虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響研究

劉清堂 馬晶晶 余舒凡 樂(lè)惠驍 吳林靜

【摘要】虛擬實(shí)驗(yàn)以低成本、強(qiáng)交互、超時(shí)空和安全性高等優(yōu)勢(shì)在教育領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展大量實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，探索虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響，結(jié)果卻不盡相同。鑒于此，本研究利用元分析方法，對(duì)國(guó)際英文期刊發(fā)表的30項(xiàng)虛擬實(shí)驗(yàn)教育應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)與準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行系統(tǒng)綜述，系統(tǒng)審查虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)：①樣本合并效應(yīng)值為0.46，表明虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生中等程度積極影響;②從學(xué)段看，虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)中學(xué)生的學(xué)習(xí)影響效果更大;③從學(xué)科看，虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)社會(huì)科學(xué)及醫(yī)學(xué)等學(xué)科的影響更大;④從班級(jí)規(guī)模看，虛擬實(shí)驗(yàn)適合大規(guī)模課堂;⑤從實(shí)驗(yàn)周期看，實(shí)驗(yàn)持續(xù)1～10周效果更好;⑥從呈現(xiàn)形式看，桌面式虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)的影響更大。基于此，本研究從虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、開(kāi)展和評(píng)價(jià)三方面提出相關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】? 虛擬實(shí)驗(yàn);學(xué)習(xí)效果;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);元分析;系統(tǒng)分析;影響效果;教育現(xiàn)代化;教育技術(shù)

【中圖分類號(hào)】? G434? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】? A? ? ? ?【文章編號(hào)】? 1009-458x（2021）1-0008-10

一、引言

虛擬實(shí)驗(yàn)（Virtual Experiment）是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的一種實(shí)驗(yàn)形式，20世紀(jì)90年代早期，虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)始被引入K-12和高等教育，其項(xiàng)目包括科學(xué)空間、原子世界和細(xì)胞生物學(xué)等（Youngblut， 1998）。虛擬實(shí)驗(yàn)具有低成本、超時(shí)空、強(qiáng)交互、安全性高等特點(diǎn)，為改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的硬件條件、輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了解決方案，在教育領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注（朱敏， 2006）。早在2008年，以我國(guó)科技部為依托的“虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”相關(guān)計(jì)劃正式啟動(dòng)，推動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)、評(píng)價(jià)、管理等向前邁進(jìn)。2019年2月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實(shí)施方案（2018—2022年）》指出要通過(guò)建設(shè)、開(kāi)發(fā)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目推動(dòng)我國(guó)教育信息化發(fā)展。目前有越來(lái)越多的學(xué)校將虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)，其對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響引發(fā)相關(guān)學(xué)者的關(guān)注并展開(kāi)了文獻(xiàn)研究，如休和張（Hew & Cheung， 2010）以K-12和高等教育（主要是理工學(xué)院）為背景對(duì)15篇虛擬實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，總結(jié)了虛擬實(shí)驗(yàn)的教育應(yīng)用主題，但其所審查的研究大多是描述性的。麥錢特等人（Merchant， et al.， 2014）將基于虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用環(huán)境分為游戲、模擬和虛擬三種類別，對(duì)2011年之前的13項(xiàng)游戲環(huán)境、29項(xiàng)模擬環(huán)境和27項(xiàng)虛擬環(huán)境在K-12和高等教育的實(shí)證研究分別進(jìn)行了元分析，研究結(jié)果表明虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果有正向促進(jìn)作用，而且游戲環(huán)境比模擬環(huán)境和虛擬環(huán)境具有更大的促進(jìn)作用。還研究了教學(xué)形式、測(cè)試條件、學(xué)習(xí)任務(wù)類型、教師的干預(yù)等不同調(diào)節(jié)變量對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響。

上述文獻(xiàn)綜述發(fā)表時(shí)間較早，而近幾年少有研究對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用效果作系統(tǒng)性分析，且已有綜述主要關(guān)注桌面式虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)的影響效果，很少涉及沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)的教育應(yīng)用研究。基于此，本研究擬采用元分析方法，對(duì)國(guó)際上30項(xiàng)有關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)效果影響的實(shí)驗(yàn)與準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行定量合成分析。本研究所說(shuō)的學(xué)習(xí)不僅包括概念學(xué)習(xí)成績(jī)，還包含技能操作成績(jī)、空間測(cè)試成績(jī)以及反映學(xué)生學(xué)習(xí)能力的其他量化成績(jī)。

二、相關(guān)文獻(xiàn)綜述

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)

威勒和麥克唐納（Weiler & McDonnell， 2004）提出虛擬實(shí)驗(yàn)的概念：借助多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、XR技術(shù)等將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真化，以計(jì)算機(jī)作為控制中心形成相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材、教學(xué)信息資源，能夠模擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)者可以直接與虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行交互，從而獲得在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的各種體驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)較之于真實(shí)實(shí)驗(yàn)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)（宋蔚， 2005）：①低成本。虛擬實(shí)驗(yàn)中的各種器材主要通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到，無(wú)真實(shí)材料的耗費(fèi)，且資源可反復(fù)使用，滿足實(shí)驗(yàn)者重復(fù)操作的需求。②超時(shí)空。虛擬實(shí)驗(yàn)依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)資源共享，實(shí)驗(yàn)者借助計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地實(shí)驗(yàn)，擺脫了時(shí)空的限制。③強(qiáng)交互。實(shí)驗(yàn)者可通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤、觸控等方式操作虛擬物體，并得到相應(yīng)的操作反饋。④安全性高。實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象虛擬化，避免了因操作不當(dāng)造成的安全問(wèn)題。綜上所述，虛擬實(shí)驗(yàn)在一定程度上彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足，為計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了解決方案。

（二）元分析在教育技術(shù)中的應(yīng)用

元分析在關(guān)于同一問(wèn)題的多項(xiàng)獨(dú)立研究結(jié)論不一致或不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的情況下，通過(guò)合并多項(xiàng)獨(dú)立研究結(jié)果計(jì)算其平均效應(yīng)值，進(jìn)而對(duì)整體研究情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)（Lipsey & Wilson， 2001）。元分析興起于20世紀(jì)70年代，隨著教育領(lǐng)域?qū)嵶C研究越來(lái)越多，該方法已廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究結(jié)論不一致的教育問(wèn)題。例如針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能否促進(jìn)學(xué)習(xí)這一問(wèn)題，李寶敏等（2019）、王雪等（2019）的研究利用元分析方法證明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)具有中等促進(jìn)作用，并分別從不同角度探討調(diào)節(jié)變量的影響。鄭蘭琴等（2018）對(duì)92項(xiàng)關(guān)于移動(dòng)學(xué)習(xí)的實(shí)證研究進(jìn)行元分析得出總效應(yīng)量高達(dá)0.85，而同樣的研究，王辭曉等（2018）基于52篇移動(dòng)學(xué)習(xí)文章的63個(gè)效應(yīng)值進(jìn)行加權(quán)分析得出的平均效應(yīng)量為0.66。由上述研究發(fā)現(xiàn)，即使針對(duì)同一研究主題，在不同的元分析研究中也可能得出不完全一致的研究結(jié)論，這與不同研究所納入的樣本大小、來(lái)源、研究質(zhì)量等存在一定的關(guān)系（夏凌翔， 2005）。但是本研究認(rèn)為元分析在評(píng)價(jià)教育中有爭(zhēng)議的技術(shù)手段或教學(xué)方法方面具有不可否認(rèn)的應(yīng)用價(jià)值，即使是同一研究問(wèn)題也有必要經(jīng)過(guò)多項(xiàng)元分析進(jìn)行全面探討。

（三）虛擬實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀

1. 顯著正向影響