预训练在沉浸式和交互式VR 环境中增强学习效果的分析

李朝乾 郑雪薇 陈云红 李书明

（湖北师范大学 计算机与信息工程学院，湖北 黄石 435000）

引言

虚拟现实是一种能为用户提供模拟现实功能来获得主观体验的技术工具。沉浸感、存在感和交互性被认为是其核心特征。随着科学技术的发展，体现不同技术特征的VR 已在各种教学场景中被广泛运用。其中，一些研究案例表明VR 可以为教学带来独特的支持功能，如情境沉浸感、多模态互动、具身化体验和共情感[1-3]。这些功能不仅可以改善合作式和探究式学习，同时还能促进学习者在学习过程中的情感认知，强化知识学习，以及提高内在动机和自我效能水平[4-6]。然而，现阶段国内外相关研究仍存在以下几方面的局限性：（1）大多数研究关注的是VR 教育应用的设计与开发，评估对象主要集中在可用性和用户体验上，仅有少数研究评估了学习效果；（2）文献中提到的教学方法和学习理论往往跟技术比较脱节，没有针对不同VR 所带来的学习效果差异进行横向对比研究；（3）缺乏考察VR 和教学方法交互作用的实证研究。针对当前相关研究的局限性，本文设计了一项2*2 组合的准实验研究：将被测对象分为交互式VR 组（通过手持控制器和头盔来完成与虚拟世界事物的互动）和沉浸式VR 组（通过头戴式显示器为学习者提供高水平的视觉沉浸感），对每组人员实施不同的教学方法，通过对学习者的认知负荷、知识掌握及知识保留进行对比分析，以检验在不同类型VR 学习中，教学方法在促进学习效果方面是否存在显著的单独效应和交互效应，为提升VR 学习效果提出切实有效的支持策略。

一、文献综述

（一）媒介效应

媒介效应是指用信息技术创造的教学内容的载体对教学的影响。马歇尔·麦克卢汉（Marshall McLuhan）于1967 年首次提出“媒介即信息”的观点，他认为媒介在知识传递过程中起到了至关重要的作用。VR 作为一种全新的教学媒介，不仅能够丰富教学内容的表现形式、增加学生的学习兴趣和动机，还有助于改善学习效果[7-8]。例如，在鲁斯汀·韦伯斯特（Rustin Webster）[9]的研究中，VR 提升了学习者的学习动机和自我效能，同时还能有助于培养积极的学习态度；杨刚等人[4]的研究也发现，相较于PPT 教学，学生在VR 环境中取得了更好的学习效果。但是，学习者在VR 环境中获得的积极的学习结果不能简单地归因于媒介效应。这是因为：（1）研究只报告了学习效果在VR 和非VR 条件下的跨媒介效应，而这两者的媒介特征差异性较大，会影响媒介效应的测量误差；（2）由于没有区分VR 类型，很难厘清技术特征对学习结果的相对影响。

当前VR 主要有沉浸式VR 和交互式VR 两种类型：沉浸式VR 是使用HMD 设备为用户提供高水平的视觉沉浸感，能够提高教学临场感；交互式VR 主要通过手持控制器和头盔来完成与虚拟世界事物的交互，能够促进具身认知和提高自我控制感。两种VR 在促进学习方面不仅表现出作用路径不同，在掌握不同类型知识的影响上也有差异。因此，深刻认识到不同VR 所体现的技术属性对学习任务能够产生独特的认知效果，对实现不同学习目标具有重要意义。基于此，本研究的第一个工作是考查学生在沉浸式VR 和交互式VR 环境中的学习表现，分析不同类型的VR 在促进学习效果方面的作用。

（二）方法效应

理查德·E.克拉克（Richard E.Clark）[10]认为，媒介的技术特征决定了它在教学过程中只能以辅助工具的角色来促进教学方法的实施，而教学方法才是影响学习的唯一因素。尽管VR 提供了比其他媒介更高水平的沉浸感和控制感，但VR 学习环境中丰富的感官体验，有可能会阻塞认知通道，从而导致认知负荷的增加。盖多·马克兰斯基（Guido Makransky）等人[5]在其研究中强调，VR 可能不会促进学习，甚至会由于过高的认知负荷而不利于学习。一些研究也进一步验证了学生在VR 环境中的积极的学习效果来自教学方法的影响，而非媒介类型。例如，学生在两种媒介（桌面电脑和VR）中取得的学习成果没有差异，但在实施了任务驱动教学法之后，VR 组学生的知识迁移得分要显著高于桌面电脑组[11]。向维等人[2]的研究也指出，在VR 环境中采用基于反馈的教学策略之后，学生的学习效果有了显著提升。同时，一些研究也发现，在添加生成性学习策略后，沉浸式VR 环境才显著提高了学生的知识保留成绩[12]。然而，媒介提供了与教学方法相关的技术支持，二者在教学过程中的关系是相辅相成，缺一不可的。例如，在线视频保证了远程小组讨论的顺利进行，VR 为现场教学法提供了真实的教学环境。可见，要加大VR 的积极影响，还需要强调与学习策略的整合。

（三）预训练原则

在VR 环境中，要通过沉浸感和交互感充分调动学习者的视听感官，针对其开发的学习材料必然会表现出一定的复杂性，加之学习材料在VR 环境中呈现的速度较快，如果在学习开始之前没有引入对课程环境和学习材料的相关介绍，就会产生两个影响学习的不利因素：（1）视觉上的重点信息很有可能在紧张刺激的VR 环境中被学习者所忽视（分心）；（2）学习材料的复杂性会加大学习者对用于理解学习材料的认知资源的投入（认知超载）。因此，VR 教学设计需要重点考虑帮助学习者获得能用较少的认知资源来处理学习内容的先验知识，避免产生与教学目标无关的认知加工。预训练强调学习者在掌握和了解学习环境、学习内容的特征和主要概念之后会有更好的学习效果。作为能够解决认知超载和注意力涣散问题的有效策略之一，预训练已经在多种教学场景中，结合不同教学媒介帮助学习者更深入地理解学习材料。例如，在江丰光等人[13]的研究中，经过预训练干预的学龄前儿童，在使用英语听说APP 之后表现出的自我效能水平更高，学习效果也更好；理查德·E.梅耶（Richard E.Mayer）等人[14]的研究也发现，在增强现实学习环境中，使用预训练方法能够有效地激发学习兴趣，促进知识的深度加工。基于以上论述，本研究的第二个工作是在不同VR 中使用预训练原则作为支持VR 学习的教学方法，借此，检验预训练方法和两种VR 的结合使用在提升学习效果上是否存在交互效应。

二、研究方法与设计

（一）研究对象

本研究的试验对象均来自某省一高校马克思主义学院的三年级学生，共有83 人参与本次实验，年龄分布为20 ～22 岁，其中女生39 人（46.9%），男生44人（53.1%）。参与者在本次试验之前均无使用VR 进行课程学习的经验。为达到本次试验的研究目的，将所有被试随机分配为四组：沉浸组——使用预训练策略（20 人），沉浸组——未使用预训练策略（21 人），交互组——使用预训练策略（21 人），交互组——未使用预训练策略（21 人）。为减少授课教师个体差异的影响，每组课程学习的现场指导教师均为同一人担任。

（二）研究过程与评价工具

实验分为3 个阶段（如图1 所示），包括课前实施预训练策略、使用沉浸式和交互式VR 进行课程学习、认知负荷和知识掌握测试，以及一周后的知识保留测试。

图1 实验流程图

第一阶段是在试验开始之前，研究人员会对两种VR 条件下的试验组的测试对象实施预训练干预。具体做法为：让参与者通过阅读VR 设备的操作手册，以及观看VR 课程的教学视频来对VR 设备的操作方式和软硬件功能有一个初步的了解，随后会让实验组成员进行15 分钟的设备实操。同时，在操作的过程中，教师会引导学生关注隐藏在课程资源中的知识细节，并针对不同的VR 场景，帮助学生建立对应的学习目标。在第二阶段的课程学习环节，交互组的学生通过使用HTC Vive 设备扮演红军战士，在泸定桥上与敌军进行战斗，同时还要留意并拾取桥上的木板碎片，用这些碎片把破损的桥面修好。知识内容会在游戏过程中以文字或语音的方式呈现给学生；沉浸组的学生通过PICO 一体机漫游长征的全景，身临其境地去掌握学习内容。两种VR 课程所学习的内容都是飞夺泸定桥战役所涉及的人物与事件和长征精神，区别在于，对4 组学生使用了不同的教学媒介和方法的组合策略。第三阶段，在课程结束之后，对参与者进行认知负荷和知识掌握测试，以及一周后的知识保留测试。

评测工具由认知负荷量表和课程知识测试问卷组成。认知负荷量表采用李克特的5 点计分方式，包含8 个题项。课程知识问卷分为即时的知识掌握测试和延后的知识保留测试，题项根据思政课程具体章节内容进行编制。知识掌握测试问卷包括5 道填空题、10 道单选题，总分为25 分；知识保留问卷包括10 道填空题、10 道单选题，总分30 分。各问卷的克隆巴赫系数为0.8 ～0.9，PSI值为0.87 ～0.92，说明问卷具有良好的信度、效度。

三、实验结果

（一）VR 学习中学生的认知负荷、知识掌握和知识保留与媒介的关系

为检验媒介的独立效应，本研究以媒介（交互式VR/沉浸式VR）为自变量，认知负荷、知识掌握和知识保留作为因变量，方法（实施预训练干预/未实施预训练干预）作为协变量，对4 组学生的实验数据进行单因素协方差分析。通过分析数据发现，媒介在认知负荷、知识掌握和知识保留3 个指标的主效应分别为F（1,78） = 1.417，p= 0.023，效果显著；F（1,78）= 3.654,p= 0.237，效果不显著；F（1,78） = 5.512,p= 0.642，效果不显著。结果表明，在未实施预训练措施的干预下，沉浸式VR 和交互式VR 对知识掌握和知识保留的影响无显著差异，而学生通过这两种媒介学习所感知的认知负荷有显著差异。

（二）VR 学习中学生的认知负荷、知识掌握和知识保留与方法的关系

为检验方法的独立效应，以方法为自变量，认知负荷、知识掌握和知识保留作为因变量，媒介作为协变量进行单因素协方差分析。结果显示，在认知负荷方面，教学方法不存在显著的主效应（F（1,78）= 2.529，p= 0.307），而在知识掌握和知识保留方面，教学方法的主效应分别为F（1,78）= 1.027，p= 0.016，F（1,78）= 2.869，p= 0.041，效果都显著。表明无论在沉浸式VR 中还是在交互式VR 中，实验组的学生，在知识掌握和知识保留上的得分要显著高于控制组的学生，而认知负荷在相同VR 条件下的控制组和实验组之间没有显著差异，可见，在不考虑媒介效应的情况下，预训练方法对提高即时成绩和强化知识记忆有显著作用，但不能有效地降低学生的认知负荷。

（三）媒介与方法的交互效应对认知负荷、知识掌握、知识保留的影响

为检验方法和媒介的交互效应，以方法和媒介为自变量，认知负荷、知识掌握和知识保留作为因变量进行两因素方差分析。结果显示，媒介和方法的交互作用均显著影响认知负荷［F（1,78）= 1.027，p= 0.031］、知识掌握［F（1,78）= 2.348，p= 0.029］和知识保留［F（1,78）= 5.421，p= 0.047］。为了解交互效应的作用源，对不同VR 条件下的控制组和实验组分别使用事后独立样本t检验，结果表明，在沉浸式VR 条件下，实验组学生的认知负荷的得分要高于控制组的得分，但差异性不具有统计学意义。而在交互式VR 条件下，实验组学生的认知负荷的得分要显著高于控制组的得分。对不同VR 条件下的实验组进行组间方差分析得知，学生在沉浸式VR 条件下接受预训练干预，其认知负荷要显著低于在交互式VR 条件下的认知负荷。

通过组内方差分析得知（见下页表1），在沉浸式VR 条件下的知识掌握测试中，实验组（M= 20.14，SD= 3.14）得分高于控制组（M= 18.85，SD= 3.86），但差异性不具有统计学意义。而在交互式VR 条件下，实验组（M= 22.37，SD=3.63）成绩要高于控制组成绩（M= 17.65，SD= 3.18），且效果显著；对两组不同VR 条件的实验组和控制组进行组间方差分析发现，交互式VR 条件下的控制组与沉浸式VR 条件下的控制组在知识掌握测试上的得分无显著差异。但两种VR 条件下的实验组的知识掌握测试成绩有显著差异。

表1 因变量的平均值和标准差

在沉浸式VR 条件下，实验组（M= 23.61，SD=4.69）在知识保留测试上的得分高于控制组得分（M=21.36，SD= 4.18），且效果显著。同样，交互式VR条件下的实验组（M= 26.43，SD= 4.03）的知识保留成绩要高于控制组（M= 20.25，SD= 3.95），效果也显著。对两组VR 条件下的实验组和控制组进行组间方差分析发现，交互式VR 条件下的控制组与沉浸式VR 条件下的控制组在知识保留测试上的得分无显著差异，但两种VR 条件下的实验组的知识保留成绩有显著差异。

四、结论与讨论

本研究在不同类型VR 环境中，结合预训练教学方法，实施大学生思政课程的实践教学环节，对搜集的相关数据进行分析，得出以下结论。

第一，学习者在沉浸式VR 环境下控制组的认知负荷要显著差于交互式VR 环境，预训练能够显著降低沉浸式VR 环境的认知负荷。古斯塔夫·皮特森（Gustav Petersen）等人[15]的研究表明，沉浸感影响学习者在创设情境中的学习兴趣，而互动性能够改善由学习材料和环境的复杂性引起的外在认知负荷。这与本研究的结论一致。究其原因，可能由于交互式VR 提供的学习场景设计了更多有趣且与教学目标高度相关的知识细节，极大地激发了学习者的好奇心和求知欲，有助于降低认知负荷。而学生使用沉浸式VR 设备的行为方式与现实习惯存在较大差距，主要体现为，在场景中移动或与目标互动需要借助头盔上的按钮完成，这种行为习惯的反差会影响认知习惯，从而加重了学习者的认知负担。在本次实验中，沉浸式VR 条件下的实验组的认知负荷显著好于交互式VR 环境下实验组的认知负荷。这表明，使用预训练方法能够帮助学习者提前熟悉学习材料和适应VR 环境，进而养成沉浸式VR 环境中的行为和认知习惯，促进学习者与VR 学习材料的有效互动。这在一定程度上能够改善沉浸式VR环境下的认知负荷。

第二，学生在沉浸式VR 条件下控制组的知识掌握成绩要高于交互式VR 条件的控制组的知识掌握，相反，沉浸式VR 条件下实验组的知识掌握成绩要低于交互式VR 条件下实验组的成绩。实验结果发现，相较于沉浸式VR，交互式VR 学习环境对学习者提出了更高的认知要求，如果不采取适当的教学方法，就无法取得理想的学习效果。造成这一结果的原因可能在于，交互式VR 实践教学是基于游戏的理念来设计，通过在与教学材料互动，在呈现方式上增加更多的趣味性来激发学生的好奇心，增强学习的内驱力。但趣味性的教学为学生创造更为丰富的感官体验的同时，其添加的材料和功能也为学习者带来了与教学目标无关的认知过程，导致他们将注意力更多地集中在游戏细节上，而每个学习者的认知处理能力是有限的，额外的外部处理可能会减少用于基本处理和生成处理的认知资源，因此未能取得较好的学习结果。对比分析两种VR 条件下的实验数据发现，预训练方法能够有效地帮助交互式VR 环境中的学习者建立游戏内容与学习任务之间的关系，在随后的学习过程中，引导学生将更多的注意力从游戏操作转移到知识加工，促进了认知资源的有效分配。可见，身体感官与学习环境相互作用形成的认知表现与学习者的注意力密切相关。这也印证了具身学习理论的观点：要进行有效的学习，行为感知与学习内容必须在知识结构上形成有关联的映射。同时也在一定程度上解释了学生在交互式VR环境使用预训练方法能够取得更好的学习结果的原因。

第三，在两种VR 条件下控制组的知识保留没有显著差异，而两种条件下的实验组之间存在显著差异。可见预训练能够显著改善交互式VR 环境下的知识保留成绩。已有研究表明，在多媒体学习场景下，更长的学习周期、更多的学习内容及对现有知识的持续运用都能影响不同媒介间的持续学习效果。这符合本次实验观察到的结果。因为学生在本次实验中仅获得了短暂的VR 学习经历，加之学习内容与学习者随后的日常生活缺乏相关性，所以无法将知识转换成长期的工作记忆，出现了两种VR 条件下的控制组在知识保留方面没有显著差异，且都有一定程度下降的现象。但对比两种VR 条件下的实验组数据可以发现，在实施预训练方法之后，交互式VR 条件下的知识保留程度要好于沉浸式VR 条件。这可能是因为学生在交互式VR 学习环境中体验到的是一个连续的事件，注意力和情绪必须一直跟着场景转换而调整，使得学生无法按照自己的节奏学习，也没有足够的时间对问题进行反思和总结。同时，交互式VR 提供的是一种基于游戏的学习体验——在有限时间内解决问题的机会只有1 次（例如学生扮演的角色牺牲或者超过任务要求的时长）——不利于学生通过反复尝试找出最佳游戏策略的学习行为。而预训练方法能够帮助学生把原本复杂多变的交互式VR 学习环境变成熟悉且可控的学习场所，有效提升了学习者的控制感。高水平的自我控制感可以有效避免学生因为一次失败的游戏体验而导致的学习兴趣和学习信心的下降，同时，也能唤醒促进知识理解的积极情绪，而积极的情绪能够帮助学生进行有效的知识建构，有利于后期的知识检索。此外，交互式 VR 学习环境的控制感还能影响学生主动学习的程度，触发深度学习，从而加强后期记忆。

五、总结与建议

本研究基于VR 思政课堂实践教学，从教学方法促进多媒体学习的角度出发，探讨预训练原则在沉浸式VR 和交互式VR 环境中改善认知负荷和提升学习效果方面的作用。研究表明，在没有实施预训练干预的情况下，知识掌握和知识保留在两种VR 环境中没有显著差异，而沉浸式VR 环境中控制组的认知负荷要显著差于交互式VR 环境；预训练方法能够显著降低沉浸式VR 环境中的认知负荷，同时还能有效提高交互式VR环境中的知识掌握和知识保留成绩。本研究为改善VR学习效果提供了一个新的教学设计视角，具有较强的现实意义。

针对研究结论，笔者提出两点用来改善VR 思政教学的建议。

第一，VR 设备工程师和软件开发者要注意到不同的VR 类型对心理体验会有不同的影响。例如，在沉浸式VR 环境下展现的材料信息可以让学生专注于任务的完成和情景的感知；而学生在交互式VR 环境下需要老师针对学习进程给予的更多的社会反馈，从而让学习者产生高水平的情感动机。换句话说，应该考虑选择符合学习者的情感认知和学习动机的VR 环境。同时，建议在VR 环境中开放同伴交互功能，因为通过学生之间的交流和帮助，可以让那些暂时“受困”于课程内容和操作方式的学习者收获适合自己的可替代性经验。此外，还可以考虑在VR 设备中嵌入同步通信工具，为交互带来实时元素，增加学习者的社会存在感，并创造互动和刺激的学习环境。考虑到交互式VR 在促进学习效果方面有着巨大的潜力，应考虑为虚拟场景中的人物进行有针对性的设计来增强学习者在虚拟现实环境中的临场感。例如，增加它们与学习者的对话，或者对学习者在虚拟事件中做出的贡献给予积极的反馈，以此来增加交互的动机，从而促进学习者的学习意愿。

第二，VR 课程内容设计者和课程教师需要重点考虑在不同VR 环境中采取适当的教学策略来完成特定的教学目标，例如，在本次研究中，预训练策略能够有效地降低沉浸式VR 环境下的认知负荷，提高交互式VR 环境中的知识保留。总的来说，要认识到教学方法在不同教学场景下的优势与不足，并在今后的教学工作中扬长避短，同时，还要确保教学策略的高度丰富。例如，如果能将一次虚拟课程学习分解为若干个难度各异的任务步骤，创造循序渐进的阶段目标，并在有可能的情况下为每个阶段设置完成奖励，那么，不同能力水平的学习者都可以参与到学习内容中来，并在完成哪怕是很简单的任务之后也能收获成就感。