李萌 胡永斌 王翠如

摘? 要 依托小學安全教育課程，構建虛擬現(xiàn)實和信息化課堂兩種學習環(huán)境，對50名小學生在虛擬現(xiàn)實課堂和信息化課堂的學習成效進行研究。研究表明，虛擬環(huán)境下學習體驗的學生在滿意度和學習態(tài)度、成績等方面明顯優(yōu)于多媒體學習組，并且沒有產(chǎn)生負面影響;虛擬現(xiàn)實教學可以顯著地提升動作技能類的學科成績，有利于操作性內(nèi)容的學習。

關鍵詞?虛擬現(xiàn)實;小學;安全教育;學習態(tài)度;認知負荷;學習滿意度;多媒體;信息化課堂

中圖分類號：G620? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）13-0062-05

1 引言

2017年，國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出：VR是人工智能的八大關鍵共性技術之一。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術的應用對人們社會生活等各方面產(chǎn)生重要影響，尤其在教育上，虛擬現(xiàn)實技術極大地克服了傳統(tǒng)教學的時空限制，以一種沉浸式的學習體驗來激發(fā)學習者的興趣，促進教學方式的變革。VR教育應用潛力主要體現(xiàn)在探索VR構建的教育學習環(huán)境對教學參與者、教學過程及教學方法的影響[1]。國外學者在物理教學中使用VR平臺幫助學生更好地學習牛頓運動定律，支持虛擬實驗探索力學、重力學規(guī)律[2]等。這表明解決需要想象力、創(chuàng)造力以及空間等問題時，VR尤其有用。

2018年，教育部印發(fā)《新時代中小學教師職業(yè)行為十項準則》，要求增強安全意識，加強安全教育等，表明當前中小學生的安全教育問題比較嚴峻。目前，安全教育方式以理論講授和視頻觀摩為主，缺乏應急演練、實操訓練，均采用假想化的腦中場景構建，按照規(guī)定好的逃生路線和方法訓練，使得學生沒有產(chǎn)生真正的危機臨場感，安全教育成效也因此“失真”。當然，校園本身具有高脆弱性，新聞案例中諸如地震、火災等突發(fā)安全事件不勝枚舉。此外，即使在發(fā)生概率低的情況下也應防患于未然，利用虛擬現(xiàn)實技術學習、模擬突發(fā)事件情境、實操動作要領，通過反復地操作與訓練，加強逃生技能學習。本研究通過學生在VR環(huán)境中學習安全知識，探究VR教學課堂的有效性，為今后的虛擬現(xiàn)實走進安全教育課堂提供實證依據(jù)。

2 文獻綜述

虛擬現(xiàn)實課堂教學應用? 隨著虛擬現(xiàn)實設備性能的不斷優(yōu)化，越來越多的研究者開始探究虛擬現(xiàn)實在教學中的應用[3]，如美國的佐治亞州立大學、亞特蘭大大學，德國的漢堡大學，奧地利的維也納工業(yè)大學等超過150所高校在Second Life中搭建了虛擬模型并用于教學[4]，其使用效果得到驗證。當然，虛擬現(xiàn)實技術的應用同樣適用于K-12學校的不同學科領域。如危險的化學實驗產(chǎn)品要求相當嚴格的測試環(huán)境，在VR課堂環(huán)境下，學生可以安全觀察兩種刺激物質(zhì)混合的效果;外語課，借助VR設備可以營造逼真的語境，讓學生更為自主、自由地練習;科學課，學生可以借助VR設備遨游太空、觀察自然景觀，拓展科學認知觀。通過沉浸式虛擬環(huán)境的實踐學習，能夠使學生集中注意力，不受外界信息的干擾，以便鼓勵他們對不同的情境做出合適的決策[5]。

虛擬現(xiàn)實在安全教育中的應用進展? 目前，虛擬現(xiàn)實的安全教育涉及建筑施工、生產(chǎn)培訓、防震、礦工安全領域。在虛擬環(huán)境中，受訓人員可以感受真實的危險場景模擬。特別是在消防安全培訓中，由于行為技能的實操，需要構建設計更多身臨其境的模型進行消防安全培訓。如通識教育的“消防逃生與救援”、電氣專業(yè)的“電工應用技術維護”、醫(yī)學專業(yè)的“人體解剖”等都存在一定的風險，如操作不當，容易造成安全事故。通過虛擬現(xiàn)實技術的有效應用，不僅能滿足專業(yè)教學的需要，還能使學生在虛擬仿真環(huán)境中有效提高自己的專業(yè)技能。XU[6]建立了一個基于VR的具有煙霧評估能力的火災訓練模擬器，以蘭州石化職業(yè)技術學院為例，設計開發(fā)基于Unity 3D的校園火災應急演練系統(tǒng)等。研究表明，VR系統(tǒng)可以有效地在危險技能培訓中將學員與危險風險隔離開來。虛擬現(xiàn)實作為一種具有適用性、實用性、價值性的工具，在培訓方面更加有效，向著成本低、安全性能高的方向發(fā)展。

本研究以安全教育為核心，凸顯學生使用VR學習的顯性價值。首先，VR技術能夠完全模擬和仿真現(xiàn)實火災場景，創(chuàng)建一個足夠真實且絕對安全的虛擬火災環(huán)境，有助于學生了解火災逃生的認知誤區(qū)和行為習慣;其次，VR環(huán)境可以通過調(diào)整危險自然災害的場景進行練習，培養(yǎng)學生在危難情況下所表現(xiàn)出來的應急反應能力，從而為學生提供量身定制的虛擬實戰(zhàn)訓練;最后，VR技術可以提供逼真的圖像和聲音講解等功能，增強學習的趣味性和臨場感，允許學生利用VR技術構建學習環(huán)境進行積極探索和重復練習。

本研究是針對學生進行實踐項目的學習成效研究，實驗過程中充分結合學生的學習滿意度和學習態(tài)度測量指標。其中認知負荷的測量關注虛擬現(xiàn)實應用教學中學生的個體差異性和可適用性?；谝陨涎芯磕繕?，本研究擬提出研究問題：不同的學習環(huán)境，學生的學習成效是否會有顯著性差異？

3 研究設計

本實驗分別對VR學習組和多媒體學習組進行定量實證研究，分析評估學生對VR教學的滿意度和學習態(tài)度，以及VR技術對學生認知負荷和學習成績的影響。預通過對火災逃生安全技能的學習，培養(yǎng)小學生的安全意識和逃生技能。此外，課程結束后，隨機抽取10名全程參與本次實驗的學生進行20分鐘的訪談。

參與對象? 徐州市第三十四中附小的二年級某班的學生，總共50人，男女比例均等。將學生隨機分為兩組，分別為多媒體學習組和VR體驗學習組，每組25名學生。VR體驗學習組的25名學生在學習過程中使用VR設備進行操作性學習;多媒體學習組的學生則在信息化課堂上通過多媒體課件學習火災課程。兩個組同時進行實驗，實驗內(nèi)容設置一致。

內(nèi)容選擇? 基于二年級學生的背景知識，選擇操作性更強的安全教育課程“虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的火災逃生”，該內(nèi)容由深圳市拓撲數(shù)字科技有限公司所開發(fā)。火災逃生的內(nèi)容包括：

表2表明，VR體驗式學習組測后得分的調(diào)整平均值和標準偏差分別為6.96和2.911，多媒體學習組分別為7.72和3.953。t檢驗結果顯示（t=-0.765，p=0.209>0.05），兩組比較差沒有統(tǒng)計學意義。也就是說，采用VR學習的學生和采用信息化課堂學習方法學習的學生，認知負荷沒有顯著性差異，采用VR體驗式學習對于學生學習沒有產(chǎn)生負面影響。

3）VR學習環(huán)境和信息化課堂學習環(huán)境對學生學習滿意度影響的差異性。為考察VR體驗式學習環(huán)境和多媒體學習環(huán)境對學習滿意度方面的影響，本研究通過SPSS分析軟件探索兩種課堂環(huán)境對學習滿意度的影響是否存在差異，結果如表3所示。

由表3可知，多媒體學習組學習滿意度的均值和標準偏差分別為27.80和5.339，VR體驗式學習組分別為34.13和1.116。t檢驗結果顯示（t=5.794，p=0.000<0.001），兩組比較差異具有統(tǒng)計學意義。VR體驗式學習組的學習態(tài)度的均值（Mean）均高于多媒體學習組，兩組學生間的滿意度存在顯著性差異（p<0.05）。因此可以推斷出，學生將VR體驗式學習當成改變課堂學習活動的方式，提高了學習的滿意度。

4）VR學習環(huán)境和信息化課堂學習環(huán)境對學習成績影響上的差異性。為考察VR體驗式學習環(huán)境和多媒體學習環(huán)境對學習成績方面的影響，本研究通過SPSS分析軟件探索兩種課堂環(huán)境對學習成績的影響是否存在差異，結果如表4所示。

由表4可知，多媒體學習組學習滿意度的均值和標準偏差分別為6.83和0.381，VR體驗式學習組分別為5.28和0.737。t檢驗結果顯示（t=9.321，p=0.000<0.001），兩組比較差異具有統(tǒng)計學意義，說明VR體驗式學習組的學習成績明顯高于多媒體學習組的學習成績。由此可以推斷出，在虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境課堂中，學生的學習效果得到有效增強，主要傾向技能性知識點理解到位，從而學習成績得到有效提高。

5）訪談結果。訪談以焦點小組的形式進行，時長20分鐘。隨機從VR體驗式學習組抽取10名學生，反饋如下。

①就學習態(tài)度而言，大部分學生對在虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境下學習該項知識持肯定態(tài)度，認為掌握火災逃生的基本知識是有必要的，都很積極學習火災逃生的相關知識。使用VR體驗式學習組的學生表示，虛擬現(xiàn)實學習十分有趣和智能，表示非常喜歡并積極地投入學習。

②就學習方式而言，學生表示：“老師在信息化課堂上口頭傳授，我對滅火器中有很多步驟都不知道該怎么做，但是虛擬現(xiàn)實操作實踐可以讓我掌握操作要領?！辈⑶一馂膱鼍疤鎸?，營造出一種逃跑的意境，可有效幫助學生完成安全消防知識的練習，增強活動的趣味性以及對技能的掌握。學生對虛擬環(huán)境體驗式學習方式非常滿意，并且愿意未來依然使用這種方式學習。

③就知識和技能來說，學生很好地掌握了滅火器的使用技巧，同時指出課程的跳轉以及語音講解非常有指引效果。當虛擬現(xiàn)實場景真實感較高時，獲得的技能遷移到真實情境中便會使用。大多數(shù)學生覺得自己獲得最多的是實踐操作的部分，比如在突發(fā)意外又沒辦法逃生的情況下，身邊只有滅火器，他們對如何正確使用滅火器印象深刻，因為親自沉浸、互動的習得技能遠高于知識層面。有的學生表示，目前科學課程中一些抽象天體或從未見過的太空知識用VR技術呈現(xiàn)將更棒，從而營造更為適合自主探究的學習環(huán)境。

4 結論與討論

VR學習環(huán)境對學生學習態(tài)度的影響? 將虛擬現(xiàn)實應用于小學課堂，從表1來看，學生在VR學習環(huán)境下學習安全知識比在信息化課堂學習環(huán)境中的學習態(tài)度明顯好。此外，通過對學生的訪談記錄進行分析，研究表明，使用VR學習的學生的積極性、滿意度都很高。相比于信息化課堂，學生認為虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的體驗式學習能讓他們更好地學習，表示十分愿意未來的實踐課程使用VR技術、資源來呈現(xiàn)。在信息化課堂中，雖然教師有更多的時間詳細講解學習任務，但是學生在面對一些技能性的問題或是實操類技能時難以實踐操作;而在VR學習環(huán)境中，學生的臨場感很強烈，學習熱情高漲。

VR學習環(huán)境對學生認知負荷的影響? 從表2來看，使用VR上課的學生的認知負荷與信息化課堂沒有顯著性差異，這就表明學生穿戴VR設備進行學習沒有產(chǎn)生額外的學習負擔。但有研究表示，使用沉浸式虛擬現(xiàn)實設備學習，后期的學習負擔會更重。學生應該期望虛擬現(xiàn)實教學能夠減少不必要的認知負荷，能達到最低程度的認知負荷是目前教育研究者所關注的。因而，在進行沉浸性虛擬現(xiàn)實空間環(huán)境的構建、學習材料的呈現(xiàn)和組織時，應參考認知負荷理論的相關原則[11]。在充分考慮實驗過程中，學生初次接觸VR設備，在操作技能上要給予他們足夠的時間熟悉虛擬設備，掌握手柄的使用方法，以避免因不熟悉設備給學習帶來困擾。

VR學習環(huán)境對學生學習滿意度的影響? 從表3來看，相較于信息化課堂學習環(huán)境，虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境下學生的學習滿意度明顯較高。信息化課堂學習環(huán)境是傳統(tǒng)的知識講授型課堂，對于知識的傳播還是值得肯定的;但是對于危險情境的自我保護、動手操作強的學科，只能讓學生達到了解層面，當學生處于真正實踐層面，就容易變得手足無措。因此，在一些學科知識的理論層面之上，學生渴望得到實踐所帶來的“真知識”。虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境所營造的知識情境、必要的操作要領、知識的系統(tǒng)性，給學生一種情境帶入和交互學習的動力支持，自然達到學生對于學習知識呈現(xiàn)的滿意效果。當然，選擇合適的技術應用于教育實踐內(nèi)容，首先要確保學生對學習過程的滿意程度。通過訪談文本分析可得，學生表示：“很喜歡這種學習體驗方式，交互性強，更容易掌握動作要領，增強危險時刻的判斷動機?！?/p>

VR學習環(huán)境對學生學習成績的影響? 從表4來看，相較于信息化課堂學習環(huán)境，虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境對學生學習成績影響明顯較大，其消防知識內(nèi)容的學習成績呈顯著性差異。這與國外學者研究VR應用于消防安全行為技能現(xiàn)場培訓會提供更積極的學習成果相一致。基于技能的虛擬環(huán)境學習可以激發(fā)學生的學習興趣，在一些虛擬真實場景中學習的操作性知識掌握良好。這說明一些技能性交互操作使得學生沉浸認知當中，評估學生技能水平的研究比評估知識水平的研究更有效。當然，信息化課堂對于知識類水平的提高可能更為有效，這是值得研究的。本研究認為，將信息化課堂環(huán)境與虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境相結合，未來可能更有助于教育教學，因此，在評估學習成績的影響時要充分考慮知識類、技能類、遷移類等基本影響成績評估的因素。

5 結語

本研究采用問卷和訪談法，從學習態(tài)度、認知負荷、學習滿意度和學習成績四個維度對虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境與信息化課堂學習環(huán)境進行比較，得到研究結論：虛擬現(xiàn)實環(huán)境對學生學習態(tài)度、學習滿意度的影響有顯著性影響;虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境下呈現(xiàn)的動作實踐知識的學習效果明顯優(yōu)于信息化課堂的學習效果;學生初次使用VR設備的認知負荷低。本次實驗作為預實驗走進課堂，分析此次實驗中的問題，總結經(jīng)驗，因為實驗教學的成敗，直接影響實驗課效果[12]。

在未來，筆者計劃將這種方法應用到其他的課程內(nèi)容教學中，考慮更多的因素，如協(xié)作、交流、學習動機等個人特性方面。此外，本研究只進行了一次VR模擬實驗，就立即評估了學習效果，未來的研究還應尋求學生學習過程的主觀和客觀因素相結合，以便深入探索VR應用于教育教學的效果。

參考文獻

[1]高嵩，趙福政，劉曉暉.國外虛擬現(xiàn)實（VR）教育研究存在的問題與啟示[J].中國電化教育，2018（3）：19-23，73.

[2]張志禎.虛擬現(xiàn)實教育應用：追求身心一體的教育：從北京師范大學“智慧學習與VR教育應用學術周”說起[J].中國遠程教育，2016（6）：5-15，79.

[3]孫江山，余蘭.網(wǎng)絡三維虛擬實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術，2011（7）：114-117.

[4]WANG F， Burton K. Second life in education： A re-view of publications from its launch to 2011[J].Bri-tish Journal of Educational Technology，2013（3）：357-371.

[5]王庭照，許琦，趙微.虛擬現(xiàn)實技術在特殊兒童教學與訓練中的應用研究[J].華東師范大學學報：教育科學版，2013，31（3）：33-40.

[6]XU Z， LU X Z， GUAN H， et al. A virtual reality basedfire training simulator with smoke hazard assessmentcapacity[J].Advances in engineering software，2014（68）：1-8.

[7]VR頭戴式顯示設備對青少年眼健康的影響實驗總結報告[EB/OL].[2019-12-11].https：//tech.sina.com.cn/roll/

2019-12-11/doc-iihnzhfz5096364.shtml.

[8]Cai S， Chiang F K， Sun Y， et al. Applications of augmented reality-based natural interactive learning in magnetic field instruction[J].Interactive Lear-ning Environments，2017，25（6）：778-791.

[9]Martín-Gutiérrez J， Saorín J L， Contero M， et al.?Design and validation of an augmented book for spatial?abilities development in engineering students[J]. Computers & Graphics，2010，34（1）：77-91.

[10]Sweller J， Merrienboer J J G V， Paas F G W C. Cognitive architecture and instructional design[J]. Educational psychology review，1998，10（3）：251-296.

[11]劉德建，劉曉琳，張琰，陸奧帆，黃榮懷.虛擬現(xiàn)實技術教育應用的潛力、進展與挑戰(zhàn)[J].開放教育研究，2016，22（4）：25-31.

[12]胡濱.積極開展微型實驗教學 促進科學有效課堂生成[J].中國教育技術裝備，2016（15）：136-137.