虛擬現實技術對中學生科學學習效果的影響研究

葉歡 占小紅

摘要： 通過元分析方法對2000～2021年國內外有關虛擬現實技術影響中學生科學學習效果的16篇準實驗研究論文進行量化分析，探索虛擬現實技術對科學知識、科學探究（過程、能力與方法）和科學情感的影響。研究發現： （1）虛擬現實技術對中學生科學學習效果有較高程度的積極影響（合并效應值為0.82）;（2）對科學知識和科學情感均有較高程度影響，相較于陳述性知識，虛擬現實技術更適合程序性知識;（3）對科學探究有中等程度影響（合并效應值為0.63）。結合研究結果，對虛擬現實技術的教學應用提出策略和建議。

關鍵詞： 虛擬現實技術; 科學學習效果; 元分析

文章編號： 10056629（2022）09002906

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 引言

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字模擬環境，使用戶借助相關設備就可以與數字模擬環境中對象進行交互，從而產生親臨真實環境般的感受與體驗?！?011年地平線報告》[1]指出VR技術能夠創建增強的學習環境，使真實世界和數字世界實時共存[2]。自此，教育研究者越來越多地探索VR技術潛在教學機會[3]，初步研究揭示了教育價值，包括提供情境化信息，允許可視化不可見現象和實時與3D對象交互[4]?；诖?，研究者總結出VR技術具有交互性、沉浸性和想象性三個基本特征，并認為在教育中最有希望的用途之一是通過模擬活動支持科學學習[5]。VR技術通過建立虛擬實驗室克服常規實驗室的局限性，對抽象主題使用動畫和模擬的交互式學習環境，為學習者提供真實體驗和持續實踐的機會，促進對科學知識和探究過程的理解和應用。

近年來越來越多的研究關注VR技術應用于科學學習，但研究結論呈現出兩種趨勢： 一是與傳統教學相比，VR技術能夠顯著促進學習者的學習。Josephsen和Kristensen[6]調查學生對Simu-Lab計算機學習環境的反應，該環境模擬20小時的實驗室作業，結果表明學生喜歡使用這個模擬程序，并認為它能激勵人和創造很多經驗。Subramanian和Marsic[7]研究發現虛擬實驗室為學生提供豐富的學習機會，提高他們的實驗技能。二是與傳統教學相比，VR技術對學習者的學習并沒有顯著促進作用。Kerr等人[8]比較分別使用真實化學實驗室與虛擬化學實驗室下的學生成績，未發現顯著差異。鄭戌冰[9]等人以初中物理課程“牛頓第一定律”的教學為例，發現實驗組和對照組的學生在知識記憶和成績上沒有明顯差異，但在偏重概念理解和計算的知識上，對照組優于實驗組。

元分析（Meta-analysis）方法是近年來國際上興起的對某一研究領域整體研究狀況進行系統分析與評價的統計分析方法[10]。對于相同研究主題，由于研究對象、經費、各種環境因素影響以及研究者本身等原因，往往會出現結論不一致的情況[11]。元分析方法可在多個研究結果不一致或是沒有統計學意義的情況下，對具有共同研究問題的多個研究結果進行匯總合并，辨析各研究之間的差異性，從而客觀審視與評價整體研究情況[12]。所以針對VR技術能否真正促進中學生科學學習的問題，本文擬采用元分析方法，對國內外VR技術對中學生科學學習影響的實證研究文獻進行梳理與分析，力圖從整體上評價VR技術對中學生科學學習效果的實際影響。

2 研究設計

2.1 科學學習效果要素框架確定

學習效果是艾斯納于1979年首次提出的，他指出，“學習效果是以某種形式參與學習活動獲得的結果”[13]。20世紀80年代學者指出：“學習效果是學生在完成某一課程之后，知識、技能、理念上具備的一定程度的能力。[14]”20世紀90年代，美國工程技術鑒定委員會認為“學習效果體現在學生通過課程學習專業知識、技能積累過程的行為上，不同的學習態度與方式、不同的學習階段、不同的學生所能獲得的學習效果應該是存在差異性的”[15]?？梢?，學習效果主要包括知識、能力、態度等方面。在科學學習領域，科學素養正是知識、能力、態度的綜合[16]，因此本研究將科學學習效果分為三個基本要素： 科學知識，科學探究（過程、方法與能力）和科學情感，具體如表1。

2.2 研究過程

2.2.1 文獻檢索與篩選

本文分析的文獻主要來源于中國知網、Web of Science、 ERIC等數據庫。中文文獻的檢索主題詞為“虛擬現實”或“虛擬學習環境”或“沉浸式學習環境”或“虛擬教室”等，并含“學習效果”或“教學效果”或“教育”或“實證研究”。外文文獻的檢索主題詞為“virtual reality”或“virtual learning environments”或“virtual classrooms”等，并含“education”或“learning effect”或“teaching effect”等。文獻檢索時間截止到2021年9月，共檢索到中文文獻477篇，英文文獻1019篇。

由于檢索到的文獻并不全部符合要求，本文按照以下標準進行篩選： （1）研究為實驗研究或準實驗研究;（2）須包含VR技術對學習效果的影響分析;（3）應有實驗組和對照組;（4）提供充分的數據能夠計算效應值;（5）排除重復文獻。最終納入元分析的研究文獻共有16篇，其中1篇中文文獻、15篇英文文獻。由于部分文獻包含多個效應值，最終得到可用于元分析的效應值共有20個。

2.2.2 文獻信息提取與編碼

為方便研究分析，從文獻中提取主要信息： （1）基本信息，包括標題、作者、發表年份等;（2）研究特征，包括研究設計、研究對象、對照組和實驗組的基本信息等;（3）結果指標以及結果測量數據，包括測量結果、均值、標準差等。最后依據研究框架（表1），將實驗結果分為對科學知識、科學探究和科學情感的影響。

2.2.3 數據處理與分析

將文獻中提取的結果測量數據導入到統計工具Stata16軟件中，數據處理包括效應值計算、發表偏倚檢驗和異質性檢驗。由于不同實驗采取的測評手段有區別，實驗數據具有不同的尺度，因此使用標準化均差（SMD， Standard Mean Difference）作為綜合效應值[17]，以消除實驗數據尺度不同所帶來的影響。

根據Lipsey等學者的觀點，當一項研究在分析中貢獻一種以上的效應大小時，會導致統計依賴性，從而引發整體效應的偏差[18]。因此當納入分析的文獻出現多個獨立因變量時，僅取其中一項計算效應值。如在“A Sustainability Innovation Experiential Learning Model for Virtual Reality Chemistry Laboratory： An Empirical Study with PLS-SEM and IPMA”中[19]，態度問卷中涉及激勵學生學習程度和鼓勵學生參加實驗程度兩個方面的影響，本研究選擇其多項結果的平均值進行計算。

3 結果與分析

3.1 發表偏倚的檢驗

元分析有一些重要限制，需要對篩選文章的出版偏倚進行檢驗[20]。偏倚又稱“系統誤差”，是指研究結果或推論偏離真實值的偏差。由于本文的樣本量相對較少，故采用定性漏斗圖法和Begg秩相關法檢測研究樣本的發表偏倚。首先運行Stata軟件得出漏斗圖，漏斗圖的對稱程度直接體現研究樣本的發表偏倚程度。通過漏斗圖（圖1），發現樣本文獻的大部分效應值基本圍繞平均效應值均勻散開，且處于漏斗圖中下部居多，分布于頂部較少。進一步采用Begg秩相關法進行檢驗，得到秩相關檢驗結果為Z=1.78<1.96（p=0.0744>0.05），由此判斷本研究不存在發表偏倚，得出的合并效應值精度高，具有穩健性。

3.2 VR技術對中學生科學學習效果的總體影響分析

根據元分析的統計原理，只有具有較好同質性的資料才能合并，因此需要對多個研究結果進行異質性檢驗，以便根據分析結果選擇適當的效應模型。Higgins[21]等認為I2取值范圍定義在0～100%之間，當I2=0時表示研究間無異質性，I2>75%時表示研究存在高度異質性。當研究的異質性較大時，采用隨機效應模型;異質性較小時，采用固定效應模型。樣本異質性檢驗結果顯示（表2），Q=104.11， p<0.01， I2=86.77，說明樣本間存在高度異質性，故選用隨機效應模型進行分析。從表2的隨機效應模型可以看出，VR技術對科學學習效果的合并效應值為0.82，且達到統計學顯著水平（P<0.01），這說明VR技術對中學生的科學學習效果具有正向積極影響。根據Cohen[22]提出的效應值大小標準，當效應值小于0.2時，為小效應;介于0.2與0.8之間，為中等效應;大于0.8，為大效應。因此，從整體上來看，VR技術對提高中學生科學學習效果有較高程度的積極影響，這與Merchant[23]等的研究結論保持一致。

進一步分析納入文獻內容，VR技術能產生上述學習效果的原因可以概括為以下幾點： 其一，VR系統結合相關科學技術，生成與真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字模擬環境，展現宏觀和微觀世界中的事物;其二，VR系統創設便于感知、理解和探索的情境，允許學習者與學習材料交互;其三，VR系統提供沉浸式學習環境，能讓學習者身臨其境，近乎真實感受周圍的事物與環境，使認知和情感層面都受益。

3.3 VR技術對中學生科學知識的影響

本研究比較了基于VR技術的沉浸式觀察學習和傳統課堂教學對中學生科學知識的影響，結果如圖2所示，納入的研究出現較高的異質性（I2=88.88%>50%， P<0.01），采取敏感性分析方法確定異質性來源于Wei Kai 2003[24]，排除這個實驗后，異質性降低（I2=81.34%， P=0.00）。采用隨機效應模型進行分析（表3），結果表明基于VR技術的教學的總體效應值為0.80（95% CI： 0.51～1.09），具有顯著統計學意義（P=0.00），即表明在提升中學生科學知識上，基于VR技術的教學相比于傳統教學具有較大優勢。

中學階段科學知識的學習主要以陳述性知識和程序性知識為主，陳述性知識學習的重點在對事實性、概念性知識的理解識記，程序性知識學習的重點則是在對概念和規則理解基礎之上的實際操作和應用，關注方法和能力的獲得。通過分析文獻，發現相較于陳述性知識，VR技術更適用于程序性知識，這與王雪[25]等人的觀點一致。如在偏重于概念理解和計算知識的學習中，因為教師的作用，對照組優于實驗組[26];而在學生獲取程序性知識如“物質分離”教學中，與傳統課堂講授相比，VR技術更有利于科學知識學習[27]。結合納入文獻的分析可知，出現上述情況主要是因為VR系統提供多感官協同參與的學習環境，將微觀現象可視化、抽象概念形象化，豐富學生感性認知，以最接近現實生活的沉浸互動模式提高學習者自我探索主動性，幫助他們理解和掌握科學知識。

3.4 VR技術對中學生科學探究的影響

本研究比較了虛擬實驗室教學與傳統實驗室教學對中學生科學探究的影響，研究結果具有較高統計學異質性（P=0.00， I2=78.19%），使用隨機效應模型進行分析。如表3，結果表明基于VR技術的教學的總體效應值為0.63（95% CI： 0.33～0.94），具有顯著統計學意義（P<0.01），即使用VR技術能帶來中學生科學探究能力的顯著提升，該結果與Lazarowitz[28]等一致。

根據建構主義和認知心理學[29]的學習原則，學生主動學習的機會越多，他們獲得的努力成果就越多。結合納入文獻的分析可知，不管是以教師為中心還是以學生為中心的虛擬實驗室的教學效果都比傳統實驗室的要好，這是因為VR技術模擬真實的實驗室環境和過程，更能讓學生詳細觀察過程，促進創造性思維，成為積極的思考者。然而并不是所有VR技術的教學活動都能提高學生的科學探究能力，如當學生進行關于水合物的實驗時，虛擬實驗室和物理實驗室體驗對整體學習收益沒有差異[30]，究其原因是，專門為學生做實驗進行問題解決設計[31]的VR教學活動中，學生可以經歷知識的獲得過程，掌握探究過程中的方法技能，學會準確解釋實驗結果變量以及如何修改實驗設計以進一步了解復雜現象，注重復雜思維和創新能力的培養。

3.5 VR技術對中學生科學情感的影響

所選文獻中有2篇文獻比較虛擬實驗室教學和傳統教學對中學生科學情感的影響，研究間無統計學異質性（P=0.91， I2=0%），采用固定效應模型進行分析，結果顯示實驗組比對照組更能夠激發學生學習興趣，提高學習主動性，且差異有統計學意義[SMD=0.74， 95% CI （0.50， 0.98）， P=0.00]。

Civelek[32]等人強調，在科學教學中采用虛擬實驗室教學對學生學習的有效性起著重要作用，特別是在激勵學生、鼓勵學生參與實驗，使教學更具有吸引力方面。VR技術通過模擬逼真的場景和圖像，使學習者想象自己在這個虛擬空間中存在，并與虛擬學習環境互動，極大地激發學習興趣，提高參與度和學習活動水平。

4 結論與建議

本文采用元分析方法探究VR技術對中學生科學學習效果影響。通過對納入研究的16篇文獻數據的量化分析，發現相比于傳統教學，VR技術對中學生科學學習效果整體上有較高程度的正向影響。具體在科學學習效果的三要素上，對科學知識與科學情感均有較高程度的影響，對于科學探究有中等程度的影響。進一步分析納入的文獻，發現相較于陳述性知識，VR技術更適用于程序性知識;專門為學生做實驗進行問題解決活動設計的VR技術教學活動能對學生科學探究能力產生積極影響;虛擬現實學習環境有助于沉浸式學習，支持認知和情感參與，因此能充分激發學習的濃厚興趣和高度滿意度。為了在科學教學中利用VR技術更好地促進科學陳述性知識的學習以及科學探究能力的提升，結合研究發現，提出以下建議。

4.1 深化中學科學教育中VR技術應用，促進中學生科學陳述性知識的學習

科學陳述性知識是課堂學習的基礎，對中學生邏輯思維的培養和教材知識體系的構建起著重要的作用。學者們認為陳述性知識的學習過程大致可分為習得、鞏固與轉化、遷移與運用三個階段。不同學習階段的任務與目標不同，學習機制與教學策略也不同。然而VR技術應用于陳述性知識教學采用沉浸式觀察學習的教學模式沒有區分學習內容的本質特征，缺少學習階段的認識，不同階段技術應用策略不當，導致學習效果不佳。為此，本研究提出應基于陳述性知識認知的一般過程來考慮技術引入，針對不同學習階段采用不同學習策略。首先明確學生習得階段一般包括兩個環節： 教師呈現內容和學生把知識納入自身認知結構。教師應以恰當的方式呈現學習內容，激發學習動機。在學生把知識納入自身認知結構環節中，學生將心理模型與目標模型進行知覺辨別異同，若心理模型與目標模型毫無關聯，可在教師的幫助下對知識本質屬性進行歸納總結，形成新的知識;若心理模型與文本模型存在關聯，激活原有知識，學生會產生認知沖突，教師可建構基于VR技術的論證教學模式。其次是知識鞏固和轉化階段，教師可打破空間和物理距離束縛建構虛擬仿真實驗室以提供真實的實踐機會和探索空間。最后在遷移與運用階段中，教師可利用VR技術提供情境化訓練和實時交流平臺，通過小組交流、練習反饋、拓展延伸，修正知識網絡，促進知識結構化，進一步促進科學知識的掌握。

4.2 基于科學問題解決活動的以學生為中心的VR教學模式設計，強化中學生科學探究能力

科學探究作為課程改革的基本理念，是以“實驗”為載體、以“學生”為主體的探究學習方式。目前VR技術應用于科學探究的方式主要是學生在虛擬實驗室對書本中已有實驗進行驗證或進行簡單實驗，缺乏問題解決、啟發思維的探究型實驗，同時教師未能識別個體差異，沒有系統的教學模式，導致教學效果欠佳。為此本研究提出應設計基于科學問題解決活動的以學生為中心的虛擬實驗室教學模式，包括前期分析、學習環境設計、學習活動設計和教學效果評價四個組成部分。前期分析是該教學模式的基礎，借助傳統教學設計的方法和手段完成對教學目標、學習者和學習內容的分析。教師應還原科學知識的生動性與實踐性，以科學問題為導向創設任務情境和建構學習環境，根據學生特征、學習內容以及教與學環境的具體情況采用合適的學習活動與教學策略。為了更好地完成知識建構，教師必須向學生提供必要的支持： 提供與虛擬仿真相關領域知識的支持;在科學探究的核心過程中提供對藥品選用、裝置搭建等實驗支持;幫助學生以結構化和系統化的方式發現學習活動和完成任務的學習支持。最后的教學效果評價是實現教學目標的重要保障，借助傳統教學設計方法和手段，倡導評價主體和評價內容的多元化。值得強調的是如果科學探究過程中需要過高的實驗思維與技能，可能會給學生帶來過重的認知負荷，因此在VR教學系統的建構中，對學習內容的選擇，學習環境的構建以及實驗設計等都應參考認知負荷理論，從已有知識出發，適應學生認知發展過程，從而達到提高科學探究能力的目的。

參考文獻：

[1]Johnson L.， Smith R.， Willis H.， et al. The horizon report 2011[R]. Texas： The New Media Consortium， 2011.

[2]Bronack S. C.. The role of immersive media in online education [J]. The Journal of Continuing Higher Education， 2011， 59（2）： 113～117.

[3]Wu H. K.， Lee S W. Y.， Chang H. Y.， and Liang J. C.. Current status， opportunities and challenges of augmented reality in education [J]. Computers and Education， 2013，（62）： 41～49.

[4]Kamarainen A. M.， et al. EcoMOBILE： Integrating augmented reality and probeware with environmental education field trips [J]. Computers and Education， 2013， （68）： 545～556.

[5]Chang K. E.， Chen Y. L.， Lin H. Y.， Sung Y. T.. Effects of learning support in simulation-based physics learning [J]. Computers and Education， 2008， 51（4）： 1486～1498.

[6]Josephsen J.， Kristensen A. K.. Simulation of laboratory assignments to support students learning of introductory inorganic chemistry [J]. Chemistry Education Research and Practice， 2006， 7（4）： 266～279.

[7]Subramanian R.， Marsic I.. VIBE： Virtual biology experiments[A]. Proceedings of the 10th international conference on World Wide WebMay[C].USA： New Jersey， 2001：316～325.

[8]Kerr M. S.， Rynearson K.. Innovative educational practice： using virtual labs in the secondary classroom [J]. The Journal of Educators Online， 2004， 1（1）： 1～9.

[9] [26] 鄭戌冰， 曲克晨. 沉浸式虛擬現實教學對學習效果促進作用研究[J]. 新疆廣播電視大學學報， 2019， 23（4）： 1～6.

[10] [12] Lipsey M. W.， Wilson D. B.. Practical meta-analysis [M]. Los Angeles： Sage Publications， Inc， 2000： 264.

[11]崔智敏， 寧澤逵. 定量化文獻綜述方法與元分析[J]. 統計與決策， 2010，（19）： 166～168.

[13]NORBERTS. Selt Reports： How the questions the answers answers [J]. American Psychologist. 1999， 54（2）： 93～105.

[14]PACECR. The credibility of student perforts [R]. Los Angeles： University of Califomi， The Center for the study of Evaluation， Graduate School of Education， 1985.

[15]畢家駒. 英國ECUK的工程專業鑒定[J]. 高教發展與評估， 2006，（1）：51～54+74.

[16]張莉娜. PISA 2015科學素養測評對我國中小學科學教學與評價的啟示[J]. 全球教育展望， 2016， 45（3）： 15～24.

[17]Gurusamy K.， Aggarwal R.， et al. Systematic review of randomized controlled trials on the effectiveness of virtual reality training for laparoscopic surgery [J]. British Journal of Surgery， 2008， 95（9）： 1088～1097.

[18]Lipsey M. W.， Wilson D. B.. Practical meta-analysis [M]. London： Sage Publications， 2001： 36～49.

[19]Cheng T. W.. A Sustainability Innovation Experiential Learning Model for Virtual Reality Chemistry Laboratory： An Empirical Study with PLS-SEM and IPMA [J]. Sustainability， 2019， 11（4）： 1027.

[20]Cohen P.. Educational Outcomes of Tutoring： A Meta analysis of Findings [J]. American Educational Research Journal， 1982， 19（2）： 237～248.

[21]Higgins J.， Thompson S.， Deeks J.， Altman D.. Measuring inconsistency in meta-analyses [J]. BMJ， 2003， 327 （7414）： 557～560.

[22]Cohen J.. Statistical power analysis for the behavioral sciences [M]. New York： Routledge， 2013： 96～108.

[23]Merchant Z.， Goetz E. T.， Cifuentes L.， et al. Effectiveness of virtual reality-based instruction on students learning outcomes in K12 and higher education： A meta-analysis [J]. Computers and Education， 2014，（70）： 29～40.

[24]Liou W. K.， Chang C. Y.. Virtual Reality Classroom Applied to Science Education[A]. 2018 23rd International Scientific-Professional Conference on Information Technology[C].Zabljak： Montenegro， 2018：1～4.

[25]王雪， 徐文文， 高澤紅， 王志軍. 虛擬現實技術的教學應用能提升學習效果嗎？——基于教學設計視角的38項實驗和準實驗的元分析[J]. 遠程教育雜志， 2019， 37（6）： 61～71.

[27]Tatli， Ayas A.. The Effect of the Virtual Laboratory on Students Achievement and Attitude in Chemistry [J]. Educational technology and society， 2013， 16（1）： 37～53.

[28]Lazarowitz R.， Huppert J.. Science process skills of 10th-grade biology students in a computer-assisted learning setting [J]. Journal of research on computing in education， 1993， 25（3）： 366–382.

[29]Driver R.， Asoko H.， Leach J.， Mortimer E.， Scott P.. Constructing scientific knowledge in the classroom [J]. Educational researcher， 1994， 23（7）： 5～12.

[30]Pyatt K.， Sims R.. Virtual and Physical Experimentation in Inquiry-Based Science Labs： Attitudes， Performance and Access [J]. Journal of science education and technology， 2012， 21（1）： 133～147.

[31]Yang K. Y.， Heh J. S.. The Impact of Internet Virtual Physics Laboratory Instruction on the Achievement in Physics， Science Process Skills and Computer Attitudes of 10th-Grade Students [J]. Journal of science education and technology， 2007， 16（5）： 451～461.

[32]Bulunuz M.. Motivational qualities of hands-on science activities for Turkish preservice kindergarten teachers [J]. Eurasia Journal of Mathematics， Science and Technology Education， 2012， 8（2）： 73～82.