崔鈺婷 趙志群

【摘 要】

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）的統(tǒng)稱，探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用具有重要意義，但國內(nèi)外開展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)績效影響的實驗或準實驗研究的結(jié)果差別很大。本研究利用元分析方法，對2015—2019年國際英文期刊發(fā)表的59篇有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)有效教學(xué)的文章進行分析，樣本總量為4，991，并對其從學(xué)段、學(xué)科、教學(xué)周期、技術(shù)類型和學(xué)習(xí)環(huán)境等調(diào)節(jié)變量深入分析。研究發(fā)現(xiàn)：從整體上看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)習(xí)績效有較大程度的提升作用;基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)的有效性受學(xué)段、學(xué)科、教學(xué)周期、技術(shù)類型、學(xué)習(xí)環(huán)境等變量的影響;在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中教學(xué)應(yīng)用效果最好的是混合現(xiàn)實（但樣本量小），其次是增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實。未來應(yīng)注意不同變量的調(diào)節(jié)作用，優(yōu)化教學(xué)條件，加強理論與實踐的深度融合。

【關(guān)鍵詞】? 虛擬現(xiàn)實;增強現(xiàn)實;混合現(xiàn)實;學(xué)習(xí)績效;元分析

【中圖分類號】? G642.0? ? ? ?【文獻標(biāo)識碼】? A? ? ? ?【文章編號】? 1009-458x（2020）11-0059-09

一、引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)涵蓋沉浸式虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）。近十年來，隨著個人移動設(shè)備的興起，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，如旅游、醫(yī)學(xué)、工業(yè)和教育等。Zion market research發(fā)布的報告顯示，2016年全球虛擬現(xiàn)實技術(shù)市場價值約為20.2億美元，預(yù)計2022年將達到約268.9億美元，市場潛力巨大?？萍季揞^谷歌、蘋果、Facebook和微軟等紛紛布局這一領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入了新的蓄力期?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》提出“要推進信息技術(shù)與教學(xué)融合，建設(shè)智能化教學(xué)環(huán)境，提供優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和軟件工具，利用信息技術(shù)開展啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，鼓勵發(fā)展性評鑒，探索建立以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)模式”。虛擬現(xiàn)實設(shè)備被描述為21世紀的學(xué)習(xí)輔助工具，因其便捷性、移動性、交互性、開放性和個性化等特點，可在教學(xué)中代替高成本、高危險、高復(fù)雜程度的實驗，具有巨大的應(yīng)用價值（Makransky， et al.， 2017; Yip， et al.， 2019）。然而，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種數(shù)字科技，其教育潛力尚未得到全面評估，僅在商業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出市場潛力，少有實證研究證明其教育價值（Meyer， et al.， 2019）。為探究虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的效果，研究者們進行了實驗論證，但結(jié)論并未達成共識，究其原因，是因為虛擬現(xiàn)實教學(xué)設(shè)備開發(fā)成本高昂，實驗研究樣本數(shù)據(jù)有限，這在一定程度上影響了結(jié)果的一致性和可比性。當(dāng)前對基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)的有效性存在兩種大徑相庭的研究結(jié)果：

第一種觀點認為，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對提升學(xué)生的學(xué)業(yè)成效有顯著提升作用。例如，有研究者以32名大學(xué)生作為研究對象，發(fā)現(xiàn)使用VR進行教學(xué)不僅能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能通過同伴學(xué)習(xí)中的社會交互促進學(xué)習(xí)參與（Zhou， et al.， 2018）。中國臺灣學(xué)者設(shè)計了ARFlora系統(tǒng)進行準實驗研究，結(jié)果表明，使用AR進行教學(xué)能更有效地提升學(xué)生學(xué)習(xí)成果并保留知識、促進知識遷移（Chang， et al.， 2016）;Yang等人基于游戲的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺（DGBL）證明使用DGBL系統(tǒng)的職業(yè)院校學(xué)生的創(chuàng)造性思維、批判性思維和解決問題能力均有所改進，職業(yè)技能也得到了大幅度提升（Yang， 2015）。除以上（準）實驗研究外，已有的元分析研究也表明虛擬現(xiàn)實技術(shù)能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)績效。例如，沈陽等（2020）對基于VR的腹腔鏡手術(shù)模擬器（VRLS）應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育的成效進行分析，發(fā)現(xiàn)VRLS對學(xué)生腹腔鏡技術(shù)水平作用的效應(yīng)值為0.72;李寶敏等（2019）對國外近十年有關(guān)VR教學(xué)成效的40篇論文進行量化分析（合并效應(yīng)值為0.56），得出VR教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)成績達到了中等程度的正向積極影響;Garzón等（2020）對46項AR教學(xué)實證研究進行了系統(tǒng)性回顧，計算出有效樣本的合并效應(yīng)值為0.72，表明AR技術(shù)對學(xué)習(xí)成效具有中上等影響。

第二種觀點認為，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對提升學(xué)生學(xué)業(yè)成效沒有作用。有研究者以32名大學(xué)生為研究對象，設(shè)計了基于VR游戲的測評平臺，發(fā)現(xiàn)VR游戲為學(xué)生提供了輕松愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境，能提升學(xué)生參與度，但對照組和實驗組最終的學(xué)業(yè)成績測驗分數(shù)沒有顯著差異（Al-Azawei， et al.， 2019）;丹麥學(xué)者Meyer等（2019）設(shè)計了準實驗，通過對比實驗并在一周后進行延遲測試，發(fā)現(xiàn)沉浸式VR視頻除能提升自我效能感外，對知識保留、知識遷移等并無影響。美國學(xué)者以36名大學(xué)生（其中，17名學(xué)生基于VR平臺，19名學(xué)生有專家反饋的面對面訓(xùn)練）為研究對象，設(shè)計了VR實時反饋平臺，實驗組在虛擬環(huán)境中反復(fù)練習(xí)，并接受平臺的認知、行為和態(tài)度評價反饋，結(jié)果顯示在VR平臺訓(xùn)練的學(xué)生其前后測分數(shù)有所提升，但與控制組相比結(jié)果不存在顯著差異（Ginkel， et al.， 2019）。

顯然，當(dāng)前對虛擬現(xiàn)實教學(xué)效果存在爭議。盡管已有學(xué)者進行過元分析研究，但已有的元分析僅單獨評估某一類具體的虛擬現(xiàn)實技術(shù)（如VR或AR）的教學(xué)效果，未能系統(tǒng)評估虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)的有效性，以及判斷VR、AR和MR這三類技術(shù)哪種更勝一籌。作為社會科學(xué)領(lǐng)域最常見的定量研究方法之一，元分析可以“有目的地整合研究結(jié)果，對單個研究進行綜合的統(tǒng)計學(xué)分析”（Glass， 1976）。本研究對檢索到的國外權(quán)威數(shù)據(jù)庫文獻進行“二次分析”，旨在回答以下問題：

（1）與傳統(tǒng)的教學(xué)方式（如講座法、幻燈片教學(xué)等）相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是否能提升學(xué)生學(xué)習(xí)績效？

（2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)績效，是否和如何受到學(xué)科、學(xué)段、教學(xué)周期、技術(shù)類型、學(xué)習(xí)場所等調(diào)節(jié)變量的影響？

（3）針對不同類型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，即VR、AR及MR，哪種技術(shù)類型更能提升學(xué)生學(xué)習(xí)績效？

二、研究設(shè)計

本研究的元分析嚴格按照PRISMA指導(dǎo)準則進行，并遵循Glass（1976）提出的元分析評估程序，包涵：①收集相關(guān)研究;②對特征值進行編碼;③計算單個研究的效應(yīng)量;④分析調(diào)節(jié)變量對效應(yīng)量的影響。

（一）數(shù)據(jù)來源

為了獲得高質(zhì)量的研究，筆者搜集了“Web of Science”和“Scopus”兩個國際權(quán)威數(shù)據(jù)庫。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主題詞有“Virtual Reality（VR）”“Augment Reality（AR）”“Mixed Reality（MR）”;學(xué)習(xí)績效的主題詞包括“Learning achievement”“Learning outcomes”“Learning performance”“Learning effectiveness”等，組合檢索詞如“Virtual reality+ Learning achievement”“Augment reality+ Learning outcomes”等，依此類推。檢索時間跨度為2015年至2019年9月1日，文獻類型選擇article。最終共檢索到6，786篇文獻，將所有文獻導(dǎo)入Endnote文獻管理軟件中，清除重復(fù)文獻后剩2，358篇。

（二）篩選標(biāo)準

為保證研究結(jié)果的嚴謹性和有效性，對檢索的文獻進行了篩查，標(biāo)準如下：①研究主題必須是探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用，可以在正式學(xué)習(xí)環(huán)境中開展（如學(xué)校課堂教學(xué)），也可以在非正式學(xué)習(xí)場所中進行（如基于工作場所中的學(xué)習(xí)或教育游戲中）;②研究類型必須是實驗研究或者準實驗研究，包括雙組前后測、雙組后測、單組前后測等;③分別采用兩組方式教學(xué)，實驗組利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)干預(yù)教學(xué)和學(xué)習(xí)，控制組使用傳統(tǒng)教法（如講座法、PPT幻燈片等）;④研究結(jié)果包含對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)績效的測量，每項研究都必須報告實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)績效包括學(xué)生知識獲得或技能測評得分，從以上任選一項分數(shù)即可;⑤研究報告應(yīng)提供研究結(jié)果的完整數(shù)據(jù)，應(yīng)包括實驗組和對照組的樣本量，學(xué)習(xí)績效的均值及標(biāo)準差。

綜合以上篩選標(biāo)準，對檢索到的6，786篇文獻進行排查，最終選取滿足篩選標(biāo)準的文獻59篇，具體流程如圖1所示，總樣本量為4，991，滿足元分析標(biāo)準。

（三）資料提取與編碼

資料提取是Meta分析的重要步驟之一，所提取的資料作為數(shù)據(jù)分析和合成的直接依據(jù)。為保證資料提取過程的客觀性，本研究的編碼由兩位研究人員共同完成。正式編碼之前，對兩位研究人員進行培訓(xùn)，告知編碼規(guī)則，再由兩位編碼員對59篇文獻獨立編碼。編碼的內(nèi)容包括標(biāo)題、作者信息、發(fā)表年份、樣本量、控制條件、學(xué)習(xí)者學(xué)段、學(xué)習(xí)者學(xué)科、技術(shù)類型、教學(xué)周期、學(xué)習(xí)場所等，調(diào)節(jié)變量編碼如表1所示。本研究Cohen Kappa一致性系數(shù)為0.91，說明特征值編碼結(jié)果可信。

（四）研究方法與工具

近年來，能實現(xiàn)Meta分析的軟件不斷涌現(xiàn)，一般分為三大類：①meta分析專用軟件，如Review Manager（RevMan）和Comprehensive Meta-Analysis（CMA）等;②具有Meta分析功能的綜合性軟件，如Stata、R軟件和SAS等;③Microsoft Excel插件（張?zhí)灬裕?等， 2015， p.16）。本研究采用綜合性統(tǒng)計工具Stata16，該軟件功能強大，可以實現(xiàn)對連續(xù)性變量的高級Meta分析，滿足研究需求。

此外，通過提取59篇研究文獻的樣本量、平均值及標(biāo)準差，比較和整合多個相同領(lǐng)域的實驗研究結(jié)果，采用標(biāo)準化均數(shù)差法（SMD）作為效應(yīng)值，表征虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)績效的影響程度。Stata16軟件統(tǒng)計結(jié)果具體包括計算各研究的單個效應(yīng)值、整體效應(yīng)值、發(fā)表偏倚分析、異質(zhì)性檢驗及調(diào)節(jié)變量影響分析。

三、元分析結(jié)果與討論

（一）異質(zhì)性檢驗

由于納入同一系列評價的研究來自不同的國家，發(fā)表時間不同，研究對象不同，干預(yù)措施不同，異質(zhì)性在所難免，本研究將系統(tǒng)評價中不同研究中存在的合作變異統(tǒng)稱為“異質(zhì)性”（Borenstein， et al.， 2009， p.7）。異質(zhì)性檢驗是Meta分析的關(guān)鍵步驟，分為圖示法和統(tǒng)計學(xué)檢驗法。圖示法中森林圖可用于評價研究間異質(zhì)性，用法簡單，但需要合理解讀;統(tǒng)計學(xué)檢驗法包括Q檢驗、I2檢驗和H檢驗，H和I2利用了自由度校正研究文獻數(shù)目對Q值的影響，其值大小不會隨著文獻數(shù)變化而改變，可作為兩項重要考察指標(biāo)。Higgins等（2003）認為I2取值范圍定義在0～100%之間，當(dāng)I2=0時表示研究間無異質(zhì)性，I2>75%時表示研究存在高度異質(zhì)性。

根據(jù)Stata軟件得出的異質(zhì)性檢驗數(shù)值，I2=94.98%>50%，H=19.92%，Q檢驗的p =0.000<0.05，提示本次研究選擇的文獻之間存在很強的異質(zhì)性，表明約有94.98%的觀察變異是由效應(yīng)值的真實差異造成的，僅有5.02%的觀察變異由隨機誤差導(dǎo)致，出現(xiàn)異質(zhì)性的原因可能是樣本來源的國別、發(fā)表時間、技術(shù)類型、學(xué)段、學(xué)科等不同因素引起的。

（二）偏倚檢驗

元分析也有一些重要的限制，如出版偏倚和樣本偏倚，需要對所篩選文章的出版偏倚進行檢驗（Cohen， 1982）。偏倚（Bias）又稱為“系統(tǒng)誤差”（Systematic error），指研究的結(jié)果或推論偏離真實值的偏差。采用漏斗圖與Begg秩相關(guān)法檢驗發(fā)表偏倚。首先運行Stata軟件得出漏斗圖，當(dāng)研究不存在發(fā)表偏倚時，散點將形成一個對稱的倒置漏斗狀。由圖2可以發(fā)現(xiàn)本研究絕大多數(shù)散點均勻落在合并效應(yīng)值0.850處，并對稱分布在中心線左右，可推測本研究中發(fā)表偏倚較少。為更準確報告是否存在偏倚，采用Begg秩相關(guān)法來進行檢驗，一般情況下，樣本量與方差成反比，秩相關(guān)檢驗是檢驗效應(yīng)與樣本量之間的相關(guān)性，若Z<1.96 （p >0.05）則表示沒有報告偏倚。根據(jù)Begg秩相關(guān)檢驗結(jié)果來看，Z=1.23<1.96 （p >0.05），因此可以判斷本研究不存在發(fā)表偏倚。

（三）虛擬現(xiàn)實技術(shù)對提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)績效的整體效應(yīng)

在Meta分析中，效應(yīng)量是衡量實驗組和對照組均值差異性強度的重要指標(biāo)（Hedges & Olkin， 1984），效應(yīng)值用來評估虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)績效的影響。

在合并單個研究的效應(yīng)量計算整體效應(yīng)值時，可以選擇固定效應(yīng)模型（Fixed-effects model）或隨機效應(yīng)模型（Random effects model）。固定效應(yīng)模型假設(shè)不同研究應(yīng)有相同的效應(yīng)量，研究間的差異僅是由于不同研究效應(yīng)量的變質(zhì)程度不同引起的。隨機效應(yīng)模型假定不同研究具有不同的效應(yīng)量，研究的差異由于不同研究效應(yīng)量及不同變異程度共同引起。在教育學(xué)研究中，由于研究對象、實驗條件等的差異，假設(shè)各研究有共同的效應(yīng)量是不科學(xué)的。本研究選擇隨機效應(yīng)模型進行主效應(yīng)檢驗，并采用Cohen的效應(yīng)量計算方法，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

根據(jù)隨機效應(yīng)給出的Meta分析結(jié)果顯示，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)習(xí)績效的合并效應(yīng)值SMD是0.850，95%CI（0.574，1.126），合并效應(yīng)量檢驗Z=6.03（p <0.01）具有統(tǒng)計學(xué)意義。合并效應(yīng)值為正數(shù)，表明與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)績效起正向顯著影響。根據(jù)Cohen（1992）的效應(yīng)值評價標(biāo)準：標(biāo)準化效應(yīng)量在0.2～0.5屬于小效應(yīng)，在0.5～0.8之間屬于中效應(yīng)，高于0.8屬于大效應(yīng)。59項研究的總效應(yīng)量是0.850，大于0.8，屬于大效應(yīng)。因此可以得出以下結(jié)論：采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)績效。

（四）調(diào)節(jié)變量效果檢驗

1. 學(xué)段的調(diào)節(jié)效應(yīng)

以不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生作為研究對象，探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的效果差異。統(tǒng)計結(jié)果顯示，各學(xué)段的合并效應(yīng)值檢驗Z=6.06（p<0.01），表示虛擬現(xiàn)實技術(shù)對各個學(xué)段的學(xué)習(xí)績效具有提升作用。從表3可以看出，各學(xué)段的最終效應(yīng)值依次是職業(yè)教育（g=2.578，p<0.01）、本科及以上（g=0.880，p<0.01）、普通高中（g=0.764，p>0.05）、小學(xué)及以下（g=0.547，p>0.05）、初中（g=0.265，p>0.05）。對職業(yè)院校和本科及以上的學(xué)習(xí)者的影響效果屬于大效應(yīng)，對普通高中、小學(xué)及以下的學(xué)習(xí)者達到了中等效應(yīng)，對初中生影響效果屬于小效應(yīng)。也有部分學(xué)段未達到統(tǒng)計學(xué)意義上的顯著，如小學(xué)及以下、高中和初中，這可能與研究設(shè)計和樣本數(shù)量少有關(guān)。組間效應(yīng)QB=19.24（p<0.01），達到統(tǒng)計顯著水平，表明在不同學(xué)段虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)績效存在顯著差異。

2. 學(xué)科的調(diào)節(jié)效應(yīng)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中的形式多樣，不同學(xué)科都試圖借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。各學(xué)科的效應(yīng)值均大于0，合并效應(yīng)值Z=5.09（p<0.01），說明虛擬現(xiàn)實技術(shù)對不同學(xué)科的學(xué)習(xí)績效均有正向提升作用。根據(jù)表4統(tǒng)計結(jié)果，各學(xué)科最終的效應(yīng)值大小依次是地球科學(xué)類（g=2.259，p>0.05）、材料與工程類（g=1.718，p<0.01）、數(shù)理科學(xué)類（g=1.010，p<0.01）、信息科學(xué)類（g=1.005，p>0.05）、人文語言類（g=0.554，p<0.01）和生命醫(yī)學(xué)類（g=0.265，p>0.05）。影響最高的是傳統(tǒng)的理工科專業(yè)（地球科學(xué)類、材料工程類、數(shù)理科學(xué)類和信息科學(xué)類等）;對地球科學(xué)類、信息科學(xué)類的影響效果不顯著，可能因為這兩類專業(yè)樣本數(shù)較小。與我們的認知相反，虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然大量應(yīng)用于生命醫(yī)學(xué)類（生物、醫(yī)學(xué)和護理等）學(xué)科，但不少研究針對醫(yī)學(xué)護理類專業(yè)進行了實證研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用效果相對較差且不顯著，表明醫(yī)學(xué)護理類專業(yè)不太適合在虛擬仿真環(huán)境中學(xué)習(xí)，或虛擬現(xiàn)實技術(shù)需要進一步優(yōu)化才能適應(yīng)這類學(xué)科。除此之外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對人文社科類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)績效提升也有較好效果，達到了中等效應(yīng)?？傮w上，從組間效應(yīng)檢驗結(jié)果來看，QB=9.69（p>0.05），虛擬現(xiàn)實技術(shù)對不同學(xué)科學(xué)習(xí)績效的影響并無顯著差異，對不同學(xué)科類別都有適用性，但影響效果存在差異。

3. 技術(shù)類型的調(diào)節(jié)效應(yīng)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三類主流技術(shù)VR、AR和MR呈現(xiàn)出不同的教育形態(tài)。根據(jù)Stata軟件統(tǒng)計結(jié)果，發(fā)現(xiàn)三類技術(shù)對學(xué)習(xí)績效影響的組間效應(yīng)量是QB=1.70（p>0.05），并未達到統(tǒng)計顯著水平，說明三類不同的技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)績效影響并不存在顯著差異。從表5可以看到，各技術(shù)類型合并效應(yīng)值Z=6.09（p<0.01），說明虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的不同技術(shù)類型對學(xué)生成績均具有正向促進作用，其中影響最高的是MR（g=1.617，p<0.01），其影響效果顯著，但樣本量較小;其次是AR（g=0.887，p<0.01），也達到了大效應(yīng);影響效果較弱的是VR（g=0.737，p<0.01），但也達到了中等效應(yīng)。

4. 學(xué)習(xí)場所的調(diào)節(jié)效應(yīng)

為了檢驗不同學(xué)習(xí)場所是否影響虛擬現(xiàn)實技術(shù)提升學(xué)習(xí)績效，本研究計算了三個學(xué)習(xí)場所對應(yīng)的效應(yīng)值。從表6可以看出，各學(xué)習(xí)場所效應(yīng)值均大于0，合并效應(yīng)值Z=4.48（p<0.05），說明虛擬現(xiàn)實技術(shù)對不同學(xué)習(xí)場所的學(xué)習(xí)績效均有正向提升作用。其中，基于教育游戲的學(xué)習(xí)場所效應(yīng)值最高（g=1.667，p<0.01），說明虛擬現(xiàn)實技術(shù)在基于游戲的學(xué)習(xí)場所影響最為有效;其次是應(yīng)用于正式學(xué)習(xí)場所（g=0.856，p<0.01），達到了大效應(yīng);效應(yīng)值最低的是基于訓(xùn)練的學(xué)習(xí)場所（g=0.446，p>0.05），達到了中等效應(yīng)，但效果不顯著。組間效應(yīng)檢驗結(jié)果（QB=4.30，p>0.05）說明不同學(xué)習(xí)場所對學(xué)習(xí)績效的影響并無顯著差異。

5. 學(xué)習(xí)周期的調(diào)節(jié)效應(yīng)

根據(jù)梳理的59篇文獻內(nèi)容，將教學(xué)周期劃分為四類，對不同教學(xué)周期的虛擬現(xiàn)實技術(shù)影響效果進行檢驗。如表7所示，各教學(xué)周期的效應(yīng)值均為正值，組間效應(yīng)檢驗不顯著（QB=0.25，p>0.05），說明在不同教學(xué)周期虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)績效的影響并無顯著差異。各教學(xué)周期效應(yīng)值均大于0，合并效應(yīng)值Z=4.97（p<0.01），說明虛擬現(xiàn)實技術(shù)對不同教學(xué)周期的學(xué)習(xí)績效均有正向提升作用。各教學(xué)周期效應(yīng)值排序為：6個月以上（g=0.982，p<0.01）>3～6個月（g=0.920，p>0.05）>1～3個月（g=0.913，p>0.05）>1個月內(nèi)（g=0.816，p<0.01），表明虛擬現(xiàn)實技術(shù)隨教學(xué)時間增長效果會更好，與教學(xué)周期變量呈線性關(guān)系。

四、結(jié)論

對近5年59篇實驗或準實驗研究進行元分析，研究表明虛擬現(xiàn)實技術(shù)與學(xué)習(xí)績效呈高度正相關(guān)。

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)績效有積極正向影響

元分析結(jié)果表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能有效提升學(xué)習(xí)績效，效應(yīng)值高于0.8，呈中等偏上的顯著影響，與先前研究結(jié)論一致（Merchant， et al.， 2014; Garzón & Acevedo， 2019），即虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于其“沉浸性”“交互性”“想象性”特征，能夠創(chuàng)設(shè)多樣化虛實融合的學(xué)習(xí)情境，幫助學(xué)習(xí)者理解抽象和復(fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)動機（Erbas & Demirer， 2019），提升學(xué)習(xí)效果（Carbonell-Carrera & Saorín， 2017）。具體來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以整合割裂、零散的學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生按照關(guān)聯(lián)、動態(tài)、系統(tǒng)的思維方式理解復(fù)雜問題。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)打造的具體化、情景化、沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，能使學(xué)習(xí)者更好地掌握正確的抽象性知識和操作行為，并為學(xué)習(xí)者提供無限練習(xí)機會，促進學(xué)習(xí)遷移。多感官交互技術(shù)可營造出多種感官刺激的學(xué)習(xí)環(huán)境，刺激學(xué)習(xí)者視覺、聽覺、觸覺等的多感官學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)效率事半功倍，符合腦科學(xué)結(jié)論。虛擬現(xiàn)實技術(shù)也能有效監(jiān)控學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)行為，為學(xué)習(xí)者和教學(xué)者提供及時、有效的診斷反饋，實現(xiàn)人機協(xié)同?？傊摂M現(xiàn)實技術(shù)打造的學(xué)習(xí)情境是學(xué)習(xí)者“知情意行”的整合。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和工程類學(xué)科的實驗，這類實驗成本大、建設(shè)條件復(fù)雜、周期長且容納人數(shù)有限，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可有效解決這些難題，通過仿真模擬真實工作或?qū)W習(xí)情境，溝通現(xiàn)實與虛擬，擺脫時空障礙，將零散、瑣碎、靜態(tài)的二維形態(tài)知識轉(zhuǎn)換為網(wǎng)狀化、系統(tǒng)化、立體化的三維知識形態(tài)，從根本上改變學(xué)習(xí)者知識獲取與信息加工方式，體現(xiàn)以“學(xué)”為中心的教育理念，提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)成效。

（二）不同變量對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)績效的調(diào)節(jié)效應(yīng)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)績效的影響存在邊界條件，如學(xué)科、學(xué)段、教學(xué)設(shè)備、教學(xué)周期等調(diào)節(jié)變量的共同影響。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各學(xué)段都有正向教學(xué)效果，其中對職業(yè)院校學(xué)生效果最佳。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)院校和本科及以上學(xué)段都具有顯著正向作用且達到高度正向影響。自20世紀80年代起，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就開始應(yīng)用于職業(yè)教育和培訓(xùn)，到了90年代才陸續(xù)引入基礎(chǔ)教育和高等教育（劉德建， 等， 2016）。虛擬實訓(xùn)作為職業(yè)教育的新興實訓(xùn)方式，有助于轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式、激發(fā)學(xué)生興趣，給學(xué)生更多機會去操作體驗，符合“做中學(xué)”理念和情境學(xué)習(xí)理論，相較于其他階段，教學(xué)效果也更為明顯。在高中及初中階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用效果不明顯，中學(xué)階段學(xué)習(xí)的知識以陳述性知識（是什么）為主，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對這類知識教學(xué)效果欠佳。此外，該階段的學(xué)生有較大的升學(xué)壓力，應(yīng)用于課堂有可能使學(xué)生分心，造成認知負荷超載，降低學(xué)習(xí)效果。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各學(xué)科中都有正向教學(xué)效果，但效果存在差異，對地理科學(xué)類和材料科學(xué)類等理工科專業(yè)影響顯著，而對人文語言類、生命醫(yī)學(xué)類等專業(yè)影響效果稍弱。究其原因，理工科課程需要具象化的學(xué)習(xí)場景幫助學(xué)習(xí)者更好地理解內(nèi)容，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可滿足這一需求，加之這類學(xué)科需要進行大量實驗、動手操作，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為此類課程營造了一個“沉浸式虛擬空間”，將抽象的概念具體化，有助于學(xué)習(xí)者快速掌握。學(xué)習(xí)者可在虛擬空間中自主探索，擺脫了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的時空限制，能進行無限次的練習(xí)，強化了學(xué)習(xí)效果，這一結(jié)果也驗證了Bacca等（2014）的研究結(jié)論，即虛擬現(xiàn)實技術(shù)最適用于自然科學(xué)和數(shù)學(xué)工程類專業(yè)。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人文社科類專業(yè)（如語言、歷史等）中也有較好的應(yīng)用前景，可以大大豐富文史類專業(yè)知識的呈現(xiàn)形式，如將故事情節(jié)可視化，提升學(xué)生的表達能力、想象能力和共情能力。對于生命科學(xué)類學(xué)科，虛擬現(xiàn)實技術(shù)影響效果最弱，可能因為當(dāng)前虛擬實驗多為簡單的二維實驗演示，其真實感、交互性和教學(xué)效果與真實醫(yī)學(xué)實驗相差較遠（焦安權(quán)， 鐘聲， 2008），故效果較差。

不同技術(shù)類型對學(xué)生學(xué)習(xí)績效提升效果不同。首先是MR對學(xué)生學(xué)習(xí)績效提升效果最好，達到了大效應(yīng)，但其在當(dāng)前教育領(lǐng)域普及程度較低，收集到的研究樣本數(shù)量較小，因此這一結(jié)果可能有一定的偏差;其次是AR也達到了大效應(yīng)，即虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境要優(yōu)于純虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境;最后是VR對學(xué)生學(xué)習(xí)績效影響為中等效應(yīng)。原因可能是MR相較于另外兩類更為先進，其同時包含了現(xiàn)實世界和虛擬世界，在虛擬世界、現(xiàn)實世界和用戶之間搭起了交互反饋的信息回路，將虛擬世界和現(xiàn)實世界無縫對接，將人類感官延伸到了虛擬世界（范文翔， 趙瑞斌， 2019），可充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的多種感官，提升學(xué)習(xí)者沉浸感、代入感和置入感，使其迅速進入學(xué)習(xí)狀態(tài)（孔璽， 等， 2019），因此效果最好。AR是虛擬現(xiàn)實的延伸，可使抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化、形象化，使知識更有情境性，增強學(xué)習(xí)的交互性（蔡蘇， 2016），但虛擬世界和現(xiàn)實世界在景象間仍存在較大的視覺差異，會對學(xué)習(xí)體驗效果造成一定影響（孔璽， 等， 2019），故效果次之。VR對提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)績效影響最低，這可能與VR設(shè)備缺陷有關(guān)，如有研究表明，VR頭戴現(xiàn)實設(shè)備存在分辨率低、刷新率低等問題，長時間使用會伴隨一系列不良反應(yīng)，比如暈眩、疲勞等（丁楠， 汪亞珉， 2017）。此外，虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)的模擬場景也會干擾學(xué)習(xí)者對重要學(xué)習(xí)內(nèi)容的注意。有研究表明，VR能提升學(xué)生學(xué)習(xí)動機，但會加重學(xué)生認知負荷，造成冗余效應(yīng)（Makransky， et al.， 2019）。

不同的學(xué)習(xí)環(huán)境對提升學(xué)生學(xué)習(xí)績效影響不同。效果最好的是基于教育游戲的學(xué)習(xí)場所和正式的學(xué)習(xí)場所，均達到了大效應(yīng)，而基于工作的學(xué)習(xí)場所對學(xué)習(xí)績效具有中等效應(yīng)。近年來，教育游戲也成為教育研究和應(yīng)用的熱點之一，教育游戲化可以基于任務(wù)、基于情境、基于問題、基于角色來設(shè)計學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以以個體或小組的形式協(xié)作學(xué)習(xí)，大大增強了學(xué)習(xí)的趣味性，效果最佳。此外，相較于傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，有研究表明學(xué)習(xí)者使用基于AR的教育游戲產(chǎn)生的心流體驗更強（Ibá?ez， et al.， 2014），這也提示開發(fā)者和教學(xué)者多創(chuàng)設(shè)非正式學(xué)習(xí)環(huán)境。基于工作的學(xué)習(xí)場所效果最弱，可能受到當(dāng)前技術(shù)的限制，虛擬仿真系統(tǒng)與真實的工作任務(wù)、訓(xùn)練情景還有一定的距離，目前尚不能替代真實的工作情景。

在不同教學(xué)周期虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)績效提升效果不同，實驗周期與學(xué)生學(xué)習(xí)績效呈線性關(guān)系。教學(xué)周期越長，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)績效提升效果越好。表明虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用持續(xù)時間越長，學(xué)生越能在沉浸式學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)環(huán)境中深入體驗，對知識和技能的學(xué)習(xí)和保留度越高。

五、建議與展望

通過對59項研究進行元分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)有助于大幅提升學(xué)習(xí)績效，但會受到學(xué)段、學(xué)科、教學(xué)周期等變量的影響。

（一）加強理論與實踐的融合，發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)最大效益

傳統(tǒng)的教學(xué)是以教師為中心，學(xué)生處于被動地位，而基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)有利于創(chuàng)建以學(xué)生為本的個性化教學(xué)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)并非只是一種展示手段，更應(yīng)融入教與學(xué)的全過程。教師在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計教學(xué)情境時，應(yīng)按照情境學(xué)習(xí)理論、具身認知理論和心流理論等構(gòu)建有效的學(xué)習(xí)環(huán)境。情境學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)是情境性的活動，是實踐共同體“合法的邊緣性參與”，邊緣性意味著多元化、建構(gòu)性（萊夫， 溫格，2002， p.6）。知識是復(fù)雜的，學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計者應(yīng)盡可能使教學(xué)內(nèi)容貼近真實的情境活動。教師應(yīng)鼓勵形成實踐共同體的活動，創(chuàng)設(shè)多元、開放的虛擬現(xiàn)實教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生逐漸“充分參與”共同體的活動，主動建構(gòu)知識體系。具身認知理論強調(diào)認知的涉身性、體驗性和環(huán)境嵌入性，認知基于身體并源于身體（葉浩生， 2015）。在進行內(nèi)容設(shè)計時，教師要增加身體體驗的互動性，給學(xué)生更多的身體感覺-運動體驗機會，發(fā)揮身體對環(huán)境的感知記憶，促進多種感官交互，增強學(xué)習(xí)的“臨場感”。心流理論認為個體在參與某項工作（活動）時，在達到全神貫注、投入忘我的狀態(tài)（心流狀態(tài)）時學(xué)習(xí)績效更好（Webster， et al.， 1993）。由于基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的游戲活動比課堂學(xué)習(xí)更為有效，未來可針對STEM、創(chuàng)客、藝術(shù)欣賞課程等開設(shè)游戲活動，增強教學(xué)內(nèi)容的趣味性，提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)投入，使其感受學(xué)習(xí)過程中的“巔峰時刻”。

（二）在教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)注意相關(guān)變量調(diào)節(jié)的作用，優(yōu)化虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)使用條件

盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)對提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)績效有顯著效應(yīng)，但受不同變量調(diào)節(jié)，其應(yīng)用效果也存在差異，未來應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)時應(yīng)注意各變量的調(diào)節(jié)作用：①虛擬現(xiàn)實技術(shù)可廣泛應(yīng)用于理工科等實踐性強的學(xué)科，如地理、物理等，教師可積極探索開發(fā)適宜的教學(xué)內(nèi)容;②在學(xué)段方面，虛擬技術(shù)在職業(yè)教育和本科及以上層次中應(yīng)用效果良好，故開發(fā)者可針對職業(yè)教育和高等教育研發(fā)課程和學(xué)習(xí)支持系統(tǒng);③在教學(xué)周期上，教學(xué)周期越長，學(xué)習(xí)績效越好，故教師可將虛擬教學(xué)貫穿于整個教學(xué)過程，增強學(xué)生對虛擬技術(shù)的適應(yīng)性，發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最大效力;④在技術(shù)類型上，MR實效果最好，其次是AR，因此可優(yōu)先推廣這兩項技術(shù)，改進VR硬件的不足，如暈眩感、分辨率低、舒適感差等問題;⑤在學(xué)習(xí)環(huán)境中，教育游戲效果最好，但需注意必須重視對學(xué)習(xí)過程的反饋及效果評價。教育類游戲最終的目的是促進學(xué)習(xí)績效的提升、促進學(xué)生身心健康發(fā)展，不能“為內(nèi)容而內(nèi)容”，本末倒置，在學(xué)生游戲時應(yīng)注意正確引導(dǎo)。此外，AR有助于幫助學(xué)習(xí)者理解和記憶概念性知識，VR對步驟性、操作性知識效果更好，教學(xué)者應(yīng)根據(jù)不同的知識類型應(yīng)用不同類型的技術(shù)。

本研究僅選取兩大數(shù)據(jù)庫的期刊論文，未來的研究不僅應(yīng)包括期刊論文，也應(yīng)涵蓋會議論文和碩博學(xué)位論文，應(yīng)吸收中文文獻做綜合對比，應(yīng)研究不同結(jié)果變量的影響差異（自我效能感、學(xué)習(xí)動機、創(chuàng)造力水平等），多視角探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助教學(xué)的學(xué)習(xí)績效。另外。由于梳理文獻時一些數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致本研究無法探討某些特定調(diào)節(jié)變量（性別、教學(xué)方式、能力分類等）。在未來條件成熟時，可全面分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)有效教學(xué)的基本特征。

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收稿日期：2019-12-07

定稿日期：2020-08-18

作者簡介：崔鈺婷，博士研究生;趙志群，博士，教授，博士生導(dǎo)師，本文通訊作者。北京師范大學(xué)教育學(xué)部（100875）。

責(zé)任編輯 張志禎 劉 莉