虚拟现实与脑电联动系统的开发及其教育研究功能探索*

杨晓哲 任友群

（华东师范大学 教育学部 课程与教学研究所，上海 200062）

一、引言

教育研究通常是指对教育现象、教育活动、教育关系与教育问题，进行科学与符合规范的研究，其具备诸多研究方法，诸如：观察法、调查法、统计法、比较法、实验法、个案法等[1]，并逐步形成了较为稳定的教育研究范式。所谓范式是指实践研究共同体所达成的共通性技术、价值观与信仰体系等的集合[2]。教育研究的范式，涉及本体论、认知论与方法论三个层次[3]。本体论探寻“现实的本质是什么”，认知论探讨“研究者与被研究者对象之间的关系”，方法论则侧重“研究者应如何发现问题、解决问题”。

长期以来，教育研究方法与科学工具之间呈现交叉融合的态势。这两大研究范式，也被许多学者区分为“定量研究”与“质性研究”。一般来说，定量研究更注重实证主义下数据的价值中立，并在此基础上进行数据的采集、分析与处理判断[4]；而质性研究更看重主客体之间的互动与建构，通过深入地观察、访谈、分析与诠释来进行研究；同时，它也渗透着自然主义、阐释主义以及后现代批判主义等的特征，需要对研究结果的“真实性”和“可靠性”进行探究，并对其进行建构[5]。

从国际领域教育研究的前沿来审视，近年来，在学习科学、教育技术、脑科学、人工智能等领域，正呈现出越来越明显的交叉融合研究趋势[6]。我国的教育研究也有这样的发展态势，以实证研究为基础的定量研究和质性研究逐年增多[7]。但我们发现，目前这类研究在方法上，基本还是采取了问卷、统计、访谈、测量等方式为主。为了鼓励自然科学与人文社会科学研究的交叉融合，2017年底，国家自然科学基金增设教育研究类别“F0701”代码，以引导、建立跨学科的教育研究新范式。

现今，各种新技术的不断涌现与应用，正在为教育研究者进行教育研究范式的转变提供了契机，诸如：心率检测、脑电波测量、AI表情识别等技术，越来越多被教育研究者尝试，这在一定程度上增加了量化研究中客观数据的维度。不仅如此，通过虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）甚至扩展现实（XR）等，正使得教育活动实施的场景，可以个性化设置与真实化呈现/交互，实验过程中的场景、互动可以无偏差的复制，这无疑为教育质性研究，提供了一个新的观察与诠释时空。

基于此，本研究主要根据国外近年来的最新相关研究文献与进展情况，初步探讨以虚拟现实等作为教育环境构建的基础，以脑电波技术作为教育生理数据采集与反馈的新途径，试图描述与论述两者的结合途径与应用前景，以期为当下教育研究提供一种新的视角与借鉴。

二、虚拟现实与脑电波技术的前沿研究

（一）脑电波技术与教育研究的新进展

在生理学、医学与脑科学中，脑电图（Electroencephalogram，EEG）是记录大脑电活动的检测方式。该电波由大脑产生的电压波动导致，这种电压波动来自于神经细胞所引起的脉冲变化。目前，检测脑电波，可以采取嵌入式和非嵌入式的方式，电极沿着头皮放置。根据现有相关的研究揭示，大脑在一段时间内的自发电活动，其频率形成了以下几种常见波段：Delta（0Hz-4Hz）、Theta（4Hz-7Hz）、Alpha（7Hz-13Hz）、Mu（8Hz-13Hz）、Beta（14Hz-30Hz）、Gamma（30Hz-100Hz）。在脑电波检测仪器的早期，主要用于诊断癫痫、中风、脑死亡等重大疾病。随着检测设备的完善与性能提升，逐步形成了一整套脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）的模式[8]。

简言之，脑机接口是应用计算机或其他设备与人脑建立的一种通路，可以实现适时通讯与控制。在某种程度上，脑机接口可以实现“意念”控物[9]。脑机接口技术促成了更精准地检测脑电信号，识别事件相关点位，加之以AI算法的不断优化，提升了人们对脑电信息的解释力。因此，脑机接口技术开始被运用于心理/生理学、认知心理学、认知科学和学习科学等方面的研究[10]。

近年来，随着脑电波检测设备变得越来越轻便，电极通过接触被试者的大脑皮层，可以实现不需要涂胶固定，而直接接触即可。这种较为简易的方式，节约了大量的实验准备时间，也提升了被试者的参与意愿和参与度。如今，已越来越多地被研究者所采用，可获得大量准确的脑波数据。它的优势在于：被试者/学习者可以在正常进行的各种教育活动过程中，诸如：在与同伴研讨、收集资料、设计作品、运动、绘画、演讲等，都可以无障碍地记录被试者/学习者的脑波数据。

相关的文献表明，在过去五年的一些相关研究中，有22项研究采取了这种非嵌入式的脑电波技术用于教育活动研究[11]。其中大部分的研究，采用了NeuroSky和Emotiv两种设备型号，并且在这一过程中通过算法转换，能够测量大脑的注意力、焦虑或放松的程度。目前，脑电波技术与教育研究的结合现状，我们大致可概括为以下三个方面：

第一，探测个体学习活动中的大脑状态。不少实验人员采用这类非嵌入式脑电波检测设备，来探究被试者/学习者在不同活动过程中的大脑状态。例如，有实验人员让被试者/学习者参与一个多组积木大小的排序活动，并在过程中记录被试者/学习者每一次的大脑状态。研究发现：当被试者/学习者重复多次活动之后，随着动作熟练度的提升，大脑的状态变得越来越放松[12]。另一项研究则将被试者放在课堂的情境中进行，让被试者/学习者佩戴脑电波仪器开展课堂学习与交互活动。研究发现：被试者/学习者采用智能手机进行互动答题时，脑电波呈现出更放松的状态。该组实验指出，上课中的答题环节降低了被试者/学习者的紧张情绪，并提高了被试者/学习者的学习效果[13]。此外，研究人员进一步采用这类脑电波检测装置，来探究被试者/学习者在玩电子游戏、看手机屏幕、合作学习、浏览视频节目等项目活动过程中的大脑活动情况。

第二，基于脑电波数据的教育反馈。脑电波技术不仅可以用于检测活动中的大脑生理数据，同时，也有部分研究者尝试将脑电波数据用于教育过程中的反馈。反馈是教育教学活动中经常使用的方式之一，有研究者认为，有效的反馈不仅需要面向任务，也需要促进学习者个性化的学习过程，以及通过个人监督并了解自己的学习状态[14]。可见，脑电波技术为个性化学习反馈，创造了新的条件和可能性[15]。为此，一些研究者利用EEG监控学习者的注意力，并在学习者没有足够投入的时候，提供自动化的音频反馈，促进他们重新回到对学习材料的关注上。这种类型的生物反馈机制，具有很好地应用潜力，以充分吸引学习者并增强学习过程中的注意力水平。

第三，试探性地监测群体脑波状况。随着脑电波技术日益轻便、简易、便捷，以及稳定性、准确度与智能化计算等的提升，已经有一些研究者开始将这类脑电波技术，用于课堂规模环境下群体脑电波的检测。研究人员发现：学习者群体在完成不同学习任务类型的时候，大脑会呈现出不同的协同效应；而当教师与学生脑波协同度越高时，学生的学习投入度和学习效果也更好[16]。

（二）虚拟现实应用于教育相关研究的优势

虚拟现实是有别于现实世界的一种虚拟空间存在，人们期望于通过一系列计算机模拟与数字化方式，构建一个可以进入其中并交互的虚拟世界[17]。如果说，增强现实是在现实世界里叠加虚拟信息，使得现实世界变得更加多维、多样的存在；那么，虚拟现实则是另一种哲学取向，这种取向设法让人们完全进入一个不夹杂现实物质的“新世界”，一个完全虚拟、足以欺骗大脑的拟真性环境。换言之，虚拟现实带来一种让体验者完全进入一个虚拟世界中的错觉，以自然、体态化的方式进行交互，从而构成了体验者个体全新的“存在感”[18，19]。

我们认为，就目前的应用情况而言，沉浸式虚拟现实技术还远没有在教育中实现广泛应用，基本上还处于初步的试探性阶段[20]。虽然还处于初级阶段，但虚拟现实技术在教育中的应用，已经体现出其鲜明的特点与优势：

第一，虚拟现实可以打破时间与空间的约束。有研究者尝试通过“谷歌地球”的虚拟现实版本，借助整套沉浸式虚拟现实设备，让孩子们选择上百个世界上不同的景点并观赏，用一种如同高空“跳伞”般的体验方式，进入到被逼真的情境所包围的空间中。这种体验，不仅限于著名的景点，还包括世界上各大博物馆，都具有虚拟现实游览模式。只要学生戴上虚拟现实设备，就仿佛立即来到了博物馆[21]。也有不少研究者通过虚拟现实来开展各类模拟实验，让学生们进行生物、物理、化学、地理等领域的相关实验。虽然实验本身是模拟的，但操作步骤、实验方式与现实中的实验过程高度吻合。这种基于虚拟现实的“严肃游戏”，成为让学习者提前接触实验过程，在不断尝试中了解与掌握实验的新方式[22]。这种不受时间和空间限制，可以进行大量尝试、反复体验或纠错的方式，是目前虚拟现实与教育应用结合的一大优点。

第二，虚拟现实能够拟真现实中难以达到或体验的场景/活动。虚拟现实不仅可以模拟现实中的场景/活动，也可以通过三维场景设计，创造出生活中难以达到甚至不可能接触到的情境体验。例如，在虚拟现实中进行人体探秘，可以站在红细胞上，并跟随着血液循环，经历不同的身体内部组织器官，这种经历将带给学习者一种全新的视角与感受。学习者通过亲历模拟的一些科学情境，更直观地感知与领悟，从而更好地理解科学知识与规律，触发批判性思考、提出自己的新见解。虚拟现实不仅可用于微观领域的感知，还可以体验卫星轨道运行、月球登陆、星际漫游等宏观尺度的场景。

第三，虚拟现实可降低体验风险，用于复杂技能的训练。比如在医疗领域，虚拟现实逼真的三维体验，所拟真的人体器官，可以达到人体模型的真实比例再现，从而提升了训练的针对性和有效性，提升精细动作训练的准确性，也降低了在真人上进行反复操练的道德风险。虚拟现实还可用于训练军事人员探索和学习新技能。美国国防部曾经研制了多个虚拟战场系统，可以实现多人共同在虚拟空间中协同作战的演习[23]。另外，在航天领域中，NASA研制了虚拟现实系统用于宇航员参与外太空旅程中任务熟练度的提升。

三、虚拟现实与脑电联动系统的设计思路

我们通过文献梳理发现，在以往的研究中，还没有将沉浸式虚拟现实与脑电波技术结合在一起，运用于教育研究。近年来，我们初步探索了这种整合系统对于个体创造力的影响，以及通过该系统，试图探寻创造力表现背后的行为与大脑状态的关系[24，25]。

根据已有的技术水平和教育研究的适切性需求，我们认为，目前采取HTC Vive同级别的沉浸式虚拟现实设备，与NeuroSky同级别的脑电波设备作为实际操作中整合的技术方案，应该是比较好的组合（如图1所示）。

图1 虚拟现实与脑电联动系统组合

HTC Vive是业界广泛认可的高品质沉浸虚拟现实设备之一。该系统由以下三个部分组成：第一部分是高清头部显示器，该显示器的分辨率是1080×1200。同时，该头部显示器上具有多点定位装置，使得定位仪可以根据定位装置，实时跟踪用户的头部运动；第二部分是两个空间感应器，该装置的主要目的在于设置空间定位，使得用户可以在一个自定义的空间中进行交互；第三部分是一对互动控制手柄，该手柄实现手部动作与虚拟现实场景进行直接交互，通过互动手柄上的按键交互和手势交互，可以使虚拟现实的临场感得到增强。

NeuroSky是被用于记录、监测和测量大脑电波的非嵌入式检测设备之一。该设备主要由三部分组成：第一部分是头部接触点，该接触点紧贴使用者的前额叶；第二部分是耳朵接触点，该接触点在于夹住左耳耳垂部；第三部分是内置的数据处理模块，用于对脑波信号进行过滤、优化和算法加工处理。

NeuroSky公司还提供了算法转化，使得通过该设备检测到的脑波可以转化为注意力（Attention）、冥想值（Meditation）、情绪状态等不同数据解读方式。例如：转化后冥想值数值（0-100），该数值越高表示其参与者的冥想程度越高，个体越放松；如果该数值越低，则表明参与者出现了紧张的大脑和心理状况。NeuroSky设备本身并没有配套的现成软件，可以直接用于与虚拟现实的系统集成。因此，我们可以进一步根据NeuroSky提供的程序开发包，将及时读取的脑波数据整合到新构建的系统中。

由此，我们将NeuroSky脑波设备与HTC Vive沉浸虚拟现实设备结合，在让用户能够在佩戴整套装置之后，不受局限地开展学习活动项目（如图2所示）。与此同时，我们还进行程序软件的设计，将虚拟现实环境中的影像与脑电波数据进行统一记录，实现软硬件一体化整合（如图3所示）。

图2 虚拟现实与脑电联动系统的被试者

图3 虚拟现实与脑电联动系统综合窗口

四、研究要素与相关实验分析

为了验证其有效性，本研究邀请了55位被试者进入整套系统中，要求他们在沉浸式的虚拟现实环境中进行创意作品设计。虚拟现实环境提供一个三维人体模型，被试者可以在该人体模型上进行再设计，设计时间需要满5分钟。整个过程中所有发生的脑波数据，被收集起来用于后续分析。

在这个实验过程中，我们完整得到了30位被试者的脑波数据。其中，有25位被试者由于佩戴不稳定，设计过程中动作幅度过大等因素，没有被全程完整地记录下来。我们发现，该套系统为教育研究提供了三个重要因素：（1）沉浸式的三维场景；（2）实时的脑电波数据；（3）可追踪的全过程行为。

（一）沉浸式的三维场景

佩戴联动系统的被试者，能够进入到一个沉浸式虚拟现实的场景中。被试者可以自由的行走、下蹲、跳跃、站立甚至奔跑，所有动作可以实时与虚拟现实场景进行互动。与此同时，被试者还使用互动控制器，可以和虚拟空间中的物体产生交互。整个三维场景不仅用于被试者置身其中进行观察，而且虚拟三维空间也是一个允许被试者直接进行三维创作的场所。例如：使用诸如“谷歌画笔”等虚拟现实软件，就可以实现被试者运用两个控制手柄，直接进行三维空间绘画（如图4所示）。

图4 被试者在虚拟场景中进行设计

在研究案例中，我们将被试者置身于虚拟现实空间中，并在该空间中放置一个三维人体模型。该人工模型比例真实，细节丰满，有助于被试者在该三维人体模型的基础上进一步进行设计。比如，给三维人体模型设计一件个性化的衣服，制作一顶别致的帽子等。被试者能够以一种自然的方式在虚拟空间中观察走动，并直接在三维空间内设计。这表明被试者能够真正地沉浸到三维虚拟空间中，进行有关的教育与学习活动。

（二）实时的脑电波数据

脑电波数据来自于被试者在设计活动过程中5分钟实时所采集的脑波数据。脑波的原始数据包含很多信息，包括不同波段的数值。其中，原始的脑波数据经过算法，转化为注意力（Attention）和冥想值（Meditation）数值（0-100），这两个数值的含义与教育研究息息相关。注意力数值越高，表明被试者注意力越集中；冥想值数值越高，表明被试者越放松。

我们通过数据过滤，首先，使每个被试者按逐秒进行数据采集与清洗。30位被试者的5分钟，就是9000个脑波数据数值，全部被记录下来用于后续的分析。然后，可以进一步对脑波所记录的注意力和冥想值的数值进行分水平编码，如表1和表2所示。这种编码价值，在于后续可以进行更多状态的分析。

表1 脑电波的注意力数值编码

表2 脑电波的冥想值数值编码

随着脑波算法的进一步优化以及更多实验的验证，后续脑波的数据通过算法，也能够转化为“情绪”类型的数值，从而对个体的情绪进行直观的读取和记录。脑波数据的特点，在于有效保有生理数据的属性，被试者很难伪造脑波数据。换言之，被试者很难刻意长时间控制自己的大脑电波。因此，脑波所收集的数据更加客观和真实。相比于以往通过被试者填写的问卷，其大脑活动过程中的情绪、注意力、放松程度，来得更加准确与客观，并且可以将脑波与对应的行为发生时间点，进行关联分析。

（三）可追踪的全过程行为

由于被试者置身于整个沉浸式的虚拟现实与脑电波环境中，这是一个闭环空间，整个系统可以收集并记录被试者在虚拟现实环境中的所有操作、行为，包括体态的影像。因此，被试者的每一个动作都“一览无余”地被记录下来，可以进一步进行行为编码。而且，基于实验设计、研究目的的不同，对被试者在沉浸式虚拟现实环境中的行为编码，也不尽相同。后续，我们还可以采用行为序列分析等方法，以判断被试者在这一过程中的哪个行为更易出现，哪些行为之间关系更紧密、更稳定[26]。

可见，整套联动系统对全过程行为追踪的优势，不仅体现在完整地记录过程中的影像，而且还可以逐秒对应脑波状态。例如：过去研究者往往采取后测问卷与量表的方式，询问被试者的情感态度、投入度、认知负荷等，但这种学习者在活动结束后其主观反馈的情况，无法追溯究竟是哪个具体环节、具体行为导致的差异。因此，采用这种联动系统为进一步分析与解释行为数据、脑波数据、操作数据等多维度数据，提供了一个行之有效的全程观察方式。

五、虚拟现实与脑电联动系统的教育研究价值

（一）构建全程可控的浸润式学习环境

学习环境是支持学习者建构的、各种工具与信息资源的总和。乔纳森（Jonassen）认为：学习是大脑的生化活动与相对持久的行为变化，是信息的加工、记忆与回忆，也是思维技能、知识建构、概念转变与境脉的变化[27]。过去，一些研究者也注重多维度地考虑“学习与大脑”的关联，“学习与环境”之间的关系，但还是缺乏行之有效的系统场景。尤其是可以同步创造一个全身沉浸其中的环境，并能够同步检测大脑活动的研究方式。随着技术的进步，今天我们可以借助于虚拟现实与脑电联动系统，同时探究并解决这两个问题。

越来越多的研究者发现，认知离不开身体活动。具身认知理论认为，认知和思维在很大程度上是依赖和发端于人的身体。身体的构造、神经的结构、感官和运动系统的活动方式，决定了人们如何认识世界，决定了人们的思维风格，也塑造着人们看世界的方式[28]。就此而言，虚拟现实与脑电联动系统，同时也是研究“具身认知”的一种新场景、新探索。具身认知所关注生理体验与心理体验之间的相互关系，这也正是该联动系统所构建的，可以实现同时观察并数据关联研究场景。

近年来，职业教育领域为培训某个技能，而构建了各种虚拟现实的学习环境。虽然，这种沉浸式虚拟现实学习环境涉及大量投入，但为培养学习者的技能以及激发学习者的主动性，这种投入还是很有价值的。从长远来看，创建一个虚拟现实、互动的学习环境，总体上可持续、风险小、更有效、更安全。而且，这种虚拟学习环境与脑电联动研究过程，还可以进一步记录分析学习者的脑波状态与行为之间的关联。今后，通过多样化的教育研究实验设计，我们还可以进一步了解新手与专家之间的差异，从而寻找更多的学习路径与规律。

（二）实现实时精准互动的学习方式

虚拟现实与脑电联动系统，不仅构建了一个具身认知的学习环境，而且这个环境并非一成不变。整个系统可以实现基于脑波数据的个性化动态反馈，以及根据需求的逆向工程设计，从而实现精准、互动的学习方式（如图5）。

由于在整个过程中实时记录了被试者的脑波信号，根据信号高低、强弱、持续时间长短等不同维度判断之后，我们可以自动化地给予被试者各种类型的反馈。例如：被试者在系统中呈现出脑波的冥想值很低，表明情绪状态紧张，若持续5秒以上，被试者将会听到提醒放松的声音反馈，告诉被试者缓解一下，保持放松状态。简言之，它的价值在于二方面：

图5 精准互动学习方式的组成框架

一方面，在沉浸式虚拟现实环境中，基于脑电波的反馈策略，将充分体现个性化策略，也将降低精准反馈的成本。教师能够更全面地捕捉到每一位学生不断变化的多维状态，并根据这些数据反馈，适时调整教学设计与策略。甚至这种个性化策略本身，可以实现与脑波系统的模块化组合。例如，当被试者的大脑情绪呈现困惑时，就推送对应的学习提醒或学习支架。这未必能够立刻矫正学习，但确实是一个可以根据动态数据、不断修正的服务模型框架。以实现围绕“以学习者为中心”的学习服务模式，并在实践层面上获得进一步发展[29]。

另一方面，在物理世界中，过滤掉任何特定体验的众多线索，选择性地增加个性化条件变化，通常是非常困难的。而沉浸式虚拟现实环境不同，它在于提供了“逆向工程设计”的可能性。即在虚拟现实环境中，任何被试者所体验到场景、看到的事物、听到的声音、交互的对象等等，都是可以完全复盘、再设计的。在这种“控制”下，我们能够以更“纯粹”的方式复制或优化实验研究。

例如，在一项关于运动行为建模的研究中，研究者采用了社会认知理论[30]。整个实验过程和实验环境，根据被试者对概念理解的程度偏差，反过来分析和调整虚拟现实环境中的刺激方式，从而通过多轮迭代的逆向工程，不断优化整个环境中的刺激。无疑，这种方式、方法可以进一步用于学习资源、学习支架、学习情境等控制变量中进行反馈设计，从而探寻更多的学习模式及相互关系规律。

（三）多维度的社会文化建构

随着数字化虚拟技术（如大型商业游戏3D引擎）的进一步发展，如今，人们不仅生活、工作、学习在现实世界中；同时，也在虚拟世界中扮演、体验更多的角色与活动内容，甚至可以拥有一种虚拟身份（诸如“第二人生”世界）。进而，使得学习者在虚拟世界里获得各种全新学习体验、成就、荣誉等，并借助复杂多样的人际互动与关联，形成着新的学习场域、社会关系和群体认知。

早在20世纪20年代，维果斯基就意识到：社会环境是教育过程真正的杠杆。社会关系的内化，来源于个人所有的高级心理机能。特别是社会性互动提供了获得语言、改变文化观念的途径[31]。然而，过去限于技术或条件，人们难以对群体的社会化建构过程，给予充分的量化与质性研究。如今，大型网络游戏、Facebook Spaces、Sansar和 AltspaceVR 等， 正在逐步支持多人沉浸式虚拟社交活动。因此，这也为虚拟现实与脑电联动系统的研究，提供了现实基础。为进一步研究人在虚拟世界里虚拟身份与活动方式，提供了新的途径。与此同时，通过扮演不同角色过程中的群体协作，也能够为我们进一步探究教育研究领域里的社会文化问题，提供一个新的窗口。

比如，最近的一项研究发现，当参与者在虚拟现实中选择比真实中身体更高的虚拟化身时，他们在参与虚拟中的谈判任务过程中，显得更有信心[32]。其研究值得我们思考的是：这个自信心与虚拟角色之间的关系是如何确立的？过程中的行为是如何逐步表现的？大脑的状态又如何？以及这种自信心是否能够迁移到现实世界中？由于该研究并没采用虚拟现实与脑电联动系统，而仅仅使用了简易的虚拟现实场景，所以，我们无法进一步探究参与者的脑波数据，寻找其行为方式变化的关联依据。这也说明，虚拟现实与脑电联动系统能为我们更深入地研究诸如自我认知、虚拟身份、角色迁移、群体协作和社会文化等问题，提供了一个新的视角。

六、问题与挑战

诚然，限于各种技术条件和因素，目前，虚拟现实与脑电联动系统应用于教育研究，仍然处于初步的实验阶段，并不适合大规模应用于常态化学习与教学场景之中。虽然这一系统开辟了教育研究的一种新途径，但同样面临着诸多问题与挑战：

第一，设备价格依旧昂贵。沉浸式虚拟现实设备虽然正在变成消费级的量产产品，但价格仍然过高。再加上脑电波相关设备和系统集成，一整套系统的价格比较昂贵。昂贵的成本，依旧是一个限制性条件。

第二，整套系统的稳定性有待进一步提升。当被试者同步佩戴虚拟现实和脑电波检测设备之后，如果被试者在过程中动作幅度过大，以及被试者流汗过多，佩戴眼镜框过大，头发挡住接触点等诸多情况，都会影响收集到的脑波数据稳定性。

比如，我们在实验测试中发现，成功获得稳定数据的概率在40—60%之间。目前的技术水平还达不到让个体长时间处于沉浸的虚拟现实环境中，更达不到让人在沉浸虚拟现实环境中生存的程度。但随着相关技术的进步，未来将会支持适应个体更长时间的虚拟现实环境。

第三，沉浸式虚拟现实和脑电波技术虽然有诸多优点，但仍属于新兴技术，大多数被试者可能都是第一次体验该设备。这就难免受到技术新颖性的影响。已有研究同样表明，虚拟现实会影响到人的生理反应指标[33]。利用虚拟环境能够诱发愤怒，导致心率、血压、皮肤电、呼吸等的反应。这就要求研究人员不能简单地比较虚拟现实环境与现实环境，而需要更多地考虑将被试者置身于相同的环境中，观察、分析内部变量的影响。

第四，这类的研究对于研究人员也充满挑战，通常来说，采用该系统研究需要具备一定跨学科的知识和背景。教育研究人员需要通过合作或自身学习，弥补这方面的技能不足，才能够更好地进行研究设计与规范操作。

当然，随着沉浸式虚拟现实技术与脑电波技术的进步，相关设备价格的下降及实验门槛越来越智能化、人性化，会成为更多教育研究者的选择。我们认为，随着数学化虚拟生活的蔓延，整个虚拟现实和脑电波系统研究会凸显其价值：从虚拟场景搭建，到反馈设计；让研究者具备一定的“上帝”视角去构建整个教育研究的环境、策略、变量等各种参数。这既是教育研究之机遇，也是巨大的挑战。

七、结语

总之，虚拟现实可以用作教育科学研究的重要环境和工具[34]，而脑电波技术也正在成为人类行为研究的重要手段。随着技术进一步发展，智能化环境的构建，虚拟现实和脑电波技术结合的联动系统，可成为教育与学习环境研究的一种未来形态。

其一，学习者只要进入该系统中，所有学习行为都被完全置身于一个数字化的虚拟空间，并且个体与群体的行为动作等多维数据，都会被记录下来；同时，学习者的脑电波也会被检测，并根据不同的学习目的给予反馈。同时，还可根据变量要素之间的关系，对虚拟现实中的环境进行逆向设计，学习者将在一个舒适的沉浸式环境中展开学习。

其二，将有助于研究者发现更多的教育规律。教育研究会更多地融合科学工具与手段，跨学科地整合教育技术、学习科学、脑科学等领域。与此同时，这种系统并不是把教育研究封闭在某个特定的“盒子”中，而是需要在这样一个动态、开放的系统中，不断去发现一些学习与教育的本质规律，从而迁移到更多真实的教育教学场景之中[35]。

可以说，沉浸式虚拟现实作为教育环境构建的新方式之一，将成为教育研究的新观察场景与窗口，成为质性研究的新场域；脑电波技术作为教育生理数据采集与反馈的途径之一，完全可成为教育研究的新角度与切入口，成为定量研究的新数据源。两者的结合，共同为教育研究提供了一种新的范式。当然，这类结合目前才刚刚开始，未来随着设备与技术的发展，还会诞生出更多、更多样的整合方式。即这种新的范式本身还在生长过程中，仍然需要我们不断进行迭代与完善，仍然需要教育研究者们进一步发挥创造力与想象力。