虚拟实验对学生学习效果的影响研究
刘清堂 马晶晶 余舒凡 乐惠骁 吴林静
【摘要】虚拟实验以低成本、强交互、超时空和安全性高等优势在教育领域得到广泛应用。国内外学者开展大量实验和准实验研究，探索虚拟实验对学习效果的影响，结果却不尽相同。鉴于此，本研究利用元分析方法，对国际英文期刊发表的30项虚拟实验教育应用的实验与准实验研究进行系统综述，系统审查虚拟实验对学生学习效果的影响。研究发现：①样本合并效应值为0.46，表明虚拟实验对学习产生中等程度积极影响;②从学段看，虚拟实验对中学生的学习影响效果更大;③从学科看，虚拟实验对社会科学及医学等学科的影响更大;④从班级规模看，虚拟实验适合大规模课堂;⑤从实验周期看，实验持续1～10周效果更好;⑥从呈现形式看，桌面式虚拟实验对学习的影响更大。基于此，本研究从虚拟实验的设计、开展和评价三方面提出相关建议。
【关键词】? 虚拟实验;学习效果;虚拟现实技术;元分析;系统分析;影响效果;教育现代化;教育技术
【中图分类号】? G434? ? ? ?【文献标识码】? A? ? ? ?【文章编号】? 1009-458x（2021）1-0008-10
一、引言
虚拟实验（Virtual Experiment）是随着计算机技术的发展而兴起的一种实验形式，20世纪90年代早期，虚拟实验开始被引入K-12和高等教育，其项目包括科学空间、原子世界和细胞生物学等（Youngblut， 1998）。虚拟实验具有低成本、超时空、强交互、安全性高等特点，为改善传统实验的硬件条件、辅助实验教学提供了解决方案，在教育领域受到广泛关注（朱敏， 2006）。早在2008年，以我国科技部为依托的“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用”相关计划正式启动，推动虚拟实验的开发、评价、管理等向前迈进。2019年2月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）》指出要通过建设、开发国家虚拟仿真实验教学项目推动我国教育信息化发展。目前有越来越多的学校将虚拟实验引入课堂教学，其对学生学习效果的影响引发相关学者的关注并展开了文獻研究，如休和张（Hew & Cheung， 2010）以K-12和高等教育（主要是理工学院）为背景对15篇虚拟实验研究文献进行了系统综述，总结了虚拟实验的教育应用主题，但其所审查的研究大多是描述性的。麦钱特等人（Merchant， et al.， 2014）将基于虚拟实验的应用环境分为游戏、模拟和虚拟三种类别，对2011年之前的13项游戏环境、29项模拟环境和27项虚拟环境在K-12和高等教育的实证研究分别进行了元分析，研究结果表明虚拟实验对学生学习效果有正向促进作用，而且游戏环境比模拟环境和虚拟环境具有更大的促进作用。还研究了教学形式、测试条件、学习任务类型、教师的干预等不同调节变量对学习效果的影响。
上述文献综述发表时间较早，而近几年少有研究对虚拟实验的教学应用效果作系统性分析，且已有综述主要关注桌面式虚拟实验对学习的影响效果，很少涉及沉浸式虚拟实验的教育应用研究。基于此，本研究拟采用元分析方法，对国际上30项有关虚拟实验对学习效果影响的实验与准实验研究进行定量合成分析。本研究所说的学习不仅包括概念学习成绩，还包含技能操作成绩、空间测试成绩以及反映学生学习能力的其他量化成绩。
二、相关文献综述
（一）虚拟实验
威勒和麦克唐纳（Weiler & McDonnell， 2004）提出虚拟实验的概念：借助多媒体技术、网络技术、XR技术等将传统实验虚拟仿真化，以计算机作为控制中心形成相关实验器材、教学信息资源，能够模拟实验操作过程和实验现象，实验者可以直接与虚拟实验对象进行交互，从而获得在真实实验环境的各种体验。虚拟实验较之于真实实验具有无可比拟的优势（宋蔚， 2005）：①低成本。虚拟实验中的各种器材主要通过计算机仿真得到，无真实材料的耗费，且资源可反复使用，满足实验者重复操作的需求。②超时空。虚拟实验依托计算机网络平台实现资源共享，实验者借助计算机、移动设备可实现随时随地实验，摆脱了时空的限制。③强交互。实验者可通过鼠标、键盘、触控等方式操作虚拟物体，并得到相应的操作反馈。④安全性高。实验器材和实验现象虚拟化，避免了因操作不当造成的安全问题。综上所述，虚拟实验在一定程度上弥补了真实实验的不足，为计算机辅助实验教学提供了解决方案。
（二）元分析在教育技术中的应用
元分析在关于同一问题的多项独立研究结论不一致或不具统计学意义的情况下，通过合并多项独立研究结果计算其平均效应值，进而对整体研究情况进行分析评价（Lipsey & Wilson， 2001）。元分析兴起于20世纪70年代，随着教育领域实证研究越来越多，该方法已广泛应用于系统评价研究结论不一致的教育问题。例如针对虚拟现实技术能否促进学习这一问题，李宝敏等（2019）、王雪等（2019）的研究利用元分析方法证明虚拟现实技术对学生学习具有中等促进作用，并分别从不同角度探讨调节变量的影响。郑兰琴等（2018）对92项关于移动学习的实证研究进行元分析得出总效应量高达0.85，而同样的研究，王辞晓等（2018）基于52篇移动学习文章的63个效应值进行加权分析得出的平均效应量为0.66。由上述研究发现，即使针对同一研究主题，在不同的元分析研究中也可能得出不完全一致的研究结论，这与不同研究所纳入的样本大小、来源、研究质量等存在一定的关系（夏凌翔， 2005）。但是本研究认为元分析在评价教育中有争议的技术手段或教学方法方面具有不可否认的应用价值，即使是同一研究问题也有必要经过多项元分析进行全面探讨。
（三）虚拟实验的研究现状
1. 显著正向影响
