預訓練在沉浸式和交互式VR 環境中增強學習效果的分析

李朝乾 鄭雪薇 陳云紅 李書明

（湖北師范大學 計算機與信息工程學院，湖北 黃石 435000）

引言

虛擬現實是一種能為用戶提供模擬現實功能來獲得主觀體驗的技術工具。沉浸感、存在感和交互性被認為是其核心特征。隨著科學技術的發展，體現不同技術特征的VR 已在各種教學場景中被廣泛運用。其中，一些研究案例表明VR 可以為教學帶來獨特的支持功能，如情境沉浸感、多模態互動、具身化體驗和共情感[1-3]。這些功能不僅可以改善合作式和探究式學習，同時還能促進學習者在學習過程中的情感認知，強化知識學習，以及提高內在動機和自我效能水平[4-6]。然而，現階段國內外相關研究仍存在以下幾方面的局限性：（1）大多數研究關注的是VR 教育應用的設計與開發，評估對象主要集中在可用性和用戶體驗上，僅有少數研究評估了學習效果；（2）文獻中提到的教學方法和學習理論往往跟技術比較脫節，沒有針對不同VR 所帶來的學習效果差異進行橫向對比研究；（3）缺乏考察VR 和教學方法交互作用的實證研究。針對當前相關研究的局限性，本文設計了一項2*2 組合的準實驗研究：將被測對象分為交互式VR 組（通過手持控制器和頭盔來完成與虛擬世界事物的互動）和沉浸式VR 組（通過頭戴式顯示器為學習者提供高水平的視覺沉浸感），對每組人員實施不同的教學方法，通過對學習者的認知負荷、知識掌握及知識保留進行對比分析，以檢驗在不同類型VR 學習中，教學方法在促進學習效果方面是否存在顯著的單獨效應和交互效應，為提升VR 學習效果提出切實有效的支持策略。

一、文獻綜述

（一）媒介效應

媒介效應是指用信息技術創造的教學內容的載體對教學的影響。馬歇爾·麥克盧漢（Marshall McLuhan）于1967 年首次提出“媒介即信息”的觀點，他認為媒介在知識傳遞過程中起到了至關重要的作用。VR 作為一種全新的教學媒介，不僅能夠豐富教學內容的表現形式、增加學生的學習興趣和動機，還有助于改善學習效果[7-8]。例如，在魯斯汀·韋伯斯特（Rustin Webster）[9]的研究中，VR 提升了學習者的學習動機和自我效能，同時還能有助于培養積極的學習態度；楊剛等人[4]的研究也發現，相較于PPT 教學，學生在VR 環境中取得了更好的學習效果。但是，學習者在VR 環境中獲得的積極的學習結果不能簡單地歸因于媒介效應。這是因為：（1）研究只報告了學習效果在VR 和非VR 條件下的跨媒介效應，而這兩者的媒介特征差異性較大，會影響媒介效應的測量誤差；（2）由于沒有區分VR 類型，很難厘清技術特征對學習結果的相對影響。

當前VR 主要有沉浸式VR 和交互式VR 兩種類型：沉浸式VR 是使用HMD 設備為用戶提供高水平的視覺沉浸感，能夠提高教學臨場感；交互式VR 主要通過手持控制器和頭盔來完成與虛擬世界事物的交互，能夠促進具身認知和提高自我控制感。兩種VR 在促進學習方面不僅表現出作用路徑不同，在掌握不同類型知識的影響上也有差異。因此，深刻認識到不同VR 所體現的技術屬性對學習任務能夠產生獨特的認知效果，對實現不同學習目標具有重要意義。基于此，本研究的第一個工作是考查學生在沉浸式VR 和交互式VR 環境中的學習表現，分析不同類型的VR 在促進學習效果方面的作用。

（二）方法效應

理查德·E.克拉克（Richard E.Clark）[10]認為，媒介的技術特征決定了它在教學過程中只能以輔助工具的角色來促進教學方法的實施，而教學方法才是影響學習的唯一因素。盡管VR 提供了比其他媒介更高水平的沉浸感和控制感，但VR 學習環境中豐富的感官體驗，有可能會阻塞認知通道，從而導致認知負荷的增加。蓋多·馬克蘭斯基（Guido Makransky）等人[5]在其研究中強調，VR 可能不會促進學習，甚至會由于過高的認知負荷而不利于學習。一些研究也進一步驗證了學生在VR 環境中的積極的學習效果來自教學方法的影響，而非媒介類型。例如，學生在兩種媒介（桌面電腦和VR）中取得的學習成果沒有差異，但在實施了任務驅動教學法之后，VR 組學生的知識遷移得分要顯著高于桌面電腦組[11]。向維等人[2]的研究也指出，在VR 環境中采用基于反饋的教學策略之后，學生的學習效果有了顯著提升。同時，一些研究也發現，在添加生成性學習策略后，沉浸式VR 環境才顯著提高了學生的知識保留成績[12]。然而，媒介提供了與教學方法相關的技術支持，二者在教學過程中的關系是相輔相成，缺一不可的。例如，在線視頻保證了遠程小組討論的順利進行，VR 為現場教學法提供了真實的教學環境。可見，要加大VR 的積極影響，還需要強調與學習策略的整合。

（三）預訓練原則

在VR 環境中，要通過沉浸感和交互感充分調動學習者的視聽感官，針對其開發的學習材料必然會表現出一定的復雜性，加之學習材料在VR 環境中呈現的速度較快，如果在學習開始之前沒有引入對課程環境和學習材料的相關介紹，就會產生兩個影響學習的不利因素：（1）視覺上的重點信息很有可能在緊張刺激的VR 環境中被學習者所忽視（分心）；（2）學習材料的復雜性會加大學習者對用于理解學習材料的認知資源的投入（認知超載）。因此，VR 教學設計需要重點考慮幫助學習者獲得能用較少的認知資源來處理學習內容的先驗知識，避免產生與教學目標無關的認知加工。預訓練強調學習者在掌握和了解學習環境、學習內容的特征和主要概念之后會有更好的學習效果。作為能夠解決認知超載和注意力渙散問題的有效策略之一，預訓練已經在多種教學場景中，結合不同教學媒介幫助學習者更深入地理解學習材料。例如，在江豐光等人[13]的研究中，經過預訓練干預的學齡前兒童，在使用英語聽說APP 之后表現出的自我效能水平更高，學習效果也更好；理查德·E.梅耶（Richard E.Mayer）等人[14]的研究也發現，在增強現實學習環境中，使用預訓練方法能夠有效地激發學習興趣，促進知識的深度加工。基于以上論述，本研究的第二個工作是在不同VR 中使用預訓練原則作為支持VR 學習的教學方法，借此，檢驗預訓練方法和兩種VR 的結合使用在提升學習效果上是否存在交互效應。

二、研究方法與設計

（一）研究對象

本研究的試驗對象均來自某省一高校馬克思主義學院的三年級學生，共有83 人參與本次實驗，年齡分布為20 ～22 歲，其中女生39 人（46.9%），男生44人（53.1%）。參與者在本次試驗之前均無使用VR 進行課程學習的經驗。為達到本次試驗的研究目的，將所有被試隨機分配為四組：沉浸組——使用預訓練策略（20 人），沉浸組——未使用預訓練策略（21 人），交互組——使用預訓練策略（21 人），交互組——未使用預訓練策略（21 人）。為減少授課教師個體差異的影響，每組課程學習的現場指導教師均為同一人擔任。

（二）研究過程與評價工具

實驗分為3 個階段（如圖1 所示），包括課前實施預訓練策略、使用沉浸式和交互式VR 進行課程學習、認知負荷和知識掌握測試，以及一周后的知識保留測試。

圖1 實驗流程圖

第一階段是在試驗開始之前，研究人員會對兩種VR 條件下的試驗組的測試對象實施預訓練干預。具體做法為：讓參與者通過閱讀VR 設備的操作手冊，以及觀看VR 課程的教學視頻來對VR 設備的操作方式和軟硬件功能有一個初步的了解，隨后會讓實驗組成員進行15 分鐘的設備實操。同時，在操作的過程中，教師會引導學生關注隱藏在課程資源中的知識細節，并針對不同的VR 場景，幫助學生建立對應的學習目標。在第二階段的課程學習環節，交互組的學生通過使用HTC Vive 設備扮演紅軍戰士，在瀘定橋上與敵軍進行戰斗，同時還要留意并拾取橋上的木板碎片，用這些碎片把破損的橋面修好。知識內容會在游戲過程中以文字或語音的方式呈現給學生；沉浸組的學生通過PICO 一體機漫游長征的全景，身臨其境地去掌握學習內容。兩種VR 課程所學習的內容都是飛奪瀘定橋戰役所涉及的人物與事件和長征精神，區別在于，對4 組學生使用了不同的教學媒介和方法的組合策略。第三階段，在課程結束之后，對參與者進行認知負荷和知識掌握測試，以及一周后的知識保留測試。

評測工具由認知負荷量表和課程知識測試問卷組成。認知負荷量表采用李克特的5 點計分方式，包含8 個題項。課程知識問卷分為即時的知識掌握測試和延后的知識保留測試，題項根據思政課程具體章節內容進行編制。知識掌握測試問卷包括5 道填空題、10 道單選題，總分為25 分；知識保留問卷包括10 道填空題、10 道單選題，總分30 分。各問卷的克隆巴赫系數為0.8 ～0.9，PSI值為0.87 ～0.92，說明問卷具有良好的信度、效度。

三、實驗結果

（一）VR 學習中學生的認知負荷、知識掌握和知識保留與媒介的關系

為檢驗媒介的獨立效應，本研究以媒介（交互式VR/沉浸式VR）為自變量，認知負荷、知識掌握和知識保留作為因變量，方法（實施預訓練干預/未實施預訓練干預）作為協變量，對4 組學生的實驗數據進行單因素協方差分析。通過分析數據發現，媒介在認知負荷、知識掌握和知識保留3 個指標的主效應分別為F（1,78） = 1.417，p= 0.023，效果顯著；F（1,78）= 3.654,p= 0.237，效果不顯著；F（1,78） = 5.512,p= 0.642，效果不顯著。結果表明，在未實施預訓練措施的干預下，沉浸式VR 和交互式VR 對知識掌握和知識保留的影響無顯著差異，而學生通過這兩種媒介學習所感知的認知負荷有顯著差異。

（二）VR 學習中學生的認知負荷、知識掌握和知識保留與方法的關系

為檢驗方法的獨立效應，以方法為自變量，認知負荷、知識掌握和知識保留作為因變量，媒介作為協變量進行單因素協方差分析。結果顯示，在認知負荷方面，教學方法不存在顯著的主效應（F（1,78）= 2.529，p= 0.307），而在知識掌握和知識保留方面，教學方法的主效應分別為F（1,78）= 1.027，p= 0.016，F（1,78）= 2.869，p= 0.041，效果都顯著。表明無論在沉浸式VR 中還是在交互式VR 中，實驗組的學生，在知識掌握和知識保留上的得分要顯著高于控制組的學生，而認知負荷在相同VR 條件下的控制組和實驗組之間沒有顯著差異，可見，在不考慮媒介效應的情況下，預訓練方法對提高即時成績和強化知識記憶有顯著作用，但不能有效地降低學生的認知負荷。

（三）媒介與方法的交互效應對認知負荷、知識掌握、知識保留的影響

為檢驗方法和媒介的交互效應，以方法和媒介為自變量，認知負荷、知識掌握和知識保留作為因變量進行兩因素方差分析。結果顯示，媒介和方法的交互作用均顯著影響認知負荷［F（1,78）= 1.027，p= 0.031］、知識掌握［F（1,78）= 2.348，p= 0.029］和知識保留［F（1,78）= 5.421，p= 0.047］。為了解交互效應的作用源，對不同VR 條件下的控制組和實驗組分別使用事后獨立樣本t檢驗，結果表明，在沉浸式VR 條件下，實驗組學生的認知負荷的得分要高于控制組的得分，但差異性不具有統計學意義。而在交互式VR 條件下，實驗組學生的認知負荷的得分要顯著高于控制組的得分。對不同VR 條件下的實驗組進行組間方差分析得知，學生在沉浸式VR 條件下接受預訓練干預，其認知負荷要顯著低于在交互式VR 條件下的認知負荷。

通過組內方差分析得知（見下頁表1），在沉浸式VR 條件下的知識掌握測試中，實驗組（M= 20.14，SD= 3.14）得分高于控制組（M= 18.85，SD= 3.86），但差異性不具有統計學意義。而在交互式VR 條件下，實驗組（M= 22.37，SD=3.63）成績要高于控制組成績（M= 17.65，SD= 3.18），且效果顯著；對兩組不同VR 條件的實驗組和控制組進行組間方差分析發現，交互式VR 條件下的控制組與沉浸式VR 條件下的控制組在知識掌握測試上的得分無顯著差異。但兩種VR 條件下的實驗組的知識掌握測試成績有顯著差異。

表1 因變量的平均值和標準差

在沉浸式VR 條件下，實驗組（M= 23.61，SD=4.69）在知識保留測試上的得分高于控制組得分（M=21.36，SD= 4.18），且效果顯著。同樣，交互式VR條件下的實驗組（M= 26.43，SD= 4.03）的知識保留成績要高于控制組（M= 20.25，SD= 3.95），效果也顯著。對兩組VR 條件下的實驗組和控制組進行組間方差分析發現，交互式VR 條件下的控制組與沉浸式VR 條件下的控制組在知識保留測試上的得分無顯著差異，但兩種VR 條件下的實驗組的知識保留成績有顯著差異。

四、結論與討論

本研究在不同類型VR 環境中，結合預訓練教學方法，實施大學生思政課程的實踐教學環節，對搜集的相關數據進行分析，得出以下結論。

第一，學習者在沉浸式VR 環境下控制組的認知負荷要顯著差于交互式VR 環境，預訓練能夠顯著降低沉浸式VR 環境的認知負荷。古斯塔夫·皮特森（Gustav Petersen）等人[15]的研究表明，沉浸感影響學習者在創設情境中的學習興趣，而互動性能夠改善由學習材料和環境的復雜性引起的外在認知負荷。這與本研究的結論一致。究其原因，可能由于交互式VR 提供的學習場景設計了更多有趣且與教學目標高度相關的知識細節，極大地激發了學習者的好奇心和求知欲，有助于降低認知負荷。而學生使用沉浸式VR 設備的行為方式與現實習慣存在較大差距，主要體現為，在場景中移動或與目標互動需要借助頭盔上的按鈕完成，這種行為習慣的反差會影響認知習慣，從而加重了學習者的認知負擔。在本次實驗中，沉浸式VR 條件下的實驗組的認知負荷顯著好于交互式VR 環境下實驗組的認知負荷。這表明，使用預訓練方法能夠幫助學習者提前熟悉學習材料和適應VR 環境，進而養成沉浸式VR 環境中的行為和認知習慣，促進學習者與VR 學習材料的有效互動。這在一定程度上能夠改善沉浸式VR環境下的認知負荷。

第二，學生在沉浸式VR 條件下控制組的知識掌握成績要高于交互式VR 條件的控制組的知識掌握，相反，沉浸式VR 條件下實驗組的知識掌握成績要低于交互式VR 條件下實驗組的成績。實驗結果發現，相較于沉浸式VR，交互式VR 學習環境對學習者提出了更高的認知要求，如果不采取適當的教學方法，就無法取得理想的學習效果。造成這一結果的原因可能在于，交互式VR 實踐教學是基于游戲的理念來設計，通過在與教學材料互動，在呈現方式上增加更多的趣味性來激發學生的好奇心，增強學習的內驅力。但趣味性的教學為學生創造更為豐富的感官體驗的同時，其添加的材料和功能也為學習者帶來了與教學目標無關的認知過程，導致他們將注意力更多地集中在游戲細節上，而每個學習者的認知處理能力是有限的，額外的外部處理可能會減少用于基本處理和生成處理的認知資源，因此未能取得較好的學習結果。對比分析兩種VR 條件下的實驗數據發現，預訓練方法能夠有效地幫助交互式VR 環境中的學習者建立游戲內容與學習任務之間的關系，在隨后的學習過程中，引導學生將更多的注意力從游戲操作轉移到知識加工，促進了認知資源的有效分配。可見，身體感官與學習環境相互作用形成的認知表現與學習者的注意力密切相關。這也印證了具身學習理論的觀點：要進行有效的學習，行為感知與學習內容必須在知識結構上形成有關聯的映射。同時也在一定程度上解釋了學生在交互式VR環境使用預訓練方法能夠取得更好的學習結果的原因。

第三，在兩種VR 條件下控制組的知識保留沒有顯著差異，而兩種條件下的實驗組之間存在顯著差異。可見預訓練能夠顯著改善交互式VR 環境下的知識保留成績。已有研究表明，在多媒體學習場景下，更長的學習周期、更多的學習內容及對現有知識的持續運用都能影響不同媒介間的持續學習效果。這符合本次實驗觀察到的結果。因為學生在本次實驗中僅獲得了短暫的VR 學習經歷，加之學習內容與學習者隨后的日常生活缺乏相關性，所以無法將知識轉換成長期的工作記憶，出現了兩種VR 條件下的控制組在知識保留方面沒有顯著差異，且都有一定程度下降的現象。但對比兩種VR 條件下的實驗組數據可以發現，在實施預訓練方法之后，交互式VR 條件下的知識保留程度要好于沉浸式VR 條件。這可能是因為學生在交互式VR 學習環境中體驗到的是一個連續的事件，注意力和情緒必須一直跟著場景轉換而調整，使得學生無法按照自己的節奏學習，也沒有足夠的時間對問題進行反思和總結。同時，交互式VR 提供的是一種基于游戲的學習體驗——在有限時間內解決問題的機會只有1 次（例如學生扮演的角色犧牲或者超過任務要求的時長）——不利于學生通過反復嘗試找出最佳游戲策略的學習行為。而預訓練方法能夠幫助學生把原本復雜多變的交互式VR 學習環境變成熟悉且可控的學習場所，有效提升了學習者的控制感。高水平的自我控制感可以有效避免學生因為一次失敗的游戲體驗而導致的學習興趣和學習信心的下降，同時，也能喚醒促進知識理解的積極情緒，而積極的情緒能夠幫助學生進行有效的知識建構，有利于后期的知識檢索。此外，交互式 VR 學習環境的控制感還能影響學生主動學習的程度，觸發深度學習，從而加強后期記憶。

五、總結與建議

本研究基于VR 思政課堂實踐教學，從教學方法促進多媒體學習的角度出發，探討預訓練原則在沉浸式VR 和交互式VR 環境中改善認知負荷和提升學習效果方面的作用。研究表明，在沒有實施預訓練干預的情況下，知識掌握和知識保留在兩種VR 環境中沒有顯著差異，而沉浸式VR 環境中控制組的認知負荷要顯著差于交互式VR 環境；預訓練方法能夠顯著降低沉浸式VR 環境中的認知負荷，同時還能有效提高交互式VR環境中的知識掌握和知識保留成績。本研究為改善VR學習效果提供了一個新的教學設計視角，具有較強的現實意義。

針對研究結論，筆者提出兩點用來改善VR 思政教學的建議。

第一，VR 設備工程師和軟件開發者要注意到不同的VR 類型對心理體驗會有不同的影響。例如，在沉浸式VR 環境下展現的材料信息可以讓學生專注于任務的完成和情景的感知；而學生在交互式VR 環境下需要老師針對學習進程給予的更多的社會反饋，從而讓學習者產生高水平的情感動機。換句話說，應該考慮選擇符合學習者的情感認知和學習動機的VR 環境。同時，建議在VR 環境中開放同伴交互功能，因為通過學生之間的交流和幫助，可以讓那些暫時“受困”于課程內容和操作方式的學習者收獲適合自己的可替代性經驗。此外，還可以考慮在VR 設備中嵌入同步通信工具，為交互帶來實時元素，增加學習者的社會存在感，并創造互動和刺激的學習環境。考慮到交互式VR 在促進學習效果方面有著巨大的潛力，應考慮為虛擬場景中的人物進行有針對性的設計來增強學習者在虛擬現實環境中的臨場感。例如，增加它們與學習者的對話，或者對學習者在虛擬事件中做出的貢獻給予積極的反饋，以此來增加交互的動機，從而促進學習者的學習意愿。

第二，VR 課程內容設計者和課程教師需要重點考慮在不同VR 環境中采取適當的教學策略來完成特定的教學目標，例如，在本次研究中，預訓練策略能夠有效地降低沉浸式VR 環境下的認知負荷，提高交互式VR 環境中的知識保留。總的來說，要認識到教學方法在不同教學場景下的優勢與不足，并在今后的教學工作中揚長避短，同時，還要確保教學策略的高度豐富。例如，如果能將一次虛擬課程學習分解為若干個難度各異的任務步驟，創造循序漸進的階段目標，并在有可能的情況下為每個階段設置完成獎勵，那么，不同能力水平的學習者都可以參與到學習內容中來，并在完成哪怕是很簡單的任務之后也能收獲成就感。