張 巖，李大燦，龔園園

(1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 社會(huì)治理研究所，河北 石家莊 050061；2.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 公共管理學(xué)院，河北 石家莊 050061)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)和教育的結(jié)合是傳統(tǒng)教學(xué)的重要補(bǔ)充，是教育行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)通過三維建模及場(chǎng)景搭建，為學(xué)習(xí)者提供近乎逼真的教學(xué)模型，可以提高知識(shí)呈現(xiàn)的情境性與直觀性，有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，進(jìn)而有效提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果[1-3]。當(dāng)前，隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，VR教育對(duì)傳統(tǒng)的教育模式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。VR教育行業(yè)出現(xiàn)了眾多VR教學(xué)平臺(tái)和VR課件產(chǎn)品，然而針對(duì)這些VR教學(xué)產(chǎn)品支持學(xué)習(xí)的效果，尚缺乏完善的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系。為此，筆者擬構(gòu)建VR教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，為VR教學(xué)行為、VR教學(xué)過程以及VR教學(xué)效果的評(píng)價(jià)提供參考。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)含義與特征

(一)虛擬現(xiàn)實(shí)含義

VR技術(shù)是利用三維建模、計(jì)算機(jī)視覺、系統(tǒng)集成、多媒體等計(jì)算機(jī)技術(shù)生成的三維虛擬空間，可以模擬各種逼真的虛擬場(chǎng)景，作用于用戶視覺、聽覺、觸覺，使其具有身臨其境的感覺[4]。這種由計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)生成的高仿真系統(tǒng)具有良好的交互性和情景化能力，用戶可以與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行良好的互動(dòng)。

VR技術(shù)在學(xué)界中有著不同的定義，主要分為狹義虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和廣義虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。廣義虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR)和混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality，簡(jiǎn)稱MR)[5]，在許多情況下，人們把這些技術(shù)統(tǒng)稱為擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(Extended Reality，簡(jiǎn)稱XR)。AR技術(shù)以虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互為主要特征，在真實(shí)環(huán)境中增添虛擬場(chǎng)景；MR技術(shù)通過全息圖，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境相互混合，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。

圖1為真實(shí)—虛擬連續(xù)體模型[6]?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境是人們通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官來感知真實(shí)的世界，而虛擬環(huán)境則通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等來創(chuàng)造虛擬的世界。真實(shí)—虛擬連續(xù)體模型中處于現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的部分稱為混合現(xiàn)實(shí)(MR)，偏向現(xiàn)實(shí)環(huán)境的部分稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)，偏向虛擬環(huán)境的部分稱為增強(qiáng)虛擬(Augmented Virtuality)?；旌犀F(xiàn)實(shí)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中多表現(xiàn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，是真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境的疊加，用戶既可以感知虛擬環(huán)境又可以感知真實(shí)環(huán)境。

圖1 真實(shí)—虛擬連續(xù)體模型

(二)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本特征

VR技術(shù)具有沉浸感、互動(dòng)性、構(gòu)想性、智能化等特性[7]，正是由于這些特性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，例如虛擬教學(xué)、軍事仿真、地理信息系統(tǒng)、工業(yè)仿真、人機(jī)交互、數(shù)字孿生等多個(gè)領(lǐng)域。

1.沉浸感(Immersion)。VR技術(shù)可以創(chuàng)造逼真的虛擬環(huán)境，為用戶提供聽覺、視覺、觸覺等感官體驗(yàn)，使其具有身臨其境的感覺[8-9]。例如在VR教育場(chǎng)景中，可以突破時(shí)空界限，潛移默化中幫助學(xué)生加深知識(shí)理解，比傳統(tǒng)的教育模式更加直觀、立體，能快速激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.交互性(Interaction)。用戶可以參與虛擬世界中的活動(dòng)，通過傳感器或手柄能夠?qū)μ摂M環(huán)境中的對(duì)象或事物進(jìn)行可行性的操作，像在真實(shí)世界中一樣，虛擬環(huán)境可以做出相應(yīng)的回應(yīng)[10-11]。例如在VR教育場(chǎng)景中，學(xué)生可以操控專業(yè)的VR設(shè)備，以手勢(shì)、眼球追蹤、表情識(shí)別、語言識(shí)別等方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。

3.構(gòu)想性(Imagination)。構(gòu)想性，也稱創(chuàng)意性，VR技術(shù)為人類認(rèn)識(shí)和改造世界提供了嶄新的方法，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以創(chuàng)造出客觀真實(shí)世界不存在的事物，可拓寬人類認(rèn)知范圍和可想象空間，進(jìn)而提高認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)聯(lián)想[12]。例如在VR教育場(chǎng)景中，學(xué)生沉浸在虛擬環(huán)境中，與之進(jìn)行各種交互，從中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而可以深化概念，萌發(fā)新意，產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的飛躍。VR技術(shù)不僅是一個(gè)用戶與終端的接口，而且還可以啟發(fā)用戶進(jìn)行創(chuàng)造性思維活動(dòng)，有助于用戶在沉浸式環(huán)境中獲取新知識(shí)，提高感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)，進(jìn)而產(chǎn)生新的構(gòu)思與創(chuàng)意。

4.智能化(Intelligence)。智能化特征是隨著VR技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展相互結(jié)合形成的。隨著VR技術(shù)和人工智能(AI)技術(shù)的不斷發(fā)展與相互滲透，VR交互的智能化、VR對(duì)象及內(nèi)容制作的智能化、自動(dòng)化也在不斷增強(qiáng)[13]。VR與AI的這種融合，非常適用于分布式虛擬仿真條件下的教育場(chǎng)景應(yīng)用[14]，通過實(shí)時(shí)智能化教學(xué)數(shù)據(jù)分析，可以為教師提供智慧化、精準(zhǔn)化教學(xué)建議。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)模式

傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)主要體現(xiàn)為“以教師講解為中心”的教學(xué)模式，師生雙方缺乏及時(shí)的信息交流和反饋，學(xué)生始終處在被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，導(dǎo)致學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性在課堂上無法得到充分的體現(xiàn)[15]；這種傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)方式還壓抑了學(xué)生心理發(fā)展的需求，束縛了學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā)揮，導(dǎo)致學(xué)生普遍缺乏創(chuàng)新能力。圖2展示了傳統(tǒng)教學(xué)模式與虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式的比較。

圖2 傳統(tǒng)教學(xué)模式與虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式比較

通過傳統(tǒng)教學(xué)模式與虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式的對(duì)比分析可知，VR技術(shù)有助于促進(jìn)教育資源分配，推進(jìn)信息技術(shù)與教育環(huán)節(jié)的深度融合，提高教學(xué)質(zhì)量。虛擬沉浸式教學(xué)可以提高學(xué)生注意力，逼真的教學(xué)環(huán)境可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以打破時(shí)空限制，解決教學(xué)資源緊缺問題，教學(xué)資源可以重復(fù)利用，節(jié)約教學(xué)成本[16-18]，還可以有效防范實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)險(xiǎn)，避免危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)安全事故問題的發(fā)生。2020年3月，美國高校教育信息化協(xié)會(huì)發(fā)布《2020 EDUCAUSE地平線報(bào)告：教學(xué)與學(xué)習(xí)版》，將XR(AR、VR、MR)作為新興技術(shù)和實(shí)踐，在未來交互性課程里面可以作為教學(xué)的重要補(bǔ)充，并預(yù)測(cè)其應(yīng)用于教育行業(yè)將成為未來發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)教育教學(xué)具有重要意義[19-20]。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)因素確定

(一)篩選指標(biāo)因素的方法

本文在確定虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)因素時(shí)，選用德爾菲法(DELPHI METHOD)，也稱為專家咨詢法，其核心要點(diǎn)包括：一是匿名性，所有專家組成員在完全匿名的情況下通過函件相互交流，可以消除權(quán)威性、相互性的影響；二是反饋性，工作人員收集每一輪的專家調(diào)查意見后，再通過匿名的方式并將其反饋給專家，一般進(jìn)行多次反饋，一直到最終結(jié)果基本能夠趨于一致為止。德爾菲法的流程如圖3所示。

圖3 德爾菲法流程

德爾菲法成敗的關(guān)鍵因素在于所選擇專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷能力，因此，專家的選擇是虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選的關(guān)鍵。本文所優(yōu)選的專家主要來自于政府、行業(yè)協(xié)會(huì)、高校、科研機(jī)構(gòu)以及行業(yè)龍頭企業(yè)，最終確定10名專家，專家背景具體如表1所示。

表1 專家背景

(二)指標(biāo)因素的確定

為了使虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)更全面、客觀、系統(tǒng)，并且具有良好的可行性，本文對(duì)國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)相關(guān)的研究成果進(jìn)行了梳理分析，初步識(shí)別出18項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)因素清單。經(jīng)過3輪德爾菲法調(diào)查后，專家的調(diào)查意見趨于一致(見表2)。

表2 德爾菲法第三輪專家打分表

依據(jù)專家組甄選結(jié)果，識(shí)別出14項(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)因素，根據(jù)指標(biāo)因素內(nèi)容的性質(zhì)，可以將這14項(xiàng)指標(biāo)劃分為四類，包括課程前期的教學(xué)準(zhǔn)備、教學(xué)資源設(shè)置、教學(xué)實(shí)施以及教學(xué)反饋(見表3)。

表3 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)因素內(nèi)容

四、虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

(一)指標(biāo)體系權(quán)重確定方法

本文主要運(yùn)用層次分析法對(duì)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)因素進(jìn)行權(quán)重分析，層次分析法賦權(quán)的主要步驟包括如下幾個(gè)方面。

1.建立評(píng)價(jià)模型。在決策目標(biāo)明確的基礎(chǔ)上，通過將決策問題的主要因素進(jìn)行層次化分析，建立出有層次、系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)。

2.兩兩比較風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建判斷矩陣。建立評(píng)價(jià)模型后，請(qǐng)專業(yè)人士運(yùn)用1-9及倒數(shù)的標(biāo)度法對(duì)所有風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行比較評(píng)分，得分值如表4所示。

表4 標(biāo)度的含義

根據(jù)比較結(jié)果構(gòu)造出判斷矩陣，Aij表示第i個(gè)因素相對(duì)于第j個(gè)因素的Aij與Aji互為倒數(shù)。

其中，i，j=1，2，3…n。

3.層次單排序，并作一致性檢驗(yàn)。對(duì)于每個(gè)成對(duì)比較的矩陣，計(jì)算并判斷矩陣的最大特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量，將特征向量歸一化后記為W。通過進(jìn)行一致性檢驗(yàn)?zāi)軌驒z驗(yàn)層次單排序能否被確認(rèn)，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)需引進(jìn)一致性指標(biāo)CI，定義為：

為衡量CI的大小，引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，如表5所示。

表5 RI說明

可能存在隨機(jī)原因?qū)е乱恢滦缘钠x，因此需要在檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性時(shí)，比較CI和隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，進(jìn)而可以得到檢驗(yàn)系數(shù)CR，公式如下：

通過判斷CR的值是否小于0.1，來判斷矩陣是否通過一致性檢驗(yàn)。如果CR<0.1，則可以認(rèn)為該判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，否則認(rèn)為不通過。

4.層次總排序及一致性檢驗(yàn)。層次總排序指的是按照從高到低的層次順序，計(jì)算某一層次所有因素對(duì)于最高層重要性的權(quán)值。

(二)構(gòu)建層次模型

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)14項(xiàng)指標(biāo)因素的具體性質(zhì)進(jìn)行分類，可以初步建立虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，包括教學(xué)準(zhǔn)備、教學(xué)資源、教學(xué)實(shí)施以及教學(xué)反饋4個(gè)一級(jí)指標(biāo)及14個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如圖4所示。

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)圖

(三)確定準(zhǔn)則層權(quán)重

通過與專家討論，在教學(xué)準(zhǔn)備、教學(xué)資源、教學(xué)實(shí)施、教學(xué)反饋4個(gè)因素中，將4個(gè)因素兩兩比較之后，可得準(zhǔn)則層的判斷矩陣A，如表6所示。

表6 準(zhǔn)則層判斷矩陣

1.計(jì)算各因素的權(quán)重。根據(jù)構(gòu)建的準(zhǔn)則層判斷矩陣，具體權(quán)重計(jì)算步驟如下：

第一步：歸一化處理A的每一列元素；

第二步：歸一化后，將各行相加；

第三步：相加后算行平均數(shù)，得權(quán)重向量；

2.一致性檢驗(yàn)。為保證最后結(jié)果的客觀性與科學(xué)性，需要保證判斷矩陣A達(dá)到一致性。當(dāng)CR<0.1時(shí)，判斷矩陣的一致性在允許的范圍內(nèi)，特征向量可作為權(quán)向量。一致性檢驗(yàn)過程如下：

表7 準(zhǔn)則層判斷權(quán)重

(四)指標(biāo)體系各權(quán)重的確定

1.VR教學(xué)準(zhǔn)備指標(biāo)各因素權(quán)重的確定。專家對(duì)VR教學(xué)準(zhǔn)備指標(biāo)因素的兩兩判斷矩陣如表8所示。

表8 VR教學(xué)準(zhǔn)備指標(biāo)判斷矩陣A1

構(gòu)建判斷矩陣A1，計(jì)算過程及結(jié)果簡(jiǎn)單描述如下：

對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，CR=0<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

2.VR教學(xué)資源指標(biāo)各因素權(quán)重的確定。專家對(duì)VR教學(xué)資源指標(biāo)因素的兩兩判斷矩陣如表9所示。

表9 VR教學(xué)資源指標(biāo)因素的兩兩判斷矩陣

構(gòu)建判斷矩陣A2，計(jì)算過程及結(jié)果簡(jiǎn)單描述如下：

3.VR教學(xué)實(shí)施指標(biāo)各因素權(quán)重的確定。專家對(duì)VR教學(xué)資源指標(biāo)因素的兩兩判斷矩陣如表10所示。

表10 VR教學(xué)實(shí)施指標(biāo)判斷矩陣A3

構(gòu)建判斷矩陣A3，計(jì)算過程及結(jié)果簡(jiǎn)單描述如下：

由A3W3=λW3，計(jì)算得λ=0.080 5<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

4.VR教學(xué)反饋指標(biāo)各因素權(quán)重的確定。專家對(duì)VR教學(xué)反饋指標(biāo)因素的兩兩判斷矩陣如表11所示。

表11 VR教學(xué)反饋指標(biāo)判斷矩陣A4

構(gòu)建判斷矩陣A4，計(jì)算過程及結(jié)果簡(jiǎn)單描述如下：

計(jì)算得CR=0.051 6<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

(五)指標(biāo)體系權(quán)重的確定

按照上述運(yùn)算確定了“虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系”中各層級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果如表12所示。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各指標(biāo)因素中，一級(jí)指標(biāo)包括VR教學(xué)準(zhǔn)備、VR教學(xué)資源、VR教學(xué)實(shí)施、VR教學(xué)反饋所占比重分別為14.04%、42.77%、24.46%和18.72%，二級(jí)指標(biāo)中所占比重最高的兩項(xiàng)分別是多樣性、沉浸感，所占比重為15.62%、9.28%。由此可見，無論傳統(tǒng)的教學(xué)模式還是虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容的多樣性與豐富性仍是教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)的最重要標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)來說，其沉浸感也是教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)中的重要因素之一。

表12 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重表

五、結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的教育模式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，虛擬現(xiàn)實(shí)融入教育已成為未來發(fā)展趨勢(shì)。本研究運(yùn)用德爾菲法，經(jīng)過三輪專家征詢，利用定性與定量的研究方法制定了虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本評(píng)價(jià)體系為學(xué)校開展虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)提供量化標(biāo)準(zhǔn)，為教學(xué)準(zhǔn)備、教學(xué)資源、教學(xué)實(shí)施、教學(xué)效果等評(píng)價(jià)提供參考建議；也有助于梳理虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中存在的問題并改進(jìn)，有利于對(duì)教學(xué)進(jìn)行有效監(jiān)督和反饋，是保障虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)質(zhì)量的重要手段。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，本指標(biāo)體系可以根據(jù)實(shí)際需要有選擇性地對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)因素以及權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)更全面的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)。