虛擬現實技術對大學生空間能力的影響

摘 要：國內外學者開展了諸多針對虛擬現實技術影響大學生空間能力的實驗或準實驗研究，但結果仍存在爭議。基于此，通過元分析的方法來探明虛擬現實技術對大學生空間能力的影響，并考察可能影響其效果的調節變量。通過對23項研究進行元分析發現：①虛擬現實技術對大學生空間能力的影響效應值g=0.556，表明產生了中等程度的影響，其中對空間定向能力的影響效果最明顯；②從技術類型看，AR技術對大學生空間能力的影響更大；③從虛擬形式看，桌面式虛擬現實對大學生空間能力的影響更明顯；④從干預時長看，對其進行短期干預效果更佳；⑤從學科看，在工程技術類學科應用時對大學生空間能力的影響更大；⑥從學習場所看，基于游戲的學習更能提升大學生空間能力；⑦從人稱視角看，第三人稱視角時能夠發揮虛擬現實技術提升大學生空間能力的最佳效果。

關鍵詞：虛擬現實；空間能力；元分析；高等教育

中圖分類號：G4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2024）05-0045-07

收稿日期：2024-03-06

基金項目：國家社會科學基金項目“教育交流對我國與“一帶一路”沿線國家雙邊投資的促進效應研究”（ BIA210185 ）；遼寧省教育廳一般項目“鄉村振興戰略下農村兒童學習資源建設研究”（LJKR0377）

作者簡介：范雨軒（2001 — ），男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向為虛擬現實教育、新媒體學習心理機制；王吉（1977— ），男，吉林白山人，博士，副院長、副教授、碩士生導師，研究方向為數字化學習資源、教育技術學基本理論；李宇龍（2001 — ），男，河北保定人，碩士研究生，研究方向為智慧教育；王志軍（1954 — ），男，天津人，教授、博士生導師，研究方向為多媒體技術與網絡遠程教育應用。

一、問題的提出

隨著時代的進步與發展，空間能力已經被眾多研究證實為現代教育所應賦予人的基本能力之一，這充分證明了空間能力在人類認知發展及智力構成中的核心與重要地位。空間能力指對個體最近考察或研究過的任何對象，能夠隨意地喚起一個清晰、穩定、完整的心理形象的能力[1]，可以分為空間視覺化能力和空間定向能力。虛擬現實涵蓋VR技術、AR技術和MR技術，能夠使用戶真實地感受到其中的物體，并與之交互，從而建立起對真實世界的認知[2]。已有研究表明，虛擬現實技術能夠發揮降低學習者的認知負荷和引起學生共情等多方面的作用。然而，虛擬現實技術是否能夠提高學習者的空間能力，也應當受到研究者的關注。

盡管已有諸多學者就提升大學生的空間能力這一主題進行了實驗研究，但結論尚未統一。觀點一：具有顯著提升作用。有研究表明，基于沉浸式的虛擬現實技術相比于傳統計算機能夠顯著提升學生的空間視覺化能力[3]；此外，有研究者發現通過眼戴虛擬現實工具能夠顯著提升大學生的空間定向能力[4]。觀點二：無顯著差異性。有研究者在機械工程專業教學中的實驗研究中發現，AR技術與其他工具相比，對大學生的空間視覺化和空間定向能力提升不具有顯著差異性[5]。可見，國內外學者對于虛擬現實技術能否提升大學生的空間能力的問題仍存在爭議，且未有學者對此問題展開系統性研究。

為了探明這一問題，本研究采取元分析（Meta-analysis）方法對國內外有關虛擬現實技術對大學生的空間能力的實驗或準實驗研究進行系統綜合的分析，從而嘗試探明以下問題：①虛擬現實技術能夠促進大學生的空間能力發展嗎？②具體來看，虛擬現實技術能否促進空間能力中的空間視覺化能力和空間定向能力？③哪些因素會影響虛擬現實技術對大學生的空間能力提升的效果？

二、研究設計

（一）研究方法與工具

元分析方法是將存在差異的相關研究結果再統計，以尋求一個具有普遍性和科學性結論的研究方法[6]。本研究選擇CMA 3.0（Comprehensive Meta-Analysis 3.0），來計算虛擬現實技術對大學生空間能力的影響效應量。由于納入本研究的數據樣本量和研究數量較小，采用Hedges's g（以下簡稱g值 ）來作為效應值。

（二）文獻檢索策略

為了保證檢索的全面性，本研究以“CNKI” “Web of Science”“IEEE”“Elsevier”等數據庫為數據來源，中文以“虛擬現實”“VR”“空間能力”等為主題詞進行檢索，英文以“virtual reality（虛擬現實）”“VR” “augmented reality（增強現實）”“spatial ability（空間能力）”“spatial thinking（空間思維）”“spatial cognition（空間認知）”等為主題詞進行檢索。檢索時間跨度設置為2013年1月—2023年12月，共檢索到956篇文獻。

（三）文獻納入標準

為了保證元分析結果的科學性與可靠性，對檢索文獻按照以下標準進行了篩選：①研究主題必須為探討虛擬現實技術與空間能力；②研究類型必須為實驗研究或準實驗研究，若單組實驗須有前后測，若雙組實驗須有前后測，且保證前測空間能力無差異性；③研究對象須為高校大學生，排除幼兒、小學生、中學生等；④研究報告需要有能夠支持元分析的完整數據，包括平均值（Mean）、標準差（SD）和樣本量（N）等。按照上述納入標準，所納入文獻共23篇。

（四）數據提取與文獻編碼

為了保證數據提取的可靠性，由兩位專業人員分別對文獻進行資料提取，若產生爭議則由第三位專業人員進行綜合判斷。如表1所示，本研究依據“虛擬現實技術對大學生空間能力影響效果”所納入元分析文獻的基本信息，并參照已有元分析文章調節變量的選取，對虛擬現實技術的技術類型、干預時長、學科類型、學習場所、不同虛擬形式、人稱視角等6個調節變量和空間能力的不同維度進行編碼。

三、研究結果

（一）發表偏倚檢驗

本研究采用秩安全系數和Egger線性回歸檢驗等方法進行發表偏倚檢驗。首先，Nfs值=1 099，遠遠大于5＊32+10，進一步表明存在發表偏倚現象的可能性較小。其次，通過Egger’s檢驗得出：t =1.27＜1.96，p取值范圍為0.106 78～0.213 56，遠大于0.05。綜上所述，虛擬現實技術對大學生空間能力影響研究的發表偏倚可能性較小，所得結果具有可靠性。

（二）異質性檢驗

在進行元分析前，需要根據異質性檢驗結果來確定合適的效應模型，以消除異質性帶來的影響[7]。當同時滿足pgt;0.1且I2≤40%時，采用固定效應模型；反之，則采用隨機效應模型[8]。本研究的異質性檢驗結果：p =0.000lt;0.1，I2=82.925%，表明具有高度異質性，因此選擇隨機效應模型進行分析，以便保障元分析結果的科學性。

（三）虛擬現實技術對提升大學生空間能力的整體效應

依據Cohen提出的效應值判斷標準：當效應值小于0.2時，說明影響程度較小；當效應值處于0.2～0.8時，表明呈現中等影響；當效應值大于0.8時，則說明呈現高度影響。合并效應值（g =0.556），置信區間為0.349～0.762，效應值介于0.2～0.8，且達到統計學顯著水平（p＜0.05），因此，表明虛擬現實技術對大學生空間能力的提升具有中等的積極作用。

（四）虛擬現實技術對提升大學生空間能力不同維度的整體效應

依據組間效應量來看，Q =7.806，p =0.005lt;0.05，表明虛擬現實技術對大學生空間能力的不同維度影響具有顯著差異性。依據具體效應值來看，空間定向能力（g =0.922），且達到統計學意義上的顯著水平（plt;0.05），表明虛擬現實技術對大學生空間定向能力產生高度正向影響。空間視覺化（g =0.33）均為0.2～0.8，且達到統計學意義上的顯著水平（plt;0.05），表明虛擬現實技術對大學生空間視覺化產生中等程度的積極影響。

（五）調節變量效果檢驗

1.技術類型的調節變量

為了探究虛擬現實技術對大學生的空間能力影響在不同技術類型間的差異，本研究將技術類型分為VR技術、AR技術和MR技術。依據組間效應量來看，Q =0.373，p=0.83gt;0.05，表明虛擬現實技術對大學生的空間能力的影響效果在不同技術類型間不存在顯著差異性。依據具體效應值來看，AR技術（g =0.650）與VR技術（g =0.506）均為0.2～0.8，且達到統計學顯著水平（plt;0.05），說明AR技術與VR技術對大學生空間能力均產生中等程度的積極影響，其中AR技術對其影響效果更佳。但是，MR技術的影響效果未達到統計學意義上的顯著水平（pgt;0.05），因此不能說明MR技術對大學生的空間能力產生積極影響。

2.虛擬形式的調節變量

從組間效應量來看，Q =1.801，p=0.18gt;0.05，表明不同虛擬形式對大學生的空間能力的影響效果不具有顯著差異性。從具體效應值來看，桌面式虛擬現實（g =0.666）和沉浸式虛擬現實（g =0.389）均為0.2～0.8，且達到統計學意義上的顯著水平（plt;0.05），表明桌面式和沉浸式虛擬現實均對大學生的空間能力提升產生中等程度的積極影響。但是，從效應值大小來看，桌面式虛擬現實對大學生的空間能力提升效果更為明顯。

3.干預時長的調節變量

從組間效應量來看，Q =1.571，p=0.456gt;0.05，表明不同干預時長對大學生的空間能力的影響效果不具有顯著差異性。從具體效應值來看，短期干預（g =0.712）和長期干預（g =0.534）均處于0.2～0.8，且達到統計學意義上的顯著水平（plt;0.05），表明虛擬現實技術在短期和長期干預下均能對大學生的空間能力產生中等程度的積極作用，其中短期干預效果更為明顯。但是，由于時間缺失類未達到統計學意義上的顯著水平（pgt;0.05），因此不做分析。

4.學科類型的調節變量

從組間效應量來看，Q =10.672，p=0.005lt;0.05，表明虛擬現實技術對大學生的空間能力在不同學科間存在顯著差異性。從具體效應值來看，工程技術（g =0.642）和自然科學類（g =0.532）均處于0.2～0.8，且達到統計學意義上的顯著水平（plt;0.05），表明虛擬現實技術在工程技術類和自然科學類兩種學科應用時，對大學生的空間能力產生中等程度的正向影響，且在工程技術類學科應用時，對其提升效果最佳。但是，由于醫學類（g =－0.252）未達到統計學意義上的顯著水平（p =0.294gt;0.05），因此不能說明虛擬現實技術在醫學類學科應用時，對大學生的空間能力提升產生了正向影響。

5.學習場所的調節變量

從組間效應量來看，Q =5.194，p =0.045lt;0.05，表明虛擬現實技術對大學生的空間能力在不同學習場所應用時存在顯著差異性。依據具體效應值來看，基于游戲的學習（g =0.906）大于0.8，且達到統計學意義上的顯著水平（plt;0.05），說明虛擬現實技術在基于游戲的學習時，對大學生的空間能力提升產生了高度的正向作用。此外，基于正式的學習（g =0.305）處于0.2～0.8，且達到了統計學意義上的顯著水平（plt;0.05），說明虛擬現實技術在基于正式的學習時，對大學生的空間能力提升產生中等程度的影響。但是，由于基于非正式的學習（g =0.413）未達到統計學意義上的顯著水平（p=0.154gt;0.05），因此不能說明虛擬現實技術在用于非正式的學習時，對大學生的空間能力產生了積極作用。

6.人稱視角的調節變量

從組間效應量來看，Q =1.127，p=0.288gt;0.05，表明不同人稱視角對大學生的空間能力的影響效果不具有顯著差異性。從具體效應值來看，第三人稱視角（g =0.642）和第一人稱視角（g =0.42）均處于0.2～0.8，且均達到統計學意義上的顯著水平（plt;0.05），表明大學生在使用虛擬現實技術時，無論是第一人稱視角還是第二人稱視角，對其空間能力均產生中等的積極作用，但是在第三人稱視角時，對其空間能力提升的影響效果更為明顯。

四、結論與討論

通過對國內外23項實驗或準實驗研究的元分析，結論如下：①虛擬現實技術能夠提升大學生的空間能力，其中對大學生的空間定向能力提升更明顯。②學科與學習場所在虛擬現實技術影響大學生的空間能力中具有顯著差異性。③技術類型、虛擬形式、干預時長和人稱視角等調節變量在虛擬現實技術影響大學生的空間能力中不存在顯著差異性。詳見表2所示。

（一）虛擬現實技術對大學生空間能力的整體影響

虛擬現實技術對大學生空間能力的整體影響效應值g =0.556，且達到顯著水平，表明整體上虛擬現實技術對大學生空間能力有中等程度的積極影響，并且對空間定向能力提升的影響效果更明顯。這一結果證實了學生的空間能力是能夠通過教育、工具訓練來提升的。究其原因，可能為：第一，虛擬現實技術能夠給大學生創造一種虛擬化、具體化的學習情境，并且能夠在其營造的多種感官刺激的學習環境中不斷地練習。第二，相較于傳統教學，虛擬現實技術為學習者提供了更為直觀的空間物體特征及其位置關系的視覺體驗，更通過自然交互的方式，讓學生能夠直接與虛擬環境中的物體進行互動。有研究者認為，這種自然交互可以提升學生的空間認知能力[9]。第三，虛擬現實技術能夠有效增強學習者對于抽象物體及其概念的理解，從而促進對學習目標的心理呈現，因此能夠進一步培養學習者構建空間圖像和操縱空間圖像的能力[10]。

（二）調節變量對大學生空間能力的影響效應

從技術類型看，AR技術對大學生空間能力提升的影響效果最為明顯，提升效果居于次位的是VR技術，但是MR技術對其影響效果不明顯。其原因可能是AR技術相比于VR技術能夠確保學生感受到真實和虛擬物體共存于同一空間，從而提升空間感知能力[11]。此外，VR技術存在一定的人機交互問題，學生在學習過程中往往難以同時兼顧現實場景與學習內容，故對大學生空間能力的提升效果次之。由于MR技術實驗數據較少，因此結果有待驗證。

從虛擬形式看，桌面式虛擬現實對大學生空間能力的影響效果更佳。劉清堂等[12]的研究也證實了桌面式虛擬現實相比于沉浸式虛擬現實能夠更好地提升學習效果，其原因可能是桌面式虛擬現實能夠以較低成本應用以及較高刷新率設備，為大學生提供清晰的模擬真實世界的情境與物體。然而，沉浸式虛擬現實主要包含頭戴與眼戴兩種類別，沉浸式設備目前存在分辨率與刷新率低等問題，容易出現“窗紗”、視覺滯留和眩暈等現象[13]。

從干預時長看，虛擬現實技術在短期干預和長期干預時對大學生空間能力均具有提升效果，但短期干預時提升效果更為明顯，其原因可能是“新穎性效應”導致的。也就是說，學生由于虛擬現實技術所帶來的新鮮感增強了其教學應用效果，從而進一步提升了大學生的空間能力。但是，當學生使用虛擬現實時間過長時，可能會導致學生產生眩暈、混淆虛實等癥狀，并且若創新性與深度體驗不足時，也會導致學生產生疲倦感[14]，從而降低了對大學生空間能力的提升效果，故短期干預對于大學生的空間能力提升更為明顯。

從學科類型看，虛擬現實技術在工程技術類學科應用時，對大學生空間能力提升的影響效果最佳，其次是自然科學類學科，但在醫學類學科應用時效果并不明顯，在工程技術類學科教學中應用虛擬現實技術，對大學生的空間能力提升最為明顯。究其原因，可能因為虛擬現實技術能夠幫助大學生提升空間想象能力與空間轉譯能力，使其能夠在虛擬環境中對物體進行設計等活動[15]，故對大學生空間能力提升的影響效果最明顯。自然學科如物理、化學等，更多地強調學生通過實際操作實驗來進行學習，而虛擬現實技術并不能夠提供真實的觸覺、嗅覺等感官刺激，缺乏真實感，故對學生空間能力提升的影響效果次之。

從學習場所看，基于游戲的學習場所對大學生空間能力提升的影響效果最為明顯，其次是基于正式的學習場所，基于非正式的學習場所對大學生空間能力提升的影響效果不明顯。其原因可能是：基于游戲的教學方式能夠有效提升學生學習的趣味性，學習者處于游戲化AR教學環境時產生的心理體驗更強[16]，故其對大學生空間能力提升更為明顯。基于非正式的學習場所影響效果不明顯，其原因可能為非正式的學習場所應用場景大多數為家庭，然而并不能保證其配備較好的虛擬現實技術設備和良好的學習氛圍，故提升效果并不明顯。

從人稱視角看，第三人稱視角對大學生空間能力提升較第一人稱視角的效果更為明顯。這一結果似乎與人們的認知觀念相反，但是，第一人稱視角學生以“玩家”角色對待虛擬環境，可能會導致真實自我與虛擬自我之間的認知模糊[17]；而第三人稱視角能讓學生隨時觀察自身的周圍環境，從而能夠更好地把握空間關系。此外，當學生長時間使用虛擬現實技術設備時，第三人稱視角對學生造成的暈眩感較第一人稱視角更低，因此對大學生空間能力提升的影響效果更佳。

四、啟示與建議

通過元分析方法有效論證了虛擬現實技術對大學生空間能力的積極作用，基于上述結論，對如何在教學過程中有效利用虛擬現實技術提出以下啟示與建議：

第一，應當加強虛擬現實技術在工程技術類和自然學科類學科教學中的應用，在實際教學中不能單純利用虛擬現實技術進行教學，而需要開發適合虛擬現實技術的教學內容，將真實世界中的物體與虛擬物體相結合進行教學；在醫學類學科教學中，避免過分依賴虛擬現實技術對大學生空間能力的提升作用，可以將虛擬現實技術作為一種教學輔助工具來促進學生學習。

第二，教師應避免在整個教學過程中過度依賴虛擬現實技術，而應進行多次短期干預。另外，雖然游戲化的教學場所能夠更有效地提升大學生的空間能力，但將虛擬現實技術與游戲化教學相結合的最終目的非過度娛樂。因此，教師應全面掌控教學過程，及時監督學生的學習狀態，并進行正確的引導。

第三，加強增強現實（AR）技術和桌面式虛擬現實在教學中的應用，其中研發者需要進一步提升虛擬現實技術設備的質量，解決因分辨率低而產生眩暈感等問題，并且在教學中不能長時間讓學生使用第一人稱視角，可以以第三人稱視角為主、第一人稱視角為輔進行綜合利用。

五、結語

盡管本研究采用元分析方法分析了虛擬現實技術對大學生空間能力的影響效果，探討在不同調節變量下影響效果的差異，并提供了一些有益的參考。但是，仍然存在一些不足之處：整體實驗數據較少，對于文獻的檢索語言僅停留在中文與英文，未能包含可能存在的全部調節變量等。因此，未來研究需要擴大檢索語言，以及隨著國內外實驗成果的增加從而擴大研究的數據量和調節變量。

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（責任編輯 孫興麗）

The Impact of VR Technology on College Students’ Spatial Abilities

—A Meta-Analysis Based on 23 Experimental or Quasi-Experimental Studies

Fan Yuxuan1， Wang Ji1， Li Yulong2， Wang Zhijun3

（1. School of Educational Sciences， Bohai University， Jinzhou， Liaoning， China 121013;

2. School of Computer Science， Sichuan Normal University， Chengdu， Sichuan， China 610101;

3. Faculty of Education， Tianjin Normal University， Tianjin， China 300387）

Abstract： Scholars at home and abroad have conducted many experimental or quasi-experimental studies on the influence of VR technology on college students’ spatial abilities， but the results are still controversial. Based on this， a meta-analytic approach is used to explore the effects of VR technology on college students’ spatial ability and to examine the moderating variables that may influence its effects. A meta-analysis of 23 studies reveals that： （1） the effect value， g = 0.556， indicates a moderate impact of VR technology on college students’ spatial abilities， with the most obvious effect on spatial orientation abilities; （2） from the type of technology， AR has a greater impact on college students’ spatial abilities; （3） from the virtual form， desktop VR is more obvious on college students’ spatial abilities; （4） from the perspective of intervention duration， short-term intervention is more effective; （5） from the perspective of discipline， it has a greater impact on college students’ spatial abilities when applied to engineering and technology disciplines; （6） from the perspective of learning place， game-based learning is more resultful; （7） from the perspective of person， the third-person viewpoint can bring out the best effect in enhancing college students’ spatial abilities.

Key words：" VR; Spatial abilities; Meta-analysis; Higher education