基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用及发展前景

王辞晓　李贺等

摘要：虚拟现实与增强现实技术是近年来教育领域应用的新兴技术，游戏化元素则丰富了虚拟现实与增强现实的应用设计。该文对虚拟现实和增强现实的教育游戏应用研究进行了梳理和分析。首先，介绍了基于桌面、头戴式设配和激光控制的虚拟现实教育游戏应用案例及研究，以及强调角色、位置和任务的增强现实教育游戏应用案例及研究，并对传统面对面学习方式、传统在线学习方式、虚拟现实和增强现实学习方式进行了对比分析。接下来，从情境学习、具身认知、心流理论、合作学习理论出发，对基于虚拟现实和增强现实的教育游戏的理论基础进行了探讨。最后，本研究提出基于VR和AR的教育游戏教学应用模式，并得出该领域教学设计及实验设计的研究启示，并提出基于虚拟现实和增强现实的教育游戏发展前景。

关键词：教育游戏；虚拟现实（VR）；增强现实（AR）；学习科学；具身认知

中图分类号：G434 文献标识码：A

一、引言

近年来，教育游戏成为技术促进教学的研究热点之一。教育游戏利用网络技术或智能工具作为交互媒介来辅助学习、提高学习参与度和持续性，提升了学习方法的多样性及学习过程的交互性。研究者致力于从教学原则、学习活动设计和技术应用等角度研究教育游戏对学习的促进作用。如何维持学习者的学习兴趣、提升学习者的学习效果，是教育游戏研究领域所面临的挑战之一。2016年被媒体称为“VR元年”，随着智能信息技术的发展，智能设备能够为教育领域提供新的研究视角，研究者逐渐探索起虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术在教育领域中的应用。《国家教育事业发展“十三五”规划》中提到“要全力推动信息技术与教育教学深度融合。综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”。单纯地应用智能技术，较难维持学习者的学习兴趣与持续性，为智能技术增加游戏化元素，能够在提升趣味性的同时，保持学习者的学习动机。虚拟现实和增强现实技术如何更好地应用在教学之中，智能技术与传统教学方式如何优势互补，是教育研究者和一线教育实践工作者需要探索的问题。

本研究选取Web of Science数据库的核心合集为主要文献样本来源，同时兼顾国内学者的突出研究贡献。使用WOS数据库高级检索功能，即使用字段标识、布尔运算符、括号和检索结果集来创建检索式，所用到的字段标识TS代表主题。本研究最终确定检索式为：TS=（“Educational Game*” OR “Game-based Learning*” OR“Computer Game*” OR “Video Game*” OR“Serious Game*”OR “Digital Game*”OR“Online Game*” OR “Eleetronic Game*”OR “Simulation Game*”）AND TS=（Learn*OR Education*OR Teach*）AND TS=（“VirtualReality*” OR“Augmented Reality*” OR“VR”OR“AR” OR“Mixed Realitv”）。設置时间跨度为2000-2017年。通过对研究内容相关的文献进行筛选与内容分析，试图从教育游戏视角探析VR和AR智能技术在教学中的应用及发展前景，为其在教育游戏领域的实践与研究提供参考。

二、基于虚拟现实和增强现实教育游戏应用及对比

将虚拟现实和增强现实内容游戏化（Gamification）不仅仅是通过游戏化元素来提升学习或培训过程的趣味性，更是为了提高学习者的参与程度，使虚拟现实和增强现实内容的呈现形式不再单一而具有多样化形式。以游戏的方式还能减轻学习者面对某些特定内容的心理恐惧，如昆虫学习等。通过对相关文献分析，本文将分别介绍基于虚拟现实的教育游戏及基于增强现实教育游戏的研究案例，并进行传统面对面学习方式、传统在线学习方式、虚拟现实和增强现实学习方式的对比分析。

（一）基于虚拟现实的教育游戏

虚拟现实（Virtual Reality，VR）即采用三维图形、音频及特殊的外围设备，利用计算机生成交互式虚拟环境。虚拟现实环境中使用的显示设备是沉浸式体验式的，技术的沉浸式特点可以增加用户的参与度。虚拟现实技术的类型有三种：第一种是基于桌面的虚拟现实，这种形式的虚拟环境在显示器中设置，通过传统的输入设备，如鼠标、键盘来进行交互；第二种是基于头戴式设备的立体虚拟现实，这种形式向用户提供—个对象两个角度的不同图像，从而实现一种沉浸式3D体验效果；第三种是激光控制的虚拟现实，学习者可以通过外部工具产生的激光束来进行操作，从而达到交互的效果。虚拟现实技术类型的多样性为不同类型教学内容提供了多种选择，同时也丰富了教育游戏的设计形式。

1.基于桌面的虚拟现实教育游戏

基于桌面的虚拟现实技术无法做到完全的沉浸体验，但是其成本比3D立体化虚拟现实显示低得多。Rosenthal和Geuss等人设计的医学外科手术学习系统是典型的基于桌面的虚拟现实教育游戏，通过游戏任务促使学习者学习和训练精细操作技能。该研究将可操作、虚拟现实界面归类为视频游戏，学习者无需佩戴头戴式设置，而是通过控制实体操作杆对电脑桌面演示的腹腔镜虚拟对象进行外科手术。研究发现，具有较多视频游戏经验的儿童在VR教育游戏中表现要比具有较少视频游戏经验的儿童要好，成人学习者也是如此。基于虚拟现实的教育游戏不但能够提升教学的趣味性，在实验真实性上，能够帮助学习者从空间立体角度来进行操作和实验，在技能训练方面，借助于操作杆，学习者可以反复练习程序性技能，提高了实验工具的可重复实用性。

类似地，Roitberg和Banerjee等人也将虚拟现实系统中的操作环境设计成游戏环节。尽管这类系统在游戏化元素设计上略显单薄，但该形式也是VR技术在教育游戏领用中进行突破性尝试的发展人口。也有学者认为基于桌面的虚拟现实技术对学生的吸引力并不大，因为缺少真实的3D体验和声音情境交互，而基于头戴式设备的虚拟现实教育游戏更易使学习者产生沉浸体验。

2.基于头戴式设备的虚拟现实教育游戏

基于头戴式设备的虚拟现实技术可以细分为如下两种：头戴式设备沉浸系统和配合环境的沉浸系统。头戴式设备沉浸系统完全依靠于头戴式虚拟环境显示设备，设备显示不同的画面和声音，使学习者达到沉浸体验效果，但这种头戴式的设备容易产生视觉眩晕，不适合长时间穿戴。配合环境的沉浸系统则是在一个房间的四面墙壁上投射物体的多角度头像，用户通过佩戴偏光眼镜来实现完全沉浸的3D立体虚拟现实体验。

基于头戴式设备的虚拟现实技术使学习者的双手及其他肢体部位相对自由，可与创作、运动、模型理解等知识内容充分结合进行设计。Chan和Leung等人的基于头戴式设备的虚拟现实教育游戏，能够帮助学习者练习舞蹈技能，是促进学习者学习动作技能的典型案例。学习者通过模仿虚拟教师的动作来进行舞蹈动作的联系，虚拟教师通过动作捕捉技术来为学习者提供及时的动作反馈与更正。该系统的游戏化设计元素在于时间限制、虚拟人物的及时反馈和各身体部位动作得分的排行榜。研究发现，相比于观看普通舞蹈教学视频，该系统的及时反馈和游戏化元素更能使学习者关注于自身的动作、保持较高的学习动机，从而取得更好的学习效果。

配合环境的虚拟现实沉浸系统，能够使外在空间环境成为虚拟学习系统的重要组成部分。Limniou和Roberts等人设计了配合环境的虚拟现实系统来帮助学习者理解酸雨分子层面的化学反应，为学习者智慧技能类的学习提供了完全沉浸式体验环境。研究发现，使用3D学习环境学习的学生回答相关化学问题的成绩显著高于2D环境下的学习者，并且学习者对3D环境的评价更积极。与传统课堂相比学习者认为使用3D学习环境能够帮助他们更好地理解化学反应的发生。

3.激光控制的虚拟现实教育游戏

激光控制的虚拟现实技术并不要求用户使用头戴式设备，依靠手持工具和虚拟现实成像技术便能实现游戏的控制感和沉浸体验。将Bhagat和Liou等人设计的虚拟现实军事射击教育游戏，是典型的通过激光来控制虚拟现实系统的研究案例。该研究以160名高中生为实验对象，高中生通过仿真步枪发射的红外线来进行操作，完成射击类游戏任务，最后进行真实场地下的射击测验。研究发现，使用虚拟现实教育游戏的学习效果和学习动机均较高，而虚拟现实教育游戏则比传统真实场地下的训练成本更低，并且可以重复使用。

该游戏还设计了点数、积分和排行榜，这也是游戏化系统的三大要素。该游戏包括静态的靶子射击环节和动态的消灭敌人的射击环节，而后者的游戏设计更符合游戏内在动机理论中的挑战与好奇，因此也更受学习者欢迎。然而，消灭敌人这类带有一定暴力倾向的内容是否适合与其他教学内容整合设计，还存在一定的伦理问题。激光控制的虚拟现实教育游戏使得学习者得以灵活地控制操作工具，是训练学习者的注意力和反应速度相关动作技能的很好选择。

（二）基于增强现实的教育游戏

增强现实（Augmented Reality，AR）是由虛拟现实技术发展而来的新型技术，通过摄像设备和角度位置判别，来呈现相应的文字、图像、3D对象等多媒体信息，将虚拟空间图像与真实世界共同呈现在同一屏幕上，实现虚拟世界和真实世界的无缝连接。蔡苏系统梳理了国外增强现实在教学中的应用案例以及其团队设计的教育应用。基于增强现实的教育游戏，能够将现实世界和虚拟世界整合为具有趣味性和高度交互的泛在学习环境。基于增强现实的教育游戏可以分为三种：强调角色的增强现实教育游戏、强调位置的增强现实教育游戏和强调任务的增强现实教育游戏。增强现实技术主要依托于摄像设备及位置识别，在技术类型上有穿透式增强现实和视频式增强现实，本文在分析基于增强现实的教育游戏时，将围绕其游戏设计的所强调的不同重点来进行分析。

1.强调角色的增强现实教育游戏

强调角色的增强现实教育游戏主要特点是“参与”，学习者以一定的角色身份参与到游戏之中，强调过程的即时性和沉浸性。陈向东和曹杨璐设计的“快乐寻宝”游戏是一款强调角色的增强现实移动教育应用。该游戏分为三个角色：生物专家、地理专家和历史专家，学生通过扮演不同的角色来回答相应角色的问题来实现闯关，并通过信息交换找到宝藏位置。该游戏的一大创新之处是可扩展性，教师可以设置问题内容、关卡长度及游戏地点，使得该教育游戏可以广泛应用到不同知识点甚至更多学科的教学中。陈向东和万悦还设计了一款名为“泡泡星球”的增强现实小学生英语单词学习游戏，学习者通过选择虚拟角色，与3D角色进行互动来进行游戏挑战，从而达到英语单词的认知和记忆的学习效果。

2.强调位置的增强现实教育游戏

强调位置的增强现实教育游戏主要特点是“环境”，学习者能够通过增强现实技术观察到3D透视下的物体，可以在特定环境下进行泛在学习和合作学习，通过增强现实中设定位置所提供的信息进行学习和探索。风靡全球的Pokemengo游戏则充分利用基于位置的智能调动了人们从室内走向室外进行探索寻求宝物的积极性。CityViewAR（www.hitlabnz.org/cityviewar）是一款可以供学习者通过移动设备观察历史遗迹复员后外貌的移动应用，通过交互可以获得该地历史，还可通过该平台进行评论。该应用是典型的强调位置的增强现实教育应用类型，而强调位置的增强现实教育游戏则需要设计灵活有趣的游戏信息或任务，来激励学习者通过增强现实应用进行探究学习。

强调位置的增强现实教育游戏还为真实环境下的泛在学习提供了新的途径，通过摄像头扫描特定图形，在移动设备上呈现相应的学习内容或任务，可以让学习者在真实环境中进行趣味学习。Chiang和Yang等人设计了基于位置的中学生物知识增强现实游戏，学生以小组为单位在指定的不同区域使用设备进行生物知识的学习与分享，分享的知识可以被其他学生在该地点获取。

3.强调任务的增强现实教育游戏

强调任务的增强现实教育游戏主要特点是“情境”，教学设计者设计真实情境下的学习任务，学习者可以以个人或小组形式通过增强现实教育游戏进行任务的探索与完成。

Ib á nez等人设计的虚拟现实教育游戏，以电磁学基本概念为教学内容，实验分为两组：在线学习组和AR学习组。该游戏向学习者提供基本的电磁学概念，并设置了五关需要学习者完成的电磁学回路相关任务，通过游戏任务，学习者对电磁学概念进行了回顾和应用。研究发现，AR学习组的学习效果好于在线学习组，AR学习组能够帮助学习者更好地理解和专注于学习内容。陈向东也设计并开发了基于任务的AR电路元件学习工具，通过任务驱动，引导学生进行自主探究学习。

强调任务的增强现实教育游戏可以设置为个人任务挑战和小组合作任务挑战的不同类型游戏环节。Chen等人设计了基于AR的科学教育游戏EARLS，该系统包含两个部分，第一部分是传统多媒体在线学习内容，第二部分任务类教育游戏，学习者以小组的方式共同完成选择题组的任务，充分带动了学生参与积极性。强调任务的增强现实教育游戏，能够为学习者构建积极的合作学习条件，为探索技术应用下合作学习提供了新思路。

（三）教育游戏相关应用对比分析

1.虚拟现实与增强现实技术在教育游戏中的应用优势

教育游戏不仅是为了提升教学的趣味性，而是更好地提升教学效果。教育游戏的技术应用有多种，如传统学习方式中的媒体应用和单击软件应用，普通在线学习方式中的网络游戏、移动应用等，再如本文探究的VR和AR的教育游戏技术应用。传统技术可以丰富课堂及学习活动，在一定程度上提升学生的学习动机和学习效果，相比于这些技术，VR和AR的应用优势体现在哪里呢？前人研究发现，将VR和AR智能技术游戏化的教学方式普遍好于或等同于传统学习方式和普通在线学习方式，使用基于VR和AR的学习材料的学习动机和学习效果也要高于2D学习材料。应用VR和AR技术的教育游戏可以帮助学生体验日常生活中难以接触或具有一定危险性的情境，如生态环境教学、化学物理实验教学等。总的来说，VR和AR智能技术应用于教育游戏相比于其他技术有以下四个优点：能够构建沉浸式情境提高学习者的学习动机和参与积极性；能够更好地通过多维度立体展示，促进学习者对知识的理解，从而提升教学效果；类似于可以重复观看多次的MOOC课程，能够弥补实地培训实验或学习成本较高的不足，VR和AR技术能够帮助学习者在不用增加成本的情况下，重复体验虚拟情境、多次进行实验探究。

2.虚拟现实与增强现实的应用优势对比

对于VR和AR技术，它们有着共同的特征，包括沉浸性、交互性和共享性。VR在一定程度上能够产生完全沉浸的体验帮助学习者更全面地理解知识内容，而AR相比于VR有三个主要的优势：首先，AR支持学生在真实情境下进行合作学习，与真实环境中的物体进行交互；其次，AR可提供可触摸的交互，学习者可以改变与真实环境叠加的物体的大小、位置，促进学习者积极参与知识建构；再者，AR在真实实验室的应用还可以弥补VR在实验操作上缺乏真实感的缺陷。

3.相关教学媒体选择的参考因素

在教学中选择不同的媒体技術需要综合考虑教学内容和媒体选择的多种条件，对不同技术应用下的教育游戏进行对比分析，能够为研究者和教育实践者在技术选择上提供参考。Chen和Tsai从学习环境方式、成本考虑及交互效果三个方面对传统教学方式、在线学习方式、虚拟现实、增强现实四类学习方式进行对比分析。本文在此基础上，结合教育游戏中交互特征、沉浸式体验的文献分析，对传统教学方式、在线学习方式、虚拟现实、增强现实四类技术应用下的教育游戏进行了对比分析，共有4个一级指标和14个二级指标（如下表所示）。

三、基于虚拟现实和增强现实教育游戏应用的理论探讨

通过对相关研究案例的分析，可以得出基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用主要有以下理论基础：情境学习理论、具身认知理论、心流理论和合作学习理论。虚拟现实和增强现实技术能够为学习者搭建虚拟学习情境，提供了结合身体运动的学习条件，游戏化设计能够使学习者产生心流体验，而虚拟环境或增强现实环境则为合作学习提供了新的实践场所。其中情境学习和合作学习在先前相关研究中体现较多，而具身认知理论和心流理论则是提及较少但十分重要的理论。

（一）情境学习

情境学习（Situated Learning）强调真实情境对学生在学习过程中的重要作用，强调学生与环境的交互和实践。虚拟现实技术为学习者提供了沉浸式学习情境，在大量研究中具有体现，如前面提到的Rosenthal和Geuss等人的医学外科手术学习系统为学习者提供了临床医疗的虚拟情境，Bhagat和Liou等人的军事射击系统则设计了丰富抗敌游戏环节，Chan和Leung等人的舞蹈练习系统也为学习者设计了动感的练习情境。增强现实技术则结合真实环境，为学习者提供了虚拟空间与真实环境叠加的学习情境，促进移动学习和泛在学习的发展，如前面提到的Chiang和Yang等人设计的生物知识学习系统，则是在真实生态情境下，促进学习者对生物知识的学习。

情境学习理论认为，有意义的知识建构只有在结合了真实情境的学习过程中才能够发生。体验式学习注重为学生提供真实的模拟环境，使学生参与到活动中的实践中。Oblinger等人提出虚拟现实技术在教育培训中的五个特征：问题解决、学习迁移、社群化、研究、实验。其中学习迁移指学习者在虚拟现实环境中习得的技能能够在真实环境中进行应用。虚拟现实和增强现实技术能够帮助学习者建构真实的学习情境，使学习者具有“临场感”，提升其学习兴趣的同时降低可能风险。

基于情境理论，研究者进行了丰富的实践研究。Shih和Yang设计了基于桌面的虚拟现实英语学习系统VEC3D，学习者通过游戏角色扮演、任务合作来进行真实情境下的口语练习。对于实践性知识，虚拟现实技术能够为学习者提供虚拟的实践情境。如Chen和Tsai设计了基于增强现实的图书馆学知识教育游戏ARLIS，帮助学习者通过完整真实情境下的图书分类任务来学习相关知识。该研究还创新性地探索了不同认知风格对基于增强现实教育游戏的学习效果，研究发现学习风格为场依存的学习者要比场独立的学习者更好。

（二）具身认知

具身认知理论（Embodied Cognition）强调身体运动能够促进学习者从外在感知方面更好地进行知识建构，该理论还认为认知是情境化的、环境也是认知系统的一部分、人们可以通过外在环境来降低认知负荷。相比于使用鼠标或键盘进行控制的虚拟现实软件操作，使用基于动作智能技术来操作能够探究身体运动对学习的影响研究。

前面介绍的Rosenthal和Geuss等人的医学外科手术学习系统，Chan和Leung等人的虚拟现实舞蹈动作学习游戏等研究均为通过身体动作来进行操作控制的案例。不少研究者对身体运动与键盘鼠标输入的学习效果进行了对比研究，如Hung等人对51位五年级小学生进行了教学内容为光学的模拟仿真虚拟实验，研究表明动作感知技术组要比鼠標或键盘输入组的学习效果更好，并且两组的认知负荷没有显著差异。调动学习者具身运动的智能技术能够提高学习者的动机和学习效果，为基于游戏的学习活动提供了真实情境。

台湾陈年兴教授团队设计了基于AR的科学教育游戏EARLS，进行了该领域较为完善的基于具身认知理论的实证研究。EARLS系统包含学习和练习部分，学习部分采用传统多媒体在线学习方式，练习部分结合AR技术来增强学生的身体运动，练习部分设置了拳击类和跳跃类两种教育游戏，学习者通过身体运动来进行答案的选择。实验设计了五个组，分别是AR学习组、AR游戏组、AR完全组、KMCAI组和传统学习组，其中AR完全组使用EARLS系统进行学习和练习，AR学习组使用EARLS系统进行学习但使用纸笔练习，AR游戏组使用课本进行学习但使用EARLS系统进行练习，KMCAI组使用传统在线学习系统进行学习和练习，传统学习组则是面对面教师授课和使用纸笔练习。研究结果发现，学习效果由高到低依次是传统学习组、AR完全组、KMCAI组、AR游戏组、AR学习组。完成同样内容的学习和练习，传统学习组使用的时间更少，为了保证教学时间相同，传统学习组进行了多次练习，使得学习效果更好。而研究中的态度调查发现学生对EARLS有更积极的态度，并且使用EARLS系统的学习和游戏练习的学习效果要比使用传统在线学习平台更好。

学习科学强调脑与认知神经系统在学习过程中的变化，而人体动作系统与大脑语言和知觉区域有一定的联系。在虚拟现实或增强现实环境中，学习者的肢体动作主要用于控制虚拟人物或对象来完成任务，这样的肢体运动如何引起学习者大脑内在反应，对最终促进学习者对知识的理解和掌握是否有帮助，是研究者需要探索的问题。

（三）心流理论

心流理论是教育游戏研究领域的重要理论之一。心流指人们在参与日常活动如工作、运动、学习所产生的完全沉浸式的参与体验。产生心流体验有九个前提：清晰的目标、即时的反馈、通过挑战能够习得的技能、行动与意识的融合、对任务的集中、控制、自我意识的暂时消失、对时间变化的意识和变为自觉行为的体验。

前面介绍的Ib ániez等人的增强现实教育游戏研究便使用了两种方式调查学习者的心流体验水平，分别是整体性和过程性，整体心流状态采用Jackson & Marsh于1996年开发的心流状态量表（Flow State Scale，FSS），过程性心流状态采用Pearce等人调查研究中使用的量表。研究发现，学习者使用基于增强现实教育游戏进行学习要比使用基于网络的教育游戏产生的心流体验更强。此外，前面提到的Limniou和Roberts等人的化学反应虚拟现实系统研究中，3D虚拟环境下的学习者比学习2D学习材料的学习者的心流体验更强。通过文献研究也发现，使用定量或访谈等研究方法进行心流体验调查的研究较少，这也是未来研究可以进行探索的方向之一。

（四）合作学习

计算机运算和存储性能的提升以及网络传输速度的提高，使得虚拟现实技术能够应用于远程合作、基于团队的培训。合作学习是虚拟现实教育应用的发展方向之一。虚拟合作环境（Collaborative Virtual Environments，CVE）能够为用户提供可以交流和协作操作的虚拟环境，CVE被广泛应用于游戏、在线社区建设中。前面提到的Chiang等人的基于位置的中学生物知识增强现实游戏、Ib a nez等人电磁学概念虚拟现实教育游戏、Chen等人的基于AR的科学教育游戏EARLS等研究以角色扮演、任务探究等不同游戏形式，为学习者构建了丰富具有趣味行的合作学习条件。基于虚拟现实和增强现实技术，学习者的合作不再局限于普通网络空间和传统课堂，合作探究可以在共同的虚拟空间进行，也可在真实环境中通过增强现实技术获取更多信息，帮助学习者从室内走向室外，进行户外体验式合作学习，使合作探究活动更加丰富生动。

除了前面提到的研究，许多研究者对基于虚拟现实和增强现实的合作学习进行了研究。如Lin等人设计了基于AR的物理知识点（弹性碰撞）教育游戏，并对比探究了基于该软件和传统2D学习材料的合作学习知识建构及理解。Khanal和Vankipuram等人设计了基于VR的ALCS急求系统，能够帮助参与者在虚拟合作环境下进行急求知识的学习和训练。研究发现，给予充分反馈的VR组的学习效果可以达到面对面传统培训学习组，但VR组的每个参与者都可以得到各项操作的详细评分、反馈和交互，这是传统培训组无法实现的。此外，给予有限反馈的VR组学习效果则较差，说明在充分的反馈对程序性知识学习的重要性。

Shih和Yang设计了基于VR的合作学习工具VEC3D，研究表明该工具能够有效地促进团队成员间的合作交流和任务的完成。基于虚拟现实和增强现实的教育游戏也为远程合作探究学习提供了新的发展方向。但也有研究者认为学习者独立进行教育游戏的效果要好于合作学习的效果，是否需要设计基于合作学习的教育游戏环节，还需考虑具体教学内容和教学目标。此外，基于项目的学习也是VR和AR教育游戏值得借鉴的学习理论，以个人或小组为单位，在实践中进行探究，培养学生的解决问题的能力。

四、研究结论及未来展望

（一）基于VR和AR教育游戏的教学应用模式

本研究将基于VR和AR的教育游戏教学应用模式总结如下图所示。基于VR的教育游戏根据技术应用类型分为基于桌面的、基于头戴式设备的和激光控制的，基于AR的教育游戏主要借助于移动设备，分为强调角色、位置和任务三种类型。基于VR的教育游戏可选择在网络学习环境下进行，也可选择在实体的空间中利用虚拟技术进行。基于AR的教育游戏可以在室内环境下进行同步协作，也可以在室外环境下进行异步学习。无论使用何种技术、何种方式，都需要注重学习内容与游戏元素的整合，通过系统化教学设计，结合学习理论将学习内容合理地融入教育游戏的任务之中，情境的设置有助于为搭建学习者沉浸式学习情境，帮助学生进行有意义的知识建构与探究学习。

基于VR和AR的教育游戲应用尚方兴未艾，因此，基于研究的教学实践有助于该领域的持续发展。在实施教学之前，科学严谨的实验设计也必不可少，明确的实验内容与目的有助于教学实践者和研究者在教学应用过程中观测学习者行为，将学习过程中的心流体验、具身认知、知识建构等隐性内容显性化，使学习效果和实验结果作为教学评估内容，为教育游戏的设计提供反馈，并为后续研究者实践者提供参考。

（二）研究启示及建议

1.VR和AR教育游戏需进行充分的教学设计来开发

教育游戏设计可以考虑虚拟现实或增强现实不同技术类型及其特点。选择基于桌面还是基于头戴式设备可考虑具体成本和条件，结合具体的操作方式来设置相应的游戏环节，具身认知、心流理论也为虚拟现实提供了更多可持续探究的发展方向。强调角色、位置或任务的增强现实游戏，为教育游戏的设计提供了多样性选择，角色扮演、问题解决、地图探索等游戏类型，网络和硬件设配的发展也为自主学习、合作探究的学习方式提供了良好的条件。Garris等人认为游戏为幻想、规则目标、感官刺激、挑战、好奇和控制等特征。Lu和Liu参考这些特征设计了用于课堂教学的基于增强现实的教育游戏，并设计了故事叙述和角色扮演两类游戏环节。

利用虚拟现实和增强现实技术设计教育游戏，主要是为学习者搭建虚拟学习环境或虚实结合的学习情境，如何构建有效的学习环境是设计之初需要考虑的。Schank和Kass归纳出有效学习环境三要素：首先，为学习者呈现能够激发其动机的目标；第二，将学习者置于真实的学习环境；第三，给学习者设置需要分析信息、设计行动计划才能够完成的任务。结合前文提到的游戏案例及相关理论可以发现，目标激励、真实情境建构、及时有效的反馈是这类教育游戏设计需要考虑的重点。此外，VR和AR教育游戏的安全性评估也应在教学设计环节中考虑，以保证游戏体验者的人身安全。

2.VR和AR教育游戏需重视学习效果测评及过程反馈

教育游戏的最终目标是提升学生的学习效果，学习效果的测量是检验学习目标达成度的重要途径，而不同的知识类型又有着不同的测量方式。Merchant等人对67个基于桌面的虚拟现实应用研究进行了元分析，以期探索基于桌面的虚拟现实的教学设计原则。学习内容包括陈述性知识、程序性知识，测试类型包括基于知识的、基于能力的、基于技能的。元分析发现，测试类型是基于知识时，学习内容为陈述性知识要比学习内容为程序性知识的学习效果好；测试类型是基于技能时，学习内容为程序性知识要比学习内容为陈述性知识的学习效果好。可见，使用智能技术进行教学时，仍需要结合传统教学设计对知识的分类及对应的测量工具开发。

虚拟现实和增强现实教育游戏通常主要是学习者与游戏平台建立直接交互，游戏提供的正确引导和反馈非常重要。Merchant等人的研究还发现，对于陈述性知识的学习反馈，详尽的解释要比视觉引导效果更好，对于程序性知识的学习反馈，针对知识的错误提醒也要好于视觉引导。

3.VR和AR教育游戏需结合严格的教育实验进行研究

教育实验法是教育游戏研究的普遍方法，通过对照实验，能够全面地探究教育游戏对学习效果的作用。实验组和对照组的设置主要用来对比控制变量对学习效果的影响。通常对照组为传统学习或普通在线学习方法。而实验组则可设置为一组或多组，多组实验组则可以进一步探究虚拟现实或增强现实具体技术应用类型、程度或反馈程度对学习效果的影响。先前介绍的技术类型、是否结合身体运动、合作学习等，均可以作为今后研究的变量。

前测及后测对于测量学习者学习效果提升的程度，能够科学地证明学习结果的改变是使用了某种教学方式或技术引起的，并且可以测量实验对象学习前的水平一致性，如果实验对象学习前水平存在显著差异，则可以用高低分组的形式进一步探究教育游戏对不同程度学生的促进作用。延后测试则可以测量学习者的学习迁移及效果保持。

态度测试和动机测试则可以收集实验对象对教育游戏的满意度和建议，帮助研究者和教育实践者改进游戏设计和教学设计。设置开发性问卷可以实验对象更加灵活地表达其想法和体会。前面介绍的心流状态量表也是教育游戏实验中可以借鉴使用测量内容。除了使用问卷测试，还可以在条件允许的情况下，结合课堂观察法和访谈法收集更多的可供分析测量结果的信息。

（三）未来展望

虚拟现实与增强现实技术能够为学习者建构虚拟学习情境、多方位地理解学习内容，将教育游戏元素与智能技术相结合，可以增强应用的趣味性，使其不仅仅作为展示、观察和体验工具，而是能够帮助学习者对学习内容有更深入练习和建构的学习应用。使用虚拟现实或增强现实技术能够促进学生在学习过程中的身体与环境交互，游戏化设计能够促使学生产生心流体验，而具身认知与心流体验是否存在一定联系，游戏化教学与学习科学领域的大脑神经机制又是如何作用的？从教育游戏出发，以虚拟现实或增强现实为技术基础，以学习科学为理论导向，一系列的科学研究亟待教育研究者和实践者探索。基于虚拟现实或增强现实的教育游戏，应从开发之初便参考学习科学理论及前人晚上的实验研究，将游戏环节的设计与认知理论相结合，而在教学实验实施过程中，设置科学、严谨、流程合理清晰的实验流程，并运用科学测量方法，如量表、问卷、核磁共振等方法，如此才能够提出具有说服力的研究成果，为推动我国学习科学与教育技术的在国际领域的发展贡献力量。