虚拟现实技术教学应用影响因素研究综述

欧梦吉，刘永贵

（南京邮电大学教育科学与技术学院，江苏南京 210023）

0 引言

2016 年，我国步入虚拟现实元年。2018 年，教育部等五部门印发《教师教育振兴行动计划（2018—2022 年）》，明确提出，利用虚拟现实、人工智能等新技术推动以自主、合作、探究为主要特征的教学方式变革。虚拟现实技术能够支撑教师或课程设计者创建三维立体的交互式虚拟环境，在教育中利用交互式的虚拟环境，可以支撑学生的主体性学习，且较传统课堂媒体更能激发学生学习动机，学生也更容易获得沉浸感［1-2］。虚拟现实技术作为新兴技术，在教学中的应用越来越广泛［3-4］，并已成为当前深化教育改革、培养学生创造性思维的重要途径［5］。虚拟现实技术是否一定能提高学习效果？哪些因素影响了虚拟现实技术教学应用效果？教师在教学中如何更好地设计与应用虚拟现实技术以促进学生学习？对这些问题的探究是切实推动虚拟现实技术与教学深度融合的关键。

当前，对虚拟现实技术教学应用的实证研究日益增多，但结论却并不统一。有研究发现虚拟现实技术能够显著促进学习者的学习［6-10］；而有些研究认为虚拟现实技术对学习者的学习并没有显著促进作用［11-12］；亦或是需要实现某些前提才会有显著促进作用［13-14］；甚至有些研究认为虚拟仿真技术对学习者学习有消极影响［15-16］。元分析（Meta-analysis）指应用特定的设计和统计学方法，对以往研究结果进行整体和系统的定量与定性分析。该方法是经过特定系统性的统计过程取得前人研究成果，整合多个独立研究结果，并将结果转化成标准化分数，进行比较分析并推论结果。因此，一些学者利用元分析方法收集、评估虚拟现实技术与学习效果相关实验与准实验的有效样本，试图给出解答［5，12，17］。但是上述文献的理论框架、特征值编码、论文搜索范围与实验结论存在较大不同，尤其在特征值编码方面存在较大差异，李宝敏等［5］未对教学方面的特征值进行编码；王雪等［12］着重于教学，对虚拟现实技术与学科的契合性、技术选用等因素不太关注；周榕等［17］则未纳入知识类型、教学环境等维度。

本文采用元分析方法，设置更为科学合理的理论框架、编码特征值，并拓宽文献搜索范围，就虚拟现实技术教学应用对学生学习效果的提升及影响因素再次进行审视与分析。

1 研究设计与过程

1.1 文献检索

相对于其他研究，本文扩大了文献搜索范围，获取了前人未纳入的硕士论文，且将检索范围拓展到2000-2020年的相关文章。具体检索方式如表1 所示，利用数据库进行关键词检索，并使用搜索引擎及人工搜索参考文献以补充可能遗漏的文献。

1.2 文献纳入与排除标准

文献纳入与排除标准如下：①纳入语言为英文或中文的文献，排除其他语言的文献；②选择虚拟现实技术的教学应用文献进行分析，排除掉题目中包含虚拟现实技术，但实际是基于二维动画的模拟仿真应用相关文献。如一些医学教育领域研究题目中有“虚拟现实技术”，但实际上使用的是模拟仿真方法；③所选文献必须为基于教学实验的实证研究类文献，研究中必须包含实验组；④文献中的实验样本是小学、中学与高校，排除成人教育或老年教育样本；⑤选择虚拟现实技术的教学应用为理论上唯一变量的文献，若不唯一则排除。例如，对照组是基于多媒体技术的授受型教学，实验组是基于虚拟现实技术的探究型教学，这类实证研究被排除；⑥选择那些使用了试卷、学生表现观察量表、学习成果评价等量表测量学习效果并作为结果变量，且能够提取实验组与对照组的N 值（样本量）、Mean（平均值）和SD（标准差）或能提取实验组与对照组的Mean（平均值）、Sample size（样本量）和Indepedent groups p-value（p值）的实证研究。

本文共搜集国内外182 篇相关研究文献，应用上述6条标准经人工筛选得到31 篇文献，其中中文文献18 篇，外文文献13 篇，共计样本量3 513 个。部分文献示例如表2所示。

Table 1 Specific retrieval method表1 具体检索方式

Table 2 Examples of partial literatures表2 部分文献示例

1.3 文献编码与描述

1.3.1 虚拟现实技术的概念与分类

虚拟现实技术通过交互体验和学习体验两个中介间接影响学习效果，不同类型的虚拟现实技术提供不同沉浸度的体验［18］。虚拟现实技术日趋成熟，其在教育领域的应用类型也不再局限于早期的桌面式虚拟现实技术，目前主要有3 种类型：桌面式（非浸入式）、增强型（半浸入式）和沉浸式（浸入式）。非浸入式虚拟现实系统一般由个人终端呈现虚拟环境，不依赖于其他设备支持，因此又称为桌面式虚拟现实；半浸入式虚拟现实系统是桌面虚拟现实的增强型，提供头部追踪等类似技术以提高用户沉浸感，但依然通过传统的二维显示器显示图像；浸入式虚拟现实系统则通常会需要一些特定的设备让使用者产生较强的浸入感和更自然的交互［19］。本研究依照该标准对实验所使用的虚拟现实技术进行分类。

1.3.2 潜在调节变量

因为存在样本种类单一、数量不足等技术性限制，研究者对虚拟现实技术与学习效果的实证研究难以全面且深入地探究潜在调节变量的影响。因此，本文借助元分析方法的优势，从更大样本空间出发，探究虚拟现实技术与学习效果的关系，并进一步探讨潜在调节变量的调节作用。一般情况下，元分析中的调节变量可分为两大类：情境因素和测量因素。其中，情境因素指与研究中情境相关的因素，涉及组织层及外部环境层面的因素，测量因素指与测量问题有关的因素［20］。

（1）情境因素。对文献进行研究发现，存在以下情境因素：学科、学段、周期及教学方法，这些因素可能会影响虚拟现实技术的教学应用效果。虚拟现实技术在多学科背景下支持特定学科的特定技能［21-22］，即在不同的学科背景下进行虚拟现实技术对教学效果的实证结果可能并不相同，因此学科应当被纳入调节变量并作分析比较。学科类别参考国家学科分类标准一级学科目录，加之对文献集合的原始分析，最终确定为4 类。面对相同虚拟现实技术的使用，不同年龄、不同学段的学生因认知发展存在差异，可能导致不同的学习行为［23］，即学段可能影响虚拟现实技术教学应用效果。本研究将学段纳入调节变量，分为K-12 教育与高等教育，将K-12 教育细化为小学和中学。微软《沉浸式教育体验白皮书》提到，学生在短期内应用虚拟现实技术可以实现快速内化，而长期可能导致疲劳与试图例行公事，因此学习者使用虚拟现实技术的时间长短对学习效果的影响也可能存在不同。根据研究集合以一周、一个月、三个月和一年为时间划分标准。不同的教学方法也可能对虚拟现实技术与学习效果产生影响［13，24］。本文参考袁磊和何克抗的分类［25］，将教学方法分类为：授受型、指导型、支架型和探究型4 种。授受型指教师仅通过讲授方式向学生传递知识、技能；指导型是教师为学生讲授相关知识后，布置相应实操任务，并在任务中给予指导；支架型指教师为学生提供学习支架，让学生在项目或任务中借助支架完成项目或任务以达到教学目标；探究型指教师为学生提供学习环境和资源，学生享有控制负载的权利，学生自己选择学习内容。

（2）测量因素。对所选定样本文献进行分析，发现影响效果测量的因素有两方面：一是测试内容类型，即知识类型；二是测试方式。知识类型一般分为：陈述性知识、程序性知识和策略性知识。对所选定样本文献进行分析发现，大多数虚拟现实技术教学应用效果的实证研究由于各种原因，没有对策略性知识进行测量，部分研究对两种知识类型都进行了测量。因此，本研究将知识类型纳入调节变量，分为陈述性知识和程序性知识，研究仅取分值较大项纳入研究以避免误差。此外，对不同知识的测量也可能因为测量方法出现偏差［26］。学习效果的测量类型分为笔试（试卷）与实验，部分实证研究笔试成绩与实验成绩都作了记录，仅取分值较大项纳入研究以避免误差。

1.3.3 文献编码方式

依照上文对潜在变量进行研究，并对文献作原始文本分析，将纳入本研究的文献编码为：虚拟现实技术类型、学科类型、学段类型、周期、教学方式、知识类型以及测量类型。具体编码情况及文献集合描述如表3所示。

Table 3 Descriptive statistics of literatures表3 文献描述性统计

1.4 数据处理

本文利用软件Excel 进行前期文献整理与编码，使用软件CMA3.3（Comprehensive Meta-Analysis）对数据进行统计分析与调节变量效应检验，即出版偏倚检验、异质性检验与亚组检验。CMA3.3 是一款由众多在元分析领域颇具权威的专家专门为元分析数据处理而共同开发的软件。若文献存在较高异质性，亚组检验则是讨论高异质性成因的必要选择，也是讨论虚拟现实技术对学习效果影响因素的重要步骤。

2 数据分析

2.1 出版偏倚检验

有些文章可能会因为期刊的选择性发表而造成偏误，缺失的文献在统计上被视为缺失值，不可以忽略不计，例如很多结果不显著的文献很难发表，因此用元分析方法时需要进行发表偏倚的检验与分析。元分析不可能穷尽该种类型的文献，因此一定存在偏倚，需分析发表偏倚的检验结果，结果表示该偏倚对进一步分析不存在显著影响即可。

本文首先利用漏斗图检测发表偏倚，漏斗图中点越对称则说明偏倚程度越不显著。其中，中线代表文献的平均效应值。一般而言，文献的样本量越大，点的纵坐标值越高，其效应值也有更大可能性与平均效应值接近；相反，文献的样本量越小，点的纵坐标值越低，误差可能更大，落点也可能趋于更大。如图1 所示，漏斗图中的文献效应值基本围绕平均效应值均匀分布，说明本研究的偏倚程度不会对本研究结果产生显著影响。为了保证研究的科学性，采取Begg 法进行检验，结果显示p=0.061>0.05，显著不偏倚。漏斗图和Begg 检验结果证明，本研究样本不存在显著偏倚。

Fig.1 Funnel plot of bias test图1 偏倚检验漏斗图

2.2 异质性检验

想要判定虚拟现实技术对学生学习效果的整体影响，首先需要进行异质性检验，异质性检验如表4 所示。可以看到，固定效应模型与随机效应模型的效应值分别为0.383 和0.469，二者都大于0，说明不论是在固定效应模型还是随机效应模型下，虚拟现实技术对学习效果的整体影响都是正向的。

Table 4 Heterogeneity test表4 异质性检验

此外，p=0.00<0.05，说明虚拟现实技术对学生学习效果的整体影响是显著正向的。从表4 可以看出，异质性检验中I²=82%（I²>75%）。I²的数值以25%为级差分别代表低、中、高异质性（25%、50%、75%），I²>75%说明存在高异质性［27］，因此在后续分析中将使用随机效应模型下的效应值。

2.3 亚组检验

如表5 所示，增强式、沉浸式和桌面式虚拟现实技术的效应值皆为正值，说明虚拟现实技术对学生学习效果均有正向影响。3 种虚拟仿真现实技术的学习效果依次是沉浸式（SMD=0.862）>增强式（SMD=0.508）>桌面式（SMD=0.371），沉浸式、增强式效果的效应值大于0.5，说明效果明显，而桌面式效果不明显。组间效应值Q=4.118，p>0.05，说明不同类型的虚拟现实技术教学应用效果之间不存在显著差异。

Table 5 Subgroup test表5 亚组检验

虚拟现实技术的教学应用效果在理工类、文史类、医药类和其他学科（艺术、体育和常识教育等）中的效应值皆为正值，说明对学生均有正向影响，其中医药类（SMD=0.721）>理工类（SMD=0.523）>文史类（SMD=0.398）>其他类（SMD=0.289）。组间效应值Q=2.137，p>0.05，这说明虚拟现实技术对不同学科学习效果的影响不存在显著差异。

虚拟现实技术教学应用效果对小学、中学和大学生的效应值皆为正值，说明对学生均有正向影响，其中中学（SMD=0.596）>小学（SMD=0.354）>大学（SMD=0.307）。组间效应值为Q=5.193，p=0.158>0.05，说明虚拟现实技术对不同学段学生的学习效果影响不存在显著差异。

虚拟现实技术在不同周期下对学生学习效果的影响都是显著的，说明对学生均有正向影响，其中周期1～3 月（SMD=0.749）>1 周～1 月（SMD=0.652）>3 月～1 年（SMD=0.466）>1 周以内（SMD=0.365）。组间效应值为Q=4.843，p>0.05，说明使用不同周期的虚拟现实技术对学生学习效果的影响不存在显著差异。

在4 种教学方式下，使用虚拟现实技术对学生学习效果的效应值均为正值，说明对学生均有正向影响，其中授受型（SMD=1.273）>指导型（SMD=0.809）>支架型（SMD=0.367）>探究型（SMD=0.35）。组间效应Q=11.981，p=0.017<0.05，说明不同教学方式下的虚拟现实技术对学生学习效果影响差异极为显著。

虚拟现实技术的教学应用效果对学生学习不同知识类型的效应值都为正值，说明对学生均有正向影响，陈述性知识（SMD=0.571）与程序性知识（SMD=0.535）几乎相等。组间效应值Q=3.973，p>0.05，说明这两种知识类型在虚拟现实技术的帮助下提升差异并不显著。

利用不同的测量方式测量虚拟现实技术对教学效果的影响，效应值均为正向，实验测量（SMD=0.526）>笔试测量（SMD=0.409）。其组间效应值Q=0.488，p>0.05，即不同测量方式下虚拟现实技术对学习效果的影响不存在差异。

2.4 敏感度分析

为了解研究结论与同类型研究结果不同的原因，进行敏感度分析。如表6 所示，去除2019 以后的文章，再次计算效应值，发现虚拟现实技术对学习效果的正向影响程度明显降低，由0.469 降到0.356，即2019-2020 年的6 篇文章影响力较大，且偏正向。

Table 6 Sensitivity analysis表6 敏感度分析

3 研究结论及建议

3.1 结论与讨论

虚拟现实技术对学生学习效果有积极的正向影响，提升效果中等偏上，说明虚拟现实技术能够促进学生学习，提升学生学习效果。不同类型的虚拟现实技术对学生学习效果的影响不存在显著差异，其中沉浸式虚拟现实技术效果最好，增强式也有效果，桌面式效果不明显，可见虚拟现实技术的沉浸感越强，对学习效果的正向影响越大。

虚拟现实技术的不同教学应用方式对学习效果的影响存在极为显著差异，其中授受型、指导型教学方式中的应用效果最好，支架型、探究型教学方式效果不明显。

不同学科、不同学段、应用时间长短、不同类型知识、不同测量方式对虚拟现实技术的学习效果不存在显著差异。其中，在学科方面，医药类和理工类学科应用效果较好；就知识类型而言，虚拟现实技术对两种类型知识的教学都有效果；就学习者而言，对中学生有效果，对小学生与大学生效果不明显；就使用时间长短而言，1～3 月，以及1周～1 个月的应用效果较好；就测量方式而言，实验测量所反映出的学习效果较笔试测量稍显明显。

3.2 讨论

本研究与王雪等［12］、周榕等［17］及李宝敏等［5］的研究结果一致，即虚拟现实技术能提升学生学习效果。笔者认为，这与虚拟现实技术的属性相关。首先，虚拟现实技术在某些危险学习体验或者昂贵体验上的优势十分明显，支持学生能学习原本无法掌握的技能；其次，虚拟现实技术对真实情景的高度仿真性有助于激发学习者学习动机、提高学习者参与度［13，28］；虚拟现实的可视化技术允许学习者直接操作，实现复杂结构交互，有效降低认知负荷，使学习者能够在较短时间内吸收关键信息［29-30］；最后，随着虚拟现实技术向着低成本和大众化方向发展，虚拟现实技术与在线教育相结合，丰富和拓展了学习者的学习资源［31-32］。

在虚拟现实技术教学应用效果影响因素方面，本研究与王雪等［12］、周榕等［17］及李宝敏等［5］的研究结论存在差异。周榕等［17］研究发现，虚拟现实技术辅助教学效果排名为：增强式>桌面式>沉浸式>分布式；王雪等［12］研究发现分布式>完全沉浸式>桌面；教学方式方面，王雪等［12］、李宝敏等［5］未进行相应编码；周榕等［17］研究发现，探究发现法>测试评估法>任务驱动法>讲授法；对于不同的学科，王雪等等［12］未进行编码；而李宝敏等［5］认为虚拟现实技术对学科的正向影响排名为：其他>医学护理>自然科学>信息科学>社会科学；周榕等［17］则认为是文史>艺术>理工。

本研究与其他研究者的结论不一致的原因有以下两方面：一是论文筛选标准不同，本研究仅纳入虚拟现实技术为唯一变量的实证研究，即对照组和实验组都应该被采取相同的教学方法，学习效果不仅仅受到技术或教学方法的影响，技术结合教学方法也会对学习效果产生影响［16，33］，精心设计的没有虚拟仿真现实技术应用的教学，其效果可能会优于仅使用虚拟现实技术的教学［13，24］；二是样本论文筛选检索日期不同，本研究纳入了2019 年度的期刊论文及硕博论文，从表6 的敏感度分析可以看出，2019 年虚拟现实技术教学应用效果的实证研究效果明显，可见随着虚拟现实技术的日渐成熟与深入应用，其对教学效果的影响越来越显著，这可能导致研究结论的不同，也再次证明虚拟现实技术对教学效果影响的必要性。

3.3 虚拟现实技术应用于教学的启示

本文研究结果对虚拟现实技术应用于教学有以下几点启示：

（1）虚拟现实技术具有良好的教学应用前景。研究结果表明，虚拟现实技术对学生的学习效果有正向影响。虽然虚拟现实技术仍没有达到让人能够“完全沉浸”的效果，尚未解决部分用户使用产品时眩晕恶心的“顽疾”［31］，但虚拟现实技术在规避危险、降低成本、反复训练并且能够获得同正常教学一样甚至是更好的教学效果［8，22］。虚拟现实技术的优势在于其沉浸性能帮助学生在情景中共情；其交互性能够提高学生学习参与性，激发学习动机；其想象性能够培养学生的发散性思维与创新能力。虽然部分研究发现虚拟现实技术的教学应用效果不明显［2］，但这不应归咎于虚拟现实技术自身，而是对如何发挥其技术特性以促进教学的研究与实践不足所致。当然任何技术都具有两面性，所有技术应用于教学都应该注意避免技术异化问题。虚拟现实技术和其他教育中“有形的”技术一样，其应用的目标不是替代教师，不是替代真实的实验、实践操作。能动手实操，能与学生产生情感交流仍是教育的首选。技术本身并不能提高学习效果，应找到虚拟现实技术支撑教学下适合的学习行为［34］。只有正确认识虚拟现实技术，才能更加得心应手地利用它。

（2）虚拟现实技术的教学应用要考虑不同使用者的特征。研究结果显示，虚拟现实技术对不同年龄段学生的教学效果影响不存在显著差异，但中学生比小学生和大学生更能接受虚拟现实技术教学，这说明虚拟现实技术更容易激发中学生学习兴趣，在强调实践、实验技能的学科中效果较好。研究表明，身体尚未发育完全的儿童使用虚拟现实头盔，极少数出现了姿势稳定性与立体视力的恶化现象。虚拟现实技术应用于教学前，不仅要考虑其与学习者认知风格等的契合性，也要考虑其对儿童身体健康可能产生的负面影响［35］。

（3）虚拟现实技术的教学应用模式有待需更深入探索。研究结果显示，虚拟现实技术的教学应用周期不宜过短也不宜过长，1～3 个月是比较好的选择。过短则难以让学生对自己探索的结果产生感情，起不到利用感情激励学习的效果。例如，在第二人生虚拟世界中，需要一定时间建立社交关系或者完成一些游戏内的物体建造［36］，而周期过长可能让学生产生倦怠感，学生难免会想要例行公事。因此，教师对于虚拟现实技术的使用周期一定要有所把握。

研究结果还表明，虚拟现实技术相较于传统讲授法优势明显，但是面对支架型和探究型的教学方法并没有大放异彩，在某些特定教学策略或教学方式下使用虚拟现实技术能获得更好的学习效果［13］。这说明目前虚拟现实技术更多应用于辅助课堂讲授中的“实验实践技能重复训练”或者“科学原理的过程模拟”，且提升了教学效果。虚拟现实技术对支持重复性训练和认知任务被证明是行之有效的［37］，但如前文所述，虚拟现实技术的优势与潜力更多在于辅助学生对知识的“建构”，我国国家虚拟仿真实验教学项目更多也是想发挥虚拟现实技术在综合设计实验、创新性实验中的作用。从研究结果可以看到，当前虚拟现实技术并没有与探究型教学模式、支架型教学模式等进行很好的结合，虚拟现实技术的教学应用模式还有待更深入探索。