虚拟现实技术对中学生科学学习效果的影响研究

叶欢 占小红

摘要： 通过元分析方法对2000～2021年国内外有关虚拟现实技术影响中学生科学学习效果的16篇准实验研究论文进行量化分析，探索虚拟现实技术对科学知识、科学探究（过程、能力与方法）和科学情感的影响。研究发现： （1）虚拟现实技术对中学生科学学习效果有较高程度的积极影响（合并效应值为0.82）;（2）对科学知识和科学情感均有较高程度影响，相较于陈述性知识，虚拟现实技术更适合程序性知识;（3）对科学探究有中等程度影响（合并效应值为0.63）。结合研究结果，对虚拟现实技术的教学应用提出策略和建议。

关键词： 虚拟现实技术; 科学学习效果; 元分析

文章编号： 10056629（2022）09002906

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 引言

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字模拟环境，使用户借助相关设备就可以与数字模拟环境中对象进行交互，从而产生亲临真实环境般的感受与体验。《2011年地平线报告》[1]指出VR技術能够创建增强的学习环境，使真实世界和数字世界实时共存[2]。自此，教育研究者越来越多地探索VR技术潜在教学机会[3]，初步研究揭示了教育价值，包括提供情境化信息，允许可视化不可见现象和实时与3D对象交互[4]。基于此，研究者总结出VR技术具有交互性、沉浸性和想象性三个基本特征，并认为在教育中最有希望的用途之一是通过模拟活动支持科学学习[5]。VR技术通过建立虚拟实验室克服常规实验室的局限性，对抽象主题使用动画和模拟的交互式学习环境，为学习者提供真实体验和持续实践的机会，促进对科学知识和探究过程的理解和应用。

近年来越来越多的研究关注VR技术应用于科学学习，但研究结论呈现出两种趋势： 一是与传统教学相比，VR技术能够显著促进学习者的学习。Josephsen和Kristensen[6]调查学生对Simu-Lab计算机学习环境的反应，该环境模拟20小时的实验室作业，结果表明学生喜欢使用这个模拟程序，并认为它能激励人和创造很多经验。Subramanian和Marsic[7]研究发现虚拟实验室为学生提供丰富的学习机会，提高他们的实验技能。二是与传统教学相比，VR技术对学习者的学习并没有显著促进作用。Kerr等人[8]比较分别使用真实化学实验室与虚拟化学实验室下的学生成绩，未发现显著差异。郑戌冰[9]等人以初中物理课程“牛顿第一定律”的教学为例，发现实验组和对照组的学生在知识记忆和成绩上没有明显差异，但在偏重概念理解和计算的知识上，对照组优于实验组。

元分析（Meta-analysis）方法是近年来国际上兴起的对某一研究领域整体研究状况进行系统分析与评价的统计分析方法[10]。对于相同研究主题，由于研究对象、经费、各种环境因素影响以及研究者本身等原因，往往会出现结论不一致的情况[11]。元分析方法可在多个研究结果不一致或是没有统计学意义的情况下，对具有共同研究问题的多个研究结果进行汇总合并，辨析各研究之间的差异性，从而客观审视与评价整体研究情况[12]。所以针对VR技术能否真正促进中学生科学学习的问题，本文拟采用元分析方法，对国内外VR技术对中学生科学学习影响的实证研究文献进行梳理与分析，力图从整体上评价VR技术对中学生科学学习效果的实际影响。

2 研究设计

2.1 科学学习效果要素框架确定

学习效果是艾斯纳于1979年首次提出的，他指出，“学习效果是以某种形式参与学习活动获得的结果”[13]。20世纪80年代学者指出：“学习效果是学生在完成某一课程之后，知识、技能、理念上具备的一定程度的能力。[14]”20世纪90年代，美国工程技术鉴定委员会认为“学习效果体现在学生通过课程学习专业知识、技能积累过程的行为上，不同的学习态度与方式、不同的学习阶段、不同的学生所能获得的学习效果应该是存在差异性的”[15]。可见，学习效果主要包括知识、能力、态度等方面。在科学学习领域，科学素养正是知识、能力、态度的综合[16]，因此本研究将科学学习效果分为三个基本要素： 科学知识，科学探究（过程、方法与能力）和科学情感，具体如表1。

2.2 研究过程

2.2.1 文献检索与筛选

本文分析的文献主要来源于中国知网、Web of Science、 ERIC等数据库。中文文献的检索主题词为“虚拟现实”或“虚拟学习环境”或“沉浸式学习环境”或“虚拟教室”等，并含“学习效果”或“教学效果”或“教育”或“实证研究”。外文文献的检索主题词为“virtual reality”或“virtual learning environments”或“virtual classrooms”等，并含“education”或“learning effect”或“teaching effect”等。文献检索时间截止到2021年9月，共检索到中文文献477篇，英文文献1019篇。

由于检索到的文献并不全部符合要求，本文按照以下标准进行筛选： （1）研究为实验研究或准实验研究;（2）须包含VR技术对学习效果的影响分析;（3）应有实验组和对照组;（4）提供充分的数据能够计算效应值;（5）排除重复文献。最终纳入元分析的研究文献共有16篇，其中1篇中文文献、15篇英文文献。由于部分文献包含多个效应值，最终得到可用于元分析的效应值共有20个。

2.2.2 文献信息提取与编码

为方便研究分析，从文献中提取主要信息： （1）基本信息，包括标题、作者、发表年份等;（2）研究特征，包括研究设计、研究对象、对照组和实验组的基本信息等;（3）结果指标以及结果测量数据，包括测量结果、均值、标准差等。最后依据研究框架（表1），将实验结果分为对科学知识、科学探究和科学情感的影响。

2.2.3 数据处理与分析

將文献中提取的结果测量数据导入到统计工具Stata16软件中，数据处理包括效应值计算、发表偏倚检验和异质性检验。由于不同实验采取的测评手段有区别，实验数据具有不同的尺度，因此使用标准化均差（SMD， Standard Mean Difference）作为综合效应值[17]，以消除实验数据尺度不同所带来的影响。

根据Lipsey等学者的观点，当一项研究在分析中贡献一种以上的效应大小时，会导致统计依赖性，从而引发整体效应的偏差[18]。因此当纳入分析的文献出现多个独立因变量时，仅取其中一项计算效应值。如在“A Sustainability Innovation Experiential Learning Model for Virtual Reality Chemistry Laboratory： An Empirical Study with PLS-SEM and IPMA”中[19]，态度问卷中涉及激励学生学习程度和鼓励学生参加实验程度两个方面的影响，本研究选择其多项结果的平均值进行计算。

3 结果与分析

3.1 发表偏倚的检验

元分析有一些重要限制，需要对筛选文章的出版偏倚进行检验[20]。偏倚又称“系统误差”，是指研究结果或推论偏离真实值的偏差。由于本文的样本量相对较少，故采用定性漏斗图法和Begg秩相关法检测研究样本的发表偏倚。首先运行Stata软件得出漏斗图，漏斗图的对称程度直接体现研究样本的发表偏倚程度。通过漏斗图（图1），发现样本文献的大部分效应值基本围绕平均效应值均匀散开，且处于漏斗图中下部居多，分布于顶部较少。进一步采用Begg秩相关法进行检验，得到秩相关检验结果为Z=1.78<1.96（p=0.0744>0.05），由此判断本研究不存在发表偏倚，得出的合并效应值精度高，具有稳健性。

3.2 VR技术对中学生科学学习效果的总体影响分析

根据元分析的统计原理，只有具有较好同质性的资料才能合并，因此需要对多个研究结果进行异质性检验，以便根据分析结果选择适当的效应模型。Higgins[21]等认为I2取值范围定义在0～100%之间，当I2=0时表示研究间无异质性，I2>75%时表示研究存在高度异质性。当研究的异质性较大时，采用随机效应模型;异质性较小时，采用固定效应模型。样本异质性检验结果显示（表2），Q=104.11， p<0.01， I2=86.77，说明样本间存在高度异质性，故选用随机效应模型进行分析。从表2的随机效应模型可以看出，VR技术对科学学习效果的合并效应值为0.82，且达到统计学显著水平（P<0.01），这说明VR技术对中学生的科学学习效果具有正向积极影响。根据Cohen[22]提出的效应值大小标准，当效应值小于0.2时，为小效应;介于0.2与0.8之间，为中等效应;大于0.8，为大效应。因此，从整体上来看，VR技术对提高中学生科学学习效果有较高程度的积极影响，这与Merchant[23]等的研究结论保持一致。

进一步分析纳入文献内容，VR技术能产生上述学习效果的原因可以概括为以下几点： 其一，VR系统结合相关科学技术，生成与真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字模拟环境，展现宏观和微观世界中的事物;其二，VR系统创设便于感知、理解和探索的情境，允许学习者与学习材料交互;其三，VR系统提供沉浸式学习环境，能让学习者身临其境，近乎真实感受周围的事物与环境，使认知和情感层面都受益。

3.3 VR技术对中学生科学知识的影响

本研究比较了基于VR技术的沉浸式观察学习和传统课堂教学对中学生科学知识的影响，结果如图2所示，纳入的研究出现较高的异质性（I2=88.88%>50%， P<0.01），采取敏感性分析方法确定异质性来源于Wei Kai 2003[24]，排除这个实验后，异质性降低（I2=81.34%， P=0.00）。采用随机效应模型进行分析（表3），结果表明基于VR技术的教学的总体效应值为0.80（95% CI： 0.51～1.09），具有显著统计学意义（P=0.00），即表明在提升中学生科学知识上，基于VR技术的教学相比于传统教学具有较大优势。

中学阶段科学知识的学习主要以陈述性知识和程序性知识为主，陈述性知识学习的重点在对事实性、概念性知识的理解识记，程序性知识学习的重点则是在对概念和规则理解基础之上的实际操作和应用，关注方法和能力的获得。通过分析文献，发现相较于陈述性知识，VR技术更适用于程序性知识，这与王雪[25]等人的观点一致。如在偏重于概念理解和计算知识的学习中，因为教师的作用，对照组优于实验组[26];而在学生获取程序性知识如“物质分离”教学中，与传统课堂讲授相比，VR技术更有利于科学知识学习[27]。结合纳入文献的分析可知，出现上述情况主要是因为VR系统提供多感官协同参与的学习环境，将微观现象可视化、抽象概念形象化，丰富学生感性认知，以最接近现实生活的沉浸互动模式提高学习者自我探索主动性，帮助他们理解和掌握科学知识。

3.4 VR技术对中学生科学探究的影响

本研究比较了虚拟实验室教学与传统实验室教学对中学生科学探究的影响，研究结果具有较高统计学异质性（P=0.00， I2=78.19%），使用随机效应模型进行分析。如表3，结果表明基于VR技术的教学的总体效应值为0.63（95% CI： 0.33～0.94），具有显著统计学意义（P<0.01），即使用VR技术能带来中学生科学探究能力的显著提升，该结果与Lazarowitz[28]等一致。

根据建构主义和认知心理学[29]的学习原则，学生主动学习的机会越多，他们获得的努力成果就越多。结合纳入文献的分析可知，不管是以教师为中心还是以学生为中心的虚拟实验室的教学效果都比传统实验室的要好，这是因为VR技术模拟真实的实验室环境和过程，更能让学生详细观察过程，促进创造性思维，成为积极的思考者。然而并不是所有VR技术的教学活动都能提高学生的科学探究能力，如当学生进行关于水合物的实验时，虚拟实验室和物理实验室体验对整体学习收益没有差异[30]，究其原因是，专门为学生做实验进行问题解决设计[31]的VR教学活动中，学生可以经历知识的获得过程，掌握探究过程中的方法技能，学会准确解释实验结果变量以及如何修改实验设计以进一步了解复杂现象，注重复杂思维和创新能力的培养。

3.5 VR技術对中学生科学情感的影响

所选文献中有2篇文献比较虚拟实验室教学和传统教学对中学生科学情感的影响，研究间无统计学异质性（P=0.91， I2=0%），采用固定效应模型进行分析，结果显示实验组比对照组更能够激发学生学习兴趣，提高学习主动性，且差异有统计学意义[SMD=0.74， 95% CI （0.50， 0.98）， P=0.00]。

Civelek[32]等人强调，在科学教学中采用虚拟实验室教学对学生学习的有效性起着重要作用，特别是在激励学生、鼓励学生参与实验，使教学更具有吸引力方面。VR技术通过模拟逼真的场景和图像，使学习者想象自己在这个虚拟空间中存在，并与虚拟学习环境互动，极大地激发学习兴趣，提高参与度和学习活动水平。

4 结论与建议

本文采用元分析方法探究VR技术对中学生科学学习效果影响。通过对纳入研究的16篇文献数据的量化分析，发现相比于传统教学，VR技术对中学生科学学习效果整体上有较高程度的正向影响。具体在科学学习效果的三要素上，对科学知识与科学情感均有较高程度的影响，对于科学探究有中等程度的影响。进一步分析纳入的文献，发现相较于陈述性知识，VR技术更适用于程序性知识;专门为学生做实验进行问题解决活动设计的VR技术教学活动能对学生科学探究能力产生积极影响;虚拟现实学习环境有助于沉浸式学习，支持认知和情感参与，因此能充分激发学习的浓厚兴趣和高度满意度。为了在科学教学中利用VR技术更好地促进科学陈述性知识的学习以及科学探究能力的提升，结合研究发现，提出以下建议。

4.1 深化中学科学教育中VR技术应用，促进中学生科学陈述性知识的学习

科学陈述性知识是课堂学习的基础，对中学生逻辑思维的培养和教材知识体系的构建起着重要的作用。学者们认为陈述性知识的学习过程大致可分为习得、巩固与转化、迁移与运用三个阶段。不同学习阶段的任务与目标不同，学习机制与教学策略也不同。然而VR技术应用于陈述性知识教学采用沉浸式观察学习的教学模式没有区分学习内容的本质特征，缺少学习阶段的认识，不同阶段技术应用策略不当，导致学习效果不佳。为此，本研究提出应基于陈述性知识认知的一般过程来考虑技术引入，针对不同学习阶段采用不同学习策略。首先明确学生习得阶段一般包括两个环节： 教师呈现内容和学生把知识纳入自身认知结构。教师应以恰当的方式呈现学习内容，激发学习动机。在学生把知识纳入自身认知结构环节中，学生将心理模型与目标模型进行知觉辨别异同，若心理模型与目标模型毫无关联，可在教师的帮助下对知识本质属性进行归纳总结，形成新的知识;若心理模型与文本模型存在关联，激活原有知识，学生会产生认知冲突，教师可建构基于VR技术的论证教学模式。其次是知识巩固和转化阶段，教师可打破空间和物理距离束缚建构虚拟仿真实验室以提供真实的实践机会和探索空间。最后在迁移与运用阶段中，教师可利用VR技术提供情境化训练和实时交流平台，通过小组交流、练习反馈、拓展延伸，修正知识网络，促进知识结构化，进一步促进科学知识的掌握。

4.2 基于科学问题解决活动的以学生为中心的VR教学模式设计，强化中学生科学探究能力

科学探究作为课程改革的基本理念，是以“实验”为载体、以“学生”为主体的探究学习方式。目前VR技术应用于科学探究的方式主要是学生在虚拟实验室对书本中已有实验进行验证或进行简单实验，缺乏问题解决、启发思维的探究型实验，同时教师未能识别个体差异，没有系统的教学模式，导致教学效果欠佳。为此本研究提出应设计基于科学问题解决活动的以学生为中心的虚拟实验室教学模式，包括前期分析、学习环境设计、学习活动设计和教学效果评价四个组成部分。前期分析是该教学模式的基础，借助传统教学设计的方法和手段完成对教学目标、学习者和学习内容的分析。教师应还原科学知识的生动性与实践性，以科学问题为导向创设任务情境和建构学习环境，根据学生特征、学习内容以及教与学环境的具体情况采用合适的学习活动与教学策略。为了更好地完成知识建构，教师必须向学生提供必要的支持： 提供与虚拟仿真相关领域知识的支持;在科学探究的核心过程中提供对药品选用、装置搭建等实验支持;帮助学生以结构化和系统化的方式发现学习活动和完成任务的学习支持。最后的教学效果评价是实现教学目标的重要保障，借助传统教学设计方法和手段，倡导评价主体和评价内容的多元化。值得强调的是如果科学探究过程中需要过高的实验思维与技能，可能会给学生带来过重的认知负荷，因此在VR教学系统的建构中，对学习内容的选择，学习环境的构建以及实验设计等都应参考认知负荷理论，从已有知识出发，适应学生认知发展过程，从而达到提高科学探究能力的目的。

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