。这种类型的讨论通常在课程的开始和结束时发生;②简化和头脑风暴。学生试图了解设计任务的简化并进行头脑风暴练习，即思想探索和发展。这种类型的讨论主要是为了创造性思考和探索;③对探讨想法的评论和评估，即讨论实施探索想法的可能性。这种类型的讨论主要是批判性思考和评估;④评估工作过程。学生评估和评论工作和思考过程。例如，讨论工作时间表和项目标准。这种类型的讨论主要是为了反映学生的独立学习能力;⑤评分和讨论。学生对不同水平的想法进行评分，并寻找创意解决方案的想法。这种类型的讨论主要是批判性思考和判断。结果表明，学生把大部分时间都花在头脑风暴、评论和评分上。他们将83.8%的时间用于创造性学习任务，只有16.2%的总持续时间用于社交互动。[15]
　　 Lin等采用差异分析来探讨结合VR的探究性教育对创造力的影响。研究通过准实验设计，设立对照组和实验组，对照组学生采用传统教学法，实验组学生采用传统教学与VR探究性教学相结合的方法。结果表明，经历VR探究性教育的学生在敏感性、流利性、灵活性和原创性方面都与接受传统教育的学生有显著性差异，进一步证明了VR在培养学生创造力方面的价值体现。[16] 　　 三、VR教育有效性研究
　　1.VR学习模式与传统学习模式的比较
　　 教育中VR技术的引入始于20世纪90年代早期，项目的设计者使用各种外围设备，如头戴式显示设备、数据手套和身体套装，以获得完全身临其境的学习体验，然而许多实际问题（如成本）的出现，限制了该技术在教育环境中的广泛传播。之后桌面VR出现了，技术成本的急剧下降和高速互联网连接的可用性进一步增加了这种虚拟现实技术的使用，使得VR再次进入人们的视野，人们给出的假设是它在提高学生的认知技能方面具有独特功能。对此，不断有研究者对VR学习材料和传统学习材料的有效性进行比较研究。
　　 Shim等为了考察VR学习材料对学生知识成就的影响，选择了两组10年级学生进行研究：对照组和实验组。对照组（n=36）使用传统材料学习“眼睛的结构和功能”，而实验组（n=36）使用VR资源来学习相同的主题，两组之间的先前科学成就和智商没有显著差异。学习后，学生们接受测试以评估他们的学习成果。结果显示，实验组的得分显著高于使用传统材料学习的对照组，这表明该VR课程能够有效地教授“眼睛的结构和功能”。对实验组进行问卷调查也发现，学生认为VR学习的有效性更高，主要是因为他们对VR中呈现的学习内容感兴趣，超过50%的学生发现使用VR学习生物学提高了学习的乐趣、增强了现实感并帮助他们更容易理解生物学概念。[4]
　　 Lee和Wong验证了桌面VR学习环境的学习效果，并研究桌面VR的学习环境对具有不同空间能力的学习者的影响，学习成果通过学业表现进行认知测量。采用准实验设计，选择了四所学校的431名高中生参加该研究，并根据完整的班级随机分配到实验组或对照组。实验组使用桌面VR软件V-FrogTM进行青蛙解剖学的自我导向课程，而对照组则使用传统的课堂学习方法和PowerPoint幻灯片进行类似课程的学习，传统的课堂学习方法由班级生物教师进行。两组均进行了前测、后测和空间能力测试。结果表明，基于VR的学习环境中学生的学习效果更好。可能的原因是用于非VR学习模式的PowerPoint幻灯片中，由于每页上的空间有限，不同的信息源在时间上分开，这种独立的设计使得学生无法同时在工作记忆中保存文字和图片，信息整合的过程可能会给工作记忆带来负担。此外，与高空间能力学习者相比，低空间能力学习者的表现似乎更受学习模式的影响，可能的原因是基于VR的学习减少了低空间能力学习者的外来负荷，从而使更多的工作记忆能够用于处理并将待学习的信息编码到长期记忆中。[17]
　　 获得相同结论的还有Passig等，他们通过准实验研究，验证3D沉浸式虚拟现实环境对儿童认知能力的影响。1年级和2年级（n = 117）的儿童被随机分配到三个实验组和一个对照组，每个实验组都以不同的模式进行教学：3D沉浸式虚拟现实（IVR，n = 36），2D（n = 36）和触摸块（Tangible Block TB，n = 24），对照组（n = 21）未给予教学。结果表明，2D和TB组显示出比对照组较高的认知改变能力，而3D IVR环境则表现出更能促进儿童的认知改变。通过转移测试（Transfer test），发现在3D IVR环境中学习的儿童更好地保留了他们的学习策略，在测试时表现良好。分析可能的原因，3D IVR 技术为儿童提供了探索不同信息的可能性，积极构建、操纵观点和创新视角，从而使儿童能够理解问题成分之间的关系，并使他们从所提出的问题中做出更好的推论。[18]
　　 但是，并非所有的研究结果都指向VR学习模式的优越性。Parong和Mayer比较了沉浸式VR与PowerPoint幻灯片作为教学科学知识媒体的教学效果。VR课程是一个交互式生物学模拟“细胞内的旅程”，其中包含循环系统和细胞部分的叙述和沉浸式动画。学生可以进入一个细胞，并描述细胞的结构和功能。细胞旅程包括血流和细胞内动画的完整的360度全景视图，偶尔也会看到血流或细胞的一部分特写视图，并可以进行触摸、移动和旋转。PowerPoint幻灯片则包含每个部位的相应图片，内容与VR课程保持一致。结果显示，观看幻灯片的学生在后测中的表现明显优于VR组，但报告的动机、兴趣和参与评分较低。用认知负荷理论来解释，当学生处于血流中的课程时，各种血细胞不断地移动经过学生，并且学生可以向任何方向看以观察这些运动。这些动画可能会增加学生的认知负担，因为他们必须同时留意旁边的叙述。学生转移了对重要材料的注意力，扰乱了组织材料的过程，并且以不恰当的方式将材料与先前的知识结合起来。[19]
　　Makransky等的研究结果也表明，将VR添加到科学课程中会增加学生的沉浸式体验和学习乐趣，但是减少了学习成果。研究者使用了脑电图（EEG）用于获得学生学习期间认知处理的直接测量，当工作内存负载和任务需求增加时，EEG度量值会增加;当资源需求减少时，EEG度量值会减少。与传统课程模式相比，使用VR模拟课程时，学生在学习后期会更加超负荷。这是基于大脑的初步证据，表明VR学习水平较低的原因是这些环境可能过度刺激。[20]
　　2.不同类型VR学习模式的比较
　　 Merchant等在前人研究结果的基础上，对基于VR的学生学习成果有效性进行了荟萃分析。研究者将基于VR环境的教学分成了三类：模拟、游戏和虚拟世界。模拟是模仿现实生活过程或情境的交互式数字学习环境，可以允许学生使用虚拟设备提供经济有效的程序实践，这些实践在现实生活中可能成本过高，比如医疗领域。游戏是一种特殊的模拟类型，为了促进学习，游戏必须设计为能够为玩家提供自主、身份和互动感，并为学习者提供策划他们的行动、测试假设和解决问题的机会，包括目标、成就水平和奖励系统等元素。虚拟世界则包含以下一个或多个特征：在3D空间中的幻觉、建立3D物体并与之交互的能力、以虚拟化身的形式对学生进行数字化表征，以及與虚拟世界中的其他学习者交流的能力。对于模拟和游戏的结构化环境，虚拟世界是开放式环境，学生可以在其中设计和创建自己的对象。 　　 薈萃分析结果表明，模拟、游戏和虚拟世界在提高学习成果收益方面是有效的。主要发现包括：游戏比模拟和虚拟世界显示出更高的学习收益;对于模拟来说，详细的解释类型反馈更适合于陈述性任务，而正确的响应知识更适合于程序性任务;当学生独立进行游戏时，表现会更好;游戏的学习收益与实验次数之间存在反比关系;关于虚拟世界，如果学生被反复测量，则会降低他们的学习成果。[21]
　　 四、结论与启示
　　1.理解VR学习过程，凸显VR教育特征
　　 虚拟现实（VR）通过提高学生的参与度和学习动力在教育中发挥着重要的作用。尽管一些研究反映了使用VR时的积极教育成果，但人们更关注中间的过程，即学习的方式和原因，而不是仅仅测量学习成果。Shin通过定性和定量相混合的方法，研究了教育VR系统中的因素如何影响学生体验和实现目标，结果证实了交互性和沉浸感对学生学习动机的影响。沉浸感和交互性不会机械地刺激学生，而是允许学生通过注意沉浸式功能，并在学习过程中使用来发挥积极作用。学生对VR环境的态度是在学习期间形成的，他们在VR环境内部交互时形成了动机，态度和动机共同体现了情感支持和教育支持。[22]
　　 Makransky和Petersen使用结构方程模型发现了导致VR课程学习效果提升的两条通用路径：认知路径和情感路径。认知路径包含VR的可用性和易用性，强调了学生对虚拟环境的评价，从而提高对学习材料的理解和应用，导致更高的自我效能感和更多的学习;情感路径包含交互性和沉浸感，强调内在动机的增加，内在动机反过来也会促进自我效能感的提升。[23]
　　2.重视VR教育功能，开展VR课程实践
　　 实践证实，VR技术在教育领域发挥着重要作用，良好的教学法和技术创新的使用是目前讨论的焦点，教育工作者应试图找到理论指导或教学原则，以帮助设计者智能地开发和应用新颖的VR学习环境。
　　据此，笔者提出了一些协助课程设计的原则：①提供高度互动的学习体验是VR最有价值的特征之一。VR学习环境中的互动是真实体验的合理且有价值的替代，学生可以通过开展活动，将新的理解和新技能付诸实践。②从问题解决中学习以促进创造力发展。需要想象力和沉浸感的VR学习环境是训练解决问题能力的好工具，不仅促使学生在抽象层面上概念化经验，而且能激发自发和富有想象力的阐述，在提供丰富学习机会的同时，还有助于提高学生分析问题和探索新概念的能力。③激励学生学习。动机理论表明，理解如何利用电子学习工具的情感吸引力是学习和教学的核心问题，最初的情境兴趣是促进学习的第一步。[24]大量的研究证实，与在传统环境中学习相比，3D沉浸式VR学习环境将提升学生的兴趣和动机。④将VR作为学生学习脚手架的工具。由于VR学习环境提供多感官刺激，因此能够支持身临其境的学习，3D虚拟世界是培养学生对课程内容理解的有效工具。
　　 但VR并不能取代传统的课堂模式，尽管在提高学生学习动力方面具有优越性，教师仍需关注可能存在的导致学生注意力分散、增加无关认知等情况。在实际课堂中，应根据学习的内容和要求，采用VR教育模式和传统教育模式相结合的方法，达到VR教育价值的最大化。
　　3.开设VR高校课程，支持VR教育落实
　　 VR技术的引入在中学课程中将会越来越普遍。因此，培养相关VR应用的设计和开发人才是十分有必要的。在国外，研究者们针对高校VR顶点课程的设计开展了深入研究，这个课程一般开设在实用性很强的专业中，是一种让学生整合所学领域的知识，并充分利用这些知识，同时培养相关技能和态度。
　　 Takala等经历了VR课程的三次迭代，期间共有45名学生完成课程，并设计了16个VR应用程序。参与课程的学生可以来自不同学科，专注于学习VR概念和应用程序开发。具体的课程内容包括：①介绍课程结构、学习目标和结果;②介绍需要使用的软件工具包（RUIS），学生分成小组练习工具包的使用;③开发VR应用程序并进行展示;④评价。
　　此外，研究者们还分析了所使用的工具包如何影响学生创建的VR应用程序和学生的开发体验，讨论如何改进课程，并研究这些改进如何影响课程结果、学生体验以及他们对课程的反馈。[25]高校VR课程的开设将是VR在教育中落实的有效保障。
　　参考文献：
　　[1]Fuchs P，Moreau G，Guitton P.Virtual reality： concepts and technologies[M].CRC Press，2011.
　　[2]Jou M ，Wang J.Investigation of effects of virtual reality environments on learning performance of technical skills[J].Computers in Human Behavior，2013，29（2）：433-438.
　　[3]Makransky G，Lilleholt L.A structural equation modeling investigation of the emotional value of immersive virtual reality in education[J]. Educational Technology Research and Development，2018，66（5）：1141-1164.
　　[4]Shim K C，Park J S，Kim H S，et al.Application of virtual reality technology in biology education[J]. Journal of Biological Education，2003，37（2）：71-74. 　　[5]Huang K T， Ball C， Francis J，et al. Augmented Versus Virtual Reality in Education： An Exploratory Study Examining Science Knowledge Retention When Using Augmented Reality/Virtual Reality Mobile Applications[J].Cyberpsychology， Behavior， and Social Networking，2019，22（2）：105-110.
　　[6]Burdea G C， Coiffet P.Virtual reality technology[J]. International Journal of e-Collaboration，2006，2（1）： 61-64.
　　[7]Choi B ， Baek Y . Exploring factors of media characteristic influencing flow in learning through virtual worlds[J].Computers & Education，2011， 57（4）：2382-2394.
　　[8]Dalgarno B ，Lee M J W .What are the learning affordances of 3-D virtual environments？[J].British Journal of Educational Technology，2010，41（1）：10-32.
　　[9]Huang H M ，Rauch U，Liaw S S .Investigating learners' attitudes toward virtual reality learning environments： based on a constructivist approach[J]. Computers & Education，2010，55（3）：1171-1182.
　　[10]Mayer R E， Veitch N， Hood M， et al.Equivalence of using a desktop virtual reality science simulation at home and in class[J]. PloS one，2019，14（4）：e0214944.
　　[11]Passig D，Noyman T .Training Kindergarten Teachers with Virtual Reality[C].IFIP World Conference on Computers in Education.Springer，Boston，MA，2001： 733-744.
　　[12]Schott C， Marshall S. Virtual reality and situated experiential education： A conceptualization and exploratory trial[J].Journal of Computer Assisted Learning，2018，34（6）：843-852.
　　[13]Hutchison A.Using Virtual Reality to Explore Science and Literacy Concepts[J].The Reading Teacher， 2018，72（3）：343-353.
　　[14]King D， Tee S， Falconer L，et al. Virtual health education： Scaling practice to transform student learning[J].Nurse Education Today，2018，71：7-9.
　　[15]Lau K W ，Lee P Y .The use of virtual reality for creating unusual environmental stimulation to motivate students to explore creative ideas[J]. Interactive Learning Environments，2015，23（1）：3-18.
　　[16]Lin M T Y，Wang J S，Kuo H M，et al.A Study on the Effect of Virtual Reality 3D Exploratory Education on Students' Creativity and Leadership[J]. EURASIA Journal of Mathematics，Science and Technology Education，2017，13（7）：3151-3161.
　　[17]Lee E A L，Wong K W.Learning with desktop virtual reality：Low spatial ability learners are more positively affected[J].Computers & Education，2014，79： 49-58.
　　[18]Passig D，Tzuriel D，Eshel-Kedmi G.Improving children's cognitive modifiability by dynamic assessment in 3D Immersive Virtual Reality environments[J].Computers & Education，2016，95： 296-308. 　　[19]Parong J，Mayer R E.Learning science in immersive virtual reality[J].Journal of Educational Psychology， 2018，110（6）：785.
　　[20]Makransky G，Terkildsen T S，Mayer R E.Adding immersive virtual reality to a science lab simulation causes more presence but less learning[J].Learning and Instruction，2017，60：225-236.
　　[21]Merchant Z，Goetz E T，Cifuentes L，et al. Effectiveness of virtual reality-based instruction on students' learning outcomes in K-12 and higher education： A meta-analysis[J].Computers & Education， 2014，70（1）：29-40.
　　[22]Shin D H.The Role of Affordance in the Experience of Virtual Reality Learning： Technological and Affective Affordances in Virtual Reality[J].Telematics & Informatics，2017，34（8）：1826-1836.
　　[23]Makransky G， Petersen GB.Investigating the process of learning with desktop virtual reality： A structural equation modeling approach[J].Computers & Education， 2019，134：15-30.
　　[24]Renninger K A，Hidi S.The power of interest for motivation and engagement[M].Routledge，2015.
　　[25]Takala T M， Malmi L，Pugliese R，et al.Empowering Students to Create Better Virtual Reality Applications： A Longitudinal Study of a VR Capstone Course[J]. Informatics in Education，2016，15（2）：287-317.  （編辑：李晓萍）
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