王翠如 徐培培 胡永斌

(江蘇師范大學(xué) 智慧教育學(xué)院，江蘇徐州221116)

一、問題提出

虛擬現(xiàn)實(shí)的基本思想最早由美國計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父薩瑟蘭(Sutherland，1964)提出。2018年，《教師教育振興行動(dòng)計(jì)劃(2018-2022年)》提到要充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)研究也成為教育技術(shù)學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向(黃奕宇,2018)，是促進(jìn)教育變革的重要技術(shù)(鄒宏翊，2018)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)突破了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的局限，可創(chuàng)設(shè)逼真的情境，提供豐富自然的交互方式，有利于增進(jìn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、促進(jìn)情境認(rèn)知和知識遷移(鐘正,2018)。已有研究表明，與傳統(tǒng)課堂相比，虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)更強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果更好(Liou,2018)。例如，科斯姆(Kism,2006)發(fā)現(xiàn)三維虛擬環(huán)境下的學(xué)習(xí)效果顯著高于傳統(tǒng)的二維環(huán)境。楊剛等(2020)研究發(fā)現(xiàn)，基于虛擬全景的學(xué)習(xí)方式能夠提高寫作成績。

學(xué)習(xí)投入指學(xué)生在學(xué)習(xí)中付出努力的程度，是學(xué)習(xí)者“領(lǐng)悟?qū)W習(xí)本質(zhì)，沉浸其中的表現(xiàn)”(武法提,2018)，可分為認(rèn)知投入、行為投入和情感投入。研究表明，學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中投入時(shí)間和精力越多，獲益會越多(Planché,1998)。因此，學(xué)習(xí)投入被認(rèn)為是影響學(xué)習(xí)效果的重要因素，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要觀測指標(biāo)之一(高潔等,2015)。此外，學(xué)習(xí)投入會受到學(xué)習(xí)環(huán)境的影響，直接干預(yù)學(xué)習(xí)過程和改變學(xué)習(xí)環(huán)境均可影響學(xué)習(xí)者投入度(Lawson,2013)。賈非等(2019)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)環(huán)境的資源、互動(dòng)設(shè)計(jì)等因素會影響學(xué)習(xí)投入。學(xué)習(xí)投入作為評估學(xué)習(xí)效果的重要指標(biāo)，愈來愈受到教育工作者和研究者的關(guān)注(Olakanmi,2017)。然而，目前關(guān)于學(xué)習(xí)投入的研究多集中于面對面教學(xué)環(huán)境和在線學(xué)習(xí)環(huán)境(Cho,2014)，有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下學(xué)習(xí)投入的研究較少。

21世紀(jì)初，國際上已經(jīng)開始了對學(xué)習(xí)投入的測量，但大多數(shù)研究基于單模態(tài)數(shù)據(jù)測量學(xué)習(xí)投入，具體方法包括自我報(bào)告、觀察評分、自動(dòng)測量等(黃治虎等,2020)。單模態(tài)數(shù)據(jù)無法客觀全面地解釋學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)規(guī)律與特征。因此，多模態(tài)數(shù)據(jù)分析作為近幾年新興的數(shù)據(jù)分析方法之一，正逐漸受到重視。曹曉明等(2018)發(fā)現(xiàn)基于多模態(tài)數(shù)據(jù)對學(xué)生學(xué)習(xí)參與度的分析優(yōu)于單模態(tài)數(shù)據(jù)分析。潘青青等(2019)通過分析《學(xué)習(xí)分析雜志》(Journal of Learning Analytics)2014-2016年刊發(fā)的論文，建議開展基于眼動(dòng)數(shù)據(jù)、腦電圖、皮膚電反應(yīng)等多模態(tài)數(shù)據(jù)的分析，更立體、精準(zhǔn)地呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者的信息。

綜上，有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對學(xué)習(xí)投入影響的研究還不深入，比如，對學(xué)習(xí)投入的測量大多局限于使用傳統(tǒng)量表。學(xué)習(xí)投入分為認(rèn)知、情感和行為三個(gè)維度，但大多數(shù)研究只探討其中某一維度，這不利于全面客觀地了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)特征和規(guī)律。因此，本研究通過收集學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中的腦波、眼動(dòng)追蹤數(shù)據(jù)，并結(jié)合問卷調(diào)查數(shù)據(jù)，分析桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境和在線學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)生學(xué)習(xí)投入的差異，并提出以下研究問題：1)兩種學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)投入的影響是否存在差異？2)兩種學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)成績的影響是否存在差異？3)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)投入和學(xué)習(xí)成績有何關(guān)系？

二、研究設(shè)計(jì)

(一)研究對象

本研究通過線上公開招募到50名研究對象(全部來自江蘇師范大學(xué)，且有使用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)的經(jīng)歷)。研究對象在參加實(shí)驗(yàn)之前被告知收集的相關(guān)數(shù)據(jù)僅用于學(xué)術(shù)研究，不會被公開。研究對象需要滿足以下條件：1)前測分?jǐn)?shù)滿足實(shí)驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；2)視力或矯正視力正常。經(jīng)過篩選，40人參加了本次實(shí)驗(yàn)，被隨機(jī)分配到桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境和在線學(xué)習(xí)環(huán)境組，每組20人。

(二)學(xué)習(xí)環(huán)境搭建

本實(shí)驗(yàn)采用的學(xué)習(xí)環(huán)境為自主設(shè)計(jì)的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境和在線學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)內(nèi)容均為“心臟結(jié)構(gòu)與血液循環(huán)途徑”，學(xué)習(xí)方式均為自學(xué)，學(xué)習(xí)時(shí)長約為15分鐘。

本研究團(tuán)隊(duì)利用Unity 3D開發(fā)了供學(xué)習(xí)者在電腦端使用的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境(見圖1)。學(xué)習(xí)者可通過鼠標(biāo)對三維模型進(jìn)行放大縮小以及360度旋轉(zhuǎn)。

圖1 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境學(xué)習(xí)材料展示(部分)

在線學(xué)習(xí)環(huán)境為本研究團(tuán)隊(duì)利用Sublime平臺開發(fā)的HTML5網(wǎng)頁(見圖2)，學(xué)習(xí)者通過360安全瀏覽器學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)者通過鼠標(biāo)滑動(dòng)瀏覽和學(xué)習(xí)內(nèi)容(文字加圖片)。

圖2 在線學(xué)習(xí)環(huán)境學(xué)習(xí)材料展示(部分)

(三)研究工具

1.眼動(dòng)儀設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用的眼動(dòng)儀是Tobii X120眼動(dòng)儀。研究者只需將該設(shè)備粘貼在電腦屏幕下方就能完成對用戶眼動(dòng)行為的追蹤。該設(shè)備的配套軟件為Tobii Studio 3.4.5。

眼動(dòng)儀主要采集學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中的眼動(dòng)行為，眼動(dòng)追蹤方法可以測量學(xué)習(xí)者持續(xù)學(xué)習(xí)的投入情況，眼動(dòng)指標(biāo)包括總注視次數(shù)、總注視時(shí)間、平均注視持續(xù)時(shí)間、瞳孔直徑大小等。注視時(shí)間和注視次數(shù)可以反映學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)材料的認(rèn)知投入情況。注視時(shí)間越長，注視次數(shù)越多，表明學(xué)習(xí)者的認(rèn)知投入越高。瞳孔大小可以反映學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知投入和情感投入，瞳孔直徑越大表明學(xué)習(xí)者腦力負(fù)荷越小，認(rèn)知投入和情感投入越高；瞳孔直徑越小，表明學(xué)習(xí)者腦力負(fù)荷越大，認(rèn)知投入和情感投入越低(閆志明等，2018)。

2.腦波儀設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用的腦波儀設(shè)備是Mindwave Mobile便攜式腦波儀，采樣頻率為512Hz。該腦波儀主要通過人腦的前額檢測高精度腦波信號，信號精度為0.25uV。此外，該腦波儀的配套軟件——佰意通腦電訓(xùn)練反饋系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄腦波信號形成腦電波，并能夠計(jì)算出用戶在該時(shí)段的專注度與放松度(見圖3)。專注度描述學(xué)習(xí)者進(jìn)入專注狀態(tài)時(shí)注意力的集中程度，反映其學(xué)習(xí)過程的認(rèn)知投入情況。放松度描述學(xué)習(xí)者平靜或放松的精神狀態(tài)，反映其學(xué)習(xí)過程中的情緒和情感投入狀態(tài)。腦波儀設(shè)備中記錄的學(xué)習(xí)時(shí)長表征學(xué)習(xí)投入，學(xué)習(xí)時(shí)長越長表明行為投入越高。

圖3 佰意通訓(xùn)練系統(tǒng)

3.學(xué)習(xí)者先前知識測試題

本研究設(shè)計(jì)了先前知識測試題，旨在檢測學(xué)習(xí)者關(guān)于“心臟結(jié)構(gòu)與血液循環(huán)途徑”的先前知識水平，共有五道題(包含四道選擇題和一道簡答題)，涵蓋13個(gè)知識點(diǎn)(共計(jì)13分)。若研究對象的前測分?jǐn)?shù)超過6.5分，則被判定為對本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了解程度較高，不納入研究范圍。

4.認(rèn)知投入量表

本研究對弗雷德里克斯等(Fredricks et al.,2005)開發(fā)的認(rèn)知投入量表進(jìn)行了修訂。修訂后的學(xué)習(xí)者認(rèn)知投入量表共包含七道題(采用七點(diǎn)李克特計(jì)分法)。該量表具有較好的信度，克朗巴赫系數(shù)為0.65。

5.情感投入量表

本研究采用沃森(Watson et al.,1988)的積極情感問卷測量學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的情感投入。該量表包含五道題(采用李克特五點(diǎn)量表)。量表信度較好，克朗巴赫系數(shù)為0.84。

6.學(xué)習(xí)結(jié)果測試題

學(xué)習(xí)結(jié)果測試題由兩位具有十年生物學(xué)科教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師編寫，以保證測試題的效度和信度。學(xué)習(xí)結(jié)果測試題包括六道填空題和九道選擇題，每題兩分，共計(jì)30分。

(四)實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)在江蘇師范大學(xué)深度學(xué)習(xí)分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，具體實(shí)驗(yàn)流程見圖4。實(shí)驗(yàn)前，40名研究對象被隨機(jī)分配到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組。由于設(shè)備的限制，每次只能有一名研究對象參加實(shí)驗(yàn)。研究對象需填寫先前知識測試題，并聽取研究人員有關(guān)實(shí)驗(yàn)流程及注意事項(xiàng)的介紹。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程

在正式學(xué)習(xí)前，研究人員先給研究對象佩戴腦波儀并保證配套軟件能檢測到腦波信號。然后，研究人員校正眼動(dòng)儀，指導(dǎo)研究對象練習(xí)，即研究對象學(xué)習(xí)事先準(zhǔn)備好的練習(xí)性學(xué)習(xí)資源，以便熟悉腦波儀和桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的交互式操作。練習(xí)結(jié)束后，研究對象休息1分鐘后進(jìn)入正式學(xué)習(xí)(15分鐘)。需注意的是，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度提前結(jié)束學(xué)習(xí)，開始做測試題和問卷，大約用時(shí)40分鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，研究人員檢查數(shù)據(jù)的完整性，待研究對象全部完成實(shí)驗(yàn)后分析和處理數(shù)據(jù)。

三、數(shù)據(jù)分析

(一)學(xué)習(xí)投入

1.情感投入

為考察兩種學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中的情感投入是否存在差異，本研究通過三個(gè)指標(biāo)測量情感投入：放松度、情感投入和瞳孔直徑。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表一。

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的瞳孔直徑(M=4.20，SD=0.62)和情感投入(M=23.09，SD=5.01)高于在線學(xué)習(xí)環(huán)境學(xué)習(xí)者，均值(標(biāo)準(zhǔn)差)分別為：3.53(0.43)、21.7(4.93)。但前者的放松度(M=64.15，SD=8.41)低于后者(M=67.05，SD=7.08)。獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果表明，兩種學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的情感投入存在顯著差異，但放松度不存在顯著差異(p=0.246>0.05)。

表一 情感投入數(shù)據(jù)分析

為探討兩種環(huán)境下學(xué)習(xí)者情感投入是否存在差異，本研究采用序列分析法分析放松度的變化。序列分析(Sequential Analysis)是一種研究行為間關(guān)系的方法。該方法將學(xué)習(xí)者所有行為或狀態(tài)的頻率轉(zhuǎn)化成矩陣，分析一種行為在另一種行為之后發(fā)生的概率，并形成行為轉(zhuǎn)換圖，最終分析結(jié)果能夠清楚地展現(xiàn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為之間的轉(zhuǎn)換模式(Bakeman & Gottman,1997)。本研究對放松度數(shù)值進(jìn)行編碼并解釋其含義(見表二)，編碼依據(jù)為腦波儀對其狀態(tài)的解釋。

表二 放松度編碼

研究者根據(jù)放松度編碼表對兩組研究對象的腦波狀態(tài)進(jìn)行編碼，依據(jù)GSEQ對數(shù)據(jù)格式的要求整理編碼數(shù)據(jù)，并將整理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行分析，得出兩種環(huán)境下學(xué)習(xí)者的放松度腦波狀態(tài)殘差值(見表三、表四)。殘差值(Z-score)能夠直觀展現(xiàn)狀態(tài)之間的差異是否顯著。序列分析理論認(rèn)為，當(dāng)Z-score≥1.96時(shí)，兩種狀態(tài)之間的差異顯著。

表三 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境殘差

表四 在線學(xué)習(xí)環(huán)境殘差

為更加直觀地觀察各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換路徑，本研究繪制了兩種學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(見圖5)。其中，每一圖形代表一種狀態(tài)編碼?？梢钥闯?，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境學(xué)習(xí)者的腦波放松度狀態(tài)保持在A1、A2、A3、A4和A5之間，A1到A3轉(zhuǎn)換的殘差值為2.00，A2到A3轉(zhuǎn)換的殘差值為2.37，A2到A3轉(zhuǎn)換的殘差值為2.31，A3到A4的殘差值為4.26。在線學(xué)習(xí)環(huán)境學(xué)習(xí)者在A3、A4與A5之間相互轉(zhuǎn)換，其中，A3到A4轉(zhuǎn)換的殘差值為3.34，A4到A3轉(zhuǎn)換的殘差值為5.48，A3到A5轉(zhuǎn)換的殘差值為2.82，A5到A4轉(zhuǎn)換的殘差值為3.93。

圖5 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境與在線學(xué)習(xí)環(huán)境腦波狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

從兩種環(huán)境下學(xué)習(xí)者的放松度狀態(tài)轉(zhuǎn)換看，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的狀態(tài)出現(xiàn)了A1到A5五種狀態(tài)，并出現(xiàn)了放松度極低(A1)和較低(A2)的狀態(tài)。放松度越低，表明學(xué)習(xí)者越緊張。由轉(zhuǎn)換圖可知，學(xué)習(xí)者的放松度狀態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在線學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的狀態(tài)在A3到A5之間相互轉(zhuǎn)換，未出現(xiàn)腦波狀態(tài)較低的狀態(tài)。相較于學(xué)習(xí)者在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下的腦波狀態(tài)，在線學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)者的放松度狀態(tài)更為穩(wěn)定。由此可知，學(xué)習(xí)者在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中的不穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)致其放松度低。

2.認(rèn)知投入

本研究通過五個(gè)指標(biāo)測量認(rèn)知投入：專注度、認(rèn)知投入問卷、注釋次數(shù)、注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間和總注視時(shí)間(見表五)。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下的學(xué)習(xí)者專注度(M=57.85，SD=10.72)、認(rèn)知投入(M=34.95,SD=7.1)、注視次數(shù)(M=1533.35，SD=614.48)、注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間(M=252.50,SD=44.82)和總注視時(shí)間(M=383.68,SD=152.02)均高于在線學(xué)習(xí)環(huán)境，均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：54.6(11.37)、31.5(5.96)、1344.25(586.88)、220.00(42.67)和290.17(142.37)。

表五 認(rèn)知投入分析結(jié)果

獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果表明，兩種學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的專注度(p=0.043<0.05))、認(rèn)知投入(p=0.047<0.05)、注視次數(shù)(p=0.018<0.05)、注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間(p=0.024<0.05)以及總注視時(shí)間(p=0.047<0.05)均存在顯著差異。這表明，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)者的認(rèn)知投入更高，也更為專注。

3.行為投入

腦波儀中記錄的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)時(shí)長可作為表征行為投入的指標(biāo)。在線學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者平均學(xué)習(xí)時(shí)長為498.4秒，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)時(shí)長為614.2秒。由此可知，學(xué)習(xí)者在后一種學(xué)習(xí)環(huán)境下的行為投入要高于前者。

(二)學(xué)習(xí)成績

為考察兩種學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)效果的影響是否存在差異，本研究利用學(xué)習(xí)成績表征學(xué)習(xí)效果(見表六)。

表六 學(xué)習(xí)成績分析結(jié)果

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成績(M=22.60，SD=5.15)高于在線學(xué)習(xí)環(huán)境(M=18.70，SD=5.20)。獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果表明，兩種環(huán)境下的學(xué)習(xí)成績具有顯著差異(p=0.03<0.05)。由此可知，與在線學(xué)習(xí)環(huán)境相比，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境更有利于提升學(xué)習(xí)成績。

(三)學(xué)習(xí)投入與學(xué)習(xí)成績的相關(guān)性

為考察桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)投入與學(xué)習(xí)成績之間的關(guān)系，本研究對兩者之間的關(guān)系進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)性分析(見表七)。結(jié)果表明，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成績與學(xué)習(xí)時(shí)長存在非常顯著的中等相關(guān)，與認(rèn)知投入和情感投入也存在顯著的中等相關(guān)。由此可知，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績會受到認(rèn)知投入(專注度)、情感投入(放松度)以及行為投入的影響。

表七 學(xué)習(xí)成績分析結(jié)果

本研究進(jìn)一步探索了學(xué)習(xí)投入三個(gè)維度之間的關(guān)系(見表八)。三類投入之間具有中等程度的相關(guān)關(guān)系，這表明認(rèn)知、情感與行為投入相互聯(lián)系、相互影響，共同制約著學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)效果。

表八 學(xué)習(xí)投入各維度相關(guān)性分析

四、結(jié)論、討論與建議

(一)結(jié)論與討論

本研究基于問卷、眼動(dòng)儀和腦波儀等工具收集的多模態(tài)數(shù)據(jù)，考察桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境和在線學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)投入和學(xué)習(xí)成績的影響，以及認(rèn)知、情感和行為等投入與學(xué)習(xí)成績的關(guān)系。

研究結(jié)果表明：1)兩種學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)投入的影響存在顯著差異；2)學(xué)習(xí)者在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)投入越多，學(xué)習(xí)成績越高；3)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)投入與學(xué)習(xí)成績顯著相關(guān)。

1.不同學(xué)習(xí)環(huán)境對認(rèn)知投入的影響

研究表明，與在線學(xué)習(xí)環(huán)境相比，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境能夠提高學(xué)習(xí)者的認(rèn)知投入。認(rèn)知投入包括心理和認(rèn)知兩因素。在心理因素方面，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的深度交互和沉浸體驗(yàn)一定程度上能夠激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，從而使學(xué)習(xí)者更愿意努力理解知識。已有研究表明，與二維動(dòng)畫環(huán)境相比，三維沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)能夠提高學(xué)習(xí)者的興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)(Huang et al.，2010)。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境構(gòu)造的教育新形態(tài)為學(xué)生提供了更加引人入勝的學(xué)習(xí)方式，更有效地加強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)(李峙，2018)。認(rèn)知因素主要與學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)策略及元認(rèn)知有關(guān)，學(xué)習(xí)環(huán)境能否引發(fā)學(xué)習(xí)策略變化還有待探討。

教師和設(shè)計(jì)人員可通過干預(yù)認(rèn)知投入的心理因素，提高學(xué)習(xí)者的認(rèn)知投入；可通過優(yōu)化虛擬現(xiàn)實(shí)資源的設(shè)計(jì)，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，具體可依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性開發(fā)，也可從影響學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的因素出發(fā)綜合分析后再進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用。

2.不同學(xué)習(xí)環(huán)境對情感投入的影響

眼動(dòng)數(shù)據(jù)和情感投入問卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)習(xí)者在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下情感投入多于在線學(xué)習(xí)環(huán)境。然而，學(xué)習(xí)者在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中的腦波狀態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，五種狀態(tài)頻繁交替。造成這一現(xiàn)象的可能原因有以下兩點(diǎn)：其一，學(xué)習(xí)者還不適應(yīng)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過鼠標(biāo)、鍵盤與學(xué)習(xí)內(nèi)容交互，可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)者放松度降低；其二，學(xué)習(xí)者在三維模型與二維視頻之間切換也會對放松度產(chǎn)生影響。

基于上述原因，教師和開發(fā)人員應(yīng)該為學(xué)習(xí)者提供更多虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)的機(jī)會，幫助學(xué)生熟悉虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中的操作，更好地適應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境。此外，相較于二維視頻，三維視頻更具直觀性，一定程度上能降低學(xué)習(xí)過程中的“跳躍”。

3.不同學(xué)習(xí)環(huán)境對行為投入的影響

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，學(xué)習(xí)者在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)時(shí)長要多于在線學(xué)習(xí)環(huán)境。這說明學(xué)習(xí)者在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)投入的時(shí)間更多，也表明學(xué)習(xí)者對桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境更感興趣，愿意在該環(huán)境下花更多時(shí)間反復(fù)觀看學(xué)習(xí)內(nèi)容。投入理論也指出，投入到學(xué)習(xí)中的有效時(shí)間越長，學(xué)習(xí)效果越好(Pace,1998)。環(huán)境因素是影響行為投入的最重要因素(Walson et al.,2006)。通過行為投入的作用，學(xué)習(xí)者會感受到學(xué)習(xí)系統(tǒng)(學(xué)習(xí)環(huán)境或?qū)W習(xí)情境)與學(xué)習(xí)行為之間的關(guān)聯(lián)作用，對學(xué)習(xí)系統(tǒng)產(chǎn)生歸屬感(情感投入)，明確學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，選擇學(xué)習(xí)策略(認(rèn)知投入)(朱紅燦,2014)。

4.不同學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)成績的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下的學(xué)習(xí)成績高于在線學(xué)習(xí)環(huán)境，且差異顯著。這與大多數(shù)研究結(jié)果一致。奧克特等(Allcoat et al.,2018)研究發(fā)現(xiàn)，虛擬環(huán)境下學(xué)生整體表現(xiàn)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)在線環(huán)境，且學(xué)生表現(xiàn)出更高的投入度和積極情感。李寶敏等(2019)利用元分析方法對虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育教學(xué)的實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教學(xué)對學(xué)習(xí)成績具有中等程度的正向影響。需要指出的是，由于本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容為生物學(xué)科知識，其研究結(jié)果和結(jié)論不具有代表性。因此，教學(xué)和開發(fā)人員應(yīng)根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)和其他影響虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的因素，采用合適的教學(xué)策略，使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育教學(xué)實(shí)現(xiàn)有效融合。

5.學(xué)習(xí)投入與學(xué)習(xí)成績的相關(guān)關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)成績與認(rèn)知投入、行為投入之間有顯著的中等相關(guān)關(guān)系，與情感投入有顯著的低相關(guān)關(guān)系。這表明學(xué)習(xí)投入越多，學(xué)習(xí)成績會越高。這與大多數(shù)研究結(jié)果一致，即學(xué)習(xí)投入與學(xué)習(xí)成績正相關(guān)(Robinson et al.,2014；Pietarinen et al.,2014；喬曉熔等,2010；王紅梅,2019)。本研究還發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知、情感與行為投入之間也存在相關(guān)關(guān)系。然而，尹睿等(2017)發(fā)現(xiàn)行為投入受到認(rèn)知投入、情感投入等的正向影響，認(rèn)知投入對行為投入有直接正向的影響。馬志強(qiáng)等(2020)則發(fā)現(xiàn)投入各維度之間無預(yù)測關(guān)系。本研究與上述研究不一致的可能原因在于，上述研究基于線上與線下混合學(xué)習(xí)環(huán)境。

(二)建議

1.加速推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的融合

本研究發(fā)現(xiàn)，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下的學(xué)習(xí)投入和學(xué)習(xí)成績均高于在線學(xué)習(xí)環(huán)境。這表明虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對教學(xué)效果有提升作用?；诖?，本研究建議應(yīng)加速推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的融合。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)逐漸走向“落地應(yīng)用”，但虛擬現(xiàn)實(shí)資源大多都集中在安全教育、科學(xué)普及等方面，真正能夠結(jié)合教學(xué)內(nèi)容且用于學(xué)習(xí)者的資源較為缺乏。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境與教學(xué)內(nèi)容融合及課堂應(yīng)用尚未形成明確的教學(xué)設(shè)計(jì)方案。如何將教學(xué)內(nèi)容通過虛擬環(huán)境呈現(xiàn)是目前虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境與教育融合遇到的主要難題之一。本研究建議開展教師虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)能力培訓(xùn)，提高教師使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)的頻率。此外，教師要將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用到傳統(tǒng)教學(xué)，設(shè)計(jì)適用于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的新型教學(xué)設(shè)計(jì)。

2.根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象開發(fā)優(yōu)質(zhì)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)資源

不同教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象各具特點(diǎn)，教師和開發(fā)人員應(yīng)結(jié)合不同學(xué)科和教學(xué)對象的特征開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)資源。例如，數(shù)學(xué)學(xué)科偏重于數(shù)字和圖形，虛擬學(xué)習(xí)資源建設(shè)要融合數(shù)形結(jié)合的思想；語文學(xué)科中的詩詞展現(xiàn)，教師要考慮呈現(xiàn)相應(yīng)的詩詞意境。另外，教師和開發(fā)人員還需考慮過多的虛擬場景是否會占用學(xué)生的認(rèn)知資源，這可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果欠佳。

3.關(guān)注學(xué)習(xí)者的情感、認(rèn)知和行為投入

本研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)成績與認(rèn)知、情感和行為投入均相關(guān)，各投入維度之間也顯著相關(guān)。因此，本研究建議教師可充分借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)擬真教學(xué)環(huán)境，增強(qiáng)學(xué)習(xí)沉浸性體驗(yàn)；通過角色扮演，強(qiáng)化學(xué)生情感交流，提升教學(xué)效果；關(guān)注學(xué)習(xí)環(huán)境、時(shí)間控制、學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)等因素對學(xué)習(xí)投入的影響。

(三)不足與展望

本研究存在一些局限：首先，被試群體來源具有局限性，可能對研究結(jié)論及其普適性產(chǎn)生影響。后續(xù)研究可擴(kuò)大研究樣本的來源。其次，本研究只探索了桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)投入的影響，沒有探索沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)投入的影響。隨著沉浸式學(xué)習(xí)資源逐漸增多，后續(xù)研究可深入探討沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)投入的影響。最后，本研究主要采用量化研究方法，后續(xù)研究可以考慮加入質(zhì)性研究方法，例如，可加入訪談，深入分析學(xué)習(xí)者在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。