基于虛擬現實和增強現實的教育游戲應用及發展前景

王辭曉　李賀等

摘要：虛擬現實與增強現實技術是近年來教育領域應用的新興技術，游戲化元素則豐富了虛擬現實與增強現實的應用設計。該文對虛擬現實和增強現實的教育游戲應用研究進行了梳理和分析。首先，介紹了基于桌面、頭戴式設配和激光控制的虛擬現實教育游戲應用案例及研究，以及強調角色、位置和任務的增強現實教育游戲應用案例及研究，并對傳統面對面學習方式、傳統在線學習方式、虛擬現實和增強現實學習方式進行了對比分析。接下來，從情境學習、具身認知、心流理論、合作學習理論出發，對基于虛擬現實和增強現實的教育游戲的理論基礎進行了探討。最后，本研究提出基于VR和AR的教育游戲教學應用模式，并得出該領域教學設計及實驗設計的研究啟示，并提出基于虛擬現實和增強現實的教育游戲發展前景。

關鍵詞：教育游戲；虛擬現實（VR）；增強現實（AR）；學習科學；具身認知

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、引言

近年來，教育游戲成為技術促進教學的研究熱點之一。教育游戲利用網絡技術或智能工具作為交互媒介來輔助學習、提高學習參與度和持續性，提升了學習方法的多樣性及學習過程的交互性。研究者致力于從教學原則、學習活動設計和技術應用等角度研究教育游戲對學習的促進作用。如何維持學習者的學習興趣、提升學習者的學習效果，是教育游戲研究領域所面臨的挑戰之一。2016年被媒體稱為“VR元年”，隨著智能信息技術的發展，智能設備能夠為教育領域提供新的研究視角，研究者逐漸探索起虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術在教育領域中的應用。《國家教育事業發展“十三五”規劃》中提到“要全力推動信息技術與教育教學深度融合。綜合利用互聯網、大數據、人工智能和虛擬現實技術探索未來教育教學新模式”。單純地應用智能技術，較難維持學習者的學習興趣與持續性，為智能技術增加游戲化元素，能夠在提升趣味性的同時，保持學習者的學習動機。虛擬現實和增強現實技術如何更好地應用在教學之中，智能技術與傳統教學方式如何優勢互補，是教育研究者和一線教育實踐工作者需要探索的問題。

本研究選取Web of Science數據庫的核心合集為主要文獻樣本來源，同時兼顧國內學者的突出研究貢獻。使用WOS數據庫高級檢索功能，即使用字段標識、布爾運算符、括號和檢索結果集來創建檢索式，所用到的字段標識TS代表主題。本研究最終確定檢索式為：TS=（“Educational Game*” OR “Game-based Learning*” OR“Computer Game*” OR “Video Game*” OR“Serious Game*”OR “Digital Game*”OR“Online Game*” OR “Eleetronic Game*”OR “Simulation Game*”）AND TS=（Learn*OR Education*OR Teach*）AND TS=（“VirtualReality*” OR“Augmented Reality*” OR“VR”OR“AR” OR“Mixed Realitv”）。設置時間跨度為2000-2017年。通過對研究內容相關的文獻進行篩選與內容分析，試圖從教育游戲視角探析VR和AR智能技術在教學中的應用及發展前景，為其在教育游戲領域的實踐與研究提供參考。

二、基于虛擬現實和增強現實教育游戲應用及對比

將虛擬現實和增強現實內容游戲化（Gamification）不僅僅是通過游戲化元素來提升學習或培訓過程的趣味性，更是為了提高學習者的參與程度，使虛擬現實和增強現實內容的呈現形式不再單一而具有多樣化形式。以游戲的方式還能減輕學習者面對某些特定內容的心理恐懼，如昆蟲學習等。通過對相關文獻分析，本文將分別介紹基于虛擬現實的教育游戲及基于增強現實教育游戲的研究案例，并進行傳統面對面學習方式、傳統在線學習方式、虛擬現實和增強現實學習方式的對比分析。

（一）基于虛擬現實的教育游戲

虛擬現實（Virtual Reality，VR）即采用三維圖形、音頻及特殊的外圍設備，利用計算機生成交互式虛擬環境。虛擬現實環境中使用的顯示設備是沉浸式體驗式的，技術的沉浸式特點可以增加用戶的參與度。虛擬現實技術的類型有三種：第一種是基于桌面的虛擬現實，這種形式的虛擬環境在顯示器中設置，通過傳統的輸入設備，如鼠標、鍵盤來進行交互；第二種是基于頭戴式設備的立體虛擬現實，這種形式向用戶提供—個對象兩個角度的不同圖像，從而實現一種沉浸式3D體驗效果；第三種是激光控制的虛擬現實，學習者可以通過外部工具產生的激光束來進行操作，從而達到交互的效果。虛擬現實技術類型的多樣性為不同類型教學內容提供了多種選擇，同時也豐富了教育游戲的設計形式。

1.基于桌面的虛擬現實教育游戲

基于桌面的虛擬現實技術無法做到完全的沉浸體驗，但是其成本比3D立體化虛擬現實顯示低得多。Rosenthal和Geuss等人設計的醫學外科手術學習系統是典型的基于桌面的虛擬現實教育游戲，通過游戲任務促使學習者學習和訓練精細操作技能。該研究將可操作、虛擬現實界面歸類為視頻游戲，學習者無需佩戴頭戴式設置，而是通過控制實體操作桿對電腦桌面演示的腹腔鏡虛擬對象進行外科手術。研究發現，具有較多視頻游戲經驗的兒童在VR教育游戲中表現要比具有較少視頻游戲經驗的兒童要好，成人學習者也是如此。基于虛擬現實的教育游戲不但能夠提升教學的趣味性，在實驗真實性上，能夠幫助學習者從空間立體角度來進行操作和實驗，在技能訓練方面，借助于操作桿，學習者可以反復練習程序性技能，提高了實驗工具的可重復實用性。

類似地，Roitberg和Banerjee等人也將虛擬現實系統中的操作環境設計成游戲環節。盡管這類系統在游戲化元素設計上略顯單薄，但該形式也是VR技術在教育游戲領用中進行突破性嘗試的發展人口。也有學者認為基于桌面的虛擬現實技術對學生的吸引力并不大，因為缺少真實的3D體驗和聲音情境交互，而基于頭戴式設備的虛擬現實教育游戲更易使學習者產生沉浸體驗。

2.基于頭戴式設備的虛擬現實教育游戲

基于頭戴式設備的虛擬現實技術可以細分為如下兩種：頭戴式設備沉浸系統和配合環境的沉浸系統。頭戴式設備沉浸系統完全依靠于頭戴式虛擬環境顯示設備，設備顯示不同的畫面和聲音，使學習者達到沉浸體驗效果，但這種頭戴式的設備容易產生視覺眩暈，不適合長時間穿戴。配合環境的沉浸系統則是在一個房間的四面墻壁上投射物體的多角度頭像，用戶通過佩戴偏光眼鏡來實現完全沉浸的3D立體虛擬現實體驗。

基于頭戴式設備的虛擬現實技術使學習者的雙手及其他肢體部位相對自由，可與創作、運動、模型理解等知識內容充分結合進行設計。Chan和Leung等人的基于頭戴式設備的虛擬現實教育游戲，能夠幫助學習者練習舞蹈技能，是促進學習者學習動作技能的典型案例。學習者通過模仿虛擬教師的動作來進行舞蹈動作的聯系，虛擬教師通過動作捕捉技術來為學習者提供及時的動作反饋與更正。該系統的游戲化設計元素在于時間限制、虛擬人物的及時反饋和各身體部位動作得分的排行榜。研究發現，相比于觀看普通舞蹈教學視頻，該系統的及時反饋和游戲化元素更能使學習者關注于自身的動作、保持較高的學習動機，從而取得更好的學習效果。

配合環境的虛擬現實沉浸系統，能夠使外在空間環境成為虛擬學習系統的重要組成部分。Limniou和Roberts等人設計了配合環境的虛擬現實系統來幫助學習者理解酸雨分子層面的化學反應，為學習者智慧技能類的學習提供了完全沉浸式體驗環境。研究發現，使用3D學習環境學習的學生回答相關化學問題的成績顯著高于2D環境下的學習者，并且學習者對3D環境的評價更積極。與傳統課堂相比學習者認為使用3D學習環境能夠幫助他們更好地理解化學反應的發生。

3.激光控制的虛擬現實教育游戲

激光控制的虛擬現實技術并不要求用戶使用頭戴式設備，依靠手持工具和虛擬現實成像技術便能實現游戲的控制感和沉浸體驗。將Bhagat和Liou等人設計的虛擬現實軍事射擊教育游戲，是典型的通過激光來控制虛擬現實系統的研究案例。該研究以160名高中生為實驗對象，高中生通過仿真步槍發射的紅外線來進行操作，完成射擊類游戲任務，最后進行真實場地下的射擊測驗。研究發現，使用虛擬現實教育游戲的學習效果和學習動機均較高，而虛擬現實教育游戲則比傳統真實場地下的訓練成本更低，并且可以重復使用。

該游戲還設計了點數、積分和排行榜，這也是游戲化系統的三大要素。該游戲包括靜態的靶子射擊環節和動態的消滅敵人的射擊環節，而后者的游戲設計更符合游戲內在動機理論中的挑戰與好奇，因此也更受學習者歡迎。然而，消滅敵人這類帶有一定暴力傾向的內容是否適合與其他教學內容整合設計，還存在一定的倫理問題。激光控制的虛擬現實教育游戲使得學習者得以靈活地控制操作工具，是訓練學習者的注意力和反應速度相關動作技能的很好選擇。

（二）基于增強現實的教育游戲

增強現實（Augmented Reality，AR）是由虛擬現實技術發展而來的新型技術，通過攝像設備和角度位置判別，來呈現相應的文字、圖像、3D對象等多媒體信息，將虛擬空間圖像與真實世界共同呈現在同一屏幕上，實現虛擬世界和真實世界的無縫連接。蔡蘇系統梳理了國外增強現實在教學中的應用案例以及其團隊設計的教育應用。基于增強現實的教育游戲，能夠將現實世界和虛擬世界整合為具有趣味性和高度交互的泛在學習環境。基于增強現實的教育游戲可以分為三種：強調角色的增強現實教育游戲、強調位置的增強現實教育游戲和強調任務的增強現實教育游戲。增強現實技術主要依托于攝像設備及位置識別，在技術類型上有穿透式增強現實和視頻式增強現實，本文在分析基于增強現實的教育游戲時，將圍繞其游戲設計的所強調的不同重點來進行分析。

1.強調角色的增強現實教育游戲

強調角色的增強現實教育游戲主要特點是“參與”，學習者以一定的角色身份參與到游戲之中，強調過程的即時性和沉浸性。陳向東和曹楊璐設計的“快樂尋寶”游戲是一款強調角色的增強現實移動教育應用。該游戲分為三個角色：生物專家、地理專家和歷史專家，學生通過扮演不同的角色來回答相應角色的問題來實現闖關，并通過信息交換找到寶藏位置。該游戲的一大創新之處是可擴展性，教師可以設置問題內容、關卡長度及游戲地點，使得該教育游戲可以廣泛應用到不同知識點甚至更多學科的教學中。陳向東和萬悅還設計了一款名為“泡泡星球”的增強現實小學生英語單詞學習游戲，學習者通過選擇虛擬角色，與3D角色進行互動來進行游戲挑戰，從而達到英語單詞的認知和記憶的學習效果。

2.強調位置的增強現實教育游戲

強調位置的增強現實教育游戲主要特點是“環境”，學習者能夠通過增強現實技術觀察到3D透視下的物體，可以在特定環境下進行泛在學習和合作學習，通過增強現實中設定位置所提供的信息進行學習和探索。風靡全球的Pokemengo游戲則充分利用基于位置的智能調動了人們從室內走向室外進行探索尋求寶物的積極性。CityViewAR（www.hitlabnz.org/cityviewar）是一款可以供學習者通過移動設備觀察歷史遺跡復員后外貌的移動應用，通過交互可以獲得該地歷史，還可通過該平臺進行評論。該應用是典型的強調位置的增強現實教育應用類型，而強調位置的增強現實教育游戲則需要設計靈活有趣的游戲信息或任務，來激勵學習者通過增強現實應用進行探究學習。

強調位置的增強現實教育游戲還為真實環境下的泛在學習提供了新的途徑，通過攝像頭掃描特定圖形，在移動設備上呈現相應的學習內容或任務，可以讓學習者在真實環境中進行趣味學習。Chiang和Yang等人設計了基于位置的中學生物知識增強現實游戲，學生以小組為單位在指定的不同區域使用設備進行生物知識的學習與分享，分享的知識可以被其他學生在該地點獲取。

3.強調任務的增強現實教育游戲

強調任務的增強現實教育游戲主要特點是“情境”，教學設計者設計真實情境下的學習任務，學習者可以以個人或小組形式通過增強現實教育游戲進行任務的探索與完成。

Ib á nez等人設計的虛擬現實教育游戲，以電磁學基本概念為教學內容，實驗分為兩組：在線學習組和AR學習組。該游戲向學習者提供基本的電磁學概念，并設置了五關需要學習者完成的電磁學回路相關任務，通過游戲任務，學習者對電磁學概念進行了回顧和應用。研究發現，AR學習組的學習效果好于在線學習組，AR學習組能夠幫助學習者更好地理解和專注于學習內容。陳向東也設計并開發了基于任務的AR電路元件學習工具，通過任務驅動，引導學生進行自主探究學習。

強調任務的增強現實教育游戲可以設置為個人任務挑戰和小組合作任務挑戰的不同類型游戲環節。Chen等人設計了基于AR的科學教育游戲EARLS，該系統包含兩個部分，第一部分是傳統多媒體在線學習內容，第二部分任務類教育游戲，學習者以小組的方式共同完成選擇題組的任務，充分帶動了學生參與積極性。強調任務的增強現實教育游戲，能夠為學習者構建積極的合作學習條件，為探索技術應用下合作學習提供了新思路。

（三）教育游戲相關應用對比分析

1.虛擬現實與增強現實技術在教育游戲中的應用優勢

教育游戲不僅是為了提升教學的趣味性，而是更好地提升教學效果。教育游戲的技術應用有多種，如傳統學習方式中的媒體應用和單擊軟件應用，普通在線學習方式中的網絡游戲、移動應用等，再如本文探究的VR和AR的教育游戲技術應用。傳統技術可以豐富課堂及學習活動，在一定程度上提升學生的學習動機和學習效果，相比于這些技術，VR和AR的應用優勢體現在哪里呢？前人研究發現，將VR和AR智能技術游戲化的教學方式普遍好于或等同于傳統學習方式和普通在線學習方式，使用基于VR和AR的學習材料的學習動機和學習效果也要高于2D學習材料。應用VR和AR技術的教育游戲可以幫助學生體驗日常生活中難以接觸或具有一定危險性的情境，如生態環境教學、化學物理實驗教學等。總的來說，VR和AR智能技術應用于教育游戲相比于其他技術有以下四個優點：能夠構建沉浸式情境提高學習者的學習動機和參與積極性；能夠更好地通過多維度立體展示，促進學習者對知識的理解，從而提升教學效果；類似于可以重復觀看多次的MOOC課程，能夠彌補實地培訓實驗或學習成本較高的不足，VR和AR技術能夠幫助學習者在不用增加成本的情況下，重復體驗虛擬情境、多次進行實驗探究。

2.虛擬現實與增強現實的應用優勢對比

對于VR和AR技術，它們有著共同的特征，包括沉浸性、交互性和共享性。VR在一定程度上能夠產生完全沉浸的體驗幫助學習者更全面地理解知識內容，而AR相比于VR有三個主要的優勢：首先，AR支持學生在真實情境下進行合作學習，與真實環境中的物體進行交互；其次，AR可提供可觸摸的交互，學習者可以改變與真實環境疊加的物體的大小、位置，促進學習者積極參與知識建構；再者，AR在真實實驗室的應用還可以彌補VR在實驗操作上缺乏真實感的缺陷。

3.相關教學媒體選擇的參考因素

在教學中選擇不同的媒體技術需要綜合考慮教學內容和媒體選擇的多種條件，對不同技術應用下的教育游戲進行對比分析，能夠為研究者和教育實踐者在技術選擇上提供參考。Chen和Tsai從學習環境方式、成本考慮及交互效果三個方面對傳統教學方式、在線學習方式、虛擬現實、增強現實四類學習方式進行對比分析。本文在此基礎上，結合教育游戲中交互特征、沉浸式體驗的文獻分析，對傳統教學方式、在線學習方式、虛擬現實、增強現實四類技術應用下的教育游戲進行了對比分析，共有4個一級指標和14個二級指標（如下表所示）。

三、基于虛擬現實和增強現實教育游戲應用的理論探討

通過對相關研究案例的分析，可以得出基于虛擬現實和增強現實的教育游戲應用主要有以下理論基礎：情境學習理論、具身認知理論、心流理論和合作學習理論。虛擬現實和增強現實技術能夠為學習者搭建虛擬學習情境，提供了結合身體運動的學習條件，游戲化設計能夠使學習者產生心流體驗，而虛擬環境或增強現實環境則為合作學習提供了新的實踐場所。其中情境學習和合作學習在先前相關研究中體現較多，而具身認知理論和心流理論則是提及較少但十分重要的理論。

（一）情境學習

情境學習（Situated Learning）強調真實情境對學生在學習過程中的重要作用，強調學生與環境的交互和實踐。虛擬現實技術為學習者提供了沉浸式學習情境，在大量研究中具有體現，如前面提到的Rosenthal和Geuss等人的醫學外科手術學習系統為學習者提供了臨床醫療的虛擬情境，Bhagat和Liou等人的軍事射擊系統則設計了豐富抗敵游戲環節，Chan和Leung等人的舞蹈練習系統也為學習者設計了動感的練習情境。增強現實技術則結合真實環境，為學習者提供了虛擬空間與真實環境疊加的學習情境，促進移動學習和泛在學習的發展，如前面提到的Chiang和Yang等人設計的生物知識學習系統，則是在真實生態情境下，促進學習者對生物知識的學習。

情境學習理論認為，有意義的知識建構只有在結合了真實情境的學習過程中才能夠發生。體驗式學習注重為學生提供真實的模擬環境，使學生參與到活動中的實踐中。Oblinger等人提出虛擬現實技術在教育培訓中的五個特征：問題解決、學習遷移、社群化、研究、實驗。其中學習遷移指學習者在虛擬現實環境中習得的技能能夠在真實環境中進行應用。虛擬現實和增強現實技術能夠幫助學習者建構真實的學習情境，使學習者具有“臨場感”，提升其學習興趣的同時降低可能風險。

基于情境理論，研究者進行了豐富的實踐研究。Shih和Yang設計了基于桌面的虛擬現實英語學習系統VEC3D，學習者通過游戲角色扮演、任務合作來進行真實情境下的口語練習。對于實踐性知識，虛擬現實技術能夠為學習者提供虛擬的實踐情境。如Chen和Tsai設計了基于增強現實的圖書館學知識教育游戲ARLIS，幫助學習者通過完整真實情境下的圖書分類任務來學習相關知識。該研究還創新性地探索了不同認知風格對基于增強現實教育游戲的學習效果，研究發現學習風格為場依存的學習者要比場獨立的學習者更好。

（二）具身認知

具身認知理論（Embodied Cognition）強調身體運動能夠促進學習者從外在感知方面更好地進行知識建構，該理論還認為認知是情境化的、環境也是認知系統的一部分、人們可以通過外在環境來降低認知負荷。相比于使用鼠標或鍵盤進行控制的虛擬現實軟件操作，使用基于動作智能技術來操作能夠探究身體運動對學習的影響研究。

前面介紹的Rosenthal和Geuss等人的醫學外科手術學習系統，Chan和Leung等人的虛擬現實舞蹈動作學習游戲等研究均為通過身體動作來進行操作控制的案例。不少研究者對身體運動與鍵盤鼠標輸入的學習效果進行了對比研究，如Hung等人對51位五年級小學生進行了教學內容為光學的模擬仿真虛擬實驗，研究表明動作感知技術組要比鼠標或鍵盤輸入組的學習效果更好，并且兩組的認知負荷沒有顯著差異。調動學習者具身運動的智能技術能夠提高學習者的動機和學習效果，為基于游戲的學習活動提供了真實情境。

臺灣陳年興教授團隊設計了基于AR的科學教育游戲EARLS，進行了該領域較為完善的基于具身認知理論的實證研究。EARLS系統包含學習和練習部分，學習部分采用傳統多媒體在線學習方式，練習部分結合AR技術來增強學生的身體運動，練習部分設置了拳擊類和跳躍類兩種教育游戲，學習者通過身體運動來進行答案的選擇。實驗設計了五個組，分別是AR學習組、AR游戲組、AR完全組、KMCAI組和傳統學習組，其中AR完全組使用EARLS系統進行學習和練習，AR學習組使用EARLS系統進行學習但使用紙筆練習，AR游戲組使用課本進行學習但使用EARLS系統進行練習，KMCAI組使用傳統在線學習系統進行學習和練習，傳統學習組則是面對面教師授課和使用紙筆練習。研究結果發現，學習效果由高到低依次是傳統學習組、AR完全組、KMCAI組、AR游戲組、AR學習組。完成同樣內容的學習和練習，傳統學習組使用的時間更少，為了保證教學時間相同，傳統學習組進行了多次練習，使得學習效果更好。而研究中的態度調查發現學生對EARLS有更積極的態度，并且使用EARLS系統的學習和游戲練習的學習效果要比使用傳統在線學習平臺更好。

學習科學強調腦與認知神經系統在學習過程中的變化，而人體動作系統與大腦語言和知覺區域有一定的聯系。在虛擬現實或增強現實環境中，學習者的肢體動作主要用于控制虛擬人物或對象來完成任務，這樣的肢體運動如何引起學習者大腦內在反應，對最終促進學習者對知識的理解和掌握是否有幫助，是研究者需要探索的問題。

（三）心流理論

心流理論是教育游戲研究領域的重要理論之一。心流指人們在參與日常活動如工作、運動、學習所產生的完全沉浸式的參與體驗。產生心流體驗有九個前提：清晰的目標、即時的反饋、通過挑戰能夠習得的技能、行動與意識的融合、對任務的集中、控制、自我意識的暫時消失、對時間變化的意識和變為自覺行為的體驗。

前面介紹的Ib ániez等人的增強現實教育游戲研究便使用了兩種方式調查學習者的心流體驗水平，分別是整體性和過程性，整體心流狀態采用Jackson & Marsh于1996年開發的心流狀態量表（Flow State Scale，FSS），過程性心流狀態采用Pearce等人調查研究中使用的量表。研究發現，學習者使用基于增強現實教育游戲進行學習要比使用基于網絡的教育游戲產生的心流體驗更強。此外，前面提到的Limniou和Roberts等人的化學反應虛擬現實系統研究中，3D虛擬環境下的學習者比學習2D學習材料的學習者的心流體驗更強。通過文獻研究也發現，使用定量或訪談等研究方法進行心流體驗調查的研究較少，這也是未來研究可以進行探索的方向之一。

（四）合作學習

計算機運算和存儲性能的提升以及網絡傳輸速度的提高，使得虛擬現實技術能夠應用于遠程合作、基于團隊的培訓。合作學習是虛擬現實教育應用的發展方向之一。虛擬合作環境（Collaborative Virtual Environments，CVE）能夠為用戶提供可以交流和協作操作的虛擬環境，CVE被廣泛應用于游戲、在線社區建設中。前面提到的Chiang等人的基于位置的中學生物知識增強現實游戲、Ib a nez等人電磁學概念虛擬現實教育游戲、Chen等人的基于AR的科學教育游戲EARLS等研究以角色扮演、任務探究等不同游戲形式，為學習者構建了豐富具有趣味行的合作學習條件。基于虛擬現實和增強現實技術，學習者的合作不再局限于普通網絡空間和傳統課堂，合作探究可以在共同的虛擬空間進行，也可在真實環境中通過增強現實技術獲取更多信息，幫助學習者從室內走向室外，進行戶外體驗式合作學習，使合作探究活動更加豐富生動。

除了前面提到的研究，許多研究者對基于虛擬現實和增強現實的合作學習進行了研究。如Lin等人設計了基于AR的物理知識點（彈性碰撞）教育游戲，并對比探究了基于該軟件和傳統2D學習材料的合作學習知識建構及理解。Khanal和Vankipuram等人設計了基于VR的ALCS急求系統，能夠幫助參與者在虛擬合作環境下進行急求知識的學習和訓練。研究發現，給予充分反饋的VR組的學習效果可以達到面對面傳統培訓學習組，但VR組的每個參與者都可以得到各項操作的詳細評分、反饋和交互，這是傳統培訓組無法實現的。此外，給予有限反饋的VR組學習效果則較差，說明在充分的反饋對程序性知識學習的重要性。

Shih和Yang設計了基于VR的合作學習工具VEC3D，研究表明該工具能夠有效地促進團隊成員間的合作交流和任務的完成。基于虛擬現實和增強現實的教育游戲也為遠程合作探究學習提供了新的發展方向。但也有研究者認為學習者獨立進行教育游戲的效果要好于合作學習的效果，是否需要設計基于合作學習的教育游戲環節，還需考慮具體教學內容和教學目標。此外，基于項目的學習也是VR和AR教育游戲值得借鑒的學習理論，以個人或小組為單位，在實踐中進行探究，培養學生的解決問題的能力。

四、研究結論及未來展望

（一）基于VR和AR教育游戲的教學應用模式

本研究將基于VR和AR的教育游戲教學應用模式總結如下圖所示。基于VR的教育游戲根據技術應用類型分為基于桌面的、基于頭戴式設備的和激光控制的，基于AR的教育游戲主要借助于移動設備，分為強調角色、位置和任務三種類型。基于VR的教育游戲可選擇在網絡學習環境下進行，也可選擇在實體的空間中利用虛擬技術進行。基于AR的教育游戲可以在室內環境下進行同步協作，也可以在室外環境下進行異步學習。無論使用何種技術、何種方式，都需要注重學習內容與游戲元素的整合，通過系統化教學設計，結合學習理論將學習內容合理地融入教育游戲的任務之中，情境的設置有助于為搭建學習者沉浸式學習情境，幫助學生進行有意義的知識建構與探究學習。

基于VR和AR的教育游戲應用尚方興未艾，因此，基于研究的教學實踐有助于該領域的持續發展。在實施教學之前，科學嚴謹的實驗設計也必不可少，明確的實驗內容與目的有助于教學實踐者和研究者在教學應用過程中觀測學習者行為，將學習過程中的心流體驗、具身認知、知識建構等隱性內容顯性化，使學習效果和實驗結果作為教學評估內容，為教育游戲的設計提供反饋，并為后續研究者實踐者提供參考。

（二）研究啟示及建議

1.VR和AR教育游戲需進行充分的教學設計來開發

教育游戲設計可以考慮虛擬現實或增強現實不同技術類型及其特點。選擇基于桌面還是基于頭戴式設備可考慮具體成本和條件，結合具體的操作方式來設置相應的游戲環節，具身認知、心流理論也為虛擬現實提供了更多可持續探究的發展方向。強調角色、位置或任務的增強現實游戲，為教育游戲的設計提供了多樣性選擇，角色扮演、問題解決、地圖探索等游戲類型，網絡和硬件設配的發展也為自主學習、合作探究的學習方式提供了良好的條件。Garris等人認為游戲為幻想、規則目標、感官刺激、挑戰、好奇和控制等特征。Lu和Liu參考這些特征設計了用于課堂教學的基于增強現實的教育游戲，并設計了故事敘述和角色扮演兩類游戲環節。

利用虛擬現實和增強現實技術設計教育游戲，主要是為學習者搭建虛擬學習環境或虛實結合的學習情境，如何構建有效的學習環境是設計之初需要考慮的。Schank和Kass歸納出有效學習環境三要素：首先，為學習者呈現能夠激發其動機的目標；第二，將學習者置于真實的學習環境；第三，給學習者設置需要分析信息、設計行動計劃才能夠完成的任務。結合前文提到的游戲案例及相關理論可以發現，目標激勵、真實情境建構、及時有效的反饋是這類教育游戲設計需要考慮的重點。此外，VR和AR教育游戲的安全性評估也應在教學設計環節中考慮，以保證游戲體驗者的人身安全。

2.VR和AR教育游戲需重視學習效果測評及過程反饋

教育游戲的最終目標是提升學生的學習效果，學習效果的測量是檢驗學習目標達成度的重要途徑，而不同的知識類型又有著不同的測量方式。Merchant等人對67個基于桌面的虛擬現實應用研究進行了元分析，以期探索基于桌面的虛擬現實的教學設計原則。學習內容包括陳述性知識、程序性知識，測試類型包括基于知識的、基于能力的、基于技能的。元分析發現，測試類型是基于知識時，學習內容為陳述性知識要比學習內容為程序性知識的學習效果好；測試類型是基于技能時，學習內容為程序性知識要比學習內容為陳述性知識的學習效果好。可見，使用智能技術進行教學時，仍需要結合傳統教學設計對知識的分類及對應的測量工具開發。

虛擬現實和增強現實教育游戲通常主要是學習者與游戲平臺建立直接交互，游戲提供的正確引導和反饋非常重要。Merchant等人的研究還發現，對于陳述性知識的學習反饋，詳盡的解釋要比視覺引導效果更好，對于程序性知識的學習反饋，針對知識的錯誤提醒也要好于視覺引導。

3.VR和AR教育游戲需結合嚴格的教育實驗進行研究

教育實驗法是教育游戲研究的普遍方法，通過對照實驗，能夠全面地探究教育游戲對學習效果的作用。實驗組和對照組的設置主要用來對比控制變量對學習效果的影響。通常對照組為傳統學習或普通在線學習方法。而實驗組則可設置為一組或多組，多組實驗組則可以進一步探究虛擬現實或增強現實具體技術應用類型、程度或反饋程度對學習效果的影響。先前介紹的技術類型、是否結合身體運動、合作學習等，均可以作為今后研究的變量。

前測及后測對于測量學習者學習效果提升的程度，能夠科學地證明學習結果的改變是使用了某種教學方式或技術引起的，并且可以測量實驗對象學習前的水平一致性，如果實驗對象學習前水平存在顯著差異，則可以用高低分組的形式進一步探究教育游戲對不同程度學生的促進作用。延后測試則可以測量學習者的學習遷移及效果保持。

態度測試和動機測試則可以收集實驗對象對教育游戲的滿意度和建議，幫助研究者和教育實踐者改進游戲設計和教學設計。設置開發性問卷可以實驗對象更加靈活地表達其想法和體會。前面介紹的心流狀態量表也是教育游戲實驗中可以借鑒使用測量內容。除了使用問卷測試，還可以在條件允許的情況下，結合課堂觀察法和訪談法收集更多的可供分析測量結果的信息。

（三）未來展望

虛擬現實與增強現實技術能夠為學習者建構虛擬學習情境、多方位地理解學習內容，將教育游戲元素與智能技術相結合，可以增強應用的趣味性，使其不僅僅作為展示、觀察和體驗工具，而是能夠幫助學習者對學習內容有更深入練習和建構的學習應用。使用虛擬現實或增強現實技術能夠促進學生在學習過程中的身體與環境交互，游戲化設計能夠促使學生產生心流體驗，而具身認知與心流體驗是否存在一定聯系，游戲化教學與學習科學領域的大腦神經機制又是如何作用的？從教育游戲出發，以虛擬現實或增強現實為技術基礎，以學習科學為理論導向，一系列的科學研究亟待教育研究者和實踐者探索。基于虛擬現實或增強現實的教育游戲，應從開發之初便參考學習科學理論及前人晚上的實驗研究，將游戲環節的設計與認知理論相結合，而在教學實驗實施過程中，設置科學、嚴謹、流程合理清晰的實驗流程，并運用科學測量方法，如量表、問卷、核磁共振等方法，如此才能夠提出具有說服力的研究成果，為推動我國學習科學與教育技術的在國際領域的發展貢獻力量。