虛擬現實課堂中的沉浸式學習助推學生成長

黃建平 劉雨佳 宛小昂

（1.蘇州大學教育學院 江蘇·蘇州 215123；2.蘇州大學音樂學院 江蘇·蘇州 215123；3.清華大學社會科學學院 北京 100084）

0 引言

隨著網絡時代和信息技術的發展，基于虛擬現實或者增強現實技術的線上學習也逐漸成為教育領域中的熱門話題。同時，2019年末突如其來的新冠疫情也讓線上教學成為中小學以及高校的主流教學方式。如何在線上教學過程中更好的促進學生成長也成為近年來的研究熱點。越來越多的高校也逐漸開始嘗試運用虛擬現實或者增強現實等技術進行課堂教學改革。比如蘇州大學與華為技術有限公司簽訂了“云中蘇大”智慧教室的合作協議，通過高校和科技企業在高等教育和信息技術方面的結合，可以打造一個鏡像化、數字化、智能化的“云中大學”。其中基于虛擬現實技術的沉浸式學習也是實現“云中蘇大”最重要的技術基礎。虛擬的真實情景可以激發學生對知識的興趣和探索的動力，即提高了學生在學習中的創造力。那么基于虛擬現實的沉浸式學習如何促進學生的成長？本文計劃對虛擬現實中的沉浸理論以及沉浸式學習對學生的促進展開介紹。

1 虛擬現實中的沉浸理論

虛擬現實技術能夠以計算機為媒介給參與者提供體驗到臨場感的虛擬環境，這個虛擬環境可以提供多感官的信息，包括視覺、聽覺、運動信息。與使用文本或者圖片刺激的傳統線上教學相比，虛擬現實增加了環境的真實感，這種真實感能夠提高學習者在虛擬環境中存在的感覺。虛擬現實也可以根據其沉浸特點分為虛擬現實系統可以分為沉浸式虛擬現實，比如洞穴式虛擬現實系統（VRcave），立體虛擬現實系統（VR cube）和頭盔式虛擬現實（Headmounted-display VR），或者非沉浸式的虛擬現實，即在電腦桌面上運行的虛擬現實系統，這也被稱為桌面式虛擬現實。相比桌面式虛擬現實，在沉浸式虛擬現實中被試可以接受全方位的視覺刺激。同時考慮到設備的便利性以及經濟性，目前在很多線上教學的實踐中，頭盔式虛擬現實應用的更為廣泛。

虛擬現實中的沉浸理論中包括過程的流暢、其中活動必須要有挑戰、需要個體的技能、個體做出反饋以及意識的投入，需要個體充分專注于當下的任務。體驗沉浸的個體需要有清晰的目標，有效的控制，失去自我的意識，以及有扭曲的時間體驗。對沉浸的研究中主要以人際交互模型為主。Chen對前人的模型進行總結并提出了現下廣為認可的沉浸模型[1]，該沉浸模型具有10個維度，并分為三個主要因素：沉浸產生的前提、沉浸體驗、沉浸帶來的后果。其中沉浸產生的前提包括：清晰的目標、即時的反饋、潛在控制和意識與行動的融合；沉浸體驗包括：注意力集中、臨場感、時間扭曲、自我意識的喪失；沉浸的后果包括：積極的影響、流暢的體驗。其中學習中的沉浸體驗所帶來的積極影響主要集中于個體流暢的體驗、積極的情緒以及創造力的提高。

2 沉浸式學習對學生的多維度促進作用

在虛擬現實中發生的沉浸式學習對學生的學習過程具有多個方面的促進作用：首先是對學生學習動機的促進作用。通過虛擬現實技術可以創設沉浸式的課堂教學環境，抑或是創設相應的學習環境，比如學生在對野外生物辨識的課堂學習中，可以通過虛擬現實技術將學生帶入虛擬大自然，更逼真的學習環境可以激發學生學習動機，增強學習效果。仿真的學習環境體驗可以給學生帶來臨場感，在這種虛擬課堂中，學生可以體驗到存在于虛擬現實環境中而非自己所在的現實環境中的感覺，這種感覺極大的提高了學生的學習動機。另一方面，虛擬現實可以滿足學生的交互特點，在虛擬現實中每一位學生可以通過手柄或者其他虛擬交互設備與虛擬場景中的刺激進行交互。這也是傳統課堂教學中無法實現的。學生在與虛擬場景的交互過程中可以保持較長時間的高度專注狀態，而且交互過程中虛擬環境可以基于學生的交互指令給予及時的反饋，因此這種交互式的虛擬學習不僅能夠提高學生的注意力也可以提高學生的課堂卷入度，極大的提高了學生的學習積極性。

其次就是認知能力的促進。虛擬現實的環境可以給人們提供多感官刺激，通過這些多感官刺激進而可以提升神經元的可塑性以及促進神經生理活動。因此，虛擬現實技術被應用在認知訓練和認知康復的研究中。Plechatá等人的研究中采用桌面式虛擬現實和頭盔式虛擬現實創造了低沉浸感和高沉浸感的虛擬現實環境[2]，并且比較了年輕人和老年人這兩個不同年齡群體在記憶測評任務中的表現，結果發現不同沉浸感的虛擬現實環境中，年輕群體都能表現出優異的記憶表現，但是在頭盔式虛擬現實設備中，兩組被試的記憶任務表現都受到個體疲勞程度的影響，通過上述研究發現個體對虛擬現實環境具有較好的接受程度，同時沉浸環境促進個體記憶表現的過程中，也需要考慮個體疲勞程度的調節影響。

第三點就是沉浸式學習對學生學習思維的塑造。個體在沉浸式的虛擬現實環境中可以產生心流（Flow）體驗。同樣，當學生在虛擬環境中學習時，也能夠獲得到不同程度的心流體驗。虛擬現實中的教學可以促進學生的創造性思維和創造性能力，尤其是在創意設計領域以及創意體驗學習過程中虛擬現實發揮了重要的作用，該研究發現通過虛擬現實，學生的學習過程可以從具體的經驗學習轉變為反思性觀察、抽象概念化以及最后的創新應用，而在虛擬現實中表現出的反思性觀察和抽象概念化都是個體表現出創新思維的決定性因素。

3 總結和展望

當然，虛擬現實中的沉浸式學習也存在一定弊端，比如在虛擬現實中學習者會體驗到更高的認知負荷。認知負荷是人們在處理具體認知任務時（比如搜尋信息）產生的認知加工量，是有效完成認知任務的代價。Whitelock等人發現在虛擬現實中的學習會導致學習者產生額外的認知負荷[3]，對此他們認為在基于虛擬現實的學習環境中，高度的沉浸體驗可以極大的促進學習者的動機，但是也可能分散學習者的注意，使得其產生額外的認知負荷。具體而言，對于虛擬現實中產生的認知負荷包括基于任務的負荷和基于學習者本身的負荷。基于任務方面的負荷是根據任務需求產生的，即學習者在虛擬現實中完成學習任務所需要的努力程度，稱之為任務相關的心理負荷；基于學習者的認知負荷是認知能力以及學習者完成任務時所需要的資源，稱之為任務相關的心理努力。因此在應用虛擬現實中的沉浸式學習時，應該設置相應的學習任務以避免學習者產生不必要的認知負荷；同時結合每一位學習者的認知能力進行分階段分難度層次的進行沉浸式學習。本文對當下學界和教育技術應用領域中都關注的虛擬現實沉浸式學習進行介紹和討論。基于虛擬現實技術的沉浸式學習是學生學習過程中非常獨特的經歷，在沉浸式學習中可以體會到臨場感，體會到心流，這個過程中學生的學習卷入程度提高，學習動機也有大幅的提交。同時虛擬現實中的多感官體驗也促進了學生在學習中的認知能力和思維模式。因此，在終端顯示技術、硬件技術日益成熟的大背景下，構建基于虛擬現實技術的沉浸式學習環境將更為便捷，沉浸式學習的應用和推廣也更值得人們關注。虛擬現實技術能夠給學習者展示出全景式畫面、自然的交互方式，對于激發學習者的動機、增強學生的學習體驗具有積極的作用。基于沉浸式虛擬現實技術而構建的體驗式課堂，能夠為學習者開辟新奇的學習空間，在未來教育中應當能夠發揮出獨特的優勢。