虛擬現實教學質量評價指標體系的構建研究

張巖　李大燦　龔園園

摘要：隨著信息技術的發展，虛擬現實技術與教育不斷融合，取得了顯著的效果。虛擬現實教育以其沉浸性、互動性、構想性以及智能化特征，為學生提供了逼真的學習場景，能夠有效調動學習積極性，提高教學質量。目前，我國在虛擬現實教學方面多集中于虛擬現實教學理論和案例應用方面，缺乏虛擬現實教學質量評價方面的研究。如何通過統一的指標評價體系對教學質量和教學效果進行全面的評價是目前教育界值得思考的問題。通過德爾菲法確定虛擬現實教學質量評價的指標因素，以層次分析法確立各指標權重，最終構建虛擬現實教學質量評價體系。這可以為學校開展虛擬現實教學提供量化標準，也為提高虛擬現實教學質量提供適當的參考建議和數據支持。

關鍵詞：虛擬現實;教學質量;評價體系;層次分析法

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A文章編號：1673-1573（2022）02-0087-09

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）和教育的結合是傳統教學的重要補充，是教育行業的發展趨勢。虛擬現實教學通過三維建模及場景搭建，為學習者提供近乎逼真的教學模型，可以提高知識呈現的情境性與直觀性，有助于學生提高學習的積極性和主動性，進而有效提高教學質量和教學效果[1-3]。當前，隨著新一代信息技術的發展，VR教育對傳統的教育模式產生了深遠影響。VR教育行業出現了眾多VR教學平臺和VR課件產品，然而針對這些VR教學產品支持學習的效果，尚缺乏完善的教學質量評價標準和評價體系。為此，筆者擬構建VR教學質量評價體系，為VR教學行為、VR教學過程以及VR教學效果的評價提供參考。

一、虛擬現實含義與特征

（一）虛擬現實含義

VR技術是利用三維建模、計算機視覺、系統集成、多媒體等計算機技術生成的三維虛擬空間，可以模擬各種逼真的虛擬場景，作用于用戶視覺、聽覺、觸覺，使其具有身臨其境的感覺[4]。這種由計算機相關技術生成的高仿真系統具有良好的交互性和情景化能力，用戶可以與虛擬場景進行良好的互動。

VR技術在學界中有著不同的定義，主要分為狹義虛擬現實技術和廣義虛擬現實技術。廣義虛擬現實技術還包括增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）和混合現實（Mixed Reality，簡稱MR）[5]，在許多情況下，人們把這些技術統稱為擴展現實（Extended Reality，簡稱XR）。AR技術以虛實結合、實時交互為主要特征，在真實環境中增添虛擬場景;MR技術通過全息圖，將現實環境與虛擬環境相互混合，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。

圖1為真實—虛擬連續體模型[6]。現實環境是人們通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官來感知真實的世界，而虛擬環境則通過計算機技術來模擬視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等來創造虛擬的世界。真實—虛擬連續體模型中處于現實環境與虛擬環境之間的部分稱為混合現實（MR），偏向現實環境的部分稱為增強現實（AR），偏向虛擬環境的部分稱為增強虛擬（Augmented Virtuality）。混合現實在現實環境中多表現為增強現實，是真實環境與虛擬環境的疊加，用戶既可以感知虛擬環境又可以感知真實環境。

（二）虛擬現實技術基本特征

VR技術具有沉浸感、互動性、構想性、智能化等特性[7]，正是由于這些特性，虛擬現實技術已經被廣泛應用到了各個領域，例如虛擬教學、軍事仿真、地理信息系統、工業仿真、人機交互、數字孿生等多個領域。

1.沉浸感（Immersion）。VR技術可以創造逼真的虛擬環境，為用戶提供聽覺、視覺、觸覺等感官體驗，使其具有身臨其境的感覺[8-9]。例如在VR教育場景中，可以突破時空界限，潛移默化中幫助學生加深知識理解，比傳統的教育模式更加直觀、立體，能快速激發學生的學習興趣。

2.交互性（Interaction）。用戶可以參與虛擬世界中的活動，通過傳感器或手柄能夠對虛擬環境中的對象或事物進行可行性的操作，像在真實世界中一樣，虛擬環境可以做出相應的回應[10-11]。例如在VR教育場景中，學生可以操控專業的VR設備，以手勢、眼球追蹤、表情識別、語言識別等方式與虛擬環境進行交互。

3.構想性（Imagination）。構想性，也稱創意性，VR技術為人類認識和改造世界提供了嶄新的方法，不僅可再現真實存在的環境，也可以創造出客觀真實世界不存在的事物，可拓寬人類認知范圍和可想象空間，進而提高認識，加強聯想[12]。例如在VR教育場景中，學生沉浸在虛擬環境中，與之進行各種交互，從中得到感性和理性的認識，從而可以深化概念，萌發新意，產生認識上的飛躍。VR技術不僅是一個用戶與終端的接口，而且還可以啟發用戶進行創造性思維活動，有助于用戶在沉浸式環境中獲取新知識，提高感性認識與理性認識，進而產生新的構思與創意。

4.智能化（Intelligence）。智能化特征是隨著VR技術和人工智能技術的發展相互結合形成的。隨著VR技術和人工智能（AI）技術的不斷發展與相互滲透，VR交互的智能化、VR對象及內容制作的智能化、自動化也在不斷增強[13]。VR與AI的這種融合，非常適用于分布式虛擬仿真條件下的教育場景應用[14]，通過實時智能化教學數據分析，可以為教師提供智慧化、精準化教學建議。

二、虛擬現實技術創新教學模式

傳統的多媒體教學主要體現為“以教師講解為中心”的教學模式，師生雙方缺乏及時的信息交流和反饋，學生始終處在被動的學習狀態，導致學生主動學習的積極性在課堂上無法得到充分的體現[15];這種傳統的“填鴨式”教學方式還壓抑了學生心理發展的需求，束縛了學生創造性的發揮，導致學生普遍缺乏創新能力。

通過傳統教學模式與虛擬現實教學模式的對比分析可知，VR技術有助于促進教育資源分配，推進信息技術與教育環節的深度融合，提高教學質量。虛擬沉浸式教學可以提高學生注意力，逼真的教學環境可以有效調動學生積極性。虛擬現實技術可以打破時空限制，解決教學資源緊缺問題，教學資源可以重復利用，節約教學成本[16-18]，還可以有效防范實驗中的風險，避免危險實驗安全事故問題的發生。2020年3月，美國高校教育信息化協會發布《2020 EDUCAUSE地平線報告：教學與學習版》，將XR（AR、VR、MR）作為新興技術和實踐，在未來交互性課程里面可以作為教學的重要補充，并預測其應用于教育行業將成為未來發展趨勢，對教育教學具有重要意義[19-20]。

三、虛擬現實教學質量評價指標因素確定

（一）篩選指標因素的方法

本文在確定虛擬現實教學質量評價指標因素時，選用德爾菲法（DELPHI METHOD），也稱為專家咨詢法，其核心要點包括：一是匿名性，所有專家組成員在完全匿名的情況下通過函件相互交流，可以消除權威性、相互性的影響;二是反饋性，工作人員收集每一輪的專家調查意見后，再通過匿名的方式并將其反饋給專家，一般進行多次反饋，一直到最終結果基本能夠趨于一致為止。德爾菲法的流程如圖3所示。

德爾菲法成敗的關鍵因素在于所選擇專家的知識、經驗和主觀判斷能力，因此，專家的選擇是虛擬現實教學質量評價指標篩選的關鍵。本文所優選的專家主要來自于政府、行業協會、高校、科研機構以及行業龍頭企業，最終確定10名專家，專家背景具體如表1所示。

（二）指標因素的確定

為了使虛擬現實教學質量評價指標更全面、客觀、系統，并且具有良好的可行性，本文對國內外虛擬現實教學相關的研究成果進行了梳理分析，初步識別出18項評價指標因素清單。經過3輪德爾菲法調查后，專家的調查意見趨于一致（見表2）。

依據專家組甄選結果，識別出14項虛擬現實教學質量評價指標因素，根據指標因素內容的性質，可以將這14項指標劃分為四類，包括課程前期的教學準備、教學資源設置、教學實施以及教學反饋（見表3）。

四、虛擬現實教學質量評價體系構建（一）指標體系權重確定方法

本文主要運用層次分析法對教學質量評價指標因素進行權重分析，層次分析法賦權的主要步驟包括如下幾個方面。

1.建立評價模型。在決策目標明確的基礎上，通過將決策問題的主要因素進行層次化分析，建立出有層次、系統的遞階結構。

2.兩兩比較風險因素，構建判斷矩陣。建立評價模型后，請專業人士運用1-9及倒數的標度法對所有風險因素進行比較評分，得分值如表4所示。

3.層次單排序，并作一致性檢驗。對于每個成對比較的矩陣，計算并判斷矩陣的最大特征根λ及其對應的特征向量，將特征向量歸一化后記為W。通過進行一致性檢驗能夠檢驗層次單排序能否被確認，進行一致性檢驗需引進一致性指標CI，定義為：

（二）構建層次模型

根據虛擬現實教學質量評價14項指標因素的具體性質進行分類，可以初步建立虛擬現實教學質量評價體系，包括教學準備、教學資源、教學實施以及教學反饋4個一級指標及14個二級指標，如圖4所示。

（三）確定準則層權重

通過與專家討論，在教學準備、教學資源、教學實施、教學反饋4個因素中，將4個因素兩兩比較之后，可得準則層的判斷矩陣A，如表6所示。

1.計算各因素的權重。根據構建的準則層判斷矩陣，具體權重計算步驟如下：

第一步：歸一化處理A 的每一列元素;

第二步：歸一化后，將各行相加;

第三步：相加后算行平均數，得權重向量;

（五）指標體系權重的確定

按照上述運算確定了“虛擬現實教學質量評價指標體系”中各層級指標的權重，結果如表12所示。虛擬現實教學質量評價指標體系各指標因素中，一級指標包括VR教學準備、VR教學資源、VR教學實施、VR教學反饋所占比重分別為14.04%、42.77%、24.46%和18.72%，二級指標中所占比重最高的兩項分別是多樣性、沉浸感，所占比重為15.62%、9.28%。由此可見，無論傳統的教學模式還是虛擬現實教學模式，教學內容的多樣性與豐富性仍是教學質量評價的最重要標準;對于虛擬現實教學來說，其沉浸感也是教學質量評價中的重要因素之一。

五、結論

虛擬現實技術對傳統的教育模式產生了深遠影響，虛擬現實融入教育已成為未來發展趨勢。本研究運用德爾菲法，經過三輪專家征詢，利用定性與定量的研究方法制定了虛擬現實教學質量評價指標體系。本評價體系為學校開展虛擬現實教學提供量化標準，為教學準備、教學資源、教學實施、教學效果等評價提供參考建議;也有助于梳理虛擬現實教學中存在的問題并改進，有利于對教學進行有效監督和反饋，是保障虛擬現實教學質量的重要手段。隨著虛擬現實技術和新一代信息技術的飛速發展，本指標體系可以根據實際需要有選擇性地對各項指標因素以及權重進行調整，從而實現更全面的教學質量評價。

參考文獻：

[1]黃奕宇.虛擬現實（VR）教育應用研究綜述[J].中國教育信息化，2018（1）：11-16.

[2]高嵩，趙福政，等.國外虛擬現實（VR）教育研究存在的問題與啟示[J].中國電化教育，2018（3）：19-23.

[3]劉明.沉浸式虛擬現實技術的教育應用與挑戰[J].教育現代化，2018（51）：208-209.

[4]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（F輯：信息科學），2009（1）：2-46.

[5]呂云，洪玉潔，等.虛擬現實教育應用促進教育均衡發展[J].計算機教育，2019（12）：3-8.

[6]劉勉，張際平.虛擬現實視域下的未來課堂教學模式研究[J].中國電化教育，2018（5）：30-37.

[7]李洪修，李美瑩.基于虛擬現實環境的深度學習模型構建[J].中國電化教育，2019（9）：68-73.

[8]寧攀，李丁丁，等.VR技術及其教育應用探究[J].教育現代化，2019（62）：173-176.

[9]劉蕙，劉蕾.VR技術在教育領域應用場景研究[J].電子商務，2017（5）：95-96.

[10]裴培.淺談虛擬現實技術的教育應用[J].中國教育信息化，2018（8）：94-96.

[11]陳貴平，唐婉貞.基于虛擬現實技術（VR）在學前教育中的應用研究[J].赤峰學院學報（自然科學版），2017（22）：192-194.

[12]李洪修，李美瑩.基于虛擬現實環境的深度學習模型構建[J].中國電化教育，2019（9）：68-73.

[13]沈陽，逯行，等.虛擬現實：教育技術發展的新篇章——訪中國工程院院士趙沁平教授[J].電化教育研究，2020（1）：5-9.

[14]李大燦，黃敏，等.新冠肺炎疫情防控中5G智慧醫療服務體系的構建[J].中華急診醫學雜志，2020（4）：503-508.

[15]丁楠，汪亞珉.虛擬現實在教育中的應用：優勢與挑戰[J].現代教育技術，2017（2）：19-25.

[16]Plamena Zlateva， Dimiter Velev. Virtual Reality Challenges in Education and Training[J].International Journal of Learning and Teaching. 2017（1）：33-37.

[17]馬吉莊.虛擬現實技術在教育中的應用[J].軟件導刊（教育技術），2018（1）：73-74.

[18]劉崇進，賀佐成，葉雯，等.沉浸式VR在教育培訓中的應用概況和展望[J].中國教育信息化，2018（15）：9-13.

[19]EDUCAUSE.2020 ECUCAUSE Horizon Report-Teaching and Learning Edition[EB/OL]. https：//library.educause.edu/resources/2020/3/2020-educause-horizon-report-teaching-and-learning-edition， 2021-01-20.

[20]劉革平，王星.虛擬現實重塑在線教育：學習資源、教學組織與系統平臺[J].中國電化教育，2020（11）：87-96.

責任編輯：艾嵐Research on the Construction of the Evaluation Index

System on Virtual Reality Teaching Quality

Zhang Yan Li Dacan Gong Yuanyuan

（1.Institute of Social Governance， Hebei University of Economics and Business， Hebei Shijiazhuang 050061， China;

2.School of Public Administration， Hebei University of Economics and Business， Hebei Shijiazhuang 050061， China）

Abstract：With the development of information technology， the integration of virtual reality technology and education has achieved remarkable results. Virtual reality education has the characteristics of immersion， interaction， imagination and intelligence. It provides students with realistic learning scenes， which can effectively mobilize the enthusiasm of learning and improve the teaching quality. At present， the research on virtual reality teaching in China mainly focuses on the theory and case application， and lacks the research on the quality evaluation of virtual reality teaching. How to make a comprehensive evaluation of teaching quality through a unified index evaluation system is a problem worthy of consideration in the current education field. This study determines the index factors of virtual reality teaching quality evaluation through Delphi method， and establishes the weight of each index through analytic hierarchy process， and finally constructs the evaluation system of virtual reality teaching quality， which can provide quantitative standards for schools to carry out virtual reality teaching， and also provide appropriate reference suggestions and data support for improving the quality of virtual reality teaching.

Key words：virtual reality; teaching quality; evaluation system; analytic hierarchy process