虚拟现实课堂中的沉浸式学习助推学生成长

黄建平 刘雨佳 宛小昂

（1.苏州大学教育学院 江苏·苏州 215123；2.苏州大学音乐学院 江苏·苏州 215123；3.清华大学社会科学学院 北京 100084）

0 引言

随着网络时代和信息技术的发展，基于虚拟现实或者增强现实技术的线上学习也逐渐成为教育领域中的热门话题。同时，2019年末突如其来的新冠疫情也让线上教学成为中小学以及高校的主流教学方式。如何在线上教学过程中更好的促进学生成长也成为近年来的研究热点。越来越多的高校也逐渐开始尝试运用虚拟现实或者增强现实等技术进行课堂教学改革。比如苏州大学与华为技术有限公司签订了“云中苏大”智慧教室的合作协议，通过高校和科技企业在高等教育和信息技术方面的结合，可以打造一个镜像化、数字化、智能化的“云中大学”。其中基于虚拟现实技术的沉浸式学习也是实现“云中苏大”最重要的技术基础。虚拟的真实情景可以激发学生对知识的兴趣和探索的动力，即提高了学生在学习中的创造力。那么基于虚拟现实的沉浸式学习如何促进学生的成长？本文计划对虚拟现实中的沉浸理论以及沉浸式学习对学生的促进展开介绍。

1 虚拟现实中的沉浸理论

虚拟现实技术能够以计算机为媒介给参与者提供体验到临场感的虚拟环境，这个虚拟环境可以提供多感官的信息，包括视觉、听觉、运动信息。与使用文本或者图片刺激的传统线上教学相比，虚拟现实增加了环境的真实感，这种真实感能够提高学习者在虚拟环境中存在的感觉。虚拟现实也可以根据其沉浸特点分为虚拟现实系统可以分为沉浸式虚拟现实，比如洞穴式虚拟现实系统（VRcave），立体虚拟现实系统（VR cube）和头盔式虚拟现实（Headmounted-display VR），或者非沉浸式的虚拟现实，即在电脑桌面上运行的虚拟现实系统，这也被称为桌面式虚拟现实。相比桌面式虚拟现实，在沉浸式虚拟现实中被试可以接受全方位的视觉刺激。同时考虑到设备的便利性以及经济性，目前在很多线上教学的实践中，头盔式虚拟现实应用的更为广泛。

虚拟现实中的沉浸理论中包括过程的流畅、其中活动必须要有挑战、需要个体的技能、个体做出反馈以及意识的投入，需要个体充分专注于当下的任务。体验沉浸的个体需要有清晰的目标，有效的控制，失去自我的意识，以及有扭曲的时间体验。对沉浸的研究中主要以人际交互模型为主。Chen对前人的模型进行总结并提出了现下广为认可的沉浸模型[1]，该沉浸模型具有10个维度，并分为三个主要因素：沉浸产生的前提、沉浸体验、沉浸带来的后果。其中沉浸产生的前提包括：清晰的目标、即时的反馈、潜在控制和意识与行动的融合；沉浸体验包括：注意力集中、临场感、时间扭曲、自我意识的丧失；沉浸的后果包括：积极的影响、流畅的体验。其中学习中的沉浸体验所带来的积极影响主要集中于个体流畅的体验、积极的情绪以及创造力的提高。

2 沉浸式学习对学生的多维度促进作用

在虚拟现实中发生的沉浸式学习对学生的学习过程具有多个方面的促进作用：首先是对学生学习动机的促进作用。通过虚拟现实技术可以创设沉浸式的课堂教学环境，抑或是创设相应的学习环境，比如学生在对野外生物辨识的课堂学习中，可以通过虚拟现实技术将学生带入虚拟大自然，更逼真的学习环境可以激发学生学习动机，增强学习效果。仿真的学习环境体验可以给学生带来临场感，在这种虚拟课堂中，学生可以体验到存在于虚拟现实环境中而非自己所在的现实环境中的感觉，这种感觉极大的提高了学生的学习动机。另一方面，虚拟现实可以满足学生的交互特点，在虚拟现实中每一位学生可以通过手柄或者其他虚拟交互设备与虚拟场景中的刺激进行交互。这也是传统课堂教学中无法实现的。学生在与虚拟场景的交互过程中可以保持较长时间的高度专注状态，而且交互过程中虚拟环境可以基于学生的交互指令给予及时的反馈，因此这种交互式的虚拟学习不仅能够提高学生的注意力也可以提高学生的课堂卷入度，极大的提高了学生的学习积极性。

其次就是认知能力的促进。虚拟现实的环境可以给人们提供多感官刺激，通过这些多感官刺激进而可以提升神经元的可塑性以及促进神经生理活动。因此，虚拟现实技术被应用在认知训练和认知康复的研究中。Plechatá等人的研究中采用桌面式虚拟现实和头盔式虚拟现实创造了低沉浸感和高沉浸感的虚拟现实环境[2]，并且比较了年轻人和老年人这两个不同年龄群体在记忆测评任务中的表现，结果发现不同沉浸感的虚拟现实环境中，年轻群体都能表现出优异的记忆表现，但是在头盔式虚拟现实设备中，两组被试的记忆任务表现都受到个体疲劳程度的影响，通过上述研究发现个体对虚拟现实环境具有较好的接受程度，同时沉浸环境促进个体记忆表现的过程中，也需要考虑个体疲劳程度的调节影响。

第三点就是沉浸式学习对学生学习思维的塑造。个体在沉浸式的虚拟现实环境中可以产生心流（Flow）体验。同样，当学生在虚拟环境中学习时，也能够获得到不同程度的心流体验。虚拟现实中的教学可以促进学生的创造性思维和创造性能力，尤其是在创意设计领域以及创意体验学习过程中虚拟现实发挥了重要的作用，该研究发现通过虚拟现实，学生的学习过程可以从具体的经验学习转变为反思性观察、抽象概念化以及最后的创新应用，而在虚拟现实中表现出的反思性观察和抽象概念化都是个体表现出创新思维的决定性因素。

3 总结和展望

当然，虚拟现实中的沉浸式学习也存在一定弊端，比如在虚拟现实中学习者会体验到更高的认知负荷。认知负荷是人们在处理具体认知任务时（比如搜寻信息）产生的认知加工量，是有效完成认知任务的代价。Whitelock等人发现在虚拟现实中的学习会导致学习者产生额外的认知负荷[3]，对此他们认为在基于虚拟现实的学习环境中，高度的沉浸体验可以极大的促进学习者的动机，但是也可能分散学习者的注意，使得其产生额外的认知负荷。具体而言，对于虚拟现实中产生的认知负荷包括基于任务的负荷和基于学习者本身的负荷。基于任务方面的负荷是根据任务需求产生的，即学习者在虚拟现实中完成学习任务所需要的努力程度，称之为任务相关的心理负荷；基于学习者的认知负荷是认知能力以及学习者完成任务时所需要的资源，称之为任务相关的心理努力。因此在应用虚拟现实中的沉浸式学习时，应该设置相应的学习任务以避免学习者产生不必要的认知负荷；同时结合每一位学习者的认知能力进行分阶段分难度层次的进行沉浸式学习。本文对当下学界和教育技术应用领域中都关注的虚拟现实沉浸式学习进行介绍和讨论。基于虚拟现实技术的沉浸式学习是学生学习过程中非常独特的经历，在沉浸式学习中可以体会到临场感，体会到心流，这个过程中学生的学习卷入程度提高，学习动机也有大幅的提交。同时虚拟现实中的多感官体验也促进了学生在学习中的认知能力和思维模式。因此，在终端显示技术、硬件技术日益成熟的大背景下，构建基于虚拟现实技术的沉浸式学习环境将更为便捷，沉浸式学习的应用和推广也更值得人们关注。虚拟现实技术能够给学习者展示出全景式画面、自然的交互方式，对于激发学习者的动机、增强学生的学习体验具有积极的作用。基于沉浸式虚拟现实技术而构建的体验式课堂，能够为学习者开辟新奇的学习空间，在未来教育中应当能够发挥出独特的优势。