基于虚拟现实技术的心理学实验教学资源建设

崔芷君, 谢冬婵, 匡 谨, 申洋洋, 范 炤*, 郭永玉

(1. 华中师范大学 心理学院,湖北 武汉 430079；2. 华中师范大学 国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心,湖北 武汉 430079)

基于虚拟现实技术的心理学实验教学资源建设

崔芷君1,2, 谢冬婵1,2, 匡 谨1,2, 申洋洋1,2, 范 炤1,2*, 郭永玉1,2

(1. 华中师范大学 心理学院,湖北 武汉 430079；2. 华中师范大学 国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心,湖北 武汉 430079)

华中师范大学心理学院围绕人才培养的目标,依托国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心,大力开展基于虚拟现实技术的心理学实验教学资源建设,已建成的9个教学型项目分属于5个模块。中心还依托大学生创新创业基金项目、各类省级、校级等科研项目,倡导学生自主申报研究型实验课题,并借助已有或正在进行中的实验项目,开展了一系列国内外心理学实验教学交流。

虚拟现实技术； 心理学实验教学； 资源建设

在高校教学活动中采用虚拟现实技术(VR)进行实验教学是高教领域关注的热点之一[1]。采用这种模式的关键问题是如何构建一个完善、开放的教学资源体系,并通过该体系来覆盖教学过程中各个环节,让学生利用现代信息技术学习课程内容开展实践活动。建立基于虚拟现技术的心理学实验教学资源,有助于在互联网背景下探索心理学实验课信息化教学新模式,丰富实验教学内容,提高学生的科研、实践、创新能力以及实现一批在传统心理学实验室中无法做到,或者具有高风险和高成本的心理学实验教学项目[2]。

1 基于VR的心理学实验教学资源建设理念

虚拟现实技术是一门以计算机技术为主,综合利用计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、显示技术,生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉以及嗅觉等感觉世界的综合技术[3]。它的目标是形成沉浸度较高的虚拟环境。在国内,虚拟现实技术更多地应用于电工电子、医学、建筑、机械、生化等学科,而国外在运用虚拟现实进行心理学研究的20多年实践中,已经在心理学的多个分支领域产生了重要影响和丰硕研究成果,包括临床治疗恐高和社交恐惧症、教育—虚拟班级、认知—空间知觉等研究课题。

华中师范大学国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心(下简称中心)是国内心理学界首个国家级虚拟仿真实验教学中心。该实验中心依托华中师范大学心理学院,内含青少年网络心理与行为教育部重点实验室、湖北省人的发展与心理健康重点实验室、国家级心理学实验教学示范中心、国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心等教研平台。中心在智能教育、网络心理与行为、人的发展与职业健康、虚拟仿真理论与应用等方面具有一定的人才培养和科学研究优势。从心理学实验教学和创新型人才培养的角度,中心旨在探索心理学实验课的教学新模式,拓展心理学实验的教学项目种类,最终促进复合型、创新型、应用型、技能型人才的培养。近年来,中心大力发展基于虚拟现实技术的心理学实验教学资源,并以实现校内外实验教学资源共享,满足多地区、多学校、多学科专业的实验教学需求为目标,与行业领先企业强强结合,研发出多个基于虚拟现实技术的心理学实验教学项目。

2 基于VR的心理学实验教学资源建设内容

目前华中师范大学国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心已建成的虚拟现实心理实验项目平台包括5个子模块:虚拟认知心理实验、虚拟学习与教学实验、虚拟发展心理实验、虚拟心理咨询与治疗实验、虚拟人格与社会实验。这些教学型实验项目模块系统运用了虚拟现实技术,并在经典心理学实体实验的基础上将相关实验内容转化为更具交互性、沉浸感、想象性的虚拟现实心理学实验项目。这些模块的来源既包括基础心理学,也包括应用心理学的一些主流研究课题,通过参与实验,学生不仅可以研究空间认知等基础心理学的课题,还能够通过虚拟现实技术,对教育心理学、人格社会心理学、心理咨询中的一些应用课题加以探索。传统实验室条件难以实现对这些基础和应用心理学课题的操作，而基于VR的心理学实验教学资源的建设可以有效突破传统实验条件对心理学研究的限制。学生在完成这些教学模块的基础上,可以通过进一步系统学习和技术培训,设计并开展自己感兴趣的科研型心理学实验项目。

2.1 虚拟认知心理实验

(1) 空间位置学习中的边界优势效应。实验采用掩蔽实验范式来研究地标线索和边界线索在位置学习中的作用。Doeller等人(2008)的研究表明,人类在空间导航中,对地标线索和边界线索的加工方式是不同的:地标线索(指分离的小物体)的加工符合行为主义的联结学习原则,加工机制在背侧纹状体；边界线索(指延展的垂直平面)的加工方式符合偶然学习的原则,加工机制在海马体,并且边界线索会掩蔽地标线索[4]。本实验是对Doeller等人研究的重复,目的是探究个体如何运用空间线索进行空间定位。图1为“空间位置学习中的边界优势效应”实验项目中被试看到的虚拟现实场景,图中包含了地标线索和边界线索。

图1 “空间位置学习中的边界优势效应”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示

(2) 几何线索和路径整合在人类空间导航中的作用。主要研究个体如何利用多种线索来实现空间导航。在自然界中,空间位置的识别对一切动物(包括人类)都有着非常重要的生存适应意义。在陌生环境中迷失方向后,为了确定自己的位置,观察者可能需要若干种线索信息,包括环境中的信息或者自身内部感觉,即路标、几何线索和路径整合[5]。本实验的目的是研究空间重定位中,个体如何对环境线索和路径整合信息加以整合和利用。图2为“几何线索和路径整合在人类空间导航中的作用”实验项目中被试看到的虚拟现实场景,图示中包含了路标线索和几何线索。

图2 “几何线索和路径整合在人类空间导航中的作用”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示

2.2 虚拟学习与教育心理实验

(1) “刻板印象威胁”调节女生数学学习动机与成绩。人们对于某些团体的某种社会属性存有负面刻板印象,当该团体个体存在于可能应验此负面刻板印象的情境中时,因担心应验他人对其所属团体的负面刻板印象,以及别人会用所属团体的负面刻板印象来论断、评价自己,从而产生额外的威胁感或压力感,这种威胁和压力感就是刻板印象威胁[6]。学科性别刻板印象会对女生产生不利影响,会影响女生对理科的认同程度、学习动机和学习成绩。而教师的学科刻板印象会影响其对女生的态度[7]。本实验利用虚拟现实技术,研究教师传递的隐性刻板印象信息如何调节不同成就水平的女生的数学学习动机和成绩。图3为“刻板印象威胁调节女生数学学习动机与成绩”实验项目中,被试看到的虚拟现实场景图示。

图3 “刻板印象威胁调节女生数学学习动机与成绩”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示

(2) 利用虚拟现实技术探讨课堂教学的影响因素。对班级规模的元分析结果表明,班级规模增加时,学业成绩下降,当班级规模减小时,学生的学习兴趣增加,学习投入度更高[8]。教师期望是指教师在对学生的知觉感受的基础上产生的对学生的行为结果的某种预测性认知[9]。本实验的目的是依托虚拟现实技术,研究班级人数与教师期望行为对学生即时学习的影响。图4为“利用虚拟现实技术探讨课堂教学的影响因素”实验项目中被试看到的虚拟现实场景,场景为20人、女教师、高期望行为教学条件。

图4 “利用虚拟现实技术探讨课堂教学的影响因素”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示

2.3 虚拟发展心理实验

儿童心理理论的发展。实验展示了虚拟场景下儿童心理理论的研究范式,旨在探究4岁左右儿童能否理解错误信念。心理理论是儿童对信念和愿望等基本心理成分的理解,是儿童对他人心理状态及其与他人行为关系的推理或认知[10]。心理理论主要的任务范式包括意外转移任务、意外内容任务和故事陈述任务[11]。本实验的目的是探讨儿童心理理论的发展阶段并考察其在不同任务中的表现,在此基础上探讨儿童心理理论训练的有效性。图5是“儿童心理理论的发展”实验项目中被试看到的虚拟现实场景,此场景为意外转移任务初始画面。

图5 “儿童心理理论的发展”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示

2.4 虚拟心理咨询与治疗实验

(1) 虚拟现实在社交焦虑干预中的应用。主要研究如何将虚拟现实技术运用于社交焦虑的治疗过程中。社交焦虑是指个体对人际处境有强烈的忧虑、紧张不安或恐惧的情绪反应和回避行为[12]。近些年,国外有不少研究运用虚拟现实技术研究社交恐惧症[13],目前的技术可以设置很多种不同的社交情境,如面试情境、派对情境、约会情境、会议室情境、礼堂情境等。本实验的目的是探究不同变量对被试焦虑等级的影响。图6为“虚拟现实在社交焦虑干预中的应用”实验项目中被试看到的虚拟现实场景,实验组被试需要与该虚拟人物对话。

图6 “虚拟现实在社交焦虑干预中的应用”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示

(2) 虚拟现实公开演讲训练在降低个体社交焦虑中的作用。主要探究虚拟现实场景能否提高个体社交技能,进而降低个体在社交过程中的焦虑水平。社会技能训练是社交焦虑的干预方法之一,其理论依据是个体之所以会对某种或多种人际处境有强烈的忧虑或恐惧的情绪反应和回避行为,是因为他们缺乏必备的社会技能,如果个体熟练掌握基本的社会技能,便可使个体的社交焦虑水平有所降低[14]。本研究的目的是聚焦于公开演讲的3个因素对焦虑的影响:观众人数、“观众—演讲者”性别一致性、观众与演讲者的距离。图7为“虚拟现实公开演讲训练在降低个体社交焦虑中的作用”实验项目中被试看到的虚拟现实场景,此场景中有12个观众,观众与演讲者最近距离1.5 m。

图7 “虚拟现实公开演讲训练在降低个体社交焦虑中的作用”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示

(3) 利用虚拟现实技术对车祸后PTSD进行治疗并探究该技术的治疗效果。跟随创伤性事件而发生的情绪障碍被称为创伤后应激障碍(post-traumatic stress disorder),即PTSD。暴露疗法让患者重新暴露于使他痛苦的情境当中,并且通过暴露使患者的认知发生重构,但是患者对暴露疗法有着一定的抵触情绪。虚拟现实技术可以克服以上的难题,患者可以身临其境,促进回忆,操纵装备,使患者逐步暴露在创伤环境中,降低抵触情绪与滑脱率[15]。本教学实验的目的是利用虚拟现实技术,对车祸后PTSD进行治疗,并探究该技术的治疗效果。图8为“利用虚拟现实技术对车祸后PTSD进行治疗并探究该技术的治疗效果”实验项目中被试看到的虚拟现实场景。

图8 “利用虚拟现实技术对车祸后PTSD进行治疗并探究该技术的治疗效果”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示

2.5 虚拟人格与社会实验

(1) 利他行为的迁移机制。研究网络利他行为与线下利他行为之间的关系。随着虚拟现实技术在游戏业的普及,已有研究表明玩家所操控的角色能影响玩家的自我概念、认知和感觉[16],同时,亲社会游戏能增加玩家亲社会性行为[17]。利他行为是一种最高层次的亲社会行为,是个体出于自愿且不期望得到回报的助人行为[18]。本实验的目的是探讨基于虚拟现实技术的网络利他行为在线下环境中的迁移机制。图9为“利他行为的迁移机制”实验项目中被试看到的城市场景图示,由于城市被笼罩在迷雾中,被试仅能看到远方建筑物的轮廓。

图9 “利他行为的迁移机制”实验项目中,被试看到的城市场景图示

(2) 注意偏向的训练及效应。研究虚拟现实技术在注意偏向训练上的应用。注意偏向是指相对于中性刺激, 个体对相应威胁或相关刺激表现出不同的注意分配。前人研究发现焦虑障碍、情感障碍、摄食障碍、物质成瘾、暴力攻击、慢性疼痛都会对相应威胁或相关刺激出现注意偏向,而注意偏向训练对缓解焦虑、提升自尊等方面有效果[19]。本实验的目的是探究不同自尊水平个体在注意偏向训练上的效应。图10为“注意偏向的训练及效应”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示,此图为笑脸任务。

图10 “注意偏向的训练及效应”实验项目中被试看到的虚拟现实场景图示

3 基于VR的心理学实验教学资源的利用

华中师大国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心明确要求骨干实验课教师根据自己实验课程的专业特色,安排20%～30%的学时开展虚拟仿真实验教学。一批基于虚拟现实技术的心理学实验项目目前已经被应用到本科实验教学中。在虚拟现实心理学实验的教学中,学生通过分组参与实验室教学,学习虚拟现实设备的原理与使用,担任实验项目的主试和被试,并收集、处理数据,提交实验报告。

在开展教学实验的基础上,依托大学生创新创业基金项目、各类省级、校级等科研项目,中心大力倡导学生自主申报科研导向的实验项目和课题。2015年以来,虚拟仿真实验中心已实施科研实验项目近10项。另外依托本科人才培养“博雅计划”,中心为学生科研项目从选题到实施提供了引领与支持,促进学生自主性和创造性的发挥。例如“空间导航知觉中地标线索与边界线索的优势效应研究”获得2015年大学生创新创业训练计划A类项目的“优秀”结项。

与此同时,实验中心积极推进本科生教育的国际化进程,注重培养学生的国际意识、国际交往能力和创新竞争能力。借助已有的或正在开展中的实验项目,中心进行了一系列国内外心理学实验教学交流,接待多次国内外专家的访问,并邀请专家学者进行授课或讲座,形成良好的学术氛围。中心目前已派送多名优秀本科生赴美国、英国、加拿大、澳大利亚等知名大学实验室进行交流。这种联合培养的举措有利于进一步开拓学生的学术视野,激发创新意识。

4 结语

在高校实验教学中,虚拟现实技术的应用必然需要相应教学实验资源作为支撑。以教学实验项目为载体、以科研实验项目为动力,华中师范大学心理学院虚拟仿真实验中心开展了不同方向的心理学虚拟现实实验资源建设,目前形成了多个模块的教学资源。在利用虚拟现实技术的过程中,中心致力于探索互联网背景下心理学实验课教学新模式,引入虚拟现实技术特有的实验课教学内容并实行国际化的办学模式,调动了学生的学习兴趣与科研积极性,为推动高等教育中高素质创新人才的培养做出了有益的探索。

References)

[1] 李建荣,孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].实验室科学,2014, 17(3):98-100.

[2] 向远明,范炤,王伏玲.虚拟仿真实验室在心理学实验教学中的作用[J].实验技术与管理, 2015, 32(12):120-122.

[3] 陶维东,孙弘进,吴灵丹.浸入式虚拟现实技术在心理学研究中的应用[C]// 全国心理学学术大会. 2005:58-62.

[4] Doeller C F,King J A,Burgess N.Parallel striatal and hippocampal systems for landmarks and boundaries in spatial memory[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2008,105(15):5915-20.

[5] Ratliff K R,Newcombe N S.Reorienting when cues conflict:evidence for an adaptive-combination view[J].Psychological Science, 2008,19(2):1301.

[6] Steele C M, Aronson J. Stereotype threat and the intellectual test performance of African Americans[J]. Journal of personality and social psychology,1995,69(5): 797.

[7] Shih M,Ambady N,Richeson J A,et al. Stereotype performance boosts: the impact of self-relevance and the manner of stereotype activation[J]. Journal of personality and social psychology,2002,83(3)：638.

[8] Smith M L, Glass G V. Meta-analysis of research on class size and its relationship to attitudes and instruction[J].American Educational Research Journal, 1980, 17(4), 419-433.

[9] 郑海燕,刘晓明,莫雷.初二学生知觉到的教师期望,自我价值感与目标取向的关系研究[J].心理发展与教育, 2004(3):16-22.

[10] 邓赐平,桑标,缪小春.幼儿心理理论发展的一般认知基础:不同心理理论任务表现的特异性与一致性[J].心理科学, 2005,25(5): 531-534.

[11] Ruffman, T. To belief or not belief: Children's theory of mind[J]. Developmental Review, 2014,34(3): 265-293.

[12] 王明忠,周宗奎,范翠英,等.他人定向变量影响青少年孤独感和社交焦虑:人际能力作中介[J]. 心理发展与教育,2012(4): 413-420.

[13] Hartanto D, Kampmann I L, Morina N, et al. Controlling Social Stress in Virtual Reality Environments[J]. PLoS ONE, 2014,9(3): e92804.

[14] 栗文敏,刘丽.社交焦虑研究综述[J].教育理论与实践, 2007(8):37-39.

[15] Gayle Beck, Sarah A Palyo, SUNY Buffalo.Virtual Reality Exposure Therapy for PTSD symptoms After a Road Accident: An Uncontrolled Case Series[J].Behavior Therapy 2007(38):39-48.

[16] Greitemeyer T,Osswald S.Effects of prosocial video games on prosocial behavior[J].Journal of personality and social psychology,2010, 98(2): 211.

[17] Greitemeyer T,Mügge D O. Video games do affect social outcomes a meta-analytic review of the effects of violent and prosocial video game play[J].Personality and Social Psychology Bulletin,2014,40(5)：578-589.

[18] Batson C D, Shaw L L. Evidence for altruism: Toward a pluralism of prosocial motives[J].Psychological Inquiry,1991，2(2):107-122.

[19] Dandeneau S D, Baldwin M W, Baccus J R,et al..Cutting Stress Off at the Pass: Reducing Vigilance and Responsiveness to Social Threat by Manipulating Attention[J].Journal of Personality and Social Psychology,2007(93): 651-666.

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.051

Construction of VR-based instructional resources for psychological experimental teaching

Cui Zhijun1,2, Xie Dongchan1,2, Kuang Jin1,2, Shen Yangyang1,2, Fan Zhao1,2*, Guo Yongyu1,2

(1. School of Psychology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; 2. National Experimental Teaching Center of Virtual Simulations for Psychology and Behavior, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

Based on the National Experimental Teaching Center of Virtual Simulations for Psychology and Behavior, the School of Psychology at Central China Normal University has been developing VR(virtual reality)-based instructional resources for experimental teaching in psychology for the purpose of talent training. Nine VR-based experimental projects have been constructed recently, consisting of five modules. The Center also encourages students to develop their own research-oriented projects. A series of exchange programs for psychological experiment teaching at both national and international levels have also been carried out.

virtual-reality technology; psychological experimental teaching; construction of instructional resources

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.050

2016-10-14 修改日期：2016-11-17

湖北省高等学校省级教学研究项目(2016081)；华中师范大学教学研究项目(201621)；国家自然科学基金面上项目(31500869，31671122)；华中师范大学中央高校基本科研业务费项目(CCNU15A02043，CCNU16A02051，CCNU15ZD013)资助

崔芷君(1993—),女,湖北荆州,硕士,虚拟现实实验室助理,主要从事利用虚拟现实技术开展人类空间知觉与数字知觉的研究

E-mail：xiaoshanuk@gmail.com

范炤(1973—),男,甘肃兰州,博士,副教授,主要研究方向为视知觉、网络心理学、虚拟现实在心理学中的应用.

E-mail：z.fan@mail.ccnu.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)3-0194-05