沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的影響
——基于54項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究的元分析

□毛耀忠 劉旭東 宋曉琴

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）作為信息技術(shù)的重要應(yīng)用分支，為用戶獲取知識(shí)和解決問題提供了逼真的模擬環(huán)境和交互空間（Makransky et al.，2018），為教育教學(xué)活動(dòng)提供了新的可能性和技術(shù)支撐。20 世紀(jì)末，虛擬現(xiàn)實(shí)已被大量應(yīng)用于飛行員的培訓(xùn)當(dāng)中。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷完善和持續(xù)推廣，游戲娛樂、員工培訓(xùn)、醫(yī)科訓(xùn)練、心理治療、社交場(chǎng)景、教育教學(xué)等領(lǐng)域也開始大量引入虛擬現(xiàn)實(shí)（Cipresso et al.，2018）。

虛擬現(xiàn)實(shí)按照其能夠營(yíng)造的沉浸性水平可被大致分為兩類：一類是二維的桌面計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)（Desktop Virtual Reality，簡(jiǎn)稱DVR），另一類是三維的頭戴式顯示器或全息式立體空間虛擬場(chǎng)景。二維的桌面計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)通常需要用戶借助鍵盤、鼠標(biāo)、操控桿、觸摸屏等和教學(xué)內(nèi)容互動(dòng)；頭戴式顯示器要求使用者佩戴在頭部，借助手持操控桿進(jìn)行控制；全息式立體空間虛擬場(chǎng)景本質(zhì)上是一種類似房間大小的、基于投影技術(shù)的六面立方體虛擬場(chǎng)景，體驗(yàn)者身處與外界物理環(huán)境隔離的虛擬空間，可以享受到高度沉浸性的體驗(yàn)，產(chǎn)生自身和虛擬場(chǎng)景融為一體的感受（Muhanna，2015）。由于頭戴式顯示器或全息式立體空間虛擬場(chǎng)景相較DVR，可以為用戶提供更加高質(zhì)量和真實(shí)的虛擬體驗(yàn)，所以也被稱作沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（Immersive Virtual Reality，簡(jiǎn)稱IVR）；相應(yīng)地，桌面計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)被稱為非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)或半沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)相較非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)除了在視覺、聽覺上具有更高的仿真性外，還在使用者之間以及使用者與學(xué)習(xí)場(chǎng)景之間建立了更強(qiáng)的交互性，其可以借助傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視覺、聽覺、動(dòng)覺、觸覺甚至嗅覺等多種感知（Bekele et al.，2019）。鑒于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)相較非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)以及傳統(tǒng)教學(xué)的諸多優(yōu)勢(shì)，將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)引入不同學(xué)科的教學(xué)過程，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)績(jī)效非常重要。

二、文獻(xiàn)綜述

20世紀(jì)初，杜威提出了“做中學(xué)”的理念，鼓勵(lì)學(xué)生在現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中針對(duì)實(shí)踐任務(wù)開展探索性和體驗(yàn)性的學(xué)習(xí)活動(dòng)。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)無(wú)疑為學(xué)生提供了這樣的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)支持學(xué)生在安全的學(xué)習(xí)環(huán)境當(dāng)中跨越時(shí)空障礙開展身臨其境式的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)者可以在其中獲得更加寬廣的視野、更具立體的感受、更多角度的觀察和遠(yuǎn)近可調(diào)節(jié)的探索（Buttussi et al.，2018）。一些研究發(fā)現(xiàn)，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)相比非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)更能促進(jìn)學(xué)生的概念理解、知識(shí)遷移和情感投入，更有利于學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的提高。如：Cheng等（2020）考察了中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)小學(xué)生在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的科學(xué)學(xué)習(xí)狀況，發(fā)現(xiàn)在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下，小學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)自我效能感（Self-Efficacy）、感知沉浸感（Perceived Immersion） 和 學(xué) 習(xí) 成 績(jī)（Learning Outcomes）均顯著高于傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的小學(xué)生；在工程教育領(lǐng)域，Alhalabi（2016）開展了一項(xiàng)基于48 名機(jī)械工程專業(yè)大學(xué)生志愿者的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，采用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)組學(xué)習(xí)效果顯著高于未使用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的控制組；Jensen等（2018）的研究結(jié)果同樣支持頭戴式顯示設(shè)備（Head-Mounted Display，簡(jiǎn)稱HMD）相對(duì)于傳統(tǒng)面對(duì)面教學(xué)（Face-to-Face Teaching）在促進(jìn)學(xué)生記憶及理解方面具有顯著優(yōu)越性。

然而，另一些研究卻得出不一致的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與其他教學(xué)方式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響并沒有顯著性差異。如：Makransky等（2019）比較了105名工程學(xué)本科一年級(jí)學(xué)生分別采用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)、桌面計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)和傳統(tǒng)教學(xué)方式時(shí)的學(xué)習(xí)效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種教學(xué)方式在傳遞基本知識(shí)方面沒有表現(xiàn)出顯著性差異；Davis等（2019）探討了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)在學(xué)生口語(yǔ)交際練習(xí)中的作用，其中69名學(xué)生利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)練習(xí)口語(yǔ)交際，127名學(xué)生以面對(duì)面方式練習(xí)口語(yǔ)交際，測(cè)試結(jié)果顯示，兩組學(xué)生最終的成績(jī)沒有顯著性差異；Hassenfeldt等（2020）開展的一項(xiàng)針對(duì)57名司法專業(yè)大學(xué)生數(shù)字取證概念（Digital Forensics Concept）教學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)組和傳統(tǒng)教學(xué)組之間的學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)沒有顯著性差異。

可見，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性還需要得到進(jìn)一步確認(rèn)。目前已有的關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)影響學(xué)生學(xué)習(xí)的元分析研究是將沉浸式與非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)合并在了一起，整體探討虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響（王雪等，2019；周榕等，2019；鄭玲等，2021；Luo et al.，2021；Woon et al.，2021）。但隨著近幾年可穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備（尤其是頭戴式顯示器）的快速普及以及相應(yīng)使用成本的降低，越來(lái)越多的研究開始專注探討沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響作用。本研究采用元分析方法（Meta-Analysis）系統(tǒng)綜合國(guó)內(nèi)外近年來(lái)已有的實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，探討沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響作用，主要擬解決以下兩個(gè)研究問題：（1）相對(duì)于非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)或傳統(tǒng)教學(xué)，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)是否更有利于促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)績(jī)效？（2）在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，其對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的影響受到哪些變量的調(diào)節(jié)？

三、研究設(shè)計(jì)

本研究采用系統(tǒng)性綜述和元分析指導(dǎo)準(zhǔn)則（The Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses，簡(jiǎn)稱PRISMA）開展元分析過程（Bolat et al.，2020），主要包括以下一些步驟：

1.文獻(xiàn)查找過程

為了保證原始文獻(xiàn)的質(zhì)量，外文文獻(xiàn)通過“Web of Science”“ERIC”和“Scopus”三個(gè)國(guó)際權(quán)威數(shù)據(jù)庫(kù)查找。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)應(yīng)的主題詞為“Immersive Virtual Reality”，學(xué)習(xí)績(jī)效對(duì)應(yīng)的主題詞包括“Learning Achievement”“Learning Performance”“Learning Outcome”“Learning Skill”和“Learning Effectiveness”，組合邏輯檢索語(yǔ)句為（“Immersive Virtual Reality”） AND （“Learning Achievement” OR “Learning Performance” OR“Learning Outcome” OR “Learning Skill” OR“Learning Effectiveness”），檢索時(shí)間跨度為2016年1 月至2022 年6 月，文獻(xiàn)出版類型選“Peer Review Article”，語(yǔ)言選“English”，一共得到3170個(gè)檢索結(jié)果。將所有文獻(xiàn)導(dǎo)入EndNote文獻(xiàn)管理軟件，去除重復(fù)文獻(xiàn)后，共得到英文文獻(xiàn)2076 篇。中文文獻(xiàn)通過“中國(guó)知網(wǎng)”數(shù)據(jù)庫(kù)查找，同樣為了保證原始文獻(xiàn)的質(zhì)量，在檢索過程中選擇了“中文核心”和“CSSCI”期刊。由于相關(guān)的中文研究文獻(xiàn)數(shù)量相對(duì)較少，所以僅選擇“沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)”為篇名進(jìn)行檢索，檢索時(shí)間跨度同樣為2016 年1 月至2022年6月，共得到18篇中文文獻(xiàn)。

2.文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)

共有54 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究（其中英文文獻(xiàn)48篇，中文文獻(xiàn)6篇）被納入到元分析當(dāng)中，篩選流程見圖1。去除的2040項(xiàng)研究是因?yàn)闆]有滿足以下一項(xiàng)或多項(xiàng)文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)：（1）不是實(shí)驗(yàn)或準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究；（2）研究缺少控制組（Control Groups）； （3） 學(xué) 習(xí) 成 效 僅 僅 以 自 我 報(bào) 告（Self-Report）的形式呈現(xiàn)，沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)者測(cè)量；（4）實(shí)驗(yàn)對(duì)象不屬于基礎(chǔ)教育（K-12）或者高等教育階段；（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅呈現(xiàn)了沉浸感（Sense of Presence）、動(dòng)機(jī)（Motivation）、態(tài)度（Attitude）、焦慮（Anxiety）、 反 思（Reflection）、 學(xué) 習(xí) 信 念（Learning Belief）、滿意度（Satisfaction）等的測(cè)量，沒有報(bào)告學(xué)習(xí)績(jī)效的結(jié)果，即缺少學(xué)生知識(shí)獲得或者任務(wù)表現(xiàn)的得分；（6）缺少開展元分析的完整數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)組和控制組各自效應(yīng)值的平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差和樣本量），或者缺少可以表征標(biāo)準(zhǔn)化均數(shù)差（Standardized Mean Difference，簡(jiǎn)稱SMD）的d 值（Cohen’s d）、g值（Hedges’s g）等；（7）對(duì)于非隨機(jī)分配的實(shí)驗(yàn)組和控制組，沒有論證或者說(shuō)明他們之間的等質(zhì)性。

圖1 文獻(xiàn)篩選流程

3.資料提取與編碼

兩位研究者獨(dú)立對(duì)54項(xiàng)研究提取信息和編碼，編碼內(nèi)容包括：研究代號(hào)（作者名＋年份）、效應(yīng)值（知識(shí)獲得/任務(wù)表現(xiàn)）、測(cè)量方式（即時(shí)/延時(shí)）、學(xué)段（小學(xué)/初中/高中/大學(xué)）、干預(yù)持續(xù)時(shí)間、學(xué)科、總樣本數(shù)、實(shí)驗(yàn)組教學(xué)方式（頭戴式顯示器/全息式立體空間虛擬場(chǎng)景）、控制組教學(xué)方式（傳統(tǒng)教學(xué)/計(jì)算機(jī)輔助）、實(shí)驗(yàn)組效應(yīng)量均值、實(shí)驗(yàn)組效應(yīng)量標(biāo)準(zhǔn)差、實(shí)驗(yàn)組樣本量、控制組效應(yīng)量均值、控制組效應(yīng)量標(biāo)準(zhǔn)差、控制組樣本量。兩位研究者編碼的一致性系數(shù)Cohen Kappa＝0.920，說(shuō)明特征值編碼結(jié)果可信。同時(shí)，對(duì)于編碼結(jié)果不一致的項(xiàng)目，三位研究者一起做了討論，確定了每一個(gè)項(xiàng)目的最終編碼類別。由于一些實(shí)驗(yàn)研究存在多個(gè)對(duì)照組或者在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量，所以編碼結(jié)果一共有71個(gè)獨(dú)立的效應(yīng)值，實(shí)驗(yàn)組和控制組總的樣本數(shù)為N＝5039，具體編碼結(jié)果見表1。

表1 特征值編碼匯總表

續(xù)表1

續(xù)表1

4.分析過程

整個(gè)元分析過程主要包括計(jì)算效應(yīng)值、檢驗(yàn)異質(zhì)性和分析調(diào)節(jié)效應(yīng)等三個(gè)步驟，整個(gè)計(jì)算過程使用了軟件Comprehensive Meta-Analysis 2.0（簡(jiǎn)稱CMA2.0）。針對(duì)每一項(xiàng)具體研究，基于其樣本量、效應(yīng)量均值和效應(yīng)量標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化均值差。考慮到Hedges’s g可以更好地糾正小樣本（樣本量小于20）研究的統(tǒng)計(jì)偏差，所以采用Hedges’s g 而不是Cohen’s d來(lái)表征標(biāo)準(zhǔn)化均值差（Borenstein et al.，2010）。由于影響學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果因素的多元性和復(fù)雜性，同時(shí)不同研究所處的背景和地域存在較大差異，所以使用隨機(jī)效應(yīng)模型（Random Effects Model，簡(jiǎn)稱REM）計(jì)算71 個(gè)效應(yīng)值的整體效應(yīng)值。效應(yīng)值g 的絕對(duì)值達(dá)到0.1、0.2、0.5、0.8、1.2、2.0 分別代表效應(yīng)值的水平達(dá)到極小（Very Small）、 小（Small）、 中 等（Medium）、 大（Large）、極大（Very large）、巨大（Huge）。其中，正的效應(yīng)值g代表實(shí)驗(yàn)組的影響效果好于控制組，負(fù)的效應(yīng)值g代表實(shí)驗(yàn)組的影響效果不及控制組（Cohen，1992）。異質(zhì)性檢驗(yàn)被用來(lái)評(píng)估不同研究間效應(yīng)值的變異程度，常用的評(píng)估異質(zhì)性的統(tǒng)計(jì)量主要有Q 值和I2。整體異質(zhì)性統(tǒng)計(jì)量Q＝QB＋QW，Q代表所有納入元分析的效應(yīng)值之間總的異質(zhì)性；QB代表某種分組下的組間異質(zhì)性，若QB對(duì)應(yīng)的顯著性p＜0.05，則代表不同組別之間的效應(yīng)值存在顯著性差異，即調(diào)節(jié)變量的調(diào)節(jié)作用成立；QW代表某種分組下的組內(nèi)異質(zhì)性，組內(nèi)異質(zhì)性主要來(lái)源于難以控制的無(wú)關(guān)變量和抽樣誤差。I2代表由效應(yīng)值的真實(shí)差異造成的變異占總變異的比重。Q值越顯著或者I2值越大表示異質(zhì)性越明顯，較大的異質(zhì)性是進(jìn)行調(diào)節(jié)效應(yīng)分析的前提條件。如果I2＞25%，說(shuō)明研究間具有實(shí)質(zhì)性的差異，即存在潛在的調(diào)節(jié)變量，I2＞25%、I2＞50%、I2＞75%分別代表不同研究之間具有較低、中等、較高的異質(zhì)性水平（Higgins et al.，2003）。調(diào)節(jié)效應(yīng)分析主要采用亞組檢驗(yàn)和元回歸分析，當(dāng)考察的變量為類型變量時(shí)選擇亞組檢驗(yàn)，當(dāng)考察的變量為整數(shù)變量時(shí)選擇元回歸分析。

5.出版偏誤分析

出版偏誤（Publication Bias）是指已經(jīng)發(fā)表的研究文獻(xiàn)不能夠代表研究總體的實(shí)際狀況而引發(fā)的偏差（衛(wèi)旭華，2021）。較大的出版偏誤將威脅元分析的結(jié)果、結(jié)論和有效性，因此對(duì)篩選的原始文獻(xiàn)進(jìn)行出版偏誤分析十分必要。本研究使用定性的漏斗圖法（Funnel Pot）和定量的Egger回歸法檢驗(yàn)出版偏誤。當(dāng)篩選的原始文獻(xiàn)不存在較大的出版偏誤時(shí)，基于原始文獻(xiàn)效應(yīng)值繪制的漏斗圖呈現(xiàn)為左右較為對(duì)稱的倒立型漏斗形狀，否則所形成的圖形將會(huì)出現(xiàn)明顯的左右不對(duì)稱。如圖2所示，本研究所選擇的原始文獻(xiàn)效應(yīng)值所形成的漏斗圖以g＝0.400為對(duì)稱軸左右均勻分布，說(shuō)明所選原始文獻(xiàn)的出版偏誤可以接受。同時(shí)，Egger 回歸法檢測(cè)結(jié)果顯示，t＝0.152，p＝0.880＞0.05，表明本研究所選原始文獻(xiàn)的出版偏誤不顯著，得到的研究結(jié)果具有穩(wěn)健性。

圖2 漏斗圖

四、研究過程分析

根據(jù)元分析統(tǒng)計(jì)過程要求，本研究首先對(duì)71個(gè)效應(yīng)值進(jìn)行了合并，然后在異質(zhì)性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展了調(diào)節(jié)效應(yīng)分析。

1.整體效應(yīng)和敏感性分析

為了比較沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與其他教學(xué)方式在影響學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效上的差異，本研究借助CMA2.0軟件在隨機(jī)效應(yīng)模型下將71 個(gè)獨(dú)立的效應(yīng)值（實(shí)驗(yàn)組和控制組的樣本總數(shù)為N＝5039）進(jìn)行了合并。

71 個(gè)獨(dú)立的效應(yīng)值當(dāng)中，31 個(gè)效應(yīng)值（占44%）具有顯著的正向效應(yīng)（p＜0.05），表明在這部分研究中沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)影響學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的程度顯著好于計(jì)算機(jī)輔助或傳統(tǒng)教學(xué)；3個(gè)效應(yīng)值（占4%）具有顯著的負(fù)向效應(yīng)（p＜0.05），表示在這些研究當(dāng)中沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)影響學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的程度顯著不及計(jì)算機(jī)輔助或傳統(tǒng)教學(xué)；另外37個(gè)效應(yīng)值（占52%）未顯示出顯著性差異（p＞0.05），說(shuō)明在余下的研究當(dāng)中沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與其他教學(xué)方式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的影響程度無(wú)顯著性差異。按照元分析的步驟基于隨機(jī)效應(yīng)模型將71個(gè)獨(dú)立效應(yīng)值進(jìn)行合并，得到整體的效應(yīng)值為g＝0.400（SE＝0.063，CI＝[0.277, 0.524]，p＜0.001），顯示在總體上沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)影響學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的程度顯著優(yōu)于計(jì)算機(jī)輔助或傳統(tǒng)教學(xué)。另外，敏感性分析顯示，剔除任意一個(gè)研究后得到的整體效應(yīng)值介于0.379 和0.419之間，表明元分析估計(jì)結(jié)果沒有受到極端值的影響，具有較高的穩(wěn)定性。

2.調(diào)節(jié)效應(yīng)

效應(yīng)值在不同研究間存在較大的異質(zhì)性是進(jìn)行調(diào)節(jié)效應(yīng)分析的前提。借助CMA2.0軟件，得到總的異質(zhì)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Q＝294.707（p＜0.001），表明本元分析中的效應(yīng)值存在顯著的異質(zhì)性。同時(shí)，另一個(gè)異質(zhì)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量I2＝76.25%，表明由效應(yīng)值的真實(shí)差異造成的變異占總變異的比重為76.25%，根據(jù)Higgins界定的異質(zhì)性高低標(biāo)準(zhǔn)，I2＞75%，本研究中的效應(yīng)值達(dá)到較高的異質(zhì)性水平。因此，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的影響可能存在潛在的調(diào)節(jié)變量，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)效應(yīng)分析。本研究依次以測(cè)量方式、學(xué)段、實(shí)驗(yàn)干預(yù)持續(xù)時(shí)間、學(xué)科、控制組教學(xué)方式、效應(yīng)值所屬領(lǐng)域、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)類型作為調(diào)節(jié)變量進(jìn)行了調(diào)節(jié)效應(yīng)分析，結(jié)果見表2。

表2 調(diào)節(jié)效應(yīng)分析結(jié)果匯總表

第一，以測(cè)量方式（即時(shí)/延時(shí)）為調(diào)節(jié)變量，得到即時(shí)測(cè)量方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值g＝0.428（CI＝[0.294，0.561]），延時(shí)測(cè)量方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值g＝0.213（CI＝[-0.104，0.530]），異質(zhì)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量QB＝1.503（p＝0.220＞0.05），表明效應(yīng)值在不同測(cè)量方式之間不存在顯著性差異。同時(shí)，比較效應(yīng)值發(fā)現(xiàn)，即時(shí)測(cè)量方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值大于延時(shí)測(cè)量方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生即時(shí)學(xué)習(xí)績(jī)效的影響大于對(duì)延時(shí)學(xué)習(xí)績(jī)效的影響。

第二，以學(xué)段（大學(xué)/高中/初中/小學(xué)）為調(diào)節(jié)變量，計(jì)算出大學(xué)對(duì)應(yīng)小的效應(yīng)值g＝0.358（CI＝[0.224，0.493]），高中對(duì)應(yīng)極小的效應(yīng)值g＝0.182（CI＝[-0.369，0.734]），初中對(duì)應(yīng)中等的效應(yīng)值g＝0.502（CI＝[0.251，0.753]），小學(xué)對(duì)應(yīng)大的效應(yīng)值g＝0.954（CI＝[0.309，1.600]），異質(zhì)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量QB＝4.442（p＝0.217＞0.05），表明效應(yīng)值在各個(gè)學(xué)段之間不存在顯著性差異。同時(shí)，比較效應(yīng)值發(fā)現(xiàn)，初中以下學(xué)段對(duì)應(yīng)“中等”以上的效應(yīng)值，而高中以上學(xué)段對(duì)應(yīng)“小”以下效應(yīng)值。隨著學(xué)段的增高，效應(yīng)值出現(xiàn)遞減，說(shuō)明沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)低學(xué)段學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的影響更大。

第三，以實(shí)驗(yàn)干預(yù)持續(xù)時(shí)間（少于1天記為短期，大于等于1天記為長(zhǎng)期）為調(diào)節(jié)變量，得到短期實(shí)驗(yàn)干預(yù)對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值為g＝0.435（CI＝[0.255，0.614]），長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)干預(yù)對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值為g＝0.385（CI＝[0.223，0.547]），異質(zhì)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量QB＝0.165（p＝0.921＞0.05），表明效應(yīng)值在長(zhǎng)、短期實(shí)驗(yàn)干預(yù)之間不存在顯著性差異，彼此的效應(yīng)值比較接近。

第四，以學(xué)科為調(diào)節(jié)變量（三門學(xué)科k＝1，未計(jì)入調(diào)節(jié)效應(yīng)分析），得到醫(yī)學(xué)具有極小的效應(yīng)值g＝0.174（CI＝[-0.016，0.363]），科學(xué)具有中等的效應(yīng)值g＝0.501（CI＝[0.203，0.799]），工程具有大的效應(yīng)值g＝0.849（CI＝[0.497，1.201]），語(yǔ)言 具 有 中 等 的 效 應(yīng) 值g＝0.502 （CI＝[0.159，0.845]），安全訓(xùn)練具有小的效應(yīng)值g＝0.201（CI＝[-0.300，0.702]），地理具有小的效應(yīng)值g＝0.311（CI＝[0.092，0.531]），幾何具有中等的效應(yīng)值g＝0.606（CI＝[-0.153，1.365]），歷史具有極小的效應(yīng)值g＝0.113（CI＝[-0.811，1.038]），異質(zhì)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量QB＝13.903（p＝0.049＜0.05），表明效應(yīng)值在不同學(xué)科之間存在顯著性差異。工程、幾何、語(yǔ)言、科學(xué)等學(xué)科對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值大于地理、安全訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)、歷史等學(xué)科對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值。

第五，以控制組教學(xué)方式為調(diào)節(jié)變量，得到計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值g＝0.347（CI＝[0.195，0.499]），傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值g＝0.497（CI＝[0.281，0.713]），異質(zhì)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量QB＝1.237（p＝0.266＞0.05），表明效應(yīng)值在不同控制組教學(xué)方式之間不存在顯著性差異，效應(yīng)值相對(duì)接近。

第六，以效應(yīng)值所屬領(lǐng)域?yàn)檎{(diào)節(jié)變量，得到知識(shí) 獲 得 對(duì) 應(yīng) 的 效 應(yīng) 值g＝0.384 （CI＝[0.227，0.540]），任務(wù)表現(xiàn)對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值g＝0.441（CI＝[0.252，0.630]），異 質(zhì) 性 檢 驗(yàn) 統(tǒng) 計(jì) 量QB＝0.212（p＝0.645＞0.05），表明效應(yīng)值在知識(shí)獲得和任務(wù)表現(xiàn)之間不存在顯著性差異，效應(yīng)值比較接近。

第七，以沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)類型為調(diào)節(jié)變量，探討不同類型沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的影響是否存在差異。計(jì)算結(jié)果顯示，頭戴式顯示器具有小的效應(yīng)值g＝0.427（CI＝[0.302，0.551]），全息式立體空間虛擬場(chǎng)景具有極小的效應(yīng)值g＝0.185（CI＝[-0.551，0.720]），異質(zhì)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量QB＝1.069（p＝0.301＞0.05），表明效應(yīng)值在不同類型的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)之間不存在顯著性差異。同時(shí)，比較兩種沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)應(yīng)的研究數(shù)量可以看出，頭戴式顯示器成為近年來(lái)主要的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)類型，這主要?dú)w因于其操作較為簡(jiǎn)便和成本相對(duì)低廉。

五、研究結(jié)論和建議

整體上，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的影響高于計(jì)算機(jī)輔助或傳統(tǒng)教學(xué)（總效應(yīng)值g＝0.400），其促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性得到確認(rèn)。調(diào)節(jié)效應(yīng)分析結(jié)果表明，學(xué)科在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)影響學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的過程中發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用，而測(cè)量方式、學(xué)段、實(shí)驗(yàn)干預(yù)持續(xù)時(shí)間、控制組教學(xué)方式、效應(yīng)值所屬領(lǐng)域、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)類型等變量均不存在調(diào)節(jié)效應(yīng)。另外，比較各個(gè)子類的特征可以發(fā)現(xiàn)，即時(shí)測(cè)量方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值大于延時(shí)測(cè)量方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值，初中以下學(xué)段對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值大于高中以上學(xué)段對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值，頭戴式顯示器是目前應(yīng)用最廣泛的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)類型。未來(lái)若意圖進(jìn)一步提升沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的影響，建議做好以下幾個(gè)方面的工作。

1.促進(jìn)技術(shù)與教學(xué)的深度融合

如前所述，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)具有正向且小的效應(yīng)值，未來(lái)需要持續(xù)優(yōu)化沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與教學(xué)的整合程度，提升效應(yīng)值水平。學(xué)生是否熟悉沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境及操作、教師整合技術(shù)與教學(xué)能力的高低、技術(shù)本身的局限性等都是影響效應(yīng)值高低的重要因素。為了更好地促進(jìn)技術(shù)與教學(xué)的融合，首先，應(yīng)開展對(duì)學(xué)生相關(guān)操作技能的培訓(xùn)（Kavanagh et al.，2017），保證學(xué)生在學(xué)習(xí)探索過程中不會(huì)因?yàn)椴僮鲉栴}而影響學(xué)習(xí)的進(jìn)程和思考的深度；其次，提升教師應(yīng)用技術(shù)的能力和水平，使教師熟悉主流的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、軟件和配套資源，并能恰當(dāng)?shù)匾氲阶约旱慕虒W(xué)活動(dòng)當(dāng)中（Jensen et al.，2018），發(fā)揮沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)高仿真、高沉浸、高交互的優(yōu)勢(shì)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)績(jī)效；再次，限定學(xué)生使用相關(guān)設(shè)備的時(shí)間，防止學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間穿戴沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備產(chǎn)生暈機(jī)、眼疲勞等不適癥狀，保證學(xué)生的身體健康和學(xué)習(xí)效率（Weech et al.，2020）。

2.挖掘不同學(xué)科應(yīng)用潛力

本研究的調(diào)節(jié)效應(yīng)分析結(jié)果表明，學(xué)科是影響效應(yīng)值的重要變量，學(xué)科對(duì)效應(yīng)值存在調(diào)節(jié)作用。工程、幾何、語(yǔ)言、科學(xué)等學(xué)科具有中等以上的效應(yīng)值，而地理、安全訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)、歷史等學(xué)科僅有小的或極小的效應(yīng)值。但需要注意的是，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)所有學(xué)科的效應(yīng)值均為正，說(shuō)明沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)在每一個(gè)學(xué)科當(dāng)中均有較大的應(yīng)用潛力，未來(lái)可以借助技術(shù)的進(jìn)步以及改進(jìn)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與學(xué)科教學(xué)的融合方式來(lái)持續(xù)提升效應(yīng)值水平。效應(yīng)值在不同學(xué)科之間的差異主要源自不同學(xué)科內(nèi)容的區(qū)別和相應(yīng)技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的融合程度。在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用當(dāng)中，需要根據(jù)學(xué)科的不同，將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與學(xué)科內(nèi)容精準(zhǔn)匹配，創(chuàng)造性地開展教學(xué)活動(dòng)。如果學(xué)習(xí)內(nèi)容較多涉及空間結(jié)構(gòu)與分布，那么采用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)便可以讓學(xué)習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)立體化，幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)概念、原理和機(jī)制（Hamilton et al.，2021）；如果學(xué)習(xí)內(nèi)容和運(yùn)動(dòng)感知、觸覺感知等緊密相關(guān)，那么就需要加入相應(yīng)的觸覺傳感器、運(yùn)動(dòng)反饋系統(tǒng)等，保證學(xué)生與學(xué)習(xí)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)交互，增強(qiáng)學(xué)習(xí)過程的真實(shí)感和沉浸感（Huber et al.，2018）；如果學(xué)習(xí)內(nèi)容更偏向抽象、宏觀、邏輯性強(qiáng)的知識(shí)，那么就要避免細(xì)枝末節(jié)性的信息分散學(xué)生的注意力，可加入相應(yīng)的語(yǔ)音提示或者符號(hào)表征來(lái)引導(dǎo)學(xué)生的專注點(diǎn)和思考方向。

3.促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

本研究得到的即時(shí)測(cè)量方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值g＝0.428，延時(shí)測(cè)量方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值g＝0.213，說(shuō)明沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)相對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助和傳統(tǒng)教學(xué)不僅提高了即時(shí)測(cè)試成績(jī)，也提高了延時(shí)測(cè)試成績(jī)，但提升延時(shí)測(cè)試成績(jī)的幅度相對(duì)較小。一個(gè)可能的原因是延時(shí)測(cè)試成績(jī)對(duì)應(yīng)的研究數(shù)量較少（k＝9），所以沒能把對(duì)延時(shí)測(cè)試成績(jī)的影響充分體現(xiàn)出來(lái)。另一個(gè)可能的原因是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)沒能支持學(xué)生開展深度學(xué)習(xí)，導(dǎo)致延時(shí)測(cè)量方式對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值偏低。因此，一方面要持續(xù)進(jìn)行沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)影響延時(shí)測(cè)試成績(jī)的實(shí)證研究，發(fā)掘沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)潛力；另一方面，需要通過在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中設(shè)置問題鏈、開展人機(jī)交互、繪制概念圖等方式支持學(xué)生深度學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生深刻理解學(xué)科知識(shí)，并建立知識(shí)之間的聯(lián)結(jié)（毛耀忠等，2021），最終提高學(xué)生的延時(shí)測(cè)試成績(jī)。

4.降低外在認(rèn)知負(fù)荷

本研究的研究結(jié)果顯示，初中以下學(xué)段對(duì)應(yīng)中等以上的效應(yīng)值，高中以上學(xué)段對(duì)應(yīng)小以下效應(yīng)值，這說(shuō)明沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)支持所有學(xué)段的學(xué)習(xí)活動(dòng)，同時(shí)表明對(duì)初中以下學(xué)段的促進(jìn)作用更加明顯。出現(xiàn)這樣的結(jié)果可能與不同年齡段學(xué)生的學(xué)習(xí)方式有關(guān)。初中以下學(xué)段的學(xué)生在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中更多地專注于技術(shù)創(chuàng)設(shè)的虛擬場(chǎng)景本身，借助多角度的直觀觀察和動(dòng)手操作深入認(rèn)識(shí)對(duì)象；而高中以上學(xué)段的學(xué)生本身具有更強(qiáng)的空間建構(gòu)能力，對(duì)直觀模型的依賴程度相對(duì)下降，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)的豐富視、聽、觸覺信息在幫助他們理解知識(shí)的同時(shí)也增加了他們的外在認(rèn)知負(fù)荷（劉昕等，2022），導(dǎo)致沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的效用打了折扣。但不能忽視的是，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)于高中以上學(xué)段的學(xué)習(xí)仍然具有正向效應(yīng)，只不過在應(yīng)用當(dāng)中由于外在認(rèn)知負(fù)荷的影響降低了其效應(yīng)值。因此，在高中以上學(xué)段教學(xué)中融入沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)除了要考慮技術(shù)帶來(lái)的益處外，還要思考技術(shù)可能導(dǎo)致的消極方面，在增加學(xué)生學(xué)習(xí)沉浸性、仿真性、交互性和現(xiàn)場(chǎng)感的同時(shí)，需控制好可能帶給學(xué)生的過重外在認(rèn)知負(fù)荷，這是提升沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)效用的關(guān)鍵。

5.控制教學(xué)使用成本

控制使用成本，增加可用性是推動(dòng)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)廣泛應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域的前提性條件（Mayne et al.，2020）。比較本研究中兩類沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)應(yīng)的研究數(shù)量可以看出，頭戴式顯示器成為近年來(lái)主要的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)類型（k＝65），全息式立體空間虛擬場(chǎng)景主要起到補(bǔ)充的作用（k＝6），這主要?dú)w因于頭戴式顯示器足夠強(qiáng)大的功能和較低的使用成本。隨著技術(shù)的快速迭代進(jìn)步，越來(lái)越多的用戶可以體驗(yàn)到基于頭戴式顯示器的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)。頭戴式顯示器在可視化和人機(jī)交互方面擴(kuò)展了傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)的功能，可以跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)，在視線前方顯示相應(yīng)的三維場(chǎng)景，并在虛擬空間中實(shí)現(xiàn)自然操作（Han，2020）。頭戴式顯示器的教學(xué)應(yīng)用主要集中在三個(gè)方面：虛擬世界表征、模擬和教育游戲（Merchant et al.，2014）。首先，頭戴式顯示器可以為學(xué)生學(xué)習(xí)提供三維模型、球形視頻和虛擬野外旅行，這超越了傳統(tǒng)的二維視覺刺激，為學(xué)生提供了高質(zhì)量的沉浸性學(xué)習(xí)環(huán)境；其次，將觸覺界面（如可穿戴傳感器）與頭戴式顯示器相結(jié)合，可以提升模擬過程中的操作度和控制感，有利于知識(shí)遷移和任務(wù)解決；另外，開發(fā)適合頭戴式顯示器的教育游戲，為學(xué)生提供“第一人稱”視角的角色扮演機(jī)會(huì)，可以讓學(xué)生在情境體驗(yàn)中深刻理解知識(shí)和發(fā)展高階能力。雖然隨著技術(shù)的快速迭代進(jìn)步，頭戴式顯示器的價(jià)格已大幅降低，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用仍然存在困難。因此控制沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)在教學(xué)應(yīng)用中的使用成本仍然是推廣的關(guān)鍵。具體地，可以鼓勵(lì)共建、共享沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字資源庫(kù)，節(jié)約教學(xué)資源開發(fā)成本；定制化并集中購(gòu)置沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)終端設(shè)備，在滿足日常教學(xué)需要的同時(shí)，最大限度地節(jié)省開支；嘗試不同班級(jí)、不同學(xué)校之間輪換使用設(shè)備，提高沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的利用率，降低人均使用成本。