沉浸式虛擬環境對學習者藝術學習的影響研究

劉 昕 楊曉哲 王 欽 胡琳琳

沉浸式虛擬環境對學習者藝術學習的影響研究

劉 昕 楊曉哲[通訊作者]王 欽 胡琳琳

（華東師范大學 課程與教學研究所，上海 200062）

虛擬現實技術以強交互、高沉浸和多感官刺激的特性，可以滿足學習者從藝術家的視角開展藝術學習的需要。為了探究沉浸式虛擬環境對學習者藝術學習的影響，文章采用實驗研究法，運用腦電波設備和問卷測量學習者藝術學習的相關數據。研究發現：在開展基于沉浸式虛擬環境的藝術學習后，學習者的藝術態度和對藝術作品的理解程度有顯著提升；在藝術學習過程中，學習者的心流與認知負荷存在顯著負相關；學習者在藝術學習過程中的冥想、認知負荷，均與其藝術作品涂色得分之間存在顯著負相關。通過實驗數據，文章揭示了沉浸式虛擬環境對藝術學習的價值，可為虛擬現實技術的后續學習場景應用提供新的設計思路與參考。

沉浸式虛擬現實；腦電波；藝術學習；心流；認知負荷

智能時代的到來，使技術不再游離于學習者之外，以虛擬現實等為代表的技術已經可以實現以“具身模擬”方式促進人機融合的學習[1]。在高沉浸、強交互、多感官刺激的虛擬現實環境中，教學的真實性和信息呈現形式得以提升，這為藝術教育營造出了交互式的體驗空間，讓學習者能夠以不受約束的身體姿態與藝術進行交流[2][3][4]。盡管虛擬現實技術在環境創設與空間拓展方面優勢明顯，但在教育實踐中，虛擬現實技術發揮效用的內在機制有待考證。尤其對于以心理活動為主、伴隨著強烈情感波動的藝術學習來說，若將研究視角局限于行為層面，而忽略心理科學和認知神經科學的介入，將不利于藝術學的科學化進程[5][6]。對心理數據與腦電波數據進行監測，或許會對解析個體在開展藝術學習時的行為和認知過程有所幫助，并為研究虛擬現實環境下學習者的精神心理變化提供可靠的推理與預測依據。基于此，本研究通過腦電波設備和問卷，對學習者基于沉浸式虛擬環境開展藝術學習時的相關數據進行收集與分析，并重點關注學習者在此環境下開展藝術學習后其認知與情感的變化，以期為虛擬現實技術的后續學習場景設計與應用提供參考。

一 研究背景

1 虛擬現實技術與藝術學習

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種能夠創建和模擬虛擬世界的計算機仿真系統，其通過呈現虛擬環境中事物的真實性與虛擬空間的浸入性給人以強烈的沉浸感，為具身學習、個性化學習等教與學活動的開展提供了強大的助力[7]。在眾多學科中，藝術學習對影音與圖像有更高的要求。傳統的藝術學習往往采用欣賞圖片或視頻的方式，學習者與藝術作品之間界限分明，難以與創作者“共情”[8]。隨著計算機仿真技術的發展，虛擬現實技術開始追求藝術化，并為藝術學習創造了全新的樣態[9]。在虛擬現實技術營造的學習空間中，學習者與藝術作品之間的距離感得到弱化。另外，虛擬現實環境中豐富、立體的視聽覺材料對學習者的運動感官會有全方位的刺激，可以有效提高學習者的共情力和學習體驗[10][11]。有研究表明，基于虛擬現實開展的藝術欣賞與創作，能在提升學習者愉悅度的同時，誘發具體化的視覺表達和個性化的作品輸出[12]。然而，對于虛擬現實技術在藝術學科中的推廣與應用，仍需要更多來自教學實踐的實證證據[13]。

2 虛擬藝術學習過程中認知負荷、心流和腦電波數據的監測

驗證虛擬現實教學的“有用性”，成為了虛擬現實與教學融合無法回避的問題[14]。為此，一些學者從認知心理學的視角出發，探究學習者在虛擬現實環境下的學習效果。例如，謝泉峰[15]等指出，虛擬現實技術雖然可以通過增強個體對環境的敏感度與洞察力來激發其認知水平，但也容易造成參與者的認知負荷超載；丁楠[16]等發現，當在虛擬現實環境中給予參與者足夠的臨場感時，將會激發其最佳的心流體驗，而心流體驗是參與者高度投入某項活動時的積極情緒體驗[17]。對于虛擬現實技術在藝術學科的應用而言，學習者的認知負荷與心流狀態更加值得研究者關注。這是因為，學習者在與藝術交互的過程中，會伴隨著強烈的認知活動與內心感受，并且其深刻程度也會隨著時間的發展而變化[18]。此外，對學習者在虛擬藝術學習過程中的腦電波進行監測也很重要：一方面，學習者的感知與情緒可能會隨著虛擬現實技術對大腦前額皮層和前庭系統的影響而做出相應的變化[19][20]；另一方面，藝術是大腦功能的延伸，審美活動中的認知心理產物都與大腦神經科學機制相關[21]。考慮到單模態數據無法客觀、全面地展示學習者的學習規律和特征，近年來多模態數據監測開始受到重視。基于此，本研究對學習者在虛擬藝術學習過程中的認知負荷、心流和腦電波數據進行監測，以更全面地呈現整個藝術學習過程。

為了探究沉浸式虛擬環境對學習者藝術學習的影響，本研究將重點解決以下問題：①基于沉浸式虛擬環境的藝術學習是否有助于提升學生的藝術態度和對藝術作品的理解程度？②學生在虛擬藝術學習過程中的認知負荷、心流、腦電波數據之間存在怎樣的關系？③學生在虛擬藝術學習過程中的認知負荷、心流、腦電波數據與學生藝術作品涂色得分之間存在怎樣的關系？

二 研究設計

1 研究對象

2020年11月，本研究在上海市某師范大學招募了50名在讀大學生參與實驗。其中，男生有13人（占比26%），女生有37人（占比74%），平均年齡為22歲。50名學生全部來自非藝術類專業，且都沒有在沉浸式虛擬環境中開展藝術學習的經歷。

2 研究準備

本研究構建了以梵高經典畫作為基礎的三維立體場景，并使用沉浸式虛擬現實設備HTC Vive進行呈現。該設備通過1個頭戴顯示器、2個單手持控制器、1個能于空間內追蹤顯示器與控制器的定位系統，給學生帶來了沉浸式立體體驗，能讓學生在自由行走的過程中全方位地觀看虛擬世界。此外，虛擬藝術學習場景中的事物并非靜止不動，燈光、星空等均動態呈現。場景間的切換通過學生的身體移動和手柄的配合來完成，更好地實現了身體、技術和意識的聯動。

為了監測學生在虛擬藝術學習過程中的腦電波情況，每位學生除了佩戴沉浸式虛擬現實設備，還需佩戴腦電波設備。本研究選擇的腦電波設備為NeuroSky，該設備由前額葉傳感器、耳垂傳感器和數據處理芯片組成，可以安全地采集與輸出腦電功率譜，并通過內置的數據處理模塊將腦電波信號轉換為注意力與冥想數值（0～100）。以注意力為例，數值越高，意味著注意力越集中。NeuroSky已成為監測學生注意力與冥想的有效工具，其與HTC Vive設備結合后，仍能滿足學生不受設備限制開展學習活動的需求[22]。如圖1所示，左側是某學生同時佩戴沉浸式虛擬現實設備和腦電波設備進行虛擬藝術學習的場景，右側是該學生實時的腦電波信息。

圖1 學生進行虛擬藝術學習及其腦電波信息

圖2 《文森特的臥室》的8個色彩評分區域

3 研究工具

當前，問卷是考察學習者在學習過程中認知負荷和心流狀態的常用工具之一。本研究中測量學生在虛擬藝術學習過程中認知負荷和心流的兩份問卷分別參考了Hwang[23]、Pearce等[24]編制的問卷。其中，認知負荷問卷共設有8道題目，如“這個活動中的任務對我而言是困難的”“我沒有足夠的時間來完成活動任務”，各題采用李克特七點量表計分；心流問卷也設有8道題目，如“我發現這個活動非常有趣”“我完全沉浸在這個活動中”，各題采用李克特五點量表計分。

實驗前后，所有學生需完成藝術態度問卷和對藝術作品的理解程度測試試卷。其中，藝術態度問卷參考了Hwang[25]等編制的問卷，共設有7道題目，如“我覺得梵高的藝術作品是有趣而且有價值的”“我會主動搜尋更多資訊來學習梵高的藝術作品”，采用李克特五點量表計分；而對藝術作品的理解程度測試試卷由本研究團隊自行設計，共設有10道單選題，滿分為10分。

為了解學生在虛擬藝術學習過程中對梵高藝術的感悟，本研究要求每位學生進行虛擬藝術學習之后，再參加一項藝術再現活動。在該活動中，學生要對梵高的另一幅藝術作品《文森特的臥室》進行涂色。這幅作品沒有出現在虛擬藝術學習的場景中，且實驗前已確認所有學生都沒有接觸過此作品。該作品事先經過去色處理，即卡片上只呈現作品中物品的線條輪廓。梵高擅長通過以黃藍綠為主的色彩和不同形式的筆觸來表達主題與情感，可以說，色彩的夸張與調和、線條的統一與變化是梵高藝術理念的集中體現[26]。由此，本研究從色彩與筆觸兩個維度，對學生藝術作品的涂色進行評分：①在色彩維度上，將梵高的原作分為8個區域[27]，針對每一個區域的色彩情況進行評分（共計8分），如圖2所示。具體來說，對每一個色彩區域學生的著色與梵高的著色進行對比，若屬于同一色系，則得1分，否則得0分。②在筆觸維度上，針對作品是否疊色、是否使用線條進行評分（共計2分）。若學生的涂色作品中使用了疊色，如深黃中疊涂橘黃，則得1分，否則得0分；若學生的涂色作品中使用了線條的筆觸，則得1分，否則得0分。根據上述統一的評分標準，本研究團隊的3名研究人員將對每幅作品單獨展開評分，而后取研究人員評分的平均值作為每幅涂色作品的最終得分。本研究采用肯德爾和諧系數對三位學者的評分進行信度分析，計算結果為0.533，表明該評分具有可接受的信度。

4 研究過程

在實驗開始之前，實驗助理會向每位學生介紹實驗流程，并講解實驗設備的使用規則，包括如何在沉浸式虛擬環境中通過身體的移動和手柄的控制進行自由探索。待了解實驗流程并熟悉實驗設備之后，每位學生都將完成藝術態度前測和對藝術作品的理解程度前測。測試完畢，實驗助理會為每位學生佩戴沉浸式虛擬現實設備和腦電波設備。當確認學生的腦電波數據（包括注意力和冥想）可以被穩定記錄時，學生就正式進入沉浸式虛擬環境中的藝術學習空間，自由地感受梵高的藝術風格和色彩特點，而其實時的腦電波數據將會被全程記錄。完成虛擬藝術學習之后，學生需立即根據學習過程中的真實感受填寫認知負荷問卷和心流問卷，接著完成藝術態度后測和對藝術作品的理解程度后測。最后，學生還需參加藝術再現活動，對已去色的作品進行涂色。每位學生大約要用42分鐘完成實驗，所有實驗數據均為有效數據，具體的實驗流程如圖3所示。

圖3 實驗流程示意圖

三 研究結果

1 沉浸式虛擬環境對學生藝術態度和對藝術作品理解程度的影響

本研究將學生填寫的藝術態度前后測數據和對藝術作品的理解程度前后測數據分別進行了配對樣本T檢驗，結果如表1所示。表1顯示，學生藝術態度前、后測的平均得分分別為：M=3.694，SD=.543；M=4.180，SD=.626；T檢驗結果表明，學生藝術態度后測的得分顯著高于其前測的得分（t=5.972，=.000）。學生對藝術作品的理解程度前、后測的平均得分分別為：M=6.400，SD=1.852；M=7.960，SD=1.484；T檢驗結果表明，學生對藝術作品的理解程度后測的得分顯著高于其前測的得分（t=5.848，=.000）。上述數據說明，基于沉浸式虛擬環境的藝術學習對學生的藝術態度及其對藝術作品的理解程度提升效果顯著。

表1 藝術態度前后測數據和對藝術作品的理解程度前后測數據的配對樣本T檢驗

注：***＜0.001。

2 虛擬藝術學習過程中學生的認知負荷、心流與腦電波數據之間的關系

基于多模態數據監測的理念，本研究通過腦電波設備和問卷測量了學生在虛擬藝術學習過程中的腦電波數據、心流和認知負荷。為揭示這些變量之間的關系，本研究通過皮爾遜相關系數展開探究，結果顯示：心流與認知負荷呈現顯著的負相關關系（r=-0.515，=.000＜0.05），而心流與注意力、心流與冥想、認知負荷與注意力、認知負荷與冥想、注意力與冥想之間均沒有呈現出顯著的相關關系。這表明在沉浸式虛擬環境中開展藝術學習的過程中，學生的心流狀態越佳，認知負荷越低。

3 虛擬藝術學習過程中學生的認知負荷、心流、腦電波數據與藝術作品涂色得分的關系

本研究采用皮爾遜相關系數，對學生在沉浸式虛擬環境中開展藝術學習時的認知負荷、心流、腦電波數據與藝術作品涂色得分之間的關系展開探究，結果顯示：學生在虛擬藝術學習過程中的認知負荷與藝術作品涂色得分呈現顯著的負相關關系（r=-0.280，=0.049＜0.05），學生在虛擬藝術學習過程中的冥想與藝術作品涂色得分也呈現顯著的負相關關系（r=-0.321，=0.023＜0.05）。這表明當學生在虛擬藝術學習過程中擁有較高的認知負荷或冥想時，其藝術作品涂色得分較低，具體表現為該學生的涂色作品與梵高繪畫的藝術風格和色彩特點相差較遠。

四 分析與討論

本研究運用腦電波設備和問卷，對學生在沉浸式虛擬環境中開展藝術學習時的相關數據進行收集，通過多種形式的數據分析得出以下結論：

①沉浸式虛擬環境能夠顯著提升學習者的藝術態度和對藝術作品的理解程度。李萌等[28]通過實證研究發現，虛擬現實學習環境下學習者的積極性很高，其學習態度和學習成績也得到了顯著的提升——這與本研究所得結論一致。究其原因，可能在于與觀看藝術圖片或視頻相比，虛擬現實技術提供的三維場景能夠營造出滿足第一人稱視角、具備高自由度的藝術探索空間，極大地促進個體“身在其中”的歸屬感和“無拘無束”的自主感，有利于提升學習者的學習滿意度和學習態度[29][30][31]。與此同時，沉浸式虛擬現實空間加強了學習者與藝術作品的聯結和對話，能夠刺激學習者的認知感受，對學習者知識水平的進步有積極影響[32][33][34]。

②在基于沉浸式虛擬環境的藝術學習過程中，學習者的心流與認知負荷存在負相關關系。相較于傳統課堂教學，虛擬現實環境更能促進學習者心流的產生，而心流可以讓學習者的認知資源聚焦于理解學習材料，對降低學習者的內在負荷有所幫助[35]。即使是虛擬藝術空間中提供的豐富信息，也可能會干擾學習者或給學習者帶來外部認知負荷，但當內、外負荷疊加后的總資源量小于學習者的工作記憶時，仍會產生較好的學習效果。而當學習者認知負荷過高時，容易造成心理匱乏，心流的狀態也會受到不利影響[36]。本研究中學習者在沉浸式虛擬環境開展藝術學習過程中的心流與認知負荷呈現負相關關系，這一研究結論為之前的研究論斷提供了支持。

③學習者在沉浸式虛擬環境開展藝術學習時的認知負荷和冥想，都與其在虛擬藝術學習后進行藝術作品涂色時的得分呈現顯著的負相關關系。在虛擬現實環境中，對目標明確的學習者而言，適度的焦慮、責任心與緊張感有助于其實施更高層次的認知處理并提升學習表現[37][38]。焦慮與緊張反映出較低的冥想狀態，數據分析結果論證了冥想與藝術作品涂色得分之間的負相關關系，這與之前的研究結論相似。同時，認知負荷也是影響學習者學習效果的關鍵，較高的認知負荷極易導致學習成就的降低[39]。由此可見，如果虛擬藝術空間中呈現過多的內容，導致學習者信息冗余，就容易產生過度的認知負荷，從而使學習者開展虛擬藝術學習時面臨認知資源分配不足、左支右絀的問題，其藝術學習效果與學習表現也會差強人意。

五 結語

虛擬現實技術帶來了新的藝術學習方式，本研究對沉浸式虛擬環境下的藝術學習場景與學習過程進行了設計、實驗與數據分析，實驗證明沉浸式虛擬環境能有效提高學習者的藝術態度和對藝術作品的理解程度，此結論可為虛擬現實技術在藝術領域的應用、進行藝術教育改革提供參考。但需要注意的是，在進行基于沉浸式虛擬環境的藝術學習設計時，要避免認知負荷過載，同時要設計有效的互動環節，使學習者適度緊張以增加其學習投入度。另外，本研究關注的是虛擬現實技術在藝術學科中的應用，至于虛擬現實技術在其他學科的應用是否會出現類似的結果還有待進一步的深入研究。

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Research on the Effect of Immersive Virtual Environment on Students’ Art Learning

LIU Xin YANG Xiao-zhe[Corresponding Author]WANG Qin HU Lin-lin

With the characteristics of strong interaction, high immersion, and multi-sensory stimulation, virtual reality technology satisfies students’ art learning from the perspective of artists. In order to explore the effect of the immersive virtual environment on students’ art learning, this paper adopted the experimental research method and used brainwave equipment and questionnaires to measure the relevant data about students’ art learning. It was found that after carrying out art learning in the immersive virtual environment, students’ artistic attitude and understanding of artworks were significantly improved. Meanwhile, in the process of art learning, there was a significant negative correlation between students’ mental flow and cognitive load, and there was also a significant negative correlation between students’ meditation and cognitive load and their scores of coloring artwork. Through experimental data, this paper revealed the value of the immersive virtual environment to art learning, and provide new design ideas and suggestions for the follow-up learning scene application of virtual reality technology.

immersive virtual reality; brainwaves; art learning; flow; cognitive load

G40-057

A

1009—8097（2022）04—0061—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.04.007

劉昕，在讀碩士，研究方向為教育信息化、虛擬學習空間、課程與教學，郵箱為lx17317106780@163.com。

2021年8月4日

編輯：小時