基于臨場感的桌面虛擬現實教學評價實證研究

吳鳳義 程群群

（巢湖學院化學化工與生命科學學院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

虛擬現實（Virtual Reality）技術，又稱靈境技術，是利用電腦模擬三維虛擬環境。操作者通過人機交互設備，以自然方式（如頭的轉動、手的運動等）向計算機傳入各種動作信息，并獲得虛擬環境對用戶視覺、聽覺、觸覺等多種感覺信息實時反饋。以此獲得對客觀世界的感知。虛擬現實技術，做為一種現代高新技術在教育領域有巨大應用潛力。

發達國家，虛擬現實技術在化工教學領域已得到廣泛應用。經歷了單一設備到整體流程、由單用戶操作到多用戶協同發展過程。如美國GB公司利用OpenGL建立了C/S模式的化工虛擬設備數據庫。英國化學工程師學會研制化工培訓軟件SAFE——VR，就是一款基于模型流程仿真軟件，它實現了場景漫游等操作。而基于流程多用戶協同仿真，又稱為協同虛擬現實系統，即利用計算機和通信技術建立協同虛擬環境，在虛擬空間中人們相互合作，共同工作于一個研究領域。例如美國Alibre公司開發的軟件AlibreDesign，提供了3D立體機械的設計、合作和資料的分享管理。在我國，虛擬現實技術在化工設備方面也有一些開發和應用，如太原理工大學以VB語言為工具，基于Windows操作系統開發的化工單元操作多媒體軟件。徐州工業職業技術學院采用虛擬現實建模語言（VRML）建立的常見化工機械零部件模型庫。北京理工大學化工與環境學院以化工學科超臨界萃取實驗為研究對象，開發的基于Java3D化工網絡虛擬場景。大慶石油學院基于Virtools平臺開發的虛擬化工廠三維模型等。

盡管，虛擬現實技術在國內化工教學應用得到較快發展，然而，從整體上看，該技術應用還處于探索發展階段，還存在諸多問題。其中，重視虛擬教學系統開發，輕理論應用研究[1]，尤為突出。理論應用研究不足，影響虛擬現實技術在該課程教學使用。

巢湖學院化工教研室根據自身需要，開發了《化工設備機械基礎》桌面虛擬現實教學系統，將系統應用于化工設備附件選型章節教學。結合社會臨場感理論，分析了桌面虛擬現實臨場感特征，并對于虛擬現實臨場感與學習績效進行相關分析和研究。得出了一些有益結論，為虛擬現實技術在化工教學中進一步應用奠定基礎。

2 問題的提出

社會臨場感理論（social presence）是關于社會研究與傳播學領域重要理論之一。該理論起初用于解釋媒體為維持人際關系與互動所扮演功能性角色[2]，探究媒體賦予人社會情感及態度的能力。后被教育技術研究者引用，對各種教學媒介進行教學效果分析與評價等研究。三維虛擬情景應用于教學，做為一種新教學媒介，其臨場感基本特征框架尚在探究中[3]。我國學者王廣新[4]采用探索性因素分析法描述了虛擬現實情境的臨場感結構，它包括情感涉入度、逼真度、感知響應力、控制力和注意力等五個因子。

從研究結果看，采用實證法研究臨場感評價三維虛擬情景教學模型，到目前為止仍然有限，為有效利用臨場感理論評價三維虛擬情景教學，需研究者更多去檢驗、應用和擴充該模型。研究以臨場感為理論研究線索，利用實證法建立一個適合評價桌面虛擬現實情景臨場感模型。

3 問卷編制和實施

3.1 臨場感測量工具的選擇與修訂

3.1.1 臨場感涵義界定

隨著媒介技術不斷發展以及研究者對臨場感理解不同，臨場感涵義至今沒有統一界定。不同涵義臨場感，其測量方法不一樣。根據桌面虛擬現實技術特點，本研究臨場感界定為學習者對虛擬技術所描繪的客觀對象，視覺、聽覺、觸覺等多感官體驗，是學習者對處于虛擬情景的客觀對象，所產生主觀經驗描摹。

3.1.2 虛擬現實臨場感維度建構和調查編碼編制

根據桌面虛擬教學系統特點和對臨場感理解，參考王廣新[4]的“臨場感調查問卷”所描述內容，構建臨場感六個維度，它們分別是：交互性、沉浸感、想象性、真實感、多感知性、卷入度等，并借鑒王廣新等的問卷對這些因素所包含題項進行了編寫，共描述了30個題項。

3.1.3 虛擬現實臨場感量表編碼修訂

在正式發放問卷之前，先搜集35份問卷進行預測。發現沉浸感與卷入度兩個維度的調查問題相關度較大，重復性高，不具有鑒別度，因此將有關卷入度因素五個題項全刪除，另外，學生認為想象性因素在桌面虛擬情景中表現不強烈，有關想象性因素五個題項全刪除。最后經教育專家鑒定，確認20個題項構成臨場感調查問卷題項。最終，形成的量表編碼見表1：

表1 虛擬現實臨場感量表編碼

3.2 學習者滿意度測量工具選擇

學習者滿意度是指學習者在學習知識過程中，將自己學習收獲與預期期望進行比較，產生的高興、愉悅或滿足的心理感受程度。本研究學習滿意度是通過對學生自評滿意度問卷調查獲得。其中學生自評滿意度劃分三個維度：學業成就、社交能力、學后反饋推廣。自評滿意度量表編制借鑒王照軍[5]編制測量網絡學習滿意度量表，對量表中部分詞語做適當修改，刪除其中2個題項，每個維度3個題項，共9個題項。修訂后的自評滿意度量表見表2：

表2 自評滿意度量表

并對量表進行信度分析，結果顯示三個維度的克隆巴赫（Cronbach’s α）系數分別為 0.811，0.756，0.782。自評滿意度問卷量表總體克隆巴赫系數0.827，說明修改后自評滿意度量表具有較高的信度和可靠性。

3.3 研究對象與數據處理

2013年5月-2013年6月對巢湖學院10應用化學（1）班、10級化工班兩個班級學生進行虛擬臨場感、滿意度問卷調查。發放問卷124份，收回問卷124份，剔去回答重復及回答不全問卷，有效問卷120份。其中男生89人，占被試人數74.16%。女生31人，占被試人數25.84%。數據管理及分析采用spss19軟件。

4 數據整理與統計

4.1 虛擬問卷臨場感信度和效度分析

為檢驗問卷內部一致性和可靠性，對此量表信度檢驗，其檢驗結果見表3：

表3 虛擬問卷信度指標

從表3可以看出，該量表共分為4個因子，分別為交互性、沉浸感、真實感、多感知性。除多感知性因子外，其余三個因子信度尚可，其克隆巴赫系數和分半信度系數，均在在0.8以上；而總問卷克隆巴赫系數和分半信度系數均在0.88以上，這表明該問卷信度較高，可靠性較好。采用因子分析法檢驗問卷量表結構效度，有關KMO測度和巴特利特球體檢驗結果見表4：

表4 KMO和Bartlett的檢驗

由表4顯示，KMO值為0.808，大于0.8。表中巴特利特球體檢驗統計值顯著性概率是0.000，小于0.5%，說明原變量之間具有明顯的結構性和相關關系，具有較好的結構效度，適宜作因子分析。

4.2 虛擬臨場感問卷因子分析

公因子提取，采用主成分分析法。從問卷所列出題項中抽取特征值大于1的四個因子，其方差貢獻率見表5：

表5 解釋的總方差

可見前四公因子反映事物全部信息89.869%。能代表全體因素解釋桌面虛擬現實臨場感體驗。為使影響因子具有可釋性，采用最大方差對初始因子載荷矩陣進行旋轉，旋轉后，公因子對指標貢獻見表6：

表6 虛擬現實情境臨場感因子

4.3 虛擬臨場感與滿意度的相關性分析

以學習滿意度即學業成就、社交能力、學后反饋推廣為因變量，桌面虛擬現實臨場感公因子——交互性、沉浸感、真實感、多感知性為自變量，考察因變量與自變量相關性。有效總樣本數為120。所有變量通過問卷方式獲取，問卷采用李克特五點量表（Likert scale），從滿意到不滿意分為五個等級，根據調查對象選擇，依次給予每個問題項1-5分，每項變量以平均分為最后得分。對有效樣本進行皮爾遜（Pearson）相關分析，其分析結果如表7所示：

表7 臨場感與滿意度相關性

由表7可知，當P＜0.01時，自變量與學業成就相關程度高低依次排序是：真實感、交互性、沉浸感、多感知性。真實感與學后反饋推廣正相關。當P＜0.05時，交互性、真實感和多感知性與社交能力正相關。沉浸感對社交能力沒有統計意義上顯著相關性。沉浸感、交互性與學后反饋推廣相關。多感知性與學后反饋推廣沒有統計意義上顯著相關性。

5 研究結果與討論

5.1 桌面虛擬現實情景臨場感具有清晰結構特征

通過探索性因子法分析，桌面虛擬現實臨場感具有真實感、交互性、沉浸感、多感知性等多維結構特征。其中，真實感是指學生感到作為主體存在于虛擬環境中的真實程度。交互性是指學習者在虛擬環境中如同真實環境一樣，與虛擬環境中的任務、事物發生交互，其中學生是交互主體，虛擬對象是交互客體。沉浸感是指學習者感受自己是虛擬世界中一部分。突破被動觀察者的慣例，沉浸在虛擬世界，參與虛擬世界各項活動。多感知性是指除了一般計算機技術所具有視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想虛擬現實技術應具有一切人所具有感知功能。

5.2 桌面虛擬教學系統臨場感與滿意度具有相關性

滿意度測量采用問卷調查方式，問卷包括三個維度：學業成就、社交能力、學后回饋推廣。學業成就指通過學習，學生主觀感覺在專業知識、技能所提高程度。社交能力指學生與周圍環境建立廣泛聯系和對外界信息吸收、轉化能力，以及正確處理上下左右關系能力。 學后回饋推廣指學生繼續進行學習意愿，并樂意向身邊朋友推薦采用虛擬現實系統的愿望。

學業成就與桌面虛擬現實臨場感各個公因子具有較強相關性。建構主義學習理論認為知識不是通過教師傳授得到，而是學習者在一定情境下，借助其他人幫助，利用必要學習資料，通過意義建構方式而獲得。因此“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”是學習環境中四大要素。相比傳統教學方式，桌面虛擬現實情景因具有各臨場感特征，所建構學習環境更有利于學生主動進行信息加工和意義建構，學生自我學業成就感也越高，其學業成就與桌面虛擬現實臨場感各個公因子相關性較強。社交能力與桌面虛擬現實臨場感中的交互性、真實感、多感知性具有弱相關性，而與沉浸感相關性不強。社交能力又稱為人際交往能力。交際活動成敗與社交能力高低有密切聯系。關聯理論[6]認為交際能否成功就看交際者對認知環境是否能夠明白和相互明白，因此認知環境是交際成敗關鍵環節之一。所謂認知環境就是指個人的認知能力與周圍物質環境相互作用結果。桌面虛擬現實情景呈現給學習者逼真、客觀的虛擬環境，虛擬現實情景臨場感特征強與弱、好與壞，對學習者認知能力直接作用，從而間接地影響學習者社交能力。本桌面虛擬現實系統與理想的虛擬現實系統有一定差距，其交互性、真實感、多感知性、沉浸感等臨場感特征不是很強烈，從而對學生社交能力影響有限。

虛擬現實教學系統中交互性、真實感、沉浸感對學后反饋推廣呈較強相關性。多感知性對學后反饋推廣相關性不強。桌面虛擬現實教學系統由于自身技術限制，感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺等幾種。還未能實現真正意義上全方位多感知性。因此，相比其他虛擬現實情境臨場感特征，多感知性，給學生留下印象不深刻，與學后推廣相關系數不高。

6 結論

采用探索因子法分析了桌面虛擬現實臨場感特征即真實感、交互性、沉浸感、多感知性等特征。在此基礎上，考察了桌面虛擬現實各臨場感特征與學習績效相關性。結果表明：桌面虛擬現實各臨場感特征與學生學習滿意度具有較好的相關性。本研究僅對桌面虛擬現實系統社會臨場感進行了分析。然而，依據蘭迪-加里森（Garrison）對探究型學習社區研究，要讓學習者真正獲得學習經驗，還需考慮認知臨場感（Cognitive Presence）和教學臨場感（Teaching Presence）等要素[7]。因此，在后續研究中，還需進一步研究虛擬現實情境中學習者認知臨場感和教學臨場感。

[1] 李凌云，王佳，王海軍.我國虛擬實驗研究現狀的實證分析[J].現代教育技術，2009，（12）：111-114.

[2] 王廣新，宮淑紅.網絡學習情境中社會臨場感研究回溯[J].開放教育研究，2010，（5）：41-46.

[3] Mikropoulos,T.A.Presence：A Unique Characteristic in Educadonal Virtual Environments[J].Virtual Reality，2006，（3）：197-206.

[4] 王廣新，劉興波.虛擬現實情境內臨場感的結構、影響因素與特征[J].中國電化教育，2010，（286）：52-56.

[5] 王照軍.影響網絡學習成效關鍵因素探究[D].上海：華東師范大學，2007.

[6] 許菊.關聯理論與交際[D].武漢：華中師范大學，2007.

[7] 何苗，程坤，郭允建.虛擬學習社區中社會臨場感研究初探[J].中國電化教育2010，（276）：54-58.