多種理論視角下的VR教育應用研究綜述

段丹萍

摘? 要 利用文獻分析法對國外虛擬現實教育應用的相關文獻進行分析、歸納和總結，梳理虛擬現實技術教育應用的三個發展階段，并從認知與學習視域、人與技術的關系視域和教學設計視域考察了虛擬現實技術教育應用的研究現狀。

關詞鍵 虛擬現實技術;教學設計;協作學習;三維學習環境;信息技術

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）06-0054-04

Research Summary of Application of VR in Education from Various Theoretical Perspectives//DUAN Danping

Abstract This paper analyzes， sums up and summarizes the relevant literatures of virtual reality education in foreign countries by using the method of literature analysis， and combs the three stages of the

application of virtual reality technology education， and from the per-

spective of cognition and learning， the relationship between human and technology and the visual field of instructional design， the research status of the application of virtual reality technology educa-

tion is investigated.

Key words virtual reality technology; instructional design; collabo-rative learning; 3D study environment; information technology

1 前言

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中。本研究對近40年來國外VR教育應用的相關文獻進行搜集，根據研究需要篩選出其中68篇進行重點分析，梳理VR教育應用的發展歷程，分別從認知與學習、人與技術的關系和教學系統設計視域分析VR教育應用研究現狀，以期為VR教育應用提供理論依據和參考。

2 VR教育應用的發展歷程

VR技術發展歷史上經歷了三次熱潮（Curcio I D D，2016）。

1）20世紀60年代，VR的基礎原理和產品光學構造的建立;

2）20世紀90年代，世嘉、任天堂、索尼等公司推出商業VR產品;

3）2014以來，FaceBook、三星、谷歌、索尼、HTC等科技巨頭推出VR設備計劃。

VR技術在學習中的應用相對VR技術的發展有所滯后，但總體上二者的發展態勢保持一致的上升趨勢，可分為以下三個階段。

第一階段（1960—1990年）：VR技術的萌芽及其在職業技能培訓領域的初步應用。此階段，雖然VR技術剛起步，僅有一些簡陋的VR輸入輸出設備，如計算機屏幕、頭盔式顯示器、護目鏡和手套等[1]，還沒有形成正式的教育VR應用程序，但研究者已經意識到VR在學習中的應用潛力：VR使得人們理解和操作計算機生成的信息變得更加容易[2]，且被證明是一個有效的成人學習環境;在VR世界中，參與者可擁有不同的學習體驗;VR環境既可供觀察，學習者還可以與VR中的物體和空間進行交互，如可以使用工具來創建新的環境、修改舊的環境、進行模擬考試、修正錯誤、進行游戲等[3]。

第二階段（1991—2013年）：VR的產品化發展及其在多個學科應用的快速增長。此階段，成本的降低、計算機處理能力的巨大飛躍、萬維網的普及和寬帶連接的普及，使得VR向桌面式、分布式和沉浸式等多元化產品發展，加劇了桌面式VR的應用，可提供共享的VR環境，通過同步、異步通信支持協作學習[4]。但由于沉浸式VR設備的技術瓶頸和相對高昂的成本，沉浸式VR的應用相對較少。VR從最初的職業技能培訓逐步擴散到基礎教育和高等教育多個學科領域。研究者也逐步開始關注VR促進學習的理論基礎、教學設計模型或框架、VR學習環境設計模型、效果評估方法等。

第三階段（2014—）：VR技術突破及多元化融合應用。此階段，隨著VR技術和虛擬產業的迅速發展，“VR元年”這一說法多次被提出，再次掀起VR產業發展和應用領域關注熱潮。在“互聯網+”的時代背景下，人們的教育觀和學習觀正發生深刻變革，VR將融合AR、MR、物聯網、人工智能、大數據等新興技術，形成更符合學習者需求的消費級產品。但是，要有效發揮VR促進學習的作用，僅僅依賴VR產品的技術突破遠遠不夠，還需要更多地關注如何有效應用VR促進學習者的學習。

3 多種理論視角下的VR教育應用研究現狀

VR技術的引入給教育者帶來極大的興奮和期望。不過，需要注意的是，該技術只是一個重要的學習媒介，須在教與學理論的指導下有效地實施，才能輔助學習過程。本研究從認知與學習視域、人與技術的關系視域和教學設計視域考察VR教育應用理論研究現狀。

認知與學習視域

1）建構主義理論視角。根據建構主義的觀點，學習是在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助即通過人際間的協作活動，主動建構內部心理表征，從而實現的意義建構過程[5]。韋恩[6]認為，建構主義理論為基于VR的學習提供了一個有效的和可靠的理論基礎。他指出：傳統教育中傾向于促進第三人稱的象征性經驗，而沉浸式VR提供了專門為幫助學生學習的第一人稱非符號的經驗，即“虛擬化身”;“虛擬化身”經驗在常規教育中很難獲得，卻是人們與真實世界的日常互動的主要構成部分;沉浸式VR支持三種知識建構的體驗，包括虛擬世界中對象大小的操作、信息的傳導和抽象概念的具體化，這些體驗在現實世界中難以達到，但對于學習非常重要。

許多研究者從學習環境設計的角度分析了VR技術如何支持建構主義學習[7-10]：VR學習環境可提供一個在視覺、聽覺、觸覺、動覺等多維度問題的三維表征，與其他技術手段支持的問題表征方式相比，使得圍繞問題的情境創設更具吸引力、趣味性和吸引力;VR學習環境提供了一個問題操作空間，讓學習者能夠自由地探索和操作環境中的虛擬對象;除了本身包含學習者所需要的信息外，分布式VR尤其是基于網絡的桌面式VR，允許學習者從網絡中獲取其他相關信息，從而構建自己的知識;分布式VR可以讓學習者一起交流和執行任務，體驗共享的空間感、存在感和時間感，為社會學習和計算機支持的協作學習提供環境和認知工具。

2）經驗學習理論視角。經驗學習理論認為：“學習是通過經驗的轉換創造知識的過程，知識是掌握與轉化經驗相結合的結果?！盫R技術能夠較好地支持經驗學習活動的開展：VR學習環境可提供與真實生活相似或者真實世界中難以實現的學習體驗，學習者通過虛擬化身主動參與并沉浸在虛擬世界中，積極參與解決現實世界中的問題;與沉浸式VR相比，雖然桌面式VR提供的經驗多維度都較之減弱，但仍能支持以第一人稱的學習經驗促進學習;VR環境是高度互動的，它能提供多用戶的協作環境、動態的反饋、學習檢驗、實時的個性化任務選擇和探索等;VR的多重表征和沉浸體驗，有利于掌握復雜的、抽象的概念;VR環境可以產生強烈的動機影響，有助于激發學生積極參與學習。

3）具身認知理論視角。與傳統認知理論“學習過程僅是在大腦內進行”的觀點截然不同，具身認知理論認為“認知是建立在身體以及身體與世界之間的相互作用中”，它強調認知的具身性、體驗性和環境的嵌入性。三維虛擬學習環境的特征與具身認知理論的觀點非常契合，體現在：三維學習環境最重要的特征是透明的界面，用戶可以直接控制在虛擬的世界中的對象;VR環境能提供良好的具身交互，產生強烈的沉浸體驗，從而使學習者覺得自己在一個更真實和更有意義的教育空間。

研究已經開始證明VR技術對具身學習的影響作用，特別是在STEM領域的學習效果。如一項關于學生利用計算機模擬向心力的研究表明，參與者在高具身性條件下比在低具身性條件下能獲得更高的持續學習的身體體驗感[11]。另一項研究考察了中學生采用具身交互的方式，在沉浸式VR環境中學習重力和行星運動。結果表明，具身交互對促進概念理解、批判性思維和積極的科學態度培養具有顯著效果[12]。

人與技術的關系視域? VR技術應用于學習領域，歸根到底是人對技術的使用。要讓VR技術更好地促進學習，需要從技術的本質出發，關注人與技術之間的關系以及技術在學習中的影響作用。

1）技術哲學理論視角。隨著技術哲學理論的發展，以唐·伊德（Don Ihde）為代表的技術哲學家的思想改變了人們對技術的認識。人和技術之間的關系是伊德關注的焦點，他認為人與技術的關系分為具身關系、詮釋關系、他者關系和背景關系。技術哲學的發展影響著人們對技術的本質的認識，促進了技術應用范式的轉換，也為VR技術促進學習帶來啟發。鑒于VR的多感知性、沉浸性、交互性、和構想性特征，VR技術與人之間的中介關系和具身關系已經得到論證，但如何從這兩種關系，尤其是具身關系中發現VR與學習之間的相互作用規律，從而設計有效的方法促進學習，還需要深入研究。VR技術與人之間是否存在他者關系和背景關系？若存在，VR應具備什么特征？在這兩種關系中，VR如何促進學習？等等，這一系列問題尚需得到解答。

2）可供性理論視角。可供性（Affordance）又譯為給養，根據吉布森（Gibson J J，1979）和蓋弗（Gaver W W，1992）的可供性理論的觀點[13]，可供性指環境中的實體所具備的屬性，這些屬性為行動者提供行動的可能性。因此，在考察環境在學習中的可供性時，需要同時考慮環境的物理屬性和連接學習的功能屬性。馬特·鮑爾[14]提出一種將學習任務的可供性要求與信息技術工具的技術可供性相匹配的方法，用來幫助指導和告知技術選擇和學習設計的過程。在鮑爾的基礎上，達爾加諾和李[15]將VR學習環境分為三大類：三維仿真與微觀世界、作為學習資源接口的三維環境和三維多用戶的虛擬學習環境。確定了VR學習環境的學習可供性包括空間知識表征、體驗式學習、學習投入、情境學習和協作學習，并提出基于三維虛擬學習環境的學習模型。

3）技術接受模型理論視角。由戴維斯（Davis，1986）提出的技術接受模型（Technology Acceptance Model，

TAM）被廣泛作為解釋或預測人對信息技術接受的理論基礎。TAM認為，信息技術接受指用戶愿意使用信息技術，用戶對信息技術的使用行為受到其使用意向直接影響，而使用意向受到感知有用性和感知易用性的影響。技術接受模型理論可作為對VR系統功能、VR系統應用于教學的接受程度的評估依據。已有研究表明，具有高仿真和用戶控制的VR學習環境一定能夠促進概念理解。因此，需要設計一系列適當的、被認為有用的學習任務以及任務支持，同時易于學習者使用，從而促進學習者在與學習環境交互過程中對內容的理解[16]。感知有用性可定義為用戶認為使用VR系統會提高解決問題的任務績效的程度，其影響因素包括任務績效、易用性、有效性、任務的輕松性和愉悅性;而感知易用性指用戶認為使用VR系統的難易程度，其影響因素包括可控性、易學習性、易掌握性和易使用性[17]。VR特征是交互體驗的基礎，涵蓋了可用性的結構，包括質量和易訪問性兩個方面。其中，質量方面通過感知有用性進行評估，而易訪問性方面則通過感知易用性進行評估[18]。

教學系統設計視域? 使用特定的技術或媒體形式并不保證特定學習結果或學習效益。因為技術本身對學習并沒有影響，而是通過由技術所支持或促進的任務、活動和基礎教學戰略對學習產生影響。良好的教學設計可以使虛擬環境從各個方面促進學習者對概念、原理和理論的理解[19]。雖然一般的教學設計模型和理論是有用的，但還需要開發更具體的教學設計模型，用于指導應用特定的信息技術支持教學和學習[20]?，F有基于VR的教學設計模型主要從指導VR系統設計和開發的角度出發。Chen C J等[21]提出桌面式VR學習環境開發的教學設計模型。該模型結合教學設計的整合性目標的概念、建構主義學習環境設計模型和多媒體學習的認知理論等，提出VR學習環境開發的宏觀策略與微觀策略。阿爾瓦羅·桑切斯[22]等提出一個用于開發VR教學系統的模型，該模型認為任何VR教學系統都包括源知識、模型、資源、過程、參與者等基本的組成部分。

4 結語

虛擬現實技術是多學科多領域交叉、滲透、融合的產物。具體到教育領域中的應用，應針對待解決的教學問題，依據教育教學基本理論，結合虛擬現實技術的優勢，設計和開發虛擬現實學習環境或資源，利用它們支持或促進學習任務、學習活動等的有效實施，從而對學習產生正向影響。未來，有關虛擬現實教育應用的研究將更加注重教學理論和學習理論的指導，關注學習者的學習需求和學習體驗，從方法和策略層面推動虛擬現實技術教育應用的發展?！?/p>

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