沉浸式虚拟现实赋能科学教育能有效提升学生的学习结果吗？

张慕华 刘紫依 李妍

摘要：当前，沉浸式虚拟现实（IVR）技术在教育领域的应用呈上升趋势。虽有大量研究探讨了IVR对学生学习结果的影响作用，但未聚焦到科学学科，也未对不同类型的学习结果加以区分。鉴于此，文章采用元分析方法，对国内外44篇相关实证研究文献进行定量分析，研究结果表明，整体而言IVR对学生的科学学习结果具有显著正向影响，但效应量较小（总效应量g=0.275）；IVR对知识保持类和知识迁移类学习结果的影响均受教学方法调节，学段仅调节IVR对知识保持类学习结果的影响，测量方式仅调节IVR对知识迁移类学习结果的影响；IVR搭配预训练教学方法对陈述性科学知识的学习促进作用更显著；IVR搭配探究式教学时采用延时测量的方式更能发现知识迁移的效果。文章通过研究，期望从教学方法选择和教学效果测量两方面为IVR技术赋能科学教育提供启示。

关键词：沉浸式虚拟现实；科学学习；知识保持；知识迁移；教学方法

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2024）06—0071—10 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2024.06.008

一 研究背景

当前，国际竞争的新格局越来越聚焦创新型人才的培养，而科学教育是科技创新人才培养的核心^[1]。随着虚拟现实、人工智能等新一代信息技术的迅猛发展，通过科教融合协同育人的方式促进科学教育高质量发展，大力提升我国青少年科学素养，确保科技创新人才队伍长远发展已成必然。2023年，教育部等十八部门联合印发的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》就明确指出，要充分发挥信息技术的优势，探索利用虚拟现实、人工智能等技术手段改进和强化科学实验教学^[2]。中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统（https：//vlab.eduyun.cn/）上线的各种虚拟实验资源就是虚拟现实技术应用于科学实验教学的代表性成果。

作为一种通过多传感通道生成实时模拟和交互的高端用户接口，虚拟现实技术分为头戴式系统、洞穴式系统、桌面式系统三类^[3]。与桌面式系统用电脑屏幕呈现三维虚拟环境，通过鼠标、手柄等与内容进行交互不同，头戴式系统和洞穴式系统可以通过隔断物理现实，为用户提供一种高保真度的虚拟环境和高沉浸感的逼真体验，被称之为沉浸式虚拟现实（Immersive Virtual Reality，IVR）系统^[4]。IVR因其高沉浸性和高交互性特征可以在五方面赋能科学教育^[5]：通过可视化呈现抽象科学概念促进理解；增强动机和投入提升学习体验；提供虚拟实验室模拟练习提升科学实践技能；提供第一人称体验式学习机会增加同理心和转变科学态度；通过虚拟实地考察提供亲身参与的学习体验。

已有研究表明，IVR能够通过支持情境化学习促进学生对科学知识的理解和技能的迁移^[6]。例如，相比传统教学，IVR能够显著提升小学生在能源转化和能源传输主题中的学业表现^[7]；提升中学生在冰川地形主题中的学业表现^[8]。然而，一些研究则发现，IVR教学对提升学生的科学学习结果无显著作用。例如，相比观看他人使用IVR学习的录屏视频，直接使用IVR学习并未有效提升大学生的药物管理知识学习^[9]；相比桌面虚拟仿真实验，IVR实验并未显著提升大学生在电路基础知识方面的学业表现^[10]。可见，IVR在提升学生科学学习结果方面尚未达成一致，有必要采用元分析的方法厘清IVR对学生科学学习结果的影响。

虽然已有的元分析研究探讨了IVR对学生学习结果的总体影响，也识别了IVR影响学习结果的各种调节变量（如学段、学科等），但这些研究并未聚焦科学学习，也未对不同类型的学习结果加以区分^[11][12][13]。根据Mayer^[14]的学习结果分类理论，知识保持和知识迁移是两种不同类型的学习结果，前者考察学生对学习材料的记忆能力，后者则考察学生在新的环境中使用学习材料的能力。Coban等^[15]在其元分析研究中指出，IVR在促进知识保持类学习结果中的优势非常明显，但是对知识迁移类学习结果的影响还需要更多的证据。周榕等^[16]的元分析研究发现，教学方法对虚拟现实促进学生学习结果有显著调节效应。最近的两项实证研究也发现，IVR结合特定教学方法可以显著提升学生的知识保持和知识迁移成绩^[17][18]。

因此，本研究聚焦科学学习领域，采用元分析方法，探讨IVR对科学知识保持和知识迁移两类不同学习结果的影响，考察教学方法对IVR影响学习结果的调节效应，以期为IVR赋能科学教育，促进科学教育的数字化转型提供相关启示。研究旨在回答如下几个问题：①总体而言，IVR的使用能否显著提升学生的科学学习结果？②教学方法的采用是否会调节IVR对学习结果的影响？③哪些变量会调节IVR对知识保持类学习结果的影响？④哪些变量会调节IVR对知识迁移类学习结果的影响？⑤哪些变量会调节教学方法对IVR科学学习结果的影响？

二 研究设计

遵循Borenstein等^[19]提出的元分析步骤与方法，本研究通过文献筛选和编码获得实验数据，再通过数据分析工具CMA 3.3计算IVR对科学学习结果影响的平均效应量，并进一步分析教学方法、学段等调节变量对效应量的影响。为校正Cohens d产生的小样本效应量估计偏差^[20]，本研究采用Hedgesg作为效应量指标。

1 文献检索与筛选

本研究以Web of Science Core Collection、Scopus、EBSCO、IEEE Xplore作为主要的英文文献样本来源，文献检索式为（“Immersive virtual reality” OR “IVR” OR “Head Mounted Display” OR “Cave Automatic Virtual Environment” OR “Mobile VR” OR “Enhanced VR”） AND （“Course*” OR “Education*” OR “Instruction*” OR “Teaching*” OR “Learning*” OR “Pedagogy*” OR “Training*”） AND （“Achievement*” OR “Performance*” OR “Outcome*”），文献时间跨度为2011年1月～2022年12月共获得12年的英文期刊论文2832篇。中文文献以中国知网收录的CSSCI核心期刊为来源，以“沉浸式虚拟现实”或“沉浸式虚拟环境”为关键词进行检索，得到2011年1月～2022年12月的中文文献共计12篇。

在文献筛选阶段，本研究制定了如下文献筛选标准：①研究聚焦IVR在自然科学中的应用，包括物理学、化学等基础科学和医学、农学等应用科学；②采用实验或准实验方法；③研究的主要自变量为IVR干预，包含实验组和对照组，且实验组使用IVR教学，对照组采用非沉浸式媒体或传统方式教学；④因变量中包含学习结果变量，即反映学习结果的量化指标，如测试成绩、任务表现得分等；⑤研究提供计算效应量所需的数据，包括实验组和对照组样本量、均值、标准差。本研究基于以上标准人工筛选，剔除不符合条件的文献后，最终得到44篇文献作为样本。文献筛选流程如图1所示。

2 变量设定与编码

已有元分析研究表明，IVR对学习结果的影响受学段、测量方式等调节变量的影响^[21][22]。本研究对知识保持和知识迁移这两种学习结果加以区分，考察不同调节变量对这两种学习结果的调节效应。本研究重点关注的调节变量是教学方法，同时引入其他调节变量以深入分析教学方法的具体调节效应。本研究所选取的调节变量包括：①学段，即实验对象所在的年级，包括小学、中学和大学；②测量方式，即对学习结果的测量采用即时方式还是延时方式；③知识类型，即实验中学习内容所属的知识种类，分为陈述性知识和程序性知识两种；④实验组的教学方法，即采用IVR开展教学时是否结合特定的教学方法，包含生成性学习、探究式学习、预训练、反馈法四种。基于上述规则，研究团队的两位研究人员对样本文献进行独立编码，Kappa系数值为0.89，部分代表性样本文献的编码结果如表1所示。纳入分析的研究中测量学习结果的方式各有不同，部分研究分别采用即时方式和延时方式测量学习结果，部分研究分别测量了不同类型的学习结果，也有部分研究存在多个对照组，因此纳入分析的44篇研究最终得到88个独立的效应量。

3 分析思路与过程

在对效应量进行发表偏倚和异质性检验的基础上，本研究首先开展总体效应检验以回答研究问题①，然后进行调节效应分析以检验教学方法的调节效应，以回答研究问题②；最后进行不同类型的学习结果和不同教学方法的亚组分析，以回答研究问题③④⑤。

4 发表偏倚与异质性检验

（1）发表偏倚检验

为了保证元分析结果的有效性，本研究首先对效应量样本进行发表偏倚检验，采用定性的发表偏倚漏斗图检验法和定量的Egger回归检验法进行发表偏倚检验。然后，本研究使用CMA 3.3计算失安全系数（fail-safe N）用于估计未发表文章中重要效应量对研究结果的影响。图2所示为发表偏倚漏斗检验的结果。

由图2可知，基于样本文献效应量绘制的漏斗基本呈对称分布，说明发表偏倚存在的可能性较小。Egger回归检验发表偏倚结果显示，t值为0.139，p值为0.890＞0.05，说明本研究所选样本文献发表偏倚不显著^[31]。最后，本研究的效应量样本数为K=88，得到的失安全系数N=2205（远大于5K+10=450），说明未发表的研究对元分析结果没有影响^[32]。上述分析结果表明，元分析结果具有可靠性和稳健性。

（2）异质性检验

异质性检验是评估不同研究间效应量变异程度的有效方法，常用的统计量主要有Q和I²，表2为本研究得到的异质性检验结果。

由表2可知，本研究总效应量的Q值为565.555（p＜0.001），说明样本效应量之间存在异质性。根据Higgins等^[33]的研究，当I²值达到25%、50%、75%时，分别代表样本的异质性为低、中、高水平。本研究所得I²值为84.617%，说明样本效应量的异质性较高，IVR对学习结果的影响可能存在潜在调节变量的影响。因此，本研究在总体效应检验后进一步进行调节效应分析。

三 研究结果

1 总体效应检验

考虑到研究样本效应量异质性较高，本研究采用随机效应模型进行分析，得到的总体效应量为0.275。根据Cohen^[34]的研究，当效应量达到0.2、0.5、0.8时分别代表具有较小、中等和较大的影响。本研究得到的总体效应量Hedgesg值换算成Cohens d值后在0.2～0.5之间，表明IVR干预对学生科学学习结果具有较小的显著正向影响。

2 调节效应分析

表3为IVR学习结果的调节效应检验结果。在学段方面，IVR对小学组学习结果有较大程度的正向促进作用（g=1.015，p＜0.05）；对中学组学习结果有中等程度的正向促进作用（g=0.515，p＜0.05）；对大学组学习结果有较低程度的正向促进作用（g=0.158，p＜0.05）。在测量方式方面，IVR对即时测量的学习结果有较低程度的正向促进作用（g=0.280，p＜0.001）；对延迟测量的学习结果的作用不显著（g=0.250，p＞0.05）。在知识类型方面，IVR对陈述性科学知识的学习结果有较低等程度的促进作用（g=0.174，p＜0.05）；对程序性科学知识的学习结果的作用不显著（g=0.149，p＞0.05）。在教学方法方面，IVR教学中搭配使用教学方法对学习结果有近中等程度的正向促进作用（g=0.447，p＜0.001）；不搭配教学方法对学习结果的促进作用不显著（g=0.130，p＞0.05）。效应量在学段（Q_B＝8.375，p＜0.05）、教学方法（Q_B＝5.246，p＜0.05）方面有显著性差异，说明学段、教学方法对IVR影响科学学习结果有显著调节作用。

3 学习结果的亚组分析

（1）知识保持亚组分析

表4为知识保持亚组分析结果。在学段方面，IVR对小学组知识保持的促进作用最大（g=0.913，p＜0.05），其次是中学组（g=0.633，p＜0.01），最后是大学组（g=0.213，p＜0.05）。在测量方式方面，采用即时测验的方式对IVR促进知识保持有近中等程度的影响（g=0.372，p＜0.05），而采用延时测验的方式对IVR促进知识保持无显著影响（g=0.135，p＞0.05）。在知识类型方面，IVR对促进陈述性知识的保持有近中等程度的正向影响（g=0.396，p＜0.05），而对程序性知识的保持无显著影响。在教学方法的使用方面，采用预训练的方法对IVR促进知识保持有近中等程度的正向影响（g=0.435，p＜0.05），采用其他教学方法则对IVR促进知识保持无显著影响。效应量在不同学段（Q_B＝5.705，p＜0.05）和不同教学方法（Q_B＝7.266，p＜0.05）方面均存在显著性差异，说明学段和教学方法会调节IVR对知识保持类学习结果的影响。

（2）知识迁移亚组分析

表5为知识保持亚组分析结果。在学段方面，小学组的样本量仅为1，故不作分析。由表5可知，IVR对中学组（g=0.030，p＞0.05）和大学组（g=0.002，p＞0.05）的知识迁移没有显著影响。在测量方式方面，采用延时测量的方式对IVR促进知识迁移有近中等程度的影响（g=0.317，p＜0.05），说明IVR对知识迁移的促进作用可能在一段时间后才能显现。在知识类型方面，IVR对促进陈述性知识和程序性知识的迁移均没有显著影响。在教学方法的使用方面，反馈法组的样本量仅为1，故不作分析。采用预训练的方法对IVR促进知识迁移有低等程度的负向影响（g=-0.293，p＜0.05），采用其他教学方法对IVR促进知识迁移则无显著影响。效应量在不同学段（Q_B＝8.346，p＜0.05）、测量方式（Q_B＝3.975，p＜0.05）和不同教学方法（Q_B＝5.177，p＜0.05）方面均存在显著差异，说明学段、测量方式和教学方法均会调节IVR对知识迁移类学习结果的影响。

4 教学方法的亚组分析

表6为教学方法的亚组分析结果。考虑到采用反馈教学方法的样本文献只有4篇，本研究不再进行亚组分析，仅对生成性学习、探究性学习和预训练做亚组分析。由表6可知，采用生成性学习教学方法时，学段、测量方式、知识类型均对IVR提升科学学习结果无显著性影响。采用探究式学习教学方法时，效应量在不同测量方式（Q_B＝5.093，p＜0.05）方面存在显著性差异；使用延时测量的方式对IVR提升科学学习结果有近中等程度的正向影响（g=0.367，p＜0.05）。采用预训练教学方法时，效应量在不同类型的知识（Q_B＝13.201，p＜0.05）方面存在显著性差异；IVR对陈述性知识的学习结果有近中等程度的正向影响（g=0.429，p＜0.05），而对程序性知识的学习结果有较低程度的负向影响（g=-0.289，p＜0.05）。可见，测量方式会调节探究式学习教学方法对IVR学习结果的影响，知识类型会调节预训练教学方法对IVR学习结果的影响。

四 结论与启示

1 研究结论

本研究采用元分析方法，系统分析了IVR对不同类型科学学习结果的影响，考察了教学方法的调节效应，主要包含如下三点结论：①IVR对科学学习结果具有低等程度的正向影响。总体而言，IVR对学生的科学学习结果具有较小的显著正向影响（总效应量g=0.275），这与已有元分析研究的结果一致^[35][36][37]。同时，本研究发现学段对IVR影响学生科学学习结果具有重要的调节作用，这与Coban等^[38]、Wu等^[39]的元分析研究结果一致。由学习结果的亚组分析可知，学段仅调节IVR对知识保持类学习结果的影响；而关于IVR对知识迁移类学习结果的影响，尚未发现学段对其具有调节作用。②测量方式调节IVR对知识迁移类学习结果的影响。虽然已有元分析发现，测量方式对IVR影响学生的总体学习结果不具有调节作用^[40][41]，但本研究的学习结果亚组分析发现，测量方式对IVR影响知识迁移类学习结果具有调节作用。其中，采用延时测量方式对IVR促进知识迁移有近中等程度的影响（g=0.317），这说明IVR对知识迁移的促进作用可能在一段时间后才能显现。③在考察教学方法对IVR学习结果的影响时，需要区分不同类型的学习结果，同时考量不同知识类型、测量方式带来的差异。根据学习结果亚组分析，IVR搭配预训练教学方法对科学知识保持类结果有显著的正向影响，但对知识迁移类结果则有显著的负向影响。IVR搭配预训练教学方法对陈述性知识的学习具有显著的正向促进作用，而对程序性知识的学习有显著的负向影响。在IVR搭配探究式学习方法时，使用延时测量的方式对IVR提升科学学习结果有近中等程度的正向影响。可见，IVR环境下学生的科学知识保持和迁移效果是教学方法、知识类型、测量方式多种因素综合作用的结果，而非简单的技术干预。

2 研究启示

上述研究结果对IVR赋能科学教育具有如下启示：①采用系统性思维指导IVR赋能科学教育的实践路径。学段、教学方法、测量方式等对IVR学习结果的调节效应表明，IVR赋能科学教育在实践操作中需要综合考量学习者特征、教学方法的采用、对学习结果的评价方式等一系列可能影响技术赋能效果的因素，通过系统性思维的指导，有望最大程度地发挥IVR赋能学生科学学习的潜能。②深入探究IVR提升科学学业表现的有效教学方法。当前，IVR对学生科学学习结果的影响好坏参半，这与IVR学习中的高认知负荷有很大关系^[42][43]。已有研究发现，IVR教学中搭配使用预训练、同伴教学法等教学方法^[44][45]，能够降低IVR学习中学生的外在认知负荷，从而有助于提升其科学学业表现。因此，IVR赋能科学教育要充分利用IVR对复杂科学概念的可视化呈现和第一视角的沉浸式体验等技术优势，还要在实践中持续探索IVR与教学设计方法的最佳组合，有效降低IVR引发的认知负荷问题，提升学生的科学学习结果。③采用多元评估的方式持续评估IVR对学生科学学习的长期影响。未来研究应采用多元化的评估方式，通过即时测验评估IVR带来的短期影响，延时测验评估IVR带来的长期影响；同时要综合考察IVR对认知结果和非认知结果的影响，这对于科学教育的人才培养具有深远意义。

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Can Immersive Virtual Reality-enabled Science Education Improve Student Learning Outcomes Effectively？

——A Meta-Analysis Based on 44 Domestic and Foreign Empirical Papers from 2011-2022

ZHANGMu-Hua    LIUZi-Yi    LI Yan

（College of Elementary Education， Capital Normal University， Beijing， China 100048）

Abstract：At present， the application of immersive virtual reality （IVR） technology in the field of education is on the rise. Although a large number of studies have explored the impact of IVR on students learning outcomes， there is not focus on the scientific disciplines or differentiated between different types of learning outcomes. In view of this， the meta-analysis method was employed to conduct a quantitative analysis of 44 relevant empirical research literature at home and abroad. The research results showed that， on the whole， IVR had a positive impact on students scientific learning results， but the effect size was small （the total effect size g=0.275）， and the influences of IVR on the learning results of knowledge retention and knowledge transfer were regulated by teaching methods. The learning stages only regulated the impact of IVR on the learning results of knowledge retention， and measurement methods only regulated the impact of IVR on on the learning results of knowledge transfer. The combination of IVR and pre-training teaching approach had a more significant promoting effect on the learning of declarative scientific knowledge， and using the method of delayed measurement in IVR combined with inquiry-based learning can better discover the effect of knowledge transfer. Through research， it was expected to provide insights for empowering science education with IVR technology in terms of the teaching approaches selection and the learning outcomes measurement.

Keywords：immersive virtual reality; scientific learning; knowledge retention; knowledge transfer; teaching approach

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*基金项目：本文为国家自然科学基金青年项目“沉浸式虚拟现实学习环境中认知负荷的多维评估和干预机制研究”（项目编号：62107003）的阶段性研究成果。

作者简介：张慕华，讲师，博士，研究方向为技术增强的学习、计算机支持的协作学习、学习分析等，邮箱为zhangmuhua@cnu.edu.cn。

编辑：小时