沉浸式虛擬環境中的心流體驗與移情效果研究

柳瑞雪 任友群

[摘? ?要] 如何使用技術手段幫助學生學習知識、增強學習體驗，已經成為信息化教學領域的關注熱點。文章基于心流理論，按照沉浸式虛擬環境和傳統教學兩種學習環境，將上海市某中學七年級共62名學生隨機分為實驗組和控制組，開展了科學教育實驗，采用問卷調查法分析不同學習環境下的學習者在科學知識學習過程中的心流體驗和移情效果。研究發現：（1）兩組學生間的心流體驗和移情均存在顯著差異，沉浸式虛擬環境能夠提升學習者在科學知識學習過程中的心流體驗和移情能力;（2）兩組學生間的學習成績存在顯著差異，沉浸式虛擬環境能夠促進學習者對科學知識的理解，提高學習成績。研究結論為沉浸式虛擬環境應用于中小學科學課的教學實踐探索提供了參考。

[關鍵詞] 沉浸式虛擬環境; 虛擬現實; 科學教育; 心流體驗; 移情

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

一、引? ?言

隨著信息技術在教育中的深入應用，我國進入了教育信息化2.0時代。技術的進步為教育提供了多種“選項”：大數據、人工智能、云計算、虛擬現實（Virtual Reality，以下簡稱“VR”）等新技術的層出不窮為新的教學應用模式提供了“新武器”[1]。以虛擬現實和人工智能等新技術開展具身學習及個性化學習等教與學的活動，成為教育信息化2.0時代教育發展的新要求[2]。2018年12月25日，工信部發布《工業和信息化部關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》（以下簡稱《意見》）。《意見》指出：“要推進虛擬現實技術在高等教育、職業教育等領域和物理、化學、生物、地理等實驗性、演示性課程中的應用;促進虛擬現實教育資源開發，實現規模化示范應用，推動科普、培訓、教學、科研的融合發展。”[3]可以看出，VR在教育領域的重要性越來越突出，我國政府通過政策引導和支持“VR+教育”的發展，為VR與教育領域的創新融合應用提供了新的機遇。

當前，VR已經被應用于教育和社會等各個領域，并發揮著重要作用。例如，提升學習者解決幾何問題的能力[4];為進食障礙者提供心理治療，幫助他們克服身體形象的扭曲[5];減少人們的社交焦慮癥[6];引發人們積極情緒的改變等[7]。VR具有仿真虛擬世界的構造、強烈的多感官交互的特點，可以創建一種真實世界的替代空間，同時，為用戶提供身臨其境的感覺和自然的交互方式，提高感性和理性認識[8-9]。它的核心作用之一是構建沉浸式虛擬環境（Immersive Virtual Environment，以下簡稱“IVE”）。這種環境所營造的沉浸式學習方式具有增強性（Engagement）、再現性（Evocation）和證據性（Evidence）的3E特征[10]。在學習過程中，如何借助IVE為學習者提供豐富的學習場景，使學習者獲得最佳的感官體驗及學習效果，是未來IVE與學科課程進行融合應用的一個重要研究方向。因此，為了更加完整和全面地了解學習者的學習過程，就需要從心理學的視角探究學習者在學習過程中產生的一些心理狀態（如心流、移情等），了解學習者學習時的內在心理活動及情感體驗效果。心流（Flow）是個體全身心投入某項活動時所產生的積極情緒體驗，移情（Empathy）則需要個體能夠感同身受地去理解客觀“對象”的情景及感受[11-12]。IVE可以為學習者提供一個全沉浸式的虛擬環境，為心流和移情的發生提供機會。一般來講，不同的信息技術工具所構建的學習場景及知識呈現形式，會對學習者的心流和移情產生不同程度的影響。基于此，本文試圖探究學習者在IVE中學習科學知識過程中產生的心流和移情，并進一步分析IVE對學習者的心流體驗和移情影響效果。

二、研究綜述

（一）心流體驗

心流（Flow）的概念，最初由美國著名心理學家Csikszentmihalyi于1975年提出，指個體強烈地參與一項活動時的認知狀態[11]。Celsi等人認為：“心流是一種現象學狀態，在這種狀態下，自我、自我意識、行為和環境構成了全身心的獨特體驗”[13]。當個體專注于某項活動時，就會產生心流，主要表現為注意力高度集中、感到時間飛逝、充滿愉悅感等[11]。心流理論（Flow Theory）是指人們的專注和愉快體驗，是了解人們持續性地使用信息技術工具的一個流行理論框架。它的核心是心流體驗（Flow Experience），當個體處于心流體驗狀態時，他們的意識僅限于活動本身，并且喪失自我意識，充滿愉悅感[11，14]。按照心流理論，將心流體驗劃分為“技能與挑戰的平衡”“清晰的目標”“及時的反饋”“注意力高度集中”“控制感”“行動與知覺的融合”“時間扭曲”“喪失自我意識”“具身體驗”九個維度[15]。相關研究表明，心流體驗更可能激發個人動機并達成積極的結果[16]。

當前，學者們對心流體驗在不同教育領域中的應用情況進行了相關探索，包括數字化游戲學習、體育實踐教學、創造性產品設計、信息技術應用、網絡購物、在線游戲體驗等。陳奕樺等人探討了數字化游戲學習環境中影響學習者心流體驗的因素，結果表明，學業能力與社會互動傾向對學習者的心流體驗具有交互作用[17]。在體育教學實踐方面，Kawabata探討了促進心流干預項目的有效性，研究發現，該項目能夠有效促進體育教學環境中學習者的心流體驗[18]。從創造性產品設計的角度來看，楊曉哲等人通過構建虛擬現實技術和腦波（Electroencephalography）整合的學習環境，調查了個體的創造力行為與其創造性大腦（要求參與者設計一個開放的虛擬產品）之間的聯系，并進一步探討了個體的創造力及其相關的因素（包括心流、注意力和冥想）的影響效果[19-20]。Pilke調查了學習者在信息技術應用過程中的心流體驗，結果發現，學生在計算機上進行文字處理、編程、視覺設計以及信息檢索等任務時，心流體驗較為頻繁發生[21]。對于心流體驗在網絡購物方面的研究，Hsu等人分析了心流體驗與網絡購物行為的關系對用戶特征（包括信任程度、購買意愿以及自信心）的影響，結果發現，心流體驗與網絡購物行為具有顯著的正相關，當用戶對商品的信任程度、購買意愿以及自信心越高時，心流體驗對網絡購物行為的影響就越大[22]。除此之外，在線游戲體驗也能夠喚起人們的心流體驗和積極情緒[23]。整體而言，當前學者們針對心流體驗的應用研究還是較多集中于網絡生活、商業應用等領域，研究對象也較多集中于高等教育及成人教育領域，而針對中小學生的一些學科教學實踐研究還較少。

（二）移情

從廣義上來講，移情（Empathy）指個體對他人觀察到的體驗感受[12]。Davis認為，移情包括認知和情感兩個方面，他將移情劃分為四個維度：“移情關注”“觀點采擇”“想象”“個人憂傷”。前兩者屬于認知移情范圍，后兩者屬于情感移情范圍[12]。認知移情是“在不實際經歷他人情感時對他人條件或者思維狀態的智力或者想象的理解”[24-25]，情感移情是“對他人情感經歷的積極響應”[26]。“移情”一詞最初由德國美學家Vischer作為美學術語使用，隨后由美國心理學家Titchener引入心理學領域。此后，來自不同領域的專家學者們開始關注移情，并將移情引入自己的研究中。

以虛擬世界為背景的講故事、仿真游戲是否影響移情進入研究者們的視野。Shin探究了沉浸式虛擬現實技術在講故事過程中的應用，研究表明，學習者學習體驗、臨場感以及心流體驗的認知過程會影響個體如何表達VR故事及產生移情[27]。Bachen等人從心流、存在感以及字符識別三個角度分析了地震模擬游戲對移情產生的效果及學習興趣的影響，研究表明，存在感能夠顯著提高人們的全球化移情能力，而這種移情能力又能提升學習者的學習興趣[28]。站在學習者角度設計教學活動，促使學習者產生移情體驗引起了研究者們的關注。陳為東等人構建了基于圖片優勢效應的移情式教學設計模型，為圖片應用于移情式教學提供了可借鑒的參考途徑[29]。移情作為語言交往中的重要因素，進入了課堂教學實踐和研究者視野。有研究者探討了高校英語課堂教學中師生之間的移情及合作，結果表明師生感情的作用是相互的，教師和學生都期待對方的移情[30]。此外，與移情相關的研究領域還包括對牙科專業的學生進行移情培訓、幫助自閉癥兒童提高移情表現等[31-32]。

綜上，有關移情的研究主要還是集中在敘事移情、語言移情、移情式教學設計等方面，有關IVE在輔助知識學習、提高移情等方面的研究尚不足。基于此，本研究基于虛擬現實技術，構建了IVE下的科學教育實驗，以探究IVE對學習者心流體驗及移情的影響。具體而言，本研究聚焦以下三個問題：（1）基于VR的沉浸式學習能否提升學習者的心流體驗？（2）基于VR的沉浸式學習能否提升學習者的移情能力？（3）基于VR的沉浸式學習能否促進學習者對科學知識的理解，提高學習成績？

三、實驗設計

本研究采用實驗組和控制組對照的實驗設計，分別對兩種不同形態的學習環境（視頻學習環境及沉浸式虛擬環境）下的學習者進行前后測，以驗證沉浸式虛擬環境中學習者的心流體驗及移情效果。

（一）研究對象

本次實驗研究對象為上海市某中學七年級的62名學生，其中男生32人（52%），女生30人（48%），年齡范圍在13～14歲之間。實驗前，開展問卷調查了解學習者在使用虛擬現實設備、視頻學習方面的基本情況。調查結果顯示，49名學生（79%）已經有視頻學習經驗，29名學生（47%）體驗過虛擬現實設備，但是所有學生并沒有使用虛擬現實設備進行相關知識學習的經歷。

（二）學習內容

本次實驗學習內容為《人體之旅》科學教育視頻。該視頻主要闡述了細胞在人體內的運作流程。在視頻中，學習者將化身為一個超級微小的機器人，坐在飛行探測器中，穿梭于身體的微觀世界中，學習各種各樣細胞的組成結構和功能的相關知識，體驗客觀世界無法親身經歷的學習場景。之所以選取該視頻，是由于其中的部分知識內容來自于科學課本，能夠有效拓展學生的課外知識范圍。《人體之旅》視頻選自VIVEPORT平臺，視頻內容資源由The Body VR LLC公司開發，長度為13分鐘左右。可以采用電腦、VR頭盔進行視頻的學習。視頻界面如圖1所示。

（三）研究工具

1. 沉浸式虛擬現實設備

HTC Vive是由HTC電子公司和維爾福軟件公司聯合開發的一款沉浸式虛擬現實頭戴式設備。它由一個頭戴式顯示器、兩個單手持控制器、一個能在空間內同時追蹤顯示器與控制器的定位系統（Lighthouse）組成。使用這種頭戴式顯示器和運動控制器的高性能主機VR系統，沉浸感和交互性最佳，學習者可以得到最佳的個體體驗[33]。因此，實驗選取了全沉浸式的VR設備，每套設備單人體驗，同時，給予其一定的體驗空間。

其中，實驗組使用臺式電腦來連接HTC Vive頭戴式設備，在VIVEPORT平臺上觀看視頻。電腦基本配置為：處理器為IntelRCore（TM）i7-CPU，安裝內存16.00G，操作系統為Windows 10。控制組采用筆記本電腦觀看視頻，電腦基本配置為：處理器為IntelRCore（TM）i5-CPU，安裝內存為8.00G，操作系統為Windows 10。

2. 問卷

心流的測驗采用Pearce等人開發的心流問卷，共11道題[34]。其中，問卷部分題目為：“在這個學習活動過程中，所做的事都有把握，且結果都和我預期的一樣”“我強烈地投入在這個學習活動中”“我發現這個學習活動令人感到愉快”等。

移情的測驗采用Davis開發的移情問卷[12]。由于實驗參與者并沒有社會角色與之互動，因此，問卷題目選取的是想象傾向的子問卷，關注虛擬學習情境和自我重現的能力。移情問卷共5道題，部分題目為：“當觀看視頻時，我可以很容易地將自己放在主角的位置上”“我完全沉浸在變成機器人的感受當中”等。

心流和移情測驗問卷均采用Likert 5點計分方式（“5”代表非常同意，“1”代表非常不同意）。問卷題目在施測時都是中文的，問卷的英文翻譯是由兩名團隊成員完成，語句表達根據研究需要進行了改動。在翻譯完成后，他們對問卷進行修正，并由其他團隊成員對問卷進行校驗，修改后的心流體驗問卷信度為0.80，移情問卷信度為0.85。整體而言，本研究所使用的問卷具有良好的信效度。

知識前后測題目均來自《人體之旅》視頻中的10道難度不等的知識選擇題，題目由兩名中小學科學教育學科的專業教師針對視頻內容進行設計，并經過反復修改和預測驗，最終形成《人體之旅》知識測驗問卷。心流、移情問卷及《人體之旅》知識前后測問卷的發放和回收均在網絡平臺“問卷星”上面進行，后期使用SPSS軟件對問卷收集數據進行統計與分析。

（四）實驗流程

實驗開始前，測量所有學習者的基本信息及《人體之旅》知識前測。測試結果顯示：同年級學生之間沒有顯著差異（p=0.81 > 0.05）。因此，按照實驗人數（N=62），將學習者隨機分配到實驗組（N=31）和控制組（N=31）。為了確保實驗順利進行，研究團隊成員首先向學習者介紹了具體學習任務以及VR設備的使用方法，并示范佩戴VR設備，告知學習者在佩戴VR設備進行學習過程中不要緊張，保持正常學習狀態。隨后介紹整體的實驗流程和注意事項。實驗開始時，實驗組佩戴HTC Vive頭戴式設備，在IVE中進行學習，控制組觀看電腦視頻進行學習。學習活動結束后，所有學習者立即填寫心流、移情問卷，并完成《人體之旅》知識后測。整個實驗過程持續時間在50分鐘左右，實驗流程如圖2所示。

四、 結果與分析

（一）心流體驗分析

為了解學習者的心流體驗是否因為不同的學習環境而存在顯著性差異，對兩組學習者的心流問卷統計結果進行獨立樣本T檢驗。調查發現（見表1），實驗組心流體驗均值（M=4.48）高于控制組均值（M=3.97），兩組學生間的心流體驗存在顯著性差異（t=3.63，p=0.001<0.05）。由此表明，IVE對學習者的心流體驗具有積極的影響，基于VR的沉浸式學習能夠提升學習者在科學知識學習過程中的心流體驗。

（二）移情分析

為了解學習者的移情是否因為不同的學習環境而存在顯著性差異，對兩組學習者的移情問卷統計結果進行獨立樣本T檢驗。調查發現（見表2），實驗組移情均值（M=4.26）高于控制組均值（M=3.60），兩組學生間的移情存在顯著性差異（t=3.32，p=0.002<0.05）。由此表明，IVE對學習者的移情具有積極的影響，基于VR的沉浸式學習能夠提升學習者在科學知識學習過程中的移情能力。

（三）學習成績分析

實驗組知識前測成績平均值和標準差為M=33.87，SD=11.16，控制組為M=34.84，SD=19.64（見表3）。T檢驗統計結果顯示兩組沒有顯著性差異（t=0.24， p=0.81 > 0.05）。由此可知，兩組在開展學習活動之前，他們的知識水平并不具有差異性。為了解學習者的學習成績是否因為不同的學習環境而存在顯著性差異，對兩組學習者的知識后測成績進行方差同質性檢驗，其顯著性遠大于0.05，滿足方差齊性要求。

在此基礎上，以知識前測成績作為協變量，知識后測成績作為因變量，對兩組學習者的學習成績進行協方差分析。調查發現（見表3），實驗組知識后測成績的修正均值和標準誤差分別為A=77.96，S=2.49，控制組為A=69.14，S=2.49。不同組別之間知識后測成績存在顯著性差異（F=6.26，p=0.015<0.05）。實驗組的知識后測成績均值（M=77.74，SD=10.56）高于控制組（M=69.35，SD=19.14）。由此說明，IVE對學習者的科學知識學習具有積極的影響，能夠促進學習者對科學知識的理解，提高學習成績。

五、 結論與討論

本研究基于心流理論，采用問卷調查法分析了沉浸式虛擬環境對學習者心流體驗和移情的影響效果，得出以下結論：

沉浸式虛擬環境對學習者的心流體驗具有積極的影響，基于VR的沉浸式學習能夠提升學習者在科學知識學習過程中的心流體驗。虛擬現實技術所具有的強大的臨場感和交互性為構建心流體驗的學習環境提供了充分的技術支持。相關研究表明，在可能導致心流體驗的眾多條件因素中，臨場感可以顯著影響心流體驗[35]，臨場感有可能是造成心流體驗的條件因素[36]。如果虛擬現實教學系統能夠提供沉浸的虛擬世界，那么就有可能獲得最優心流體驗[37]。3D虛擬世界具有更強的臨場感和愉悅感，而臨場感可以導致心流體驗，使網絡用戶獲得最佳體驗[36]。全沉浸虛擬現實系統具有高沉浸性和臨場感，其創設的IVE，能使學習者完全沉浸在虛擬世界中并產生一種真實感，即“身臨其境”的感覺。本研究主要體現的是基于虛擬現實技術以及心流理論在中學生學習科學知識過程中的應用，區別于傳統課堂和在線學習，學生可以找到自己的“角色”定位，增加對學習的掌控感和體驗感。

沉浸式虛擬環境對學習者的移情具有積極的影響，基于VR的沉浸式學習能夠提升學習者在科學知識學習過程中的移情能力。由于虛擬環境的沉浸感特性和移情情境性，虛擬現實技術已經被用來引導人們在某些主題中改變同理心，并產生移情。例如，幫助老年癡呆癥患者的監護者更好地理解神經癡呆的感受、將觀眾置于災難情境中，引導他們同情那些經歷過災難的人等[38-39]。學習者在學習科學知識過程中所產生的移情就是在這樣的虛擬環境中產生的，沉浸式虛擬環境一方面為學習者學習知識提供了一個身臨其境的學習情境，幫助他們在觀看視頻過程中更能體會視頻中“機器人”的所感所需，并站在“機器人”的角度進行體驗和感受。另一方面，視頻中的“機器人”也會對學習者產生移情作用，使他們產生喜歡、厭惡等多種情緒。學習者在視頻中進行了角色互換，他們化身為一個超級微小的機器人，穿梭于身體內部并了解各種細胞的組成結構及功能，在學習知識的同時感受作為“機器人”角色的滿足感。這種角色互換提高了學生的情感移情能力，虛擬現實移情就是將視頻中的“機器人”角色的感受和體驗傳遞給學生，讓學生將自己的情感和體驗投入到學習活動中，從而實現移情。

沉浸式虛擬環境對學習者的科學知識學習具有積極的影響，基于VR的沉浸式學習能夠促進學習者對科學知識的理解，提高學習成績。虛擬現實技術應用于學習情境的創設，最重要的一個優勢在于其本身能夠作為一個工具呈現抽象概念，并提高對抽象或復雜概念的理解[4，40]。學生在體驗高科技帶來的新奇感的同時，“親身”遨游知識海洋，感受立體化的知識。另一方面，身臨其境的感受和自然豐富的交互體驗提供了學習者親身體驗的機會，促進了學生的認知加工及知識建構過程[41]。VR技術可以模擬學與教的環境，提供一個自由靈活、生動逼真、更加人性化的學習環境，創造出一個豐富有趣的學習氛圍，使得教學效果事半功倍。

本研究主要從學習者個體的視角探索了VR在科學教育中的應用，是一次初步的嘗試，但是，也存在一些不足之處。本研究所使用的科學教育視頻學習資源僅僅是作為科學課課外擴展知識的補充，并不能推廣到學校的科學課教學中。未來，對于以班級為單位進行群體教學的學校來說，開展VR科學課教學也依然有很多亟待探索的問題。首先，每個班級上科學課的學生人數大約為40～50人，如果為每個學生配備一臺高沉浸感的VR設備，學校根本無力投入巨大的財力、設備及場地空間。最佳解決方案是借助互聯網企業的技術平臺優勢，為學校提供技術工具方面的支持，構建VR技術平臺支撐下的新型VR智慧教室。即以班級授課、小組合作（每組3～5人）、高性能主機VR設備共享的——VR課堂教學應用模式。該模式除了能夠保證每個學習者在高沉浸感環境中獲得最佳沉浸體驗和學習體驗外，還能減輕學校財力、場地空間負擔。同時，還需要聯合高校科研人員及一線教師，共同開發適合于中小學教學的VR課程資源，以保證VR課程資源與教學內容符合教學目標的需求。

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