VR和情绪诱发对学习影响的脑机制及优化策略研究

□王 雪 牛玉洁 贾薪卉 刘伊祉兰 兰翠玲

一、引言

2023年，中共中央、国务院印发《数字中国建设整体布局规划》，明确提出建设数字中国是数字时代推进中国式现代化的重要引擎，是构筑国家竞争新优势的有力支撑。以人工智能（Artificial Intelligence，AI）、虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、元宇宙（Metaverse）等为代表的一系列前沿技术既是当今研究和教育实践领域的热点问题，也是数字中国建设的新基础设施（雒亮，等，2022；翟雪松，等，2023a）。其中，因VR 技术的不断发展完善，VR 设备和资源成本的不断降低，以及VR环境的高沉浸、高感知和高互动性，使得VR 技术在教育教学中的应用也越来越广泛，成为教育数字化建设的重要组成部分。

然而，当前关于VR 技术能否促进学习体验与效果的研究结论仍不统一（刘勇，等，2023；王雪，等，2019；朱绎霏，等，2023）。如何依据学习者在VR 环境下的认知规律尤其是大脑认知规律，设计并使用适当的教学和学习策略，将VR 技术的特点与教育教学的实际需求深度融合，是亟待解决的现实问题（高明，等，2022）。有研究发现，学习者在VR 情境下的情绪体验对学习效果具有重要影响（沈夏林，等，2020），积极的情绪状态可以通过提高动机（侯冠华，等，2023）、增强自信心（Immordino-Yang，et al.，2007）、提高创造力（He，2023），最终促进学习（陈佳雪，等，2018）。情绪诱发作为一种外在的学习干预策略，已经被证实对提升情绪和学习的有效性（Park，et al.，2015），但大多被应用于真实的教学情境，还鲜有研究将其应用于VR 虚拟教学情境，对于融入情绪诱发策略后的VR情境下的学习者认知规律问题更是缺乏深入探索。

因此，本研究尝试将探究VR 环境下的脑认知规律视角和探究设计使用适当的VR 学习策略视角有机融合。首先，将情绪诱发策略融入VR 学习来激发学习者的积极情绪；其次，借助EEG（Electroencephalogram，EEG）技术追踪学习者的大脑认知过程，探究VR 学习以及融入情绪诱发后的VR 学习的脑机制问题；最后，提炼出VR 教育应用的优化策略，以期为VR 环境下的大脑认知规律探索及VR 教育应用的良性发展提供参考和借鉴，从而进一步推动高质量的教育数字化转型以及数字中国建设。

二、文献综述

（一）VR 教育应用的相关研究

VR 可提供个性化与真实化的教育活动实施场景再现（杨晓哲，等，2019），形象生动呈现教学信息，支持情境学习，提供知识建构场域，实现多样化交互。近年来，一部分研究发现在教学中使用VR 技术确实能够促进学习，具体表现为提高学习者的学习成绩（毛耀忠，等，2023）和知识迁移效果（Dalgarno，et al.，2010），改善学习过程中的情感体验（高楠，等，2023）和共情水平（王浩，等，2023），提升学生的空间推理技能（柳瑞雪，等，2022）等。但也有研究对VR教育应用的有效性提出质疑，认为VR 环境会给学习者带来较高的认知负荷，降低了学习动机，进而使学习者获得知识的量减少（Makransky，et al.，2019）。可见，VR 技术的应用不一定能改善学习。有研究进一步发现，学习者的情绪体验是VR 环境学习成效的重要影响因素（Benedek，et al.，2014）。根据多媒体学习认知情感理论（Moreno，2005，2006），情感因素会通过增加或减少认知因素来影响学习，合适的情感状态能够驱使学习者投入更多的认知资源主动加工学习信息。因此，学习者情感体验的唤醒程度不同，VR 学习效果也有所不同（张慕华，等，2022）。

除此之外，明确VR 技术如何影响学习，即VR学习的认知机制是有效设计和使用VR 学习资源的关键问题。随着生理测量技术的发展，研究者开始借助眼动追踪、脑电等生理指标测量技术深入探究VR情境下的认知机制。刘妍等（2021）使用眼动技术探究VR 环境对深度投入的作用机制，发现在VR 环境下视听感官体验越强烈、学习体验区别越大、情感投入越多、越能提升学业成绩。巴切维丘特等（Baceviciute，et al.，2022）使用眼动和脑电技术探究VR 环境下的冗余原理，即在两个不同的感觉通道（听觉和视觉）上同时呈现相同的信息会导致认知超载并可能妨碍学习（Mayer，2021），结果表明参与者确实在冗余信息处理上投入了更多的脑认知资源。周圣雄（2021）使用脑电技术探究VR 游戏对认知能力的影响，研究表明游戏对注意认知和决策认知有促进作用。然而，由于VR 与生理测量技术的结合尚在发展当中，受技术等问题的限制，相关研究数量较少，VR环境下的脑认知规律仍有待深入探索。探究VR 环境下学习的脑机制具有深远的意义，一方面可拓展人类在新技术环境下的学习规律，促进认知科学向前发展；另一方面可为设计符合VR 环境下人类大脑认知规律的VR 学习资源和VR 教学策略提供科学依据，真正实现“以学习者为中心”的VR 教育应用。

（二）情绪诱发策略及其教育应用的相关研究

情绪可以影响人的工作记忆，并进一步影响选择、组织、整合等认知功能（Ashby，et al.，1999；Fredrickson，et al.，2001）。当学习者处于积极情绪状态时，会更加重视某项活动的享乐结果，更迫切地需要通过采取某种行动来维持或提高当前的愉悦情绪，因而会投入更多的努力（Wegener，et al.，1994）。当学习者处于消极情绪状态时，则会引发解决麻烦的动机，也能够促进其在严肃重要任务中的表现（Friedman，et al.，2007）。有研究进一步发现，积极情绪能激活学习者长时记忆中更多的先前知识，从而帮助学习者产生更广泛的联结，获得更丰富、更多样化的信息（Isen，et al.，1985）。因此，通过适当的手段调节和干预学习者的情绪状态对学习投入和学习成效都有积极作用。

情绪诱发是一种情绪干预手段，是指运用心理学的方法，通过一系列程序（如，展示情绪材料或模拟情绪性情景等）来诱发个体产生特定情绪状态的过程（郑璞，等，2012）。在教育领域，应用情绪诱发策略能够在一定程度上促进学习者的多媒体学习效果（陈佳雪，等，2018）。常见的情绪诱发方法包括图片、音乐、电影、回忆和游戏等（谢韵梓，等，2016）。其中，游戏是一种行之有效的情绪诱发手段，且已有研究对教育游戏能否诱发学习者的积极情绪做出尝试（马颖峰，等，2017）。例如，张月香等（2013）使用三款不同类型的教育游戏诱发学业情绪，发现成就目标与学业情绪存在不同程度的相关关系；发表在Nature杂志上的一项研究发现，在电子游戏中，人脑的纹状体会释放内源性多巴胺，多巴胺能性神经传递与学习、注意、感觉有关（Koepp，et al.，1998）。但还未有研究将情绪诱发策略应用于VR 学习中，对情绪诱发策略如何影响VR 学习的机制问题也缺乏深入探索。

（三）不同脑区和波段的EEG 信号及相关研究

EEG 信号是使用电生理指标来反映大脑活动的数据，从频域上看可以分为Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma 五个波，但Delta 波主要在极度疲劳和嗜睡状态下出现，而Theta 波在精神病患者或普通成人感到严重挫败时出现（王忠民，等，2022；翟雪松，等，2023b），在学习场景中不易出现，Alpha、Beta、Gamma 波能够在一定程度上反映学习者的认知情况与情绪状态。近年来国内外研究者们开始借助EEG 采集和分析技术检测学习者在各类技术情境（包括VR）下的大脑认知过程与规律。Alpha 波与注意力和放松程度有关，产生于自上而下的注意力高度集中的任务当中（Benedek，et al.，2014），一项研究分析了学习者使用的VR 系统和传统的2D 桌面完成空间导航任务时的脑认知活动差异，发现学习者使用VR 系统时产生了更多与任务相关的Alpha 波的变化（Kober，et al.，2012）。Beta 波与视觉注意相关（Wróbel，2000），有研究发现与使用2D 学习材料相比，学习者使用VR 材料学习时大脑的Beta 波活动更大（Schubring，et al.，2020），反映了更高程度的视觉注意。Gamma 波的变化与快乐和悲伤的情绪有关（Park，et al.，2011）。有学者（Wang，et al.，2023）为探究VR 对创造力表现和沉浸感的影响，让学生使用VR 和教学PPT 分别开展创造性活动，结果发现学习者的VR 学习与Gamma 脑电波活动显著相关。

根据国际10-20 脑电系统，大脑主要分为中央、额叶、顶叶、左颞叶、右颞叶、枕叶6 个区域（王斌，等，2022），与人类的情绪和认知等活动相关。例如，额叶与情绪有关，左前额叶皮层区域专门负责积极情绪的体验和表达，或接近动机，而右前额叶皮层区域涉及消极情绪的体验和表达，或退缩动机（Davidson，et al.，2000；Heller，et al.，1993）；额叶中间部位通常用于研究情绪反应（Bos，et al.，2006；Chen，et al.，2015）。前额叶与元认知加工有关（丛佩瑶，等，2022）。右侧顶叶皮层在调节情感处理（Schutter，et al.，2001；Smith，et al.，1987）和情绪唤醒中发挥作用。数学学习中数字的语义编码向顶叶皮质汇聚，形状编码向双侧枕颞皮质汇聚（Piazza，et al.，2016）。左颞叶前区在听觉语言感知方面起一定作用（Matsumoto，et al.，2011），且左侧颞上回参与单词理解的加工（Roux，et al.，2015）。

总的来说，Alpha、Beta、Gamma 波段能够更多反映学习过程中的脑认知和情绪特征，且与认知行为相关性更为突出的脑区是额叶、顶叶、枕叶等；与情绪更相关的是额叶、颞叶、顶叶等脑区。

（四）述评与研究问题的提出

综上，VR 对学习的影响结论尚未统一，情绪是影响VR 学习动机和效果的重要因素，VR 的学习机制尤其是脑机制仍需进一步深入探索；游戏作为一种有效的情绪诱发策略能够激发学习者的情绪，但少有研究将游戏作为情绪诱发策略应用于VR 学习当中，更缺乏对情绪诱发策略如何影响VR 学习的深入探究；EEG 技术作为一种客观测量工具，可为探究VR学习中认知和情绪的脑机制提供有效的技术手段。

因此，本研究以游戏作为情绪诱发策略引入VR学习中，借助EEG 设备和相关测量工具，深入探讨VR和情绪诱发策略对学习影响的脑机制问题，将解决以下四个研究问题：

问题1：VR 及VR 融入情绪诱发对学习者的脑波有何影响？

问题2：VR 及VR 融入情绪诱发对学习者的情绪状态有何影响？

问题3：VR 及VR 融入情绪诱发对学习者的学习动机和学习效果有何影响？

问题4：学习者的脑波与情绪状态、学习动机和学习效果的关联机制是什么？

三、方法

（一）实验设计与被试

研究采用单因素被试间实验设计，共包括三个实验分组：VR 融入情绪诱发组、VR 组和视频组（控制组）。自变量为学习者的学习方式（融入情绪诱发策略的VR 学习、VR 学习以及视频学习），因变量包括学习者的脑波信号、情绪状态、学习动机与学习效果，控制变量为与学习内容相关的先前知识水平。

从天津市某大学招募被试92 人，去除先前知识水平较高以及脑波数据测量中断的被试13 人，最终保留79 人（男生11 人，女生68 人，年龄在17 至29岁之间），将男生和女生分别随机分配至三个实验组中，每组被试分别为26 或27 人。

（二）学习材料与情绪诱发游戏

1.学习材料

本研究的学习材料选自极倍信息科技（上海）有限公司的学习资源库中的化学课程--《结构异构》，主要内容为结构异构的概念、应用及性质，具有交互功能，如，学习者可消除化学原子间的化学键、完成选择题、添加氢原子等。此课程具有桌面式VR 和视频两个版本（见图1），学习内容和交互功能完全一致，仅呈现方式和交互方式不同。被试可直接观看视频版学习材料，通过鼠标完成交互功能；被试使用桌面式VR 版本学习材料时，则需佩戴配套的3D 眼镜，使用配套的激光笔完成交互功能，将获得沉浸于化学分子世界并与之互动的虚拟现实场景体验。

图1 学习材料

2.情绪诱发游戏

本研究使用的情绪诱发游戏命名为“化了个化”，使用Java 语言开发，仅供VR 融入情绪诱发组的学习者在VR 学习前使用，用于激发他们的积极情绪。有研究表明使用圆形与拟人化的面部表情符号来呈现信息，能够诱发学习者产生积极的情感反应（Mayer，et al.，2014；Wang，et al.，2023）。同时，也有研究发现游戏带来的高参与度和情感投入也可以诱发学习者的积极情绪状态（Ninaus，et al.，2019）。结合上述研究发现，本研究从视觉呈现和游戏机制两方面诱发学习者的积极情绪：在游戏中的化学原子的圆形中进一步添加拟人化表情，赋予情感元素，直观上给予学习者愉悦的感受（如图2a）；玩游戏时每点击一张图片才会露出下一层图片，同时该图片将存储于下方木筐中，若木筐中存在三张相同的图片则将之消除，若下方存放图片超过7 个则会触发游戏失败，学习者每点击一个图片都需要经过严密的思考，时刻激发学习者的胜负欲，调动学习者的积极情绪（如图2b）。

图2 情绪诱发游戏

（三）实验测量工具及变量

本研究使用的实验测量工具如表1所示。

表1 实验测量工具及功能

（四）实验流程

实验流程主要包括以下步骤（见图3）：

图3 实验流程

实验前：被试在主试的引导下进入实验室，并填写人口学信息统计与先前知识测验问卷，随后被随机分配到三个实验组中。

实验中：（1）主试为被试佩戴脑电仪；（2）随后VR融入情绪诱发组的被试先使用电脑玩情绪诱发游戏，其他两组跳过此步骤；（3）被试填写情绪前测问卷；（4）被试学习对应的实验材料并完成包含的交互任务，脑电仪同时记录被试的脑波信号；（5）被试填写情绪后测问卷。

实验后：被试完成学习后，填写学习动机量表并完成学习效果测试。

四、数据分析

（一）脑波数据分析

根据前述的与VR 情境下学习有关的脑区及脑波类型，本研究导出前中央、额叶、顶叶、左颞叶、右颞叶、枕叶6 个脑区的Alpha、Beta、Gamma 三种脑波数据，探究VR 学习及融入情绪诱发策略的VR 学习的脑机制问题。总的来说，学习者的Alpha、Beta、Gamma 波呈现出一致的规律，即均在枕叶区表现最为活跃，在左右侧颞叶和额叶区也较为活跃，在前中央区则表现得最为稳定和不活跃，如图4所示。

图4 脑波总体情况

由于人类个体大脑认知加工存在差异，三组的各项脑波数据不具备正态分布特征，因此使用非参数检验（Kruskal-Wallis H Test）分析三组间的差异。三组被试的各项脑波指标的中位值（Me）、四分位距（IQR）如表2所示。

表2 脑波描述性分析结果（Me±IQR）

图5所示的各脑区的三种脑波非参数检验分析结果表明，除了左右侧颞叶区域的Alpha 波以及顶叶区域的Alpha 波和Beta 波之外，其余各项脑波指标均存在显著的组间差异，且在活跃度上均为VR融入情绪诱发组高于VR 组和视频组。

图5 各脑区的三种脑波非参数检验分析

对于各脑区的Alpha 波来说：前中央区的VR融入情绪诱发组显著高于VR 组（p=0.042）；额叶区的VR 融入情绪诱发组显著高于VR 组（p=0.009），边缘显著高于视频组（p=0.052）；枕叶区的VR 融入情绪诱发组、VR 组分别显著和边缘显著高于视频组（p=0.003；p=0.060）。Alpha 波主要在人类处于放松状态时出现（应鑫，2022），说明VR 融入情绪诱发组的学习者比VR 组和视频组更为放松。

对于各脑区的Beta 波来说：前中央区的VR 融入情绪诱发组显著高于VR 组（p=0.040）；额叶区的VR 融入情绪诱发组显著高于VR 组（p=0.009），边缘显著高于视频组（p=0.052）；左侧颞叶区的VR 融入情绪诱发组显著高于VR 组（p=0.039）；右侧颞叶区的VR 融入情绪诱发组显著高于视频组（p=0.023）；枕叶区的VR 融入情绪诱发组和VR 组都显著高于视频组（p=0.016；p=0.045）。Beta 波主要产生于人类的思维高度集中时（李含雨，2022），说明VR 融入情绪诱发组的学习者比VR 组和视频组的思维更为活跃。

对于各脑区的Gamma 波来说：前中央区的VR融入情绪诱发组边缘显著高于VR 组（p=0.099），显著高于视频组（p=0.019）；额叶区的VR 融入情绪诱发组边缘显著高于VR 组（p=0.051）；左侧颞叶区的VR 融入情绪诱发组显著高于VR 组和视频组（p=0.040；p=0.013）；右侧颞叶区的VR 融入情绪诱发组显著高于视频组（p=0.008）；顶叶区的VR 融入情绪诱发组显著高于视频组（p=0.011）；枕叶区的VR 融入情绪诱发组和VR 组都边缘显著高于视频组（p=0.064；p=0.050）。Gamma 波与人类的认知记忆等活动密切相关（荀兴苗，2021），说明VR 融入情绪诱发组的学习者与VR组和视频组的相比产生了更多的认知记忆加工。

三组的脑波地形图如图6所示。总的来说，VR组和VR 融入情绪诱发组的Alpha 波、Beta 波、Gamma 波均在枕叶区有强烈的平均功率谱能量，在额叶、双侧颞叶区有较强的平均功率谱能量，且VR 融入情绪诱发组的脑波能量高于VR 组和视频组，VR组的脑波能量也高于视频组。

（二）情绪、学习动机与学习效果数据分析

三组被试的情绪、学习动机和学习效果的各项数据符合正态分布，其平均值及标准差如表3所示。

表3 三组被试的情绪、学习动机及学习效果数据（M±SD）

首先，前测积极情绪具有显著的组间差异，VR融入情绪诱发组显著高于视频组（p=0.006），也显著高于VR 组（p=0.036）；但前测消极情绪以及后测积极、消极情绪都没有显著的组间差异。

其次，内部动机水平具有边缘显著的组间差异，VR 融入情绪诱发组边缘显著和显著高于VR 组、视频组（p=0.077；p=0.039）；外部动机水平不具有显著的组间差异。

最后，迁移测试成绩具有显著的组间差异，VR融入情绪诱发组显著高于VR 组与视频组（p=0.036；p＜0.001），VR 组也显著高于视频组（p=0.012）；保持测试成绩上，VR 融入情绪诱发组高于视频组和VR组，但没有达到统计学意义上的显著差异。

（三）学习者的脑波与情绪、学习动机和学习效果的相关性分析

为了深入分析学习者各脑区的不同类型脑波与学习者情绪状态、学习动机和学习结果的关联规律，对脑波数据与其他各项数据之间的相关性进行分析，发现如下规律。

脑波数据与情绪状态之间的相关性：学习者的前测积极情绪与其右侧颞叶的Beta 波及前中央、左侧颞叶、右侧颞叶的Gamma 波显著正向相关（r=0.284，p=0.011；r=0.267，p=0.017；r=0.264，p=0.019；r=0.296，p=0.008），后测积极情绪与左侧颞叶的Gamma 波显著正向相关（r=0.260，p=0.021）。

脑波数据与学习动机之间的相关性：学习者的外部动机水平与其左侧颞叶和右侧颞叶的Beta 波、Gamma 波显著正向相关（r=0.247，p=0.028；r=0.247，p=0.028；r=0.267，p=0.017；r=227，p=0.044）。

脑波数据与学习效果之间的相关性：学习者的迁移测试成绩与其前中央的Beta 波、Gamma 波显著正向相关（r=0.324，p=0.004；r=0.234，p=0.038）。

五、综合讨论

（一）VR 及VR 融入情绪诱发对学习者的脑波有何影响？

第一，学习者的Alpha 波、Beta 波、Gamma 波在不同脑区的变化规律呈现出一致性，即三种类型的脑波均在枕叶区最为活跃，在额叶和左、右侧颞叶区也较为活跃。与郭鑫（2022）研究发现的Alpha 波在额叶和枕叶、Beta 波在枕叶的神经震荡较为明显，以及林荣棋（2021）研究发现的枕叶Gamma 波在学习者记忆、编码期间持续性活跃的研究结论一致。

第二，VR 组学习者枕叶的Alpha 波、Beta 波和Gamma 波均显著或边缘显著高于视频组，这表明在VR 环境下学习，学习者的枕叶区域的Alpha、Beta、Gamma 脑波活跃度更高。这是因为枕叶作为视觉皮质中枢主要负责视觉处理，VR 学习环境通过更为沉浸立体的视觉呈现给学习者带来了更多的视觉刺激（徐桂芝，等，2018），因此调动了与视觉处理相关的脑区的更多加工。其中，Alpha 波段主要与放松度有关（Alarcao，et al.，2017），表明VR 学习增加了学习者的放松度和愉悦程度；Beta 波与积极思考、注意力程度有关（都俊朕，等，2022），表明VR 学习促进了学习者的积极思考，同时提高了学习者的注意力；Gamma 波则主要对应高级认知（钱浩悦，等，2018），表明VR 学习提高了学习者信息加工中的高级认知水平。综上，VR 组与视频组的脑波差异情况一定程度上揭示了学习者在VR 情境下学习的脑机制。

第三，将情绪诱发策略融入VR 学习时，学习者的大脑认知又发生了新的变化规律。VR 融入情绪诱发组在前中央、额叶区的Alpha 和Beta 波都显著高于VR 组，在前中央、额叶、左侧颞叶区域的Gamma波也显著或边缘显著高于VR 组。VR 融入情绪诱发组在枕叶和额叶区域的Alpha 波显著或边缘显著高于视频组，在右侧颞叶、枕叶和额叶区域的Beta 波显著或边缘显著高于视频组，在前中央、双侧颞叶、顶叶、枕叶区域的Gamma 波均显著或边缘显著高于视频组。总的来说，以游戏作为VR 学习的情绪诱发策略，学习者在后续学习时额叶和枕叶区域的Alpha波、额叶区域的Beta 波、右侧颞叶区域的Gamma 波的活跃度都显著提高。原因可能是通过情绪诱发策略增加了学习者VR 学习时的放松度，促进学习者积极思考的同时提高了其注意力，与戴维森（Davidson，2000）和陈朋等（2018）关于情绪诱发策略与脑区活动相关的结论一致。并且，由于右侧颞叶的Gamma 波段的变化主要与快乐的情绪有关（梁明晶，2022），这说明情绪诱发策略融入VR 学习后确实提高了学习者VR 学习时的积极情绪。综上，VR融入情绪诱发组与VR 组和视频组的脑波差异情况也在一定程度上揭示了情绪诱发策略影响VR 学习的脑认知规律。

（二）VR 及VR 融入情绪诱发对学习者的情绪状态有何影响？

本研究发现VR 融入情绪诱发组学习者的前测积极情绪显著高于VR 组和视频组，但是三组的前测消极情绪和后测积极、消极情绪都不存在显著差异。这表明游戏作为一种情绪诱发策略可以诱发学习者的积极情绪，这与马颖峰等（2017）的研究结论一致。然而，诱发的积极情绪没有延续到VR 学习结束之后，且学习者仅使用VR 学习时也不能获得积极的情绪体验。结合上述的脑波分析结果，经由情绪诱发策略干预的学习者在VR 学习时与快乐情绪相关的右侧颞叶的Gamma 波显著更活跃，表明学习者在学习过程中确实处于更积极的情绪状态当中，只不过在学习结束后的情绪测量采用主观报告方式，此种方式主观性较强，有可能因学习结束后学习者的疲惫感等影响测量结果的准确性。

（三）VR 及VR 融入情绪诱发对学习者的学习动机和学习效果有何影响？

在学习动机上，VR 组与视频组的内部动机水平无显著性差异，但VR 融入情绪诱发组的内部动机水平显著高于VR 组和视频组，且三组间的外部动机水平也不具有显著的组间差异。这表明，VR 学习环境并没有帮助学习者获得更高的内外部学习动机，但当在VR 学习前融入情绪诱发策略时，帮助学习者获得了更高水平的内部学习动机，这与张为忠等（2022）的研究结论一致。这是因为VR 融入情绪诱发组学习者在学习开始前已经处于积极的情绪状态，且在学习过程中与积极情绪相关的大脑右侧颞叶的Gamma 波也更为活跃，而积极情绪与学习动机存在相互促进的关系（王雪，等，2020），积极的情绪状态帮助学习者产生了更高的内部动机水平。

在学习效果上，VR 组和VR 融入情绪诱发组的迁移测试成绩均显著高于视频组，表明学习者在VR情境下能够取得更好的学习效果，这或许是因为VR设备和资源营造出的身临其境的虚拟世界和更为逼真的交互体验，帮助学习者建立起更多的与其内在认知的联系，产生了深度的认知加工，最终获得了更好的迁移应用效果（Price，et al.，2021）。另外，更重要的是本研究还发现VR 融入情绪诱发组学习者的迁移测试成绩显著高于VR 组，这表明使用情绪诱发游戏作为情绪诱发策略是一种有效的VR 学习干预策略，其诱发的学习者的积极情绪状态可转化为更高水平的内部动机，帮助学习者主动自发地参与学习活动，投入更多的认知加工资源，从而获得了更好的学习效果。

由上述分析可见，在教学中运用VR 技术不一定会帮助学习者获得更高的动机水平和更好的学习效果，但融入适当的学习干预策略（如情绪诱发策略）后能够促进学习者获得更为积极的情绪状态、产生更高水平的学习动机，进而促进学习者深度加工和理解学习内容、发生有意义的学习。

（四）学习者的脑波与情绪状态、学习动机和学习效果的关联机制是什么？

学习者的前测积极情绪与右侧颞叶的Beta 波和双侧颞叶、前中央的Gamma 波正向相关，后测积极情绪与左侧颞叶的Gamma 波正向相关，这表明积极情绪与颞叶、前中央的脑波活动密切相关，且Beta与Gamma 波更能表现能量波动较大的积极情绪（苗敏敏，等，2021；王忠民，等，2021）。因此，更容易表现出学习者情绪状态的脑波指标为颞叶、前中央的Beta波、Gamma 波，可为后续的相关研究提供一定的参考。

学习者的外部动机水平与颞叶的Beta 波、Gamma 波有正向相关性，即颞叶区的Beta 波与Gamma波越活跃、学习者的外部动机水平就越高，这与乔志梅等（2005）的研究结论一致。因此，颞叶的Beta 波、Gamma 波的活跃程度更易表现出学习者的学习动机水平，可作为学习过程中学习动机的脑波指标表征。

学习者的迁移测试成绩与前中央的脑波有正向相关关系，这与鲍曼等（Bowman，et al.，2018）研究结果一致。且本研究还进一步发现学习者的迁移测试成绩与前中央的Beta 波、Gamma 波正向相关，即前中央的Beta 波与Gamma 波越活跃，学习者的学习效果越好，这说明前中央的Beta 波与Gamma 波对学习效果具有促进作用。因此，可以认为大脑前中央的脑波活动对记忆整合与概念学习等认知过程非常重要。

综上所述，颞叶、前中央区域的Beta 波、Gamma波越活跃，学习者的情绪状态越积极、学习动机水平越高、学习效果也越好。如前所述，学习者的学习动机与情绪密切相关，二者存在相互促进的关系，也可称为情绪即动机（邹吉林，等，2011），二者能够共同促进学习效果的提升。

六、总结与展望

本研究创新性地将游戏作为情绪诱发策略融入VR 学习中，借助EEG 设备和相关测量工具，深入探讨VR 学习和融入情绪诱发策略的VR 学习的脑机制问题，依据研究发现，总结出如下VR 教育应用的优化策略和使用EEG 技术开展脑机制研究的建议，以期为VR 环境下的大脑认知规律探索及VR 教育应用的良性发展提供参考，从而为我国教育元宇宙的发展乃至高质量的数字中国建设贡献力量。

首先，乐学始于善诱--在VR 学习前运用合理的情绪诱发策略，诱发学习者带着积极的情绪开始学习。本研究使用游戏作为情绪诱发的手段，并成功诱发了学习者在VR 学习前的积极情绪，学习过程中与积极情绪相关的脑波活跃度更高，学习动机和学习成绩也显著更高，但学习结束后的情绪后测没有显示出更高的积极情绪。因此，一方面后续研究可采用更为灵敏的情绪测量方法；另一方面后续的VR 教学可以使用多种类型的游戏来诱发学习者的积极情绪，本研究使用的为益智类的游戏，除此之外还可使用角色扮演类、动作类（竞速游戏、射击游戏、音乐游戏、动作冒险类等）、策略类（塔防类、棋牌战略类、即时策略类）和模拟类等，游戏的形式可以是合作或者竞争。另外还可依据实际情况尝试采用更为丰富适合的情绪诱发手段，例如，使用情绪性的图片、音频、电影片段、阅读文本等方式，激发学习者产生更为持久的积极情绪。

其次，善学成于动机--对VR 学习资源进行情绪设计，帮助学习者处于持续稳定的积极情绪状态、维持较高的学习动机水平、进而获得更好的学习效果。本研究中VR 组与视频组的情绪状态和学习动机都没有显著差异，导致VR 学习方式也未能帮助学习者全面提高学习效果。因此，可通过情绪设计的方法增加VR 学习资源的情感温度，例如，使用暖色、拟人化表情的图片，含有积极词语的文本，温暖、鼓励性的声音，来表现教学内容和提供交互反馈功能等，帮助学习者与VR 学习内容和活动产生情感连结，在学习过程中以及学习结束后也能持续保持良好的情绪状态和动机水平，通过“乐”中学达到善学的最终目标。

最后，高效率的学习有赖于大脑工作的底层逻辑--教育者和研究者还应持续深入探索VR 学习的脑认知规律，以脑为导向促进VR 情境下的高效学习。本研究对于VR 学习及融入情绪诱发策略后的VR 学习的脑机制探索发现了一些大脑工作的机理：VR 组学习者枕叶区域的Alpha 波、Beta 波和Gamma波均会显著提升；以游戏作为VR 学习的情绪诱发策略，学习者在后续学习时额叶和枕叶区域的Alpha波、额叶区域的Beta 波、右侧颞叶区域的Gamma 波的活跃度都有显著提高；学习者颞叶和前中央区域的Beta 波、Gamma 波越活跃，情绪状态越积极、学习动机水平越高、学习效果也越好。这些发现既为使用情绪诱发策略改善学习者VR 学习情绪体验和效果提供了脑机制方面的证据，又为VR 情境下学习的脑机制探索、打破教育学与神经科学之间的交流障碍提供了研究案例，最终可为促进学习者在新技术环境下的大脑认知发展以及高效学习提供更多可能性。