教育数字化转型实践|沉浸式虚拟现实赋能学习的内在机理——沉浸感和情感体验对学习效果的多重影响

       当前,沉浸式虚拟现实技术(IVR)在教育领域的应用备受关注。已有研究表明,IVR环境引发的沉浸感和情感体验对学生学习有重要影响,但二者如何影响学习效果还有待深入探索。以沉浸感和情感体验为自变量,以学生的学习效果为因变量进行实验研究发现:沉浸感体验中的专注度是影响IVR环境中学习者知识保留的重要因素,情感体验中的消极高唤醒情绪有助于提升IVR环境中学习者的知识保留;沉浸感体验中的享乐感是影响IVR环境中学习者知识迁移的重要因素,情感体验中的消极低唤醒情绪不利于IVR环境中学习者的知识迁移。

研究设计

(一)研究对象

  • 北京市某985高校的76名大一到大四的本科生,其中男生31人,女生45人。这些学生中42%所学专业为自然科学,58%所学专业为人文社会科学;超过50%为大四学生,5%为大一新生。这些学生在高中均选修了生物学科,且在高中会考中的生物学科成绩均为A等级。这确保了这些学生在生物方面的原有知识是处于同一水平的。

(二)实验环境与材料

  • 本研究使用华为VR Glass系统搭配NOLO CV1交互手柄、一台高性能工作站以及一台显示器搭建IVR学习实验环境,如图1所示。
图1 IVR学习实验环境

      为了让所有实验对象更好地进行正式实验,研究选用了虚拟实验教学服务系统(https://vlab.eduyun.cn/portal/home)中的“做一幅叶画”VR资源对实验对象进行培训。在正式实验环节,研究选用了Body VR公司开发的“人体血液之旅”VR资源

(三)实验流程

  • 整个实验持续约1个小时,具体的实验流程如图2所示,主要包含预调查、VR体验、正式实验、测试和体验调查以及访谈5个环节。
图2 实验流程图

(四)数据收集与量表工具

  • 研究采用主观报告的方法收集学生在IVR环境中学习的沉浸感和情感体验数据,用客观测量的方法收集学生的学习表现数据,包含知识保留成绩和知识迁移成绩。沉浸感量表改编自Jennett等人(2008)的沉浸感体验量表。最终,研究采用的沉浸感量表包含5个维度,每个维度3题,如表1所示。
表1 沉浸感体验量表

      研究采用Parong等人(2020)开发的适用于VR情境的情感量表。该量表以Russell (2003)的情感模型为理论依据,从唤醒度和愉悦度两个维度评估学生的情感状态,如表2所示。

表2 情感体验量表

      本研究的测试题目由研究者和一位大学生物学专业教师在参考Meyer等人(2019)的测试题目基础上改编而成,包含10道检验知识保留的选择题和3道检验知识迁移的简答题,每种类型题目的分值和示例如表3所示。

表3 IVR学习后测题目及示例

研究发现

      统计分析发现,性别、年龄、专业背景对学生在IVR学习中的沉浸感和情感体验无显著性影响。这说明,在本研究中,学生在IVR环境中的沉浸感和情感体验未受性别、专业背景等影响。

       研究将知识保留成绩在9分以上的定义为知识保留高表现组,将成绩低于7分的定义为知识保留低表现组。同理,研究将知识迁移成绩在22分以上的定义为知识迁移高表现组,将成绩低于16分的定义为知识迁移低表现组。

(一)知识保留高低表现组学生在沉浸感体验上的差异性分析

  • 结果显示,知识保留高表现组的学生在专注度(BA)、暂时抽离(TD)、穿越感(T)、情感投入(EI)和享乐感(E)5个维度上的得分均高于低表现组,但是仅在专注度(BA)维度存在显著性差异。
表4 知识保留高低表现组沉浸感体验差异性分析

(二)知识迁移高低表现组学生在沉浸感体验上的差异性分析

  • 结果显示,知识迁移高表现组的学生在专注度(BA)、暂时抽离(TD)、穿越感(T)和享乐感(E)四个维度上的得分均高于低表现组,但是仅在享乐感(E)维度存在显著性差异。
表5 知识迁移高低表现组沉浸感体验差异性分析

(三)知识保留高低表现组学生在情感体验上的差异性分析

  • 结果显示,知识保留高表现组的学生在积极高唤醒情绪(PH)、积极低唤醒情绪(PL)、消极高唤醒情绪(NH)维度的得分均高于低表现组,但是仅在消极高唤醒情绪(NH)维度具有显著性差异。
表6 知识保留高低表现组情感体验差异性分析

(四)知识迁移高低表现组学生在情感体验上的差异性分析

  • 结果显示,知识保留高表现组的学生在积极高唤醒情绪(PH)、积极低唤醒情绪(PL)、消极高唤醒情绪(NH)维度的得分均高于低表现组,但是仅在消极高唤醒情绪(NH)维度具有显著性差异。
表7 知识迁移高低表现组情感体验差异性分析

结论及启示

(一)结论

  • 专注度是影响IVR环境中学习者知识保留的重要因素。
  • 消极的高唤醒情绪有助于提升IVR环境中学习者的知识保留。
  • 享乐感体验是影响IVR环境中学习者知识迁移的重要因素。
  • 消极的低唤醒情绪不利于IVR环境中学习者的知识迁移。

(二)启示

  • IVR教学实践中要平衡学习者的沉浸感体验和认知负荷
    • 一方面,IVR学习环境设计和开发要最大程度地提升学生的沉浸感体验,特别是专注度和享乐感体验,促进知识保留和知识迁移的有效发生。另一方面,IVR教学活动的设计和实施要最大程度地减少学生的外部认知负荷,促进关联认知负荷,以提升学习效果。
  • IVR教学实践中要充分考虑学习者的个体特征差异
    • 例如,在本研究中,那些专注度更强的学生在最后的知识保留测试中取得了更好的成绩。已有研究也证实了自我调节能力与学习风格对学习效果的影响。因此,IVR教学实践中需要特别考虑学习者的自我调节能力、认知风格等个体特征。
  • IVR相关学习研究需要特别关注IVR环境中的情感体验,明晰认知与情感之间的复杂关系
    • 作为高度可控的人造环境,IVR环境可能是探索情感与认知复杂关系的绝佳实验场。IVR技术可为研究人员创建一个在生态效度和实验控制程度上都足够的研究场域,促进学术界在情感如何影响认知和学习方面形成清晰的研究结论。

      基于上述研究发现,IVR教学实践中要注意平衡学习者的沉浸感体验和认知负荷,并充分考虑学习者个体特征差异。然而,由于研究样本和IVR学习情境的局限性,本研究的结论需要谨慎地用于其他IVR学习情境。未来,还需要在真实的教学情境中开展大规模长周期的实证研究,以对其进行进一步验证。此外,研究采用主观报告的方式较为单一。未来的研究可以捕获学习者在IVR学习中的眼动、表情、心率等反映学习者沉浸感和情感体验的生理数据,通过多模态数据的耦合,深入探索IVR环境中沉浸感、情感与学习表现之间的复杂关系。

参考文献

[1]张慕华,祁彬斌,黄志南,朱永海,李云文.沉浸式虚拟现实赋能学习的内在机理——沉浸感和情感体验对学习效果的多重影响[J].现代远程教育研究,2022,34(06):92-101.

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