多种理论视角下的VR教育应用研究综述

段丹萍

摘  要 利用文献分析法对国外虚拟现实教育应用的相关文献进行分析、归纳和总结，梳理虚拟现实技术教育应用的三个发展阶段，并从认知与学习视域、人与技术的关系视域和教学设计视域考察了虚拟现实技术教育应用的研究现状。

关词键 虚拟现实技术;教学设计;协作学习;三维学习环境;信息技术

中图分类号：G712    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）06-0054-04

Research Summary of Application of VR in Education from Various Theoretical Perspectives//DUAN Danping

Abstract This paper analyzes， sums up and summarizes the relevant literatures of virtual reality education in foreign countries by using the method of literature analysis， and combs the three stages of the

application of virtual reality technology education， and from the per-

spective of cognition and learning， the relationship between human and technology and the visual field of instructional design， the research status of the application of virtual reality technology educa-

tion is investigated.

Key words virtual reality technology; instructional design; collabo-rative learning; 3D study environment; information technology

1 前言

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。本研究对近40年来国外VR教育应用的相关文献进行搜集，根据研究需要筛选出其中68篇进行重点分析，梳理VR教育应用的发展历程，分别从认知与学习、人与技术的关系和教学系统设计视域分析VR教育应用研究现状，以期为VR教育应用提供理论依据和参考。

2 VR教育应用的发展历程

VR技术发展历史上经历了三次热潮（Curcio I D D，2016）。

1）20世纪60年代，VR的基础原理和产品光学构造的建立;

2）20世纪90年代，世嘉、任天堂、索尼等公司推出商业VR产品;

3）2014以来，FaceBook、三星、谷歌、索尼、HTC等科技巨头推出VR设备计划。

VR技术在学习中的应用相对VR技术的发展有所滞后，但总体上二者的发展态势保持一致的上升趋势，可分为以下三个阶段。

第一阶段（1960—1990年）：VR技术的萌芽及其在职业技能培训领域的初步应用。此阶段，虽然VR技术刚起步，仅有一些简陋的VR输入输出设备，如计算机屏幕、头盔式显示器、护目镜和手套等[1]，还没有形成正式的教育VR应用程序，但研究者已经意识到VR在学习中的应用潜力：VR使得人们理解和操作计算机生成的信息变得更加容易[2]，且被证明是一个有效的成人学习环境;在VR世界中，参与者可拥有不同的学习体验;VR环境既可供观察，学习者还可以与VR中的物体和空间进行交互，如可以使用工具来创建新的环境、修改旧的环境、进行模拟考试、修正错误、进行游戏等[3]。

第二階段（1991—2013年）：VR的产品化发展及其在多个学科应用的快速增长。此阶段，成本的降低、计算机处理能力的巨大飞跃、万维网的普及和宽带连接的普及，使得VR向桌面式、分布式和沉浸式等多元化产品发展，加剧了桌面式VR的应用，可提供共享的VR环境，通过同步、异步通信支持协作学习[4]。但由于沉浸式VR设备的技术瓶颈和相对高昂的成本，沉浸式VR的应用相对较少。VR从最初的职业技能培训逐步扩散到基础教育和高等教育多个学科领域。研究者也逐步开始关注VR促进学习的理论基础、教学设计模型或框架、VR学习环境设计模型、效果评估方法等。

第三阶段（2014—）：VR技术突破及多元化融合应用。此阶段，随着VR技术和虚拟产业的迅速发展，“VR元年”这一说法多次被提出，再次掀起VR产业发展和应用领域关注热潮。在“互联网+”的时代背景下，人们的教育观和学习观正发生深刻变革，VR将融合AR、MR、物联网、人工智能、大数据等新兴技术，形成更符合学习者需求的消费级产品。但是，要有效发挥VR促进学习的作用，仅仅依赖VR产品的技术突破远远不够，还需要更多地关注如何有效应用VR促进学习者的学习。

3 多种理论视角下的VR教育应用研究现状

VR技术的引入给教育者带来极大的兴奋和期望。不过，需要注意的是，该技术只是一个重要的学习媒介，须在教与学理论的指导下有效地实施，才能辅助学习过程。本研究从认知与学习视域、人与技术的关系视域和教学设计视域考察VR教育应用理论研究现状。

认知与学习视域

1）建构主义理论视角。根据建构主义的观点，学习是在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助即通过人际间的协作活动，主动建构内部心理表征，从而实现的意义建构过程[5]。韦恩[6]认为，建构主义理论为基于VR的学习提供了一个有效的和可靠的理论基础。他指出：传统教育中倾向于促进第三人称的象征性经验，而沉浸式VR提供了专门为帮助学生学习的第一人称非符号的经验，即“虚拟化身”;“虚拟化身”经验在常规教育中很难获得，却是人们与真实世界的日常互动的主要构成部分;沉浸式VR支持三种知识建构的体验，包括虚拟世界中对象大小的操作、信息的传导和抽象概念的具体化，这些体验在现实世界中难以达到，但对于学习非常重要。

许多研究者从学习环境设计的角度分析了VR技术如何支持建构主义学习[7-10]：VR学习环境可提供一个在视觉、听觉、触觉、动觉等多维度问题的三维表征，与其他技术手段支持的问题表征方式相比，使得围绕问题的情境创设更具吸引力、趣味性和吸引力;VR学习环境提供了一个问题操作空间，让学习者能够自由地探索和操作环境中的虚拟对象;除了本身包含学习者所需要的信息外，分布式VR尤其是基于网络的桌面式VR，允许学习者从网络中获取其他相关信息，从而构建自己的知识;分布式VR可以让学习者一起交流和执行任务，体验共享的空间感、存在感和时间感，为社会学习和计算机支持的协作学习提供环境和认知工具。

2）经验学习理论视角。经验学习理论认为：“学习是通过经验的转换创造知识的过程，知识是掌握与转化经验相结合的结果。”VR技术能够较好地支持经验学习活动的开展：VR学习环境可提供与真实生活相似或者真实世界中难以实现的学习体验，学习者通过虚拟化身主动参与并沉浸在虚拟世界中，积极参与解决现实世界中的问题;与沉浸式VR相比，虽然桌面式VR提供的经验多维度都较之减弱，但仍能支持以第一人称的学习经验促进学习;VR环境是高度互动的，它能提供多用户的协作环境、动态的反馈、学习检验、实时的个性化任务选择和探索等;VR的多重表征和沉浸体验，有利于掌握复杂的、抽象的概念;VR环境可以产生强烈的动机影响，有助于激发学生积极参与学习。

3）具身认知理论视角。与传统认知理论“学习过程仅是在大脑内进行”的观点截然不同，具身认知理论认为“认知是建立在身体以及身体与世界之间的相互作用中”，它强调认知的具身性、体验性和环境的嵌入性。三维虚拟学习环境的特征与具身认知理论的观点非常契合，体现在：三维学习环境最重要的特征是透明的界面，用户可以直接控制在虚拟的世界中的对象;VR环境能提供良好的具身交互，产生强烈的沉浸体验，从而使学习者觉得自己在一个更真实和更有意义的教育空间。

研究已经开始证明VR技术对具身学习的影响作用，特别是在STEM领域的学习效果。如一项关于学生利用计算机模拟向心力的研究表明，参与者在高具身性条件下比在低具身性条件下能获得更高的持续学习的身体体验感[11]。另一项研究考察了中学生采用具身交互的方式，在沉浸式VR环境中学习重力和行星运动。结果表明，具身交互对促进概念理解、批判性思维和积极的科学态度培养具有显著效果[12]。

人与技术的关系视域  VR技术应用于学习领域，归根到底是人对技术的使用。要让VR技术更好地促进学习，需要从技术的本质出发，关注人与技术之间的关系以及技术在学习中的影响作用。

1）技术哲学理论视角。随着技术哲学理论的发展，以唐·伊德（Don Ihde）为代表的技术哲学家的思想改变了人们对技术的认识。人和技术之间的关系是伊德关注的焦点，他认为人与技术的关系分为具身关系、诠释关系、他者关系和背景关系。技术哲学的发展影响着人们对技术的本质的认识，促进了技术应用范式的转换，也为VR技术促进学习带来启发。鉴于VR的多感知性、沉浸性、交互性、和构想性特征，VR技术与人之间的中介关系和具身关系已经得到论证，但如何从这两种关系，尤其是具身关系中发现VR与学习之间的相互作用规律，从而设计有效的方法促进学习，还需要深入研究。VR技术与人之间是否存在他者关系和背景关系？若存在，VR应具备什么特征？在这两种关系中，VR如何促进学习？等等，这一系列问题尚需得到解答。

2）可供性理论视角。可供性（Affordance）又译为给养，根据吉布森（Gibson J J，1979）和盖弗（Gaver W W，1992）的可供性理论的观点[13]，可供性指环境中的实体所具备的属性，这些属性为行动者提供行动的可能性。因此，在考察环境在学习中的可供性时，需要同时考虑环境的物理属性和连接学习的功能属性。马特·鲍尔[14]提出一种将学习任务的可供性要求与信息技术工具的技术可供性相匹配的方法，用来帮助指导和告知技术选择和学习设计的过程。在鲍尔的基础上，达尔加诺和李[15]将VR学习环境分为三大类：三维仿真与微观世界、作为学习资源接口的三维环境和三维多用户的虚拟学习环境。确定了VR学习环境的学习可供性包括空间知识表征、体验式学习、學习投入、情境学习和协作学习，并提出基于三维虚拟学习环境的学习模型。

3）技术接受模型理论视角。由戴维斯（Davis，1986）提出的技术接受模型（Technology Acceptance Model，

TAM）被广泛作为解释或预测人对信息技术接受的理论基础。TAM认为，信息技术接受指用户愿意使用信息技术，用户对信息技术的使用行为受到其使用意向直接影响，而使用意向受到感知有用性和感知易用性的影响。技术接受模型理论可作为对VR系统功能、VR系统应用于教学的接受程度的评估依据。已有研究表明，具有高仿真和用户控制的VR学习环境一定能够促进概念理解。因此，需要设计一系列适当的、被认为有用的学习任务以及任务支持，同时易于学习者使用，从而促进学习者在与学习环境交互过程中对内容的理解[16]。感知有用性可定义为用户认为使用VR系统会提高解决问题的任务绩效的程度，其影响因素包括任务绩效、易用性、有效性、任务的轻松性和愉悦性;而感知易用性指用户认为使用VR系统的难易程度，其影响因素包括可控性、易学习性、易掌握性和易使用性[17]。VR特征是交互体验的基础，涵盖了可用性的结构，包括质量和易访问性两个方面。其中，质量方面通过感知有用性进行评估，而易访问性方面则通过感知易用性进行评估[18]。

教学系统设计视域  使用特定的技术或媒体形式并不保证特定学习结果或学习效益。因为技术本身对学习并没有影响，而是通过由技术所支持或促进的任务、活动和基础教学战略对学习产生影响。良好的教学设计可以使虚拟环境从各个方面促进学习者对概念、原理和理论的理解[19]。虽然一般的教学设计模型和理论是有用的，但还需要开发更具体的教学设计模型，用于指导应用特定的信息技术支持教学和学习[20]。现有基于VR的教学设计模型主要从指导VR系统设计和开发的角度出发。Chen C J等[21]提出桌面式VR学习环境开发的教学设计模型。该模型结合教学设计的整合性目标的概念、建构主义学习环境设计模型和多媒体学习的认知理论等，提出VR学习环境开发的宏观策略与微观策略。阿尔瓦罗·桑切斯[22]等提出一个用于开发VR教学系统的模型，该模型认为任何VR教学系统都包括源知识、模型、资源、过程、参与者等基本的组成部分。

4 结语

虚拟现实技术是多学科多领域交叉、渗透、融合的产物。具体到教育领域中的应用，应针对待解决的教学问题，依据教育教学基本理论，结合虚拟现实技术的优势，设计和开发虚拟现实学习环境或资源，利用它们支持或促进学习任务、学习活动等的有效实施，从而对学习产生正向影响。未来，有关虚拟现实教育应用的研究将更加注重教学理论和学习理论的指导，关注学习者的学习需求和学习体验，从方法和策略层面推动虚拟现实技术教育应用的发展。■

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