數(shù)字化轉(zhuǎn)型下教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響

摘要：數(shù)字技術(shù)與教育的深度融合，助推教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并驅(qū)動基于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）、混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）技術(shù)的教育虛擬環(huán)境的構(gòu)建。為此，文章基于97篇相關(guān)的中英文文獻(xiàn)，采用元分析方法探討了教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響，結(jié)果顯示：教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果具有中等程度的正向影響；教育虛擬環(huán)境對不同技術(shù)類型、不同學(xué)段、不同學(xué)科、不同實(shí)驗(yàn)周期學(xué)習(xí)效果的影響均不存在顯著差異，但影響程度有所不同；其中，基于VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的提升作用最明顯，且虛擬環(huán)境對中職/高職/專科學(xué)段、自然科學(xué)學(xué)科、1天～1月實(shí)驗(yàn)周期的學(xué)習(xí)效果影響最大。基于此，文章提出改善虛擬環(huán)境應(yīng)用于教育教學(xué)的建議，以期為開展教育虛擬環(huán)境下的教學(xué)設(shè)計(jì)、提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成效提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬環(huán)境；學(xué)習(xí)效果；數(shù)字化轉(zhuǎn)型；元分析

【中圖分類號】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009—8097（2023）05—0025—09 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2023.05.003

引言

當(dāng)前，快速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)改變了人們生活的方方面面，以數(shù)字化驅(qū)動各行業(yè)轉(zhuǎn)型已成為社會發(fā)展的必然趨勢。教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型是數(shù)字化對教育的重塑，數(shù)字技術(shù)和數(shù)據(jù)衍生的應(yīng)用使得教育環(huán)境由物理空間延展至數(shù)字空間；而虛實(shí)融合的教育環(huán)境、云平臺等數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的支撐底座，也是提供數(shù)字教育服務(wù)的必要載體[1]。近年來，以虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬世界、數(shù)字孿生等為代表的技術(shù)正不斷從學(xué)習(xí)資源、教學(xué)組織、系統(tǒng)平臺等方面重塑教育[2]，為數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下的人才培養(yǎng)提供了有力支撐。

教育虛擬環(huán)境主要包括以VR技術(shù)為代表的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境和以AR、MR技術(shù)為代表的虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境[3]。盡管以這些技術(shù)為主的虛擬環(huán)境教學(xué)應(yīng)用得到了國家層面的大力推廣，但對于身處其中的學(xué)習(xí)者來說，教育虛擬環(huán)境中的虛擬操作、虛實(shí)結(jié)合、虛擬文化等與之前十幾年所熟悉的學(xué)習(xí)環(huán)境仍有極大差別。為探究教育虛擬環(huán)境是否有助于學(xué)習(xí)，有研究者專門針對VR技術(shù)開展了學(xué)習(xí)效果的綜述研究[4]，AR、MR技術(shù)也在教育領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用且已有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究成果[5][6]。然而，目前少有研究關(guān)注由這三種技術(shù)構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果是否有提升作用，以及不同技術(shù)類型下的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響是否存在差異。為此，本研究采用元分析方法，從不同角度深入分析教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響，以推動虛擬環(huán)境與教育教學(xué)深度融合，更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)。

一 研究過程

1 文獻(xiàn)檢索

本研究的中文文獻(xiàn)以中國知網(wǎng)、萬方、維普為主要來源，英文文獻(xiàn)則以Web of Science為主要來源，同時以Google Scholar、Springer Link等數(shù)據(jù)庫為補(bǔ)充文獻(xiàn)來源。檢索文獻(xiàn)類型包括期刊和學(xué)位論文，檢索起始時間未設(shè)定、截止時間設(shè)為2022年12月31日。檢索的關(guān)鍵詞分為兩組，兩組任意組合進(jìn)行文獻(xiàn)檢索：①中文關(guān)鍵詞，一組為虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬環(huán)境、沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境、虛擬教室、虛擬世界、虛擬仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生、元宇宙，另一組為學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)成效、教學(xué)效果、學(xué)習(xí)成績、教育、教學(xué)設(shè)計(jì)；②英文關(guān)鍵詞，一組為virtual reality、augmented reality、AR、mixed reality、virtual world、virtual environment、virtual classroom、immersive learning environment、VR、virtual simulation、virtual laboratory、digital twins、extended reality、metaverse，另一組為education、learning effect、teaching effect、instructional design、learning outcome、learning achievement、learning effect、learning effectiveness、learning performance、academic achievement、learning gains。通過關(guān)鍵詞檢索，共捕獲到24119篇中英文文獻(xiàn)。

2 文獻(xiàn)篩選及納入標(biāo)準(zhǔn)

通過瀏覽24119篇中英文文獻(xiàn)的題目和摘要，本研究進(jìn)行了第一輪文獻(xiàn)篩選，刪除不符合研究主題的文獻(xiàn)，初步得到267篇中英文文獻(xiàn)。為保證元分析研究結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，本研究按照以下文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行第二輪篩選：①研究主題是VR/AR/MR對學(xué)習(xí)效果的影響；②研究對象為在校學(xué)生；③研究方法是實(shí)驗(yàn)研究法（包括實(shí)驗(yàn)研究或準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究）；④單組實(shí)驗(yàn)包含前后測，雙組實(shí)驗(yàn)包含實(shí)驗(yàn)組和對照組；⑤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果報告完整，并提供樣本量、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、p值或t值，以計(jì)算相關(guān)的效應(yīng)值。最終，本研究得到97篇樣本文獻(xiàn)（含中文文獻(xiàn)25篇、英文文獻(xiàn)72篇）。其中，部分文獻(xiàn)有多個效應(yīng)值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)后得到可用于元分析的效應(yīng)值共104個。

3 文獻(xiàn)編碼

本研究以教育虛擬環(huán)境為自變量、學(xué)習(xí)效果為因變量，并以技術(shù)類型、學(xué)段、學(xué)科、實(shí)驗(yàn)周期為調(diào)節(jié)變量，對納入文獻(xiàn)的各項(xiàng)特征值進(jìn)行編碼，具體如表1所示。在本研究中，學(xué)習(xí)效果可以是學(xué)生獲得的理論成績，也可以是實(shí)踐操作成績或其他能反映學(xué)生學(xué)習(xí)能力的量化成績。

4 研究方法工具

本研究采用元分析方法，系統(tǒng)分析教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響。元分析是一種以綜合已有發(fā)現(xiàn)為目的，對單個研究結(jié)果進(jìn)行綜合的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法[7]。本研究采用Hedge’s g值作為效應(yīng)值[8]，通過元分析軟件CMA 2.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與整理，提取樣本文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)組與對照組或單組前后測的樣本量（N）、平均值（Mean）、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）、p值或t值，計(jì)算最終效應(yīng)值。

二 研究結(jié)果與分析

1 發(fā)表偏倚與異質(zhì)性檢驗(yàn)

發(fā)表偏倚是指具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著意義的研究結(jié)果比無顯著意義的結(jié)果更具有發(fā)表的傾向[9]。本研究采用漏斗圖和失安全系數(shù)，來檢驗(yàn)發(fā)表偏倚情況。104個效應(yīng)值的發(fā)表偏倚漏斗圖如圖1所示，可以看出：大多數(shù)研究的效應(yīng)值位于漏斗圖上部的有效區(qū)域且大致對稱地分布在中心線兩側(cè)，說明發(fā)表偏移的可能性極小。本研究效應(yīng)值的樣本個數(shù)k=104，失安全系數(shù)N=3057（遠(yuǎn)大于5×104+10=530），說明未發(fā)表的研究不會對本研究結(jié)果產(chǎn)生影響。綜上可知，本研究樣本發(fā)表偏倚不明顯，研究結(jié)果比較穩(wěn)定。

本研究采用Q檢驗(yàn)、I2檢驗(yàn)兩種方法判斷樣本的異質(zhì)性。Q檢驗(yàn)中，若p＞0.1，表明研究樣本間具有同質(zhì)性，應(yīng)采用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析；若p≤0.1，表明研究樣本間具有異質(zhì)性，應(yīng)采用隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行分析[10]。而I2統(tǒng)計(jì)量是衡量樣本間異質(zhì)程度大小的指標(biāo)，Higgins等[11]提出大致可將25%、50%、75%的I2值作為異質(zhì)性低、中、高程度的劃分依據(jù)。整體效應(yīng)值與異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其中Q=1492.473，p=0.000＜0.01，I2=93.099%，表明樣本間存在較高異質(zhì)性，故采用隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行分析可以獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

2 教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響

Cohen[12]提出了效應(yīng)值大小劃分標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)ES≤0.2時，認(rèn)為影響較小；當(dāng)0.2＜ES≤0.8時，認(rèn)為有中等影響；當(dāng)ES＞0.8時，認(rèn)為影響較大。由表2可知，隨機(jī)效應(yīng)模型的整體效應(yīng)值ES=0.639，p＜0.001，達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平。可見，虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果具有中等程度的正向影響，即教育虛擬環(huán)境有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3 調(diào)節(jié)變量的檢驗(yàn)結(jié)果

（1）基于不同技術(shù)類型構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響

基于不同技術(shù)類型構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響如表3所示，可以看出：VR、AR技術(shù)類型的樣本數(shù)較多，而MR技術(shù)類型的樣本數(shù)較少。效應(yīng)值和雙尾檢驗(yàn)的p值數(shù)據(jù)分析顯示，基于VR（ES=0.615，p＜0.001）、AR（ES=0.706，p＜0.001）技術(shù)構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果具有中等程度的正向影響，且達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平；而基于MR（ES=0.197，p＞0.05）技術(shù)構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果具有較低程度的正向影響，但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平。組間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，QB=1.167，p＞0.05，未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平，說明基于不同技術(shù)類型構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響不存在顯著差異。但從效應(yīng)值大小來看，AR技術(shù)的效應(yīng)值大于VR技術(shù)（0.706＞0.615），且兩者的效應(yīng)值都遠(yuǎn)大于MR技術(shù)（0.197），說明基于AR技術(shù)構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的提升作用最明顯，其次是VR技術(shù)，而MR技術(shù)的提升作用較小。

（2）教育虛擬環(huán)境對不同學(xué)段學(xué)習(xí)效果的影響

不同學(xué)段的學(xué)生處于不同的認(rèn)知發(fā)展階段，他們受教育虛擬環(huán)境影響的程度存在差異，因此本研究進(jìn)一步檢驗(yàn)了教育虛擬環(huán)境對不同學(xué)段學(xué)習(xí)效果的影響，結(jié)果如表4所示，可以看出：虛擬環(huán)境對中職/高職/專科（ES=0.907，p＜0.05）、學(xué)前及小學(xué)（ES=0.789，p＜0.001）、高中（ES=0.612，p＜0.001）、大學(xué)（ES=0.525，p＜0.001）四個學(xué)段的學(xué)習(xí)效果均具有顯著正向影響。其中，虛擬環(huán)境對中職/高職/專科學(xué)段的學(xué)習(xí)效果影響最大，對學(xué)前及小學(xué)、高中、大學(xué)學(xué)段的學(xué)習(xí)效果具有中等程度的影響；而對初中（ES=0.616，p＞0.05）學(xué)段學(xué)習(xí)效果的影響雖然達(dá)到了中等程度，但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平。此外，除了中職/高職/專科，從學(xué)前到大學(xué)的效應(yīng)值呈逐漸遞減的趨勢，說明虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響隨著學(xué)段的升級反而弱化。組間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，QB=2.229，p＞0.05，未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平，說明教育虛擬環(huán)境對不同學(xué)段學(xué)習(xí)效果的影響不存在顯著差異。

（3）教育虛擬環(huán)境對不同學(xué)科學(xué)習(xí)效果的影響

近年來，VR、AR、MR技術(shù)因其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢和教育價值而在各學(xué)科中得到了廣泛應(yīng)用，因此本研究考察了教育虛擬環(huán)境對不同學(xué)科學(xué)習(xí)效果的影響（如表5所示），可以看出：各學(xué)科的效應(yīng)值均為正值，且p＜0.05，說明教育虛擬環(huán)境對不同學(xué)科的學(xué)習(xí)效果均有顯著提升作用。其中，虛擬環(huán)境對自然科學(xué)（ES=0.907，p＜0.001）的學(xué)習(xí)效果影響最大，對工程技術(shù)（ES=0.585，p＜0.05）、醫(yī)學(xué)（ES=0.413，p＜0.05）、人文社科（ES=0.412，p＜0.05）的學(xué)習(xí)效果具有中等程度的影響。組間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，QB=6.602，p＞0.05，未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平，說明教育虛擬環(huán)境對不同學(xué)科學(xué)習(xí)效果的影響不存在顯著差異。

（4）教育虛擬環(huán)境對不同實(shí)驗(yàn)周期學(xué)習(xí)效果的影響

通過梳理相關(guān)文獻(xiàn)可知，不同實(shí)驗(yàn)周期下教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響不同，因此本研究還考察了教育虛擬環(huán)境對不同實(shí)驗(yàn)周期學(xué)習(xí)效果的影響（如表6所示），可以看出：1天內(nèi)、1天～1月、1月以上～4月這三個實(shí)驗(yàn)周期的效應(yīng)值均為正值，且p＜0.05，說明教育虛擬環(huán)境對這三個實(shí)驗(yàn)周期的學(xué)習(xí)效果均具有顯著正向影響。其中，虛擬環(huán)境對1天～1月（ES=0.963，p＜0.001）實(shí)驗(yàn)周期的學(xué)習(xí)效果影響最大，對1天內(nèi)（ES=0.543，p＜0.001）、1月以上～4月（ES=0.598，p＜0.05）兩個實(shí)驗(yàn)周期的學(xué)習(xí)效果具有中等程度的影響，而對4月以上（ES=0.413，p＞0.05）實(shí)驗(yàn)周期的學(xué)習(xí)效果也具有中等程度的正向影響，但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平。組間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，QB=3.422，p＞0.05，未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平，說明教育虛擬環(huán)境對不同實(shí)驗(yàn)周期學(xué)習(xí)效果的影響不存在顯著差異。

三 研究結(jié)論與討論

本研究對97篇有關(guān)教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果影響的中英文文獻(xiàn)進(jìn)行元分析，探討了基于VR、AR、MR技術(shù)構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的綜合影響，并進(jìn)一步明晰了這種影響在技術(shù)類型、學(xué)段、學(xué)科、實(shí)驗(yàn)周期四個調(diào)節(jié)變量方面的差異，所得研究結(jié)論主要如下：

1 教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果有正向影響

元分析結(jié)果顯示，教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的合并效應(yīng)值為0.639，說明教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果具有中等程度的正向影響，即虛擬環(huán)境有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。究其原因，主要在于基于VR、AR、MR技術(shù)構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境能夠?yàn)閷W(xué)生提供豐富的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，并以直觀、可視化的方式表達(dá)晦澀難懂的知識，這不僅增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動機(jī)、促進(jìn)了其與學(xué)習(xí)環(huán)境的互動、提高了其參與度，而且降低了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷、加深了其對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解、提升了學(xué)習(xí)能力[13]。

2 教育虛擬環(huán)境對不同調(diào)節(jié)變量下的學(xué)習(xí)效果影響程度不同

元分析結(jié)果顯示，虛擬環(huán)境對不同技術(shù)類型、不同學(xué)段、不同學(xué)科、不同實(shí)驗(yàn)周期學(xué)習(xí)效果的影響均不存在顯著差異，但影響程度有所不同。

從技術(shù)類型來看，基于不同技術(shù)類型構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果均有正向影響，其中基于AR技術(shù)構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的提升作用最明顯，其次是VR技術(shù)，而MR技術(shù)的提升作用較小。究其原因，可能是AR技術(shù)能提供虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的存在感，且學(xué)生能夠分清虛實(shí)物體，不會完全沉迷于虛擬環(huán)境；同時，AR技術(shù)還可通過3D模型將學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化，促進(jìn)學(xué)生對抽象知識的理解[14]。VR技術(shù)提供的學(xué)習(xí)環(huán)境是完全虛擬的，能幫助學(xué)生獲得良好的學(xué)習(xí)沉浸感。而MR技術(shù)將虛實(shí)環(huán)境無縫融合，模糊了兩者的界限，導(dǎo)致學(xué)生難以分清虛擬物體和真實(shí)物體；同時，虛實(shí)融合世界呈現(xiàn)了不同的功能和場景，其豐富的刺激容易引起認(rèn)知負(fù)載，易使學(xué)生忽略重點(diǎn)學(xué)習(xí)任務(wù)，教師也無法根據(jù)傳統(tǒng)的學(xué)生行為和反應(yīng)掌握學(xué)生狀態(tài)[15]。此外，目前MR技術(shù)在教育領(lǐng)域的普及程度不高、可用的現(xiàn)成資源有限，教師還不能熟練地將該技術(shù)應(yīng)用于各教學(xué)環(huán)節(jié)，這也可能會對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生負(fù)面影響。

從學(xué)段來看，教育虛擬環(huán)境對中職/高職/專科學(xué)段的學(xué)習(xí)效果影響最大，而對其他學(xué)段的學(xué)習(xí)效果具有中等程度的影響。這可能是因?yàn)橹新殹⒏呗毜嚷殬I(yè)教育側(cè)重對學(xué)生實(shí)踐技能和實(shí)際工作能力的培養(yǎng)，且虛擬環(huán)境支持的教學(xué)活動能夠?qū)⒊橄髲?fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容具體化、可視化，為學(xué)生營造一種有趣、輕松的學(xué)習(xí)氛圍，故增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)和學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)能力。此外，教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響隨著學(xué)段的升級反而弱化，尤其是對初中階段學(xué)習(xí)效果的提升不顯著，這與乜勇等[16]得出的研究結(jié)論“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對初中學(xué)段學(xué)習(xí)效果的提升不顯著”基本一致。這可能是因?yàn)橹行W(xué)生具有更豐富的想象力，更注重可視、直觀表達(dá)的知識；大學(xué)生在知識量和邏輯思維等方面都優(yōu)于中小學(xué)生，不僅會學(xué)習(xí)事物的表層知識，還更加注重知識的遷移應(yīng)用與深層理解[17]；而初中生正處于青春心理發(fā)展期，自我監(jiān)督能力較弱，且容易與成人產(chǎn)生對立情緒，不愿受教師管控，故容易沉迷于教育虛擬環(huán)境，影響學(xué)習(xí)效果。

從學(xué)科來看，教育虛擬環(huán)境對不同學(xué)科的學(xué)習(xí)效果均有顯著提升作用，其中對自然科學(xué)的學(xué)習(xí)效果提升作用最大，而對工程技術(shù)、醫(yī)學(xué)、人文社科的學(xué)習(xí)效果具有中等程度的影響。分析原因，主要在于自然科學(xué)類學(xué)科知識大多是理論知識及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)，虛擬環(huán)境可以向?qū)W生提供自主探索的學(xué)習(xí)空間和充足的動手實(shí)踐機(jī)會，從而有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限、存在安全隱患等不足。工程技術(shù)類學(xué)科知識的實(shí)踐性比較強(qiáng)，且與客觀存在的事物關(guān)聯(lián)性較大，因此呈現(xiàn)給學(xué)生的虛擬對象需盡可能逼真，而目前教育虛擬環(huán)境還不能很好地實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境信息與真實(shí)世界的無縫銜接。醫(yī)學(xué)類學(xué)科知識比較晦澀難懂，學(xué)習(xí)理論知識對學(xué)生來說本就比較困難，在這種情況下豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境只會讓學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷更重；另外，教育虛擬環(huán)境有多種功能和場景，也容易分散學(xué)生的注意力、增加其認(rèn)知負(fù)荷。人文社科類學(xué)科知識的學(xué)習(xí)更需要良好情境，以吸引學(xué)生進(jìn)行情感交流和思想碰撞、培養(yǎng)其人文情懷，而虛擬環(huán)境還無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)[18]，因此教育虛擬環(huán)境對人文社科的學(xué)習(xí)效果提升作用不是很大。

從實(shí)驗(yàn)周期來看，教育虛擬環(huán)境對1天～1月實(shí)驗(yàn)周期的學(xué)習(xí)效果提升作用明顯，對1天內(nèi)、1月以上～4月、4月以上的學(xué)習(xí)效果均具有中等程度的影響，但4月以上的學(xué)習(xí)效果未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平。究其原因，主要在于學(xué)生處于1天～1月的實(shí)驗(yàn)周期時，因?qū)π录夹g(shù)好奇而仍然保持較高的學(xué)習(xí)動機(jī)，且技術(shù)倦怠感和生理疲勞程度較輕，從而產(chǎn)生較高的學(xué)習(xí)投入。而隨著實(shí)驗(yàn)周期的拉長，學(xué)生對技術(shù)操作逐漸熟練，其學(xué)習(xí)熱情慢慢消退，這會直接影響學(xué)習(xí)效果——田元等[19]指出長期實(shí)驗(yàn)不利于提升學(xué)習(xí)效果也印證了這一點(diǎn)。

四 研究建議與啟示

1 研究建議

以上結(jié)論表明，教育虛擬環(huán)境可以有效提升學(xué)習(xí)效果，但并不適用于所有技術(shù)類型、學(xué)段、學(xué)科和實(shí)驗(yàn)周期。本研究基于97篇有關(guān)教育虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果影響的中英文文獻(xiàn)的元分析結(jié)果，提出改善虛擬環(huán)境應(yīng)用于教育教學(xué)的建議：

①恰當(dāng)應(yīng)用教育虛擬環(huán)境，發(fā)揮應(yīng)用技術(shù)的最大效益。研究結(jié)果表明，基于AR技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的提升作用最明顯，VR技術(shù)次之，而MR技術(shù)的提升作用較小。但在理論上，混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境具有降低教學(xué)成本、提升教學(xué)效果等優(yōu)勢，加上已有成功案例驗(yàn)證了混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境在教育領(lǐng)域具有較大潛力[20]，因此本研究建議教育工作者利用基于AR技術(shù)或VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境，來拓展學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)的范圍，實(shí)現(xiàn)技術(shù)在教育教學(xué)的應(yīng)用價值；同時，加強(qiáng)對MR技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)的深入研究，如在MR系統(tǒng)中添加幫助教師評估學(xué)生學(xué)習(xí)行為的輔助技術(shù)，為師生及時提供學(xué)習(xí)效果反饋[21]，并探究MR技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)的無限可能，加強(qiáng)其在教育領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。此外，為加快新興數(shù)字技術(shù)在教育領(lǐng)域的普及，同時防止學(xué)生對新技術(shù)過分好奇或沉迷于虛擬世界，可以提前對學(xué)生開展關(guān)于虛擬世界的認(rèn)知教育，以助其樹立正確的技術(shù)使用觀和數(shù)字化意識，并培養(yǎng)其數(shù)字化能力。

②考慮學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)科知識特點(diǎn)，促進(jìn)虛擬環(huán)境與教育教學(xué)的深度融合。基于教育虛擬環(huán)境對不同學(xué)段、不同學(xué)科的學(xué)習(xí)效果有不同程度的影響，本研究建議教師在應(yīng)用虛擬環(huán)境時，要充分考慮學(xué)生的思維發(fā)展與認(rèn)知特點(diǎn)，并注重與學(xué)科內(nèi)容相結(jié)合，以有效推進(jìn)虛擬環(huán)境與教育教學(xué)的深度融合。具體來說，在學(xué)段方面，本研究建議加大虛擬環(huán)境應(yīng)用于初中階段的學(xué)習(xí)效果研究，探究虛擬環(huán)境對該學(xué)段學(xué)習(xí)效果影響不顯著的原因，以有針對性地提出提升方案；同時，也要加強(qiáng)虛擬環(huán)境在其他學(xué)段的應(yīng)用研究，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)和創(chuàng)新潛能。而在學(xué)科方面，本研究建議教師結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)選擇更利于學(xué)生學(xué)習(xí)的虛擬環(huán)境，如對于自然科學(xué)、工程技術(shù)兩類學(xué)科，教師要把握虛實(shí)之間的臨界點(diǎn)，以便為學(xué)生提供具有更佳學(xué)習(xí)體驗(yàn)的、虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境；對于醫(yī)學(xué)學(xué)科，教師應(yīng)盡量將抽象的知識情境化、可視化，且交互方式應(yīng)簡單明了，以優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；對于人文社科學(xué)科，教師則應(yīng)向?qū)W生提供與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的擬真學(xué)習(xí)環(huán)境，通過設(shè)計(jì)諸如角色扮演類的教學(xué)活動，調(diào)動學(xué)生的情感，引發(fā)學(xué)生的思考，強(qiáng)化學(xué)生對知識的建構(gòu)與記憶[22]。

③合理安排學(xué)習(xí)時長，有效發(fā)揮教育虛擬環(huán)境的促進(jìn)作用。考慮到虛擬環(huán)境對1天～1月實(shí)驗(yàn)周期的學(xué)習(xí)效果提升作用明顯，本研究建議教師合理安排學(xué)習(xí)時長，避免學(xué)習(xí)時長過短或過長——如果學(xué)習(xí)時長太短，學(xué)生會因好奇效應(yīng)而忽略重點(diǎn)知識的學(xué)習(xí)；如果學(xué)習(xí)時長過長，學(xué)生會因好奇心減退而減少學(xué)習(xí)投入、弱化學(xué)習(xí)動機(jī)，且長期在教育虛擬環(huán)境下學(xué)習(xí)會加大學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，這也會在一定程度上影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果的提升。

2 啟示

基于VR、AR、MR技術(shù)構(gòu)建的教育虛擬環(huán)境已在方方面面重塑教育，是社會發(fā)展的必然趨勢，推動著人類社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。通過對研究結(jié)論進(jìn)行反思，本研究得出以下啟示：

①教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要新興數(shù)字技術(shù)的支撐，而VR、AR、MR技術(shù)是實(shí)現(xiàn)各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的支柱型技術(shù)。這三種技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，推動教學(xué)模式由被動接受轉(zhuǎn)為自主體驗(yàn)，也支持教育環(huán)境由物理環(huán)境發(fā)展為虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境不僅能夠解決傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境存在的不足、提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)參與度，還極大地推動了教學(xué)模式與學(xué)習(xí)方式的變革，為優(yōu)化教育教學(xué)、創(chuàng)新教育生態(tài)帶來了新的機(jī)遇。

②在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，教育元宇宙成為重要的發(fā)展變量，技術(shù)的進(jìn)階性也使得教育元宇宙成為主要發(fā)展趨勢[23]。VR、AR、MR技術(shù)作為構(gòu)建元宇宙的關(guān)鍵技術(shù)，能夠?yàn)樵钪嫣峁┙K端入口與感知交互功能。這些技術(shù)在教育領(lǐng)域的先行先試，加速了教育元宇宙虛擬場景及其相關(guān)產(chǎn)品的落地，一些學(xué)校已開始實(shí)施諸如中小學(xué)的虛擬功能教室、職業(yè)院校的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地、高等院校的國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺等方面的建設(shè)與實(shí)踐應(yīng)用，為學(xué)習(xí)者提供了沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有利于取得更好的學(xué)習(xí)成效。

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Abstract： The deep integration of digital technology and education promotes the digital transformation of education， and drives the construction of educational virtual environment based on virtual reality（VR）， augmented reality（AR）， and mixed reality（MR） technologies. Therefore， this paper used the meta-analysis method to explore the effects of educational virtual environment on learning effects based on 97 Chinese and English literature. The result showed that educational virtual environment had a moderate positive effect on learning effect. There was no significant difference in the effect of educational virtual environment on learning outcomes in terms of different technology types， different learning sections， different disciplines， and different experimental periods， but the effect degrees were different. Among them， the virtual environment constructed based on VR technology had the most significant promotion effect on learning outcomes， and the virtual environment had the greatest effect on learning outcomes for the learning sections of secondary vocational/ higher vocational/ junior college， the natural science disciplines， and the experimental period of 1-day to 1-month. Based on this， some suggestions were proposed to improve the application of virtual environment in education and teaching， expecting to provide reference for the implementation of teaching design in educational virtual environment and improve learners’ learning outcomes.

Keywords： virtual environment; learning effect; digital transformation; meta-analysis

*基金項(xiàng)目：本文為教育部2020年第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“面向新工科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的評價系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)”（項(xiàng)目編號：709700083）的階段性研究成果。

作者簡介：劉勇，副教授，博士，研究方向?yàn)橹悄芙逃夹g(shù)，郵箱為liuyong001@bupt.edu.cn。

收稿日期：2022年10月31日

編輯：小米