虚拟环境在未来高等教育中的应用研究

丹妮拉·詹森 克里斯蒂安·图梅尔 安佳·里赫特 英格丽德·伊森哈特 莫灿

摘 要：为了评估沉浸式虚拟学习环境（VLE）在高等教育中的应用潜力，更深入地了解学生在沉浸式虚拟环境中学习的体验，文章先从工业4.0的角度对教育进行了描述，并对沉浸式学习以及VR技术的作用进行了全面的阐述。然后在此基础上提出了沉浸式虚拟现实环境下测量用户体验的研究。最后概述和讨论了初步结果，以便进一步研究。

关键词：沉浸式学习;用户体验;虚拟学习环境;虚拟现实

中图分类号：G434       文章编号：2095-624X（2019）18-0004-06

一、引言：基于工业4.0的教育学习

数字化对日常生活的影响越来越大，因为技术是实现互动、学习和获取知识的重要途径。工业4.0的发展带来了新的技术机遇。工业4.0这个术语是在德国政府的高科技战略下出现的，旨在展示第四次工业革命的潜力。工业4.0，也被称为未来的工厂，意味着大部分的流程和产品都是数字化和自动化的。这是基于数字智能、交叉连接的系统，它允许自由组织生产。人、机器、系统、物流和产品直接在工业4.0中进行沟通和合作。

因此，工作流程和内容、员工的能力以及教育培训也在发生变化。人与技术之间出现了新的合作形式，从而为教育和职业生活等各个领域带来了新的可能性和新的挑战。由于流程变得更加复杂、相互关联和数字化，对员工的特定要求将会增加。目前和未来，终身学习、跨学科思考能力以及IT发展的能力正成为员工的基本要求，以确保在职人员的就业能力，而不仅仅是技术导向的职业。

随着网络化和数字化的发展，我们需要新的教育方式，使未来的员工能够灵活应对数字化工作环境的新挑战和新要求。以技术为导向的教育焦点，通过理论知识的传递和实践经验的反思以及问题导向的应用，在教育的各个领域获得了越来越多的重视。

考虑到这些发展，未来需要高素质的员工。因此，教育，尤其是高等教育，需要适应工业4.0带来的变化，因为“作为现代大学核心的现行教育模式正在过时”。它越来越不能满足即将进入全球知识经济的新一代学生的需求。新一代，也常被称为“数字原生代1”或“千禧一代”，正处于上大学的年龄，这意味着这些人已经在利用互联网获取信息、娱乐并将互联网作为一种交流工具。Jonas补充道：“‘千禧一代当然有先进的技术需求……因此，学生在变化，需要教授的内容正在变化，甚至课堂环境（如技术）也在发生变化，因此，教学法也必须改变。”近年来，新媒体以及翻转课堂、慕课等新的教学模式已经进入高等教育领域。然而，高等教育数字化的潜力尚未耗尽。

与此同时，大学也面临新的挑战，比如，一节课的学生人数高达2000人，尤其是STEM学科的学生，而且讲堂过于拥挤，学生无法积极参与。这些挑战还需要新的教学模式和学习形式，技术媒体可以在教学上对学习成果做出贡献。

教育从课堂教学向虚拟教育的转变正变得越来越重要。特别是在技术型学习领域，教育内容的实践经验往往是在真实的实验室实验中进行的，不符合工业4.0的要求。随着科技的不断发展和环境的不断变化，对这类研究领域实践经验的要求也在不断提高。

由于学生人数不断增加，并不是所有的学生都有机会将理论知识和技能运用到实践中去。除此之外，由于高成本、复杂性或其危险性，一些领域的研究在真正的实验室中是无法进行的。具体来说，虚拟环境（VE）为所有学生提供了在课堂之外进行体验式学习的机会。

在这种背景下，虚拟现实（VR）技术为高等教育的实践体验提供了新的机会，它们促进了虚拟现实中更自然的体验。此外，VEs还为学生提供了一种无风险的探索性学习，以及对复杂抽象过程和真实现象的可视化。在高等教育中加入虚拟环境和虚拟现实技术，为学生提供了更好的学习机会：

●理论知识经验

●技术媒体的使用和应用

●虚拟化的过程

●以便为工业领域的未来工作环境做好准备

二、高等教育中的沉浸式学习

VR被视为一种未来的技术，在工业和研究中越来越重要。硬件和技术的快速发展推动了这一领域的进步，例如，新的交互工具和跟踪系统。随着技术的进步和VR技术（如头戴式显示器（HMD））的日益普及，且更容易使用和HMDs成本的降低，它们进入大学变得更加容易。

Hoffmann & Hu将VR定义为“一种高度交互式和动态的模拟形式，在这种形式中，计算机生成的世界或环境可以‘进入，其中的三维（3D）对象可以使用視觉、听觉和触觉等感官进行‘探索。”VR可以从不同的角度来考虑：

●VR专注于技术方面（D内容）

●VR作为一种新型的人机交互方式（HCI）

●VR的心理或心理体验

关于学习，第二和第三种观点是必不可少的。为了满足学生的学习需求，必须提高沉浸式硬件与学生之间的沟通与互动。

VR技术具有身临其境的效果，这种效果最初是由技术效果引起的。沉浸感是VR的核心元素，它区别于其他人机界面或媒体。在这种情况下，一个中心假设是VR技术会让玩家更沉浸在虚拟现实中，反过来，更高的沉浸感会让玩家获得更好的学习效果。

要理解沉浸感，有两种现有的沉浸感视角：技术视角和用户视角或心理视角。VR系统沉浸式的技术能力意味着用户被VR包围，从而消除了虚拟世界和用户之间的障碍。这就导致了更高层次的用户注意力和关注。

用户在VR环境下的心理体验通常通过术语“用户体验”（user experience，UX）来概括，用户体验又可以细分为沉浸感、现场感、流感等特定的理论构造，具体运用如下：

Murray对沉浸有一个广泛的定义，他将其定义为一种状态，在这种状态中，用户被另一种声称完全关注的现实所包围。Witmer & Singer将沉浸感描述为一种“心理状态”，并表示通过有效地将用户与现实世界隔离开来，表明“他们沉浸在虚拟世界中的程度（将会增加）”。此外，他们认为，更强沉浸感的虚拟现实会产生更高层次的存在感。Wirth & Hofer也同意这种观点。与这种心理学观点相反，Slater & Wilbur将沉浸感定义为VR系统的技术特征，并将其理解为沉浸技术的结果。

“存在”被定义为“在一个地方或环境中的主观体验，即使一个人的物理位置在另一个地方或环境中”。在VE的语境中，存在指的是VE的体验，而不是身体上的。这一概念起源于1970年VR诞生之初的技术研究。存在是虚拟现实领域中影响最大、研究最多的概念。与沉浸不同，“存在”通常被理解为用户变量而不是技术特征。

除媒体工厂影响存在外，人格特质、人口学因素等个体相关变量也影响存在。增加在VE中花費的时间是另一个影响因素，它既可以因为调整和了解而提高存在感，也可以因为负面影响随着时间的推移而减少存在感。对存在和表现之间关系的研究主要基于相关性研究。因此，在进一步的研究中，可能影响存在和表现的因素必须通过实验加以控制。Wirth & Hofer补充说，这种媒体具有特殊的功能，可以促进存在感，被称为沉浸式。他们具有很高的沉浸感。媒体的沉浸感越强，用户就越有可能在VE中体验到存在感。

Flow被定义为在平稳进行的活动中的无反射合并，这些活动在高应变的情况下得到了控制。此外，当需求和能力得到平衡时，某人处于流动状态。Flow是三种结构中最一般的概念，因为体验并不局限于媒体的使用，而是限于一系列活动。这一概念起源于幸福研究，最初用于日常活动。研究表明，流动状态对信息处理、认知负荷和生理过程有影响。

考虑到目前的技术水平，我们可以假设，当用户与虚拟现实交互时，沉浸感更强的技术会带来更好的用户体验。问题是沉浸感在多大程度上影响VLE的任务表现，以及沉浸感如何以一种积极的方式支持学习过程。Moreno & Mayer指出：“基本思想是，那些通过参与学习任务而学习的学生，在环境中具有更高的生活意识，与那些以旁观者的身份参与学习任务的学生相比，可能学得更深入。”

将VR技术应用到教学和学习场景中可以进一步提高学生的学习体验，使他们更加沉浸和参与学习过程。沉浸在虚拟世界中，学生可以体验虚拟物体，并与环境进行互动。因此，我们可以鼓励学生从建构主义的角度来看待学习过程，让学生在情境化、问题导向的情境中，以积极、自制的方式学习。VE提供了一种设置，使学习过程更加个性化，更符合学生的要求，并提供了更高的学习自主权。为了证实这一假设，需要进一步的实验证据，特别是如果沉浸式VLE是一种合适的教育工具。因此，本文进行了用户研究。

三、用户研究：在沉浸式虚拟学习环境中测量用户体验

1.研究设计

本研究主要研究用户特征和用户界面特征对学生体验、激活和任务表现的影响。本研究的主要目的是能够测量沉浸式虚拟现实中的用户体验及其与任务性能的关系。因此，更多的证据表明用户如何发现沉浸式虚拟现实，以及哪些方面影响虚拟现实中的任务性能（图1）。

为了了解哪些用户和用户界面因素影响用户体验、激活和任务性能，在开发的VLE中进行了一个对照实验。将对照实验设置为实验研究设计（图2）。

2.硬件设置

在硬件设置方面，有两种实验性硬件条件：沉浸式和非沉浸式。沉浸式包括头戴式显示器（HMD）（本研究中使用Oculus Rift dk2），而非沉浸式是没有HMD的电脑版本。受试者随机分为实验条件组（HMD）和对照条件组（电脑）。

（1）以计算机为控制条件。本研究使用的是一台27英寸显示器，分辨率为1920 x 1200的戴尔电脑。在实验中，参与者用鼠标控制他们的视野，用键盘和wasd键控制他们的移动。向前和向后，他们使用W/S键，而他们使用A/D键来在VLE中向左和向右移动。

（2）以Oculus Rift为实验条件。在本研究中，使用Oculus Rift开发工具包dk2，这是第二个开发工具包版本。Oculus Rift是一种HMD，这意味着参与者头上戴着一个头盔或数据眼镜形式的移动可视化交互系统设备。Oculus Rift的屏幕为5.7英寸，分辨率为1920×1080。安装在眼镜上的传感器可以根据头部的旋转、弯曲、升降确定在室内的位置。摄像机记录下了眼镜内的红外LED。HMD的主要目的是将用户转移到一个虚拟现实中。Oculus Rift在VLE上的移动相当于带有WASD键的计算机。与计算机不同的是，Oculus Rift控制着视野。

3.Minecraft作为虚拟学习环境的设置

为了便于分析，开放世界沙盒游戏Minecraft被设计为VLE。它适用于工程、物理、地理等不同的学术学习情境，也适用于创造力、团队合作、特定技能等非技术学习情境。此外，Minecraft还提供了以一种自由、活跃和实验性的方式探索虚拟世界的机会，以构建新对象。不需要学生或教师的编程能力，由于成本、时间和个人资源的原因，这有助于在教育中应用。此外，Minecraft已经成功地应用于学习环境。

在这项研究中，作为VLE设置的Minecraft概念遵循参考文献的游戏设计步骤：定义目标群体，定义游戏的学习成果，定义游戏，塑造游戏理念和详细阐述游戏的细节（故事情节），（技术）实施。

大学生和16～18岁的高中生是目标群体，因为他们是几年后进入就业市场的下一代。因此，他们必须在教育的早期阶段就为复杂、数字化和不断变化的需求做好准备。在这种背景下，解决问题的能力变得越来越重要。在VLE中，需要解决的任务是按照工业4.0的要求设计的。因此，选择了解决问题的任务，参与者必须解决一个逻辑问题任务。在一个工业工厂里，学生们是一家生产软饮料，尤其是柠檬水的公司的员工。

此外，学习成果的定义对于透明的教学和学习过程至关重要。这样，学生就能在学习过程中评估自己的决定、行动和结果。我们为VLE定义了以下学习结果。

（1）空间定位：学生需要对工业区有一个大致的了解，他们需要在这里建造无人驾驶的轨道交通线路。

（2）决策：在了解了区域概况和建设交通路线的各种可能性之后，他们必须根据任务的要求做出决策，比如效率和速度。

（3）解决问题：工业区存在一定的障碍，如筒仓、汽车等，必须在选择和建设运输路线时加以考虑。

（4）精神动作技能：学生必须使用适当的硬件，并在虚拟环境中导航。

4.实验任务

这个实验任务模拟了一个解决问题的过程。解决问题的任务需要以一种自主的、积极的方式来寻找解决方案。学生们的任务是建造一条无人驾驶的铁路运输线路，以便将货物从仓库运送到工廠。作为解决任务的要求，参与者必须以高效、节约资源、快速的方式在轨道上构建运输路线。

在完成任务前，参与者可以选择输入教程，这样他们就可以了解VE和控制系统的运动和视野。在教程中，参与者可以学习和练习使用Minecraft的基础知识，特别是如何铺设和移除轨道，以及如何在VE中移动。实验组的学生还可以通过本教程熟悉HMD和沉浸式效果。

一种专门编写的工具记录以下性能参数可测量任务性能：时间、使用的轨道数、删除轨道数形式的错误以及每个参与者的行走距离。此外，一个屏幕捕捉软件在解决任务时记录学生在VLE中的运动。为了在实验过程中测量参与者的生理状态，生物反馈传感器在实验过程中测量皮肤电导率三次。为了在不参与任何任务的情况下对每个参与者进行基线测量，先要提前记录一分钟的基线，这对在任务期间的生理测量具有参考价值。完成任务后，进行第三次测量。

5.测量和变量

为了评估VLE中个体相关变量、用户界面沉浸能力、用户体验、激活和任务性能之间的关系，研究人员定义了一组独立变量和因变量。

作为自变量，我们研究了以下结构：

●人口统计数据 比如年龄和性别

●人格特质 五大库存

●与技术交互时控制重点（KUT）

●游戏行为或使用游戏的频率

●空间认知 问卷空间策略 QSS

●沉浸式倾向 沉浸式倾向问卷 ITQ

●用户界面的沉浸能力

所有变量均以预先填写调查问卷的形式进行信息收集。

作为因变量，我们使用了三个变量：

●UX通过以下量表测量：沉浸式（沉浸式体验问卷，IEQ），存在（存在问卷，PQ），流量（Flow Short Scala，FSC）和游戏体验（游戏体验调查问卷，GEQ）

●使用两种工具测量激活：基于主观报告的问卷以及通过电皮肤活动（EDA）进行的心理生理学测量。

●性能通过不同参数测量：时间，使用的导轨数量，移除导轨数量形式的错误以及每个参与者的行进距离。

用户体验是通过以下结构实现的：沉浸感、存在感、流感和游戏体验。对于已经存在的结构，使用基于主观报告的可靠有效的工具作为测量UX的常用方法。问卷前和问卷后的所有问题都按照六个等级进行了回答，范围从1完全不同意到6完全同意。

为了补充这些，心理生理学测量提供了一种客观的、非侵入性的方法来收集VLE体验期间的生理激活。Mandryk研究表明，生理指标可以作为电脑游戏用户体验的客观指标。

各种方法（自我报告、定量问卷、客观生理测量）构成了VLE中学生有意识和潜意识体验的复杂而详细的描述。

四、样本与结果

1.样本

为了检验整个研究过程，包括测量仪器、VLE的任务难度以及研究的技术过程，我们对10名15～29岁参与者（MW=24，9;SD=4，48;n=7名女性）进行了调查。大多数参与者都在玩数字游戏，大部分是在智能手机上，平均每周玩游戏的时间为3.75小时。同样，70%的参与者已经使用过两次VR技术。至于Minecraft，50%的参与者已经玩过它了，但不超过两次。

2.相关方法

为了进一步了解用户特征、用户界面特征和用户体验、激活和任务执行之间的关系，我们使用了一种探索性的方法。数据采用IBM SPSS统计软件进行分析。

考虑到样本很小（n=10），我们发现各独立变量和因变量之间初始存在显著相关性。自变量沉浸倾向与子量表游戏、涉入与焦点、因变量沉浸体验、存在、流动、游戏体验之间存在显著相关性（图5）。

在其他自变量和因变量之间，在分析中没有发现显著相关性。

因变量沉浸体验仅与因变量游戏体验的负面影响、紧张/烦恼、流动、挑战和正面影响分量表相关。因变量的存在与流动、分量表的积极影响、能力和GEQ的感官以及想象沉浸感显著相关。分析表明，流动和存在之间存在显著的相关性，并与GEQ的子量表正面影响、能力和感官以及想象沉浸感之间存在显著的相关性。

从用户特征的特殊角度出发，我们通过分析发现了以下显著的相关性：神经质程度高（五大）的参与者的流动体验较低（r=-.68、p！.05），在子量表中的正面影响（r=-.69，p！.05），能力（r=-.75，p！.05）和GEQ的感官以及想象力的沉浸（r=-.68，p！.05）的值较低。经验开放性越高（五大）的参与者在ITQ的子量表焦点中得分越高（r=.72，p！.05）。空间策略整体/以自我为中心（QSS）的参与者较显著，流动体验较高（r=.72，p！.05）、子量表正面影响（r=.8，p！.05）、能力（r=.78，p！.05）、参与（r=.66，p！.05）的值较高。控制点越高的参与者在与技术交互时，GEQ的分量表负面影响值越低（r=-.74，p！.05）。

3.屏幕录制分析

在任务的处理过程中，一个屏幕捕捉软件记录下学生在VLE中的运动。根据选择的无人驾驶交通路线的策略，我们对这些记录进行定性分析，确定了三种不同的战略：

（1）在开始任务之前提供当前位置的概述

（2）在进入工业区之前，先提供一个概述

（3）直接铺设导轨而不进行概述

经常使用的策略是第二个。六名学生先走进工业区，考察周围的环境和障碍，得到了一个概览。其中一些学生使用了一种修改过的策略：他们先去了那个地区的桥梁，从那里他们开始铺设铁路，然后他们从目标到桥梁铺设铁路。三个学生使用第三种策略：在没有得到该区域的概览的情况下，他们通过铺设铁轨立即开始了这项任务。从任务绩效的定量分析表明，学生完成任务的时间从3个半钟头到8个钟头不等。这项任务平均在四个半钟头内完成。轨道的平均使用量为130条轨道。在浸入式條件下使用导轨的数量也没有显著差异。无法找到策略与任务性能参数时间、使用轨道数、删除轨道数形式的错误以及每个参与者的行走距离之间的联系。为了将任务性能、使用的策略和用户体验联系起来，需要进行进一步的分析。

五、讨论及未来工作

关于沉浸式VLE中用户特征对UX的影响，初步结果显示存在影响。特别是，不确定、焦虑或紧张的用户体验到的VLE不太积极，并且不像那些性格更活跃和开放的用户那样投入。这些结果表明，用户特征和特征对VLE体验有正面或负面的关键影响。因此，可以假设它们对任务性能有影响，从而对学习过程产生影响。需要进行进一步的研究以调查在这种情况下哪些用户特征具有中心功能。Wunsch等人指出，人格特征提供了一种解释用户如何感知、处理、评价和体验媒体的方法。此外，用户参与VE的沉浸性倾向会影响流动体验以及VLE的挑战性。通过ITQ，可能会识别到从VLE中获得最大优势的学生。因此，就培养学习过程而言，用户沉浸式VLE是合适的。

与文献综述相比，沉浸倾向与存在无显著相关性。Witmer & Singer假设“如果高ITQ分数反映了更大的融入或沉浸的倾向，那么在ITQ得分高的个体在接触特定VE时应该反映更多的PQ存在感”。在这一点上，还需要进一步的研究。

关于通过构造存在、流动、沉浸和游戏体验操作的因变量和UX，可以做如下陈述。存在和流动与VLE和能力的积极体验相关，这反过来又意味着存在和流动对VLE中的任务执行产生影响。这与Witmer & Singer的观点一致，他们已经证明PQ与VE中的任务绩效测量呈正向关联。在进一步的步骤中，必须根据它们与VLE中的体验存在和流动的关系来分析VLE中任务执行的结果。此外，流动和存在对用户在VLE中的感官和想象沉浸感产生影响。

不能确定用户界面技术对因变量沉浸感、存在感、流动和游戏体验有显著影响。此时，在后续的研究中，用户界面对用户体验和任务性能的影响需要用更大的样本进行更深入的研究。

这种沉浸式VLE对用户体验和任务性能影响的预测试的探索性分析证实了一些理论假设，但也与其他假设相矛盾。相关方法显示了自变量和因变量之间的初始显著相关性，尤其是衡量用户体验的变量之间。然而，这些相关性并不能解释独立变量和因变量之间的因果关系。因此，为了验证这些初步发现，必须用更大的样本来研究这些相关性。对于给定结果的所有解释都将在后续研究中加以说明。另外，我们详细分析了硬件对任务性能的存在、流动、沉浸和游戏体验的影响。因此，更深入地了解参与者的经历，将使我们对本次研究的重点有更多不同的看法。

六、展望（前景）

后续研究的预测试通过解决Minecraft中VLE的一项任务，让我们第一次深入了解了学生的心理体验。

文献综述表明，沉浸感被假设为更好学习的关键结构。为了证实这一假设，还需要进一步的研究，特别是研究用户特征对用户体验和任务绩效的影响，以及用户体验和任务绩效之间是如何相互关联的。

预测试的结果表明，个人特征和特性会影响用户在VLE中的体验。因此，可以预期，对于一些用户来说，在VLE中学习比其他用户有更大的好处。但必须评估哪些用户特征会产生影响，如年龄、性别和玩数字游戏的经验，必须确定这些因素。后续的大样本研究旨在根据沉浸式VLE设置用户配置文件，特别是对沉浸式VLE在学习过程中具有优势的人。这有助于更深入地了解学生在教育方面的具体偏好以及他们对未来工作生活的准备。

在进一步的研究中，我们必须从教师的角度出发，因为对教师来说，在虚拟环境中进行教学、学习和工作是一种挑战。他们必须了解VLE的教学和技术特点，以便在教学过程中恰当地应用它们。因此，将沉浸式虚拟现实技术应用于中小学和高校的学习场景中，对教育数字化具有特殊的意义。

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基金项目：本文为2019年广州市创新创业教育：高等学校第十批教育教学改革研究项目课题“基于vr虚拟现实技术与民间美术的创新创业课程与教学研究”（2019JG241）研究成果之一;2019年广东省教育科研项目：广州航海学院教学科学研究项目“沉浸式增强现实对设计专业教学的启示”研究成果。

作者简介：丹妮拉·詹森，德国亚琛工业大学IMA/ZLW & IfU研究所集群学习与知识管理中心（ZLW）“敏捷管理与电子文人”研究小组的研究员;

克里斯蒂安·图梅尔，荷兰国际集团（Ing）博士，德国亚琛工业大学IMA/ZLW & IfU研究所集群学习与知识管理中心（ZLW）“敏捷管理与电子文人”研究小组的研究员和组长;

安佳·里赫特，德国亚琛工业大学机械工程学院敏捷管理初级教授，博士，德国亚琛工业大学IMA/ZLW & IfU研究中心（ZLW & IfU）理事会主任;

英格丽德·伊森哈特，博士，德国亚琛工业大学IMA/ZLW & IfU研究所集群的副主任。

译者简介：莫灿（1982—），男，湖南永州人，硕士，研究方向：民俗艺术与数字媒体艺术。