虚拟现实学习环境对学习成效的影响研究
李萌 胡永斌 王翠如
摘? 要 依托小学安全教育课程，构建虚拟现实和信息化课堂两种学习环境，对50名小学生在虚拟现实课堂和信息化课堂的学习成效进行研究。研究表明，虚拟环境下学习体验的学生在满意度和学习态度、成绩等方面明显优于多媒体学习组，并且没有产生负面影响;虚拟现实教学可以显著地提升动作技能类的学科成绩，有利于操作性内容的学习。
关键词?虚拟现实;小学;安全教育;学习态度;认知负荷;学习满意度;多媒体;信息化课堂
中图分类号：G620? ? 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）13-0062-05
1 引言
2017年，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，明确指出：VR是人工智能的八大关键共性技术之一。虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术的应用对人们社会生活等各方面产生重要影响，尤其在教育上，虚拟现实技术极大地克服了传统教学的时空限制，以一种沉浸式的学习体验来激发学习者的兴趣，促进教学方式的变革。VR教育应用潜力主要体现在探索VR构建的教育学习环境对教学参与者、教学过程及教学方法的影响[1]。国外学者在物理教学中使用VR平台帮助学生更好地学习牛顿运动定律，支持虚拟实验探索力学、重力学规律[2]等。这表明解决需要想象力、创造力以及空间等问题时，VR尤其有用。
2018年，教育部印发《新时代中小学教师职业行为十项准则》，要求增强安全意识，加强安全教育等，表明当前中小学生的安全教育问题比较严峻。目前，安全教育方式以理论讲授和视频观摩为主，缺乏应急演练、实操训练，均采用假想化的脑中场景构建，按照规定好的逃生路线和方法训练，使得学生没有产生真正的危机临场感，安全教育成效也因此“失真”。当然，校园本身具有高脆弱性，新闻案例中诸如地震、火灾等突发安全事件不胜枚举。此外，即使在发生概率低的情况下也应防患于未然，利用虚拟现实技术学习、模拟突发事件情境、实操动作要领，通过反复地操作与训练，加强逃生技能学习。本研究通过学生在VR环境中学习安全知识，探究VR教学课堂的有效性，为今后的虚拟现实走进安全教育课堂提供实证依据。
2 文獻综述
虚拟现实课堂教学应用? 随着虚拟现实设备性能的不断优化，越来越多的研究者开始探究虚拟现实在教学中的应用[3]，如美国的佐治亚州立大学、亚特兰大大学，德国的汉堡大学，奥地利的维也纳工业大学等超过150所高校在Second Life中搭建了虚拟模型并用于教学[4]，其使用效果得到验证。当然，虚拟现实技术的应用同样适用于K-12学校的不同学科领域。如危险的化学实验产品要求相当严格的测试环境，在VR课堂环境下，学生可以安全观察两种刺激物质混合的效果;外语课，借助VR设备可以营造逼真的语境，让学生更为自主、自由地练习;科学课，学生可以借助VR设备遨游太空、观察自然景观，拓展科学认知观。通过沉浸式虚拟环境的实践学习，能够使学生集中注意力，不受外界信息的干扰，以便鼓励他们对不同的情境做出合适的决策[5]。
虚拟现实在安全教育中的应用进展? 目前，虚拟现实的安全教育涉及建筑施工、生产培训、防震、矿工安全领域。在虚拟环境中，受训人员可以感受真实的危险场景模拟。特别是在消防安全培训中，由于行为技能的实操，需要构建设计更多身临其境的模型进行消防安全培训。如通识教育的“消防逃生与救援”、电气专业的“电工应用技术维护”、医学专业的“人体解剖”等都存在一定的风险，如操作不当，容易造成安全事故。通过虚拟现实技术的有效应用，不仅能满足专业教学的需要，还能使学生在虚拟仿真环境中有效提高自己的专业技能。XU[6]建立了一个基于VR的具有烟雾评估能力的火灾训练模拟器，以兰州石化职业技术学院为例，设计开发基于Unity 3D的校园火灾应急演练系统等。研究表明，VR系统可以有效地在危险技能培训中将学员与危险风险隔离开来。虚拟现实作为一种具有适用性、实用性、价值性的工具，在培训方面更加有效，向着成本低、安全性能高的方向发展。
本研究以安全教育为核心，凸显学生使用VR学习的显性价值。首先，VR技术能够完全模拟和仿真现实火灾场景，创建一个足够真实且绝对安全的虚拟火灾环境，有助于学生了解火灾逃生的认知误区和行为习惯;其次，VR环境可以通过调整危险自然灾害的场景进行练习，培养学生在危难情况下所表现出来的应急反应能力，从而为学生提供量身定制的虚拟实战训练;最后，VR技术可以提供逼真的图像和声音讲解等功能，增强学习的趣味性和临场感，允许学生利用VR技术构建学习环境进行积极探索和重复练习。
本研究是针对学生进行实践项目的学习成效研究，实验过程中充分结合学生的学习满意度和学习态度测量指标。其中认知负荷的测量关注虚拟现实应用教学中学生的个体差异性和可适用性。基于以上研究目标，本研究拟提出研究问题：不同的学习环境，学生的学习成效是否会有显著性差异？
3 研究设计
本实验分别对VR学习组和多媒体学习组进行定量实证研究，分析评估学生对VR教学的满意度和学习态度，以及VR技术对学生认知负荷和学习成绩的影响。预通过对火灾逃生安全技能的学习，培养小学生的安全意识和逃生技能。此外，课程结束后，随机抽取10名全程参与本次实验的学生进行20分钟的访谈。
参与对象? 徐州市第三十四中附小的二年级某班的学生，总共50人，男女比例均等。将学生随机分为两组，分别为多媒体学习组和VR体验学习组，每组25名学生。VR体验学习组的25名学生在学习过程中使用VR设备进行操作性学习;多媒体学习组的学生则在信息化课堂上通过多媒体课件学习火灾课程。两个组同时进行实验，实验内容设置一致。
内容选择? 基于二年级学生的背景知识，选择操作性更强的安全教育课程“虚拟现实环境下的火灾逃生”，该内容由深圳市拓扑数字科技有限公司所开发。火灾逃生的内容包括：
表2表明，VR体验式学习组测后得分的调整平均值和标准偏差分别为6.96和2.911，多媒体学习组分别为7.72和3.953。t检验结果显示（t=-0.765，p=0.209>0.05），两组比较差没有统计学意义。也就是说，采用VR学习的学生和采用信息化课堂学习方法学习的学生，认知负荷没有显著性差异，采用VR体验式学习对于学生学习没有产生负面影响。
3）VR学习环境和信息化课堂学习环境对学生学习满意度影响的差异性。为考察VR体验式学习环境和多媒体学习环境对学习满意度方面的影响，本研究通过SPSS分析软件探索两种课堂环境对学习满意度的影响是否存在差异，结果如表3所示。
由表3可知，多媒体学习组学习满意度的均值和标准偏差分别为27.80和5.339，VR体验式学习组分别为34.13和1.116。t检验结果显示（t=5.794，p=0.000<0.001），两组比较差异具有统计学意义。VR体验式学习组的学习态度的均值（Mean）均高于多媒体学习组，两组学生间的满意度存在显著性差异（p<0.05）。因此可以推断出，学生將VR体验式学习当成改变课堂学习活动的方式，提高了学习的满意度。
4）VR学习环境和信息化课堂学习环境对学习成绩影响上的差异性。为考察VR体验式学习环境和多媒体学习环境对学习成绩方面的影响，本研究通过SPSS分析软件探索两种课堂环境对学习成绩的影响是否存在差异，结果如表4所示。
由表4可知，多媒体学习组学习满意度的均值和标准偏差分别为6.83和0.381，VR体验式学习组分别为5.28和0.737。t检验结果显示（t=9.321，p=0.000<0.001），两组比较差异具有统计学意义，说明VR体验式学习组的学习成绩明显高于多媒体学习组的学习成绩。由此可以推断出，在虚拟现实学习环境课堂中，学生的学习效果得到有效增强，主要倾向技能性知识点理解到位，从而学习成绩得到有效提高。
5）访谈结果。访谈以焦点小组的形式进行，时长20分钟。随机从VR体验式学习组抽取10名学生，反馈如下。
①就学习态度而言，大部分学生对在虚拟现实学习环境下学习该项知识持肯定态度，认为掌握火灾逃生的基本知识是有必要的，都很积极学习火灾逃生的相关知识。使用VR体验式学习组的学生表示，虚拟现实学习十分有趣和智能，表示非常喜欢并积极地投入学习。
②就学习方式而言，学生表示：“老师在信息化课堂上口头传授，我对灭火器中有很多步骤都不知道该怎么做，但是虚拟现实操作实践可以让我掌握操作要领。”并且火灾场景太真实，营造出一种逃跑的意境，可有效帮助学生完成安全消防知识的练习，增强活动的趣味性以及对技能的掌握。学生对虚拟环境体验式学习方式非常满意，并且愿意未来依然使用这种方式学习。
③就知识和技能来说，学生很好地掌握了灭火器的使用技巧，同时指出课程的跳转以及语音讲解非常有指引效果。当虚拟现实场景真实感较高时，获得的技能迁移到真实情境中便会使用。大多数学生觉得自己获得最多的是实践操作的部分，比如在突发意外又没办法逃生的情况下，身边只有灭火器，他们对如何正确使用灭火器印象深刻，因为亲自沉浸、互动的习得技能远高于知识层面。有的学生表示，目前科学课程中一些抽象天体或从未见过的太空知识用VR技术呈现将更棒，从而营造更为适合自主探究的学习环境。
4 结论与讨论
VR学习环境对学生学习态度的影响? 将虚拟现实应用于小学课堂，从表1来看，学生在VR学习环境下学习安全知识比在信息化课堂学习环境中的学习态度明显好。此外，通过对学生的访谈记录进行分析，研究表明，使用VR学习的学生的积极性、满意度都很高。相比于信息化课堂，学生认为虚拟现实环境下的体验式学习能让他们更好地学习，表示十分愿意未来的实践课程使用VR技术、资源来呈现。在信息化课堂中，虽然教师有更多的时间详细讲解学习任务，但是学生在面对一些技能性的问题或是实操类技能时难以实践操作;而在VR学习环境中，学生的临场感很强烈，学习热情高涨。
VR学习环境对学生认知负荷的影响? 从表2来看，使用VR上课的学生的认知负荷与信息化课堂没有显著性差异，这就表明学生穿戴VR设备进行学习没有产生额外的学习负担。但有研究表示，使用沉浸式虚拟现实设备学习，后期的学习负担会更重。学生应该期望虚拟现实教学能够减少不必要的认知负荷，能达到最低程度的认知负荷是目前教育研究者所关注的。因而，在进行沉浸性虚拟现实空间环境的构建、学习材料的呈现和组织时，应参考认知负荷理论的相关原则[11]。在充分考虑实验过程中，学生初次接触VR设备，在操作技能上要给予他们足够的时间熟悉虚拟设备，掌握手柄的使用方法，以避免因不熟悉设备给学习带来困扰。
VR学习环境对学生学习满意度的影响? 从表3来看，相较于信息化课堂学习环境，虚拟现实学习环境下学生的学习满意度明显较高。信息化课堂学习环境是传统的知识讲授型课堂，对于知识的传播还是值得肯定的;但是对于危险情境的自我保护、动手操作强的学科，只能让学生达到了解层面，当学生处于真正实践层面，就容易变得手足无措。因此，在一些学科知识的理论层面之上，学生渴望得到实践所带来的“真知识”。虚拟现实学习环境所营造的知识情境、必要的操作要领、知识的系统性，给学生一种情境带入和交互学习的动力支持，自然达到学生对于学习知识呈现的满意效果。当然，选择合适的技术应用于教育实践内容，首先要确保学生对学习过程的满意程度。通过访谈文本分析可得，学生表示：“很喜欢这种学习体验方式，交互性强，更容易掌握动作要领，增强危险时刻的判断动机。”
VR学习环境对学生学习成绩的影响? 从表4来看，相较于信息化课堂学习环境，虚拟现实学习环境对学生学习成绩影响明显较大，其消防知识内容的学习成绩呈显著性差异。这与国外学者研究VR应用于消防安全行为技能现场培训会提供更积极的学习成果相一致。基于技能的虚拟环境学习可以激发学生的学习兴趣，在一些虚拟真实场景中学习的操作性知识掌握良好。这说明一些技能性交互操作使得学生沉浸认知当中，评估学生技能水平的研究比评估知识水平的研究更有效。当然，信息化课堂对于知识类水平的提高可能更为有效，这是值得研究的。本研究认为，将信息化课堂环境与虚拟现实学习环境相结合，未来可能更有助于教育教学，因此，在评估学习成绩的影响时要充分考虑知识类、技能类、迁移类等基本影响成绩评估的因素。
5 结语
本研究采用问卷和访谈法，从学习态度、认知负荷、学习满意度和学习成绩四个维度对虚拟现实学习环境与信息化课堂学习环境进行比较，得到研究结论：虚拟现实环境对学生学习态度、学习满意度的影响有显著性影响;虚拟现实学习环境下呈现的动作实践知识的学习效果明显优于信息化课堂的学习效果;学生初次使用VR设备的认知负荷低。本次实验作为预实验走进课堂，分析此次实验中的问题，总结经验，因为实验教学的成败，直接影响实验课效果[12]。
在未来，笔者计划将这种方法应用到其他的课程内容教学中，考虑更多的因素，如协作、交流、学习动机等个人特性方面。此外，本研究只进行了一次VR模拟实验，就立即评估了学习效果，未来的研究还应寻求学生学习过程的主观和客观因素相结合，以便深入探索VR应用于教育教学的效果。
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