罗恒 冯秦娜 李格格 李文昊
[摘 要] 近年来，虚拟现实技术在基础教育领域得到了越来越广泛的应用，涌现出了大量的理论研究和实证研究。为了总结过去20年（2000—2019）虚拟现实技术在基础教育领域的研究发现和发展趋势，文章采用系统性文献综述法，选取了以EBSCO数据库为主的60篇高质量实证研究，对论文内容进行深度阅读并从研究情境、技术特性、教学设计和效果评价四个维度开展编码分析。研究表明虚拟现实技术在基础教育的应用周期较短，且多在半沉浸式VR学习环境中开展， 头戴式显示器的使用近十年来有较大提升。此外，VR环境中的学习过程缺乏必要的教学指导，教学评价仍沿用传统评价方式，教学策略不分学段均以探究式学习为主，且只有少数文献汇报了教学效果的效应量。基于综述结果，文章提出了在基础教育中有效开展虚拟现实教学的对策和建议。
[关键词] 虚拟现实; 基础教育; 实证研究; 研究综述; 技术特性; 教学设计
[中图分类号] G434 [文献标志码] A
[作者简介] 罗恒（1983—）男，湖北武汉人。副教授，博士，主要从事教学设计、数字化学习研究。E-mail：luoheng @mail.ccnu.edu.cn。
一、引 言
2020年3月2日，美国高等教育信息化协会（EDUCAUSE）发布《2020地平线报告（教学与学习版）》，将扩展现实（Extended Reality，简称XR）作为影响未来教育的新兴技术之一。扩展现实（AR、VR、MR、HAPTIC）是指物理环境与虚拟环境的混合，或提供完全沉浸式虚拟体验的环境。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）作为扩展现实的一种，近年来因持续降低的设备成本和日益完善的技术功能，吸引了众多学者的目光。VR技术是融合立体显示技术、场景建模技术和自然交互技术等多种技术于一身的综合性技术，借由虚拟环境模拟出真实世界中的视觉、听觉和触觉等效果，并借助计算机、传感器等人机交互手段实现自然交互[1]。其“3I”特性，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）及想象性（Imagination）[2]能给用户带来全新的体验，使VR在娱乐、医学、航空等多个领域中得到广泛应用。近年来，VR技术逐步应用于教育领域，展示了促进教学变革创新的巨大潜力。
国内核心期刊论文对于VR技术应用于教育领域的研究大多从理论视角出发，探讨VR技术支持教学的理论框架和设计策略[3-5]。近年来，越来越多的国内学者开始从实证角度探究VR在多种教育情境中的应用效果，例如对二语习得的应用研究[6-7]、交通安全训练的效果研究等[8]。 然而，这些实证研究较为零散，研究者对VR教育应用的有效性也尚未达成共识。同时，不少学者在综述研究中未区分虚拟现实和增强现实（Augmented Reality，AR）[9-10]，忽略了不同技术特性对学习体验带来的影响：VR将用户沉浸在完全虚拟的世界中，强调基于数字媒介带来的临场感;AR是将信息或虚拟对象叠加到现实世界中，强调虚拟与现实的共存联系[11]。二者在沉浸性、交互性和想象性的差异给用户带来的视听体验不同，因此无差别综述VR和AR在教育领域的应用会带来分析失焦、结论泛化等诸多问题。
此外，当前关于VR教育的综述类文献大多没有区分基础教育和高等教育[12-14]，尽管两者在教学对象、教学内容等方面存在较大的差异。基础教育服务对象主要年龄段为6～18周岁的中小学生，这一年龄段的学生自理能力差、思想欠成熟、自我保护能力薄弱，这一阶段的教学内容强调“德智体美劳”全面发展，而且国内地区差异性使得基础教育资源也参差不齐。因此，将基础教育和高等教育领域共同纳入VR教育的综述研究范围，无法体现教育情境差异带来的影响。相对而言，VR在基础教育领域的应用相对较少，起步较晚，更值得进行系统综述和总结。
综上，本文聚焦VR技术和基础教育领域，试图对过去二十年间VR教育应用研究进行梳理，探究VR教学过程中教学设计、教学策略和教学评价的特点及其衍变发展趋势，力图总结国内外已有经验，促进VR技术在我国基础教育中的应用进程。具体研究问题包括：
（1）VR技术应用于基础教育领域的研究有哪些特点和发展趋势？
（2）基础教育领域中常用的VR设备有哪些特性？这些特性如何支持教学实践？
（3）基础教育领域中的VR应用体现了哪些教学设计理念、原则和策略？
（4）基础教育领域中的VR教学效果如何？有哪些常见的研究方法和重要发现？
二、研究方法
本文采用系统性文献综述法开展研究，主要包含以下步骤：确定问题、制定标准、检索文献、筛选文献、数据提取、统计分析、撰写综述[15-16]。确定文献后，通过编码量表对所选文献进行量化编码，并从研究情境、技术特性、教学设计、效果评价四个维度对所选文献内容作进一步的量化分析和可视化呈现。
（一）文献筛选方法
本文回顾了过去20年（2000—2019）在国际学术期刊上发表的VR应用于基础教育领域的实证研究论文。本文以EBSCO为主要文献数据库，以ERIC、JSTOR、IEEE、Elsevier和SpringerLink为补充来源，并以两组关键词进行任意组合作为搜索字符串。第一组字符串包括“virtual reality”及其简写“VR”，第二组包括教育情境关键词如“education、class*、teach*、learn*等”。通过阅读文献标题和摘要进行初始筛选，共获取215篇文献。
根据研究目的，本文进一步对初筛文献进行精选，步骤如下：（1）研究情境必须是基础教育（幼儿园、小学、初中、高中），排除高等教育、特殊教育等情境;（2）必须是实证研究（定量、定性、设计研究和混合研究等），排除综述、理论类文章;（3）文章聚焦VR技术，排除AR、MR的相关研究;（4）选取同行评审的期刊文章，排除专着和会议论文等研究成果。根据以上筛选条件，最终确定60篇来自Computers & Education、Computers in Human Behavior、British Journal of Educational Technology等37个不同期刊上的实证研究。
（二）编码分析方法
本文使用表1的文献编码表对最终选取的60篇相关文献进行了量化编码，编码分为研究情境、技术特性、教学设计和效果评价四个维度。
三、研究发现
（一）整体发文趋势
1. 发文数量
在60篇文献中，报告了VR实证研究的地点有47篇，其中来自美国的论文最多，有11篇。来自国内的研究有10篇（包括台湾6篇），说明国内学者对于VR应用于基础教育领域的研究起步较早且日趋成熟。如图1所示，2000年以来VR技术在基础教育中的应用迎来两个高峰。2006年迎来的第一个高峰是基于台式电脑的半沉浸式VR学习环境，如台湾学者设计开发的虚拟现实地球运动软件[17]。由于VR技术的不成熟及其教育应用的复杂性，其在中小学教学中的应用与研究逐渐陷入停滞。近年来，随着VR技术的迅速发展和设备成本的持续降低，完全沉浸式的VR学习环境重新吸引一线中小学教师和研究者的兴趣，相关研究在2019年迎来了第二个高峰。该现象也符合2017年《地平线报告（基础教育版）》的预测，VR技术将在2～3年内被引入基础教育领域。
2. 研究类型
如图2（a）所示，研究者采用实验研究、质性研究、调查研究、设计研究、混合研究等多种方法对VR教育应用展开研究。其中以实验研究最为普遍（34篇），研究者多通过分组比较和量化统计分析验证VR教学的有效性。其次是质性研究（16篇），通过对个案进行访谈，结合视频、音频等数据，探究VR课堂应用所产生的问题[18]以及儿童在VR环境中的协作过程[19]。此外，早期有学者通过问卷调查了解学生对某一学科的认识[20]以及VR学习经验[21]从而设计虚拟学习场景;后期也有学者利用问卷调查获取学生VR学习体验 [22]。另有5篇文献属于教育设计研究，面向特定教学问题对VR学习环境进行多轮迭代的设计与完善，并提出教学设计原则。例如，有学者利用VR技术开发了物理引擎模拟物理实验场景[23]。唯一一篇混合研究为Johnson-Glenberg团队在两所高中进行的两次地理学科实验，通过测试、问卷和观察等混合方法评测学习者在组装地质层的表现，检验VR学习效果[24]。
为更准确解读实验研究的结果，本文分别统计了VR教学的持续时间和学习次数。图2（b）和（c）的结果表明，VR体验时间在0～3小时（28篇）、VR学习次数为一轮（23篇）最为常见，说明大部分VR教学效果的测量是在短期VR教学干预后开展的，且缺乏重复验证。此类研究设计无法排除VR作为新兴技术所带来的新奇感效应（Novelty Effect），即VR教学效果可能随着学生新奇感的逐渐削弱而减弱。因此，未来相关研究需考虑对VR学习过程进行持续追踪和反复测量，从而提升研究结果的可信度。此外，我们注意到约37%和23%的文献并未汇报VR学习时长和学习次数，影响了研究结论的可解读性。
（二）研究情境
VR在基础教育的应用学科分布见表2，主要集中在三个领域：基础科学（物理、化学、生物学、地质学等）、社会科学（历史学、人类学、社会学、教育等）和健康与医学（健康科学、医学训练、心理健康、安全教育等）。其他学科则包括以STEAM教育、创客教育等为代表的非正式学科。小学和初中学段更多地将VR技术应用于健康教育、社会科学。儿童的健康教育一直是社会关注的焦点，利用VR技术构建危险场景进行技能训练能避免真实训练所带来的潜在危险。例如，学生通过在模拟火灾现场[25]、交通路口等虚拟场景里反复练习[26]，以此增强安全意识，提高安全技能。此外，义务教育阶段强调德智体美劳全面发展，因此，VR也被更多地应用在培养学生社会情感技能和文化意识方面。例如，有学者在传统历史学科教学中融合VR技术，构建古罗马场景以提高学生对历史事件的情感共鸣[27]。高中生的认知特点接近于成人，且学习目的性较强，对应的学习内容主要是基础科学，因而高中阶段VR教学的案例相对较少。典型案例包括高中科学课程利用VR开展自学，提升学生的科学自我效能感[28]。
（三）VR技术发展
VR学习体验依托于计算机、头戴式显示器和VR眼镜等设备，然而不同设备带来的学习体验有较大的差异。本文对55篇（除去设计类文章）文献中使用的VR设备进行了分析。图3（a）表明，2000—2009年期间，VR主要为基于台式电脑的半沉浸式虚拟现实，通常需要投影设备呈现VR场景;2010—2019年间，VR眼镜和头戴式显示器迅速发展，渐渐成为主流VR设备，支持全沉浸式的虚拟体验。除了高质量的沉浸体验外，便携性是决定VR设备在课堂中应用推广的重要条件。然而文献中仅有18篇论文描述了具有便携特点的VR设备。同时满足沉浸性、交互性和便携性的VR教学应用较为匮乏，且受限于高昂的设备价格。
从图3（b）可看出，基础教育领域的VR学习体验仍然以半沉浸式、低交互为主， 主要依靠鼠标键盘实现人机交互，因此本质上并未带来革新式的虚拟学习体验。VR的想象性体现在创设现实生活中没有或无法亲临的虚拟场景，例如历史事件和危险场景等。然而文献中的VR场景有80%仍是基于现实世界构建，并未充分发挥VR的想象性。其原因可能是大部分VR教学旨在培养学生分析解决真实问题的能力，强调问题情境的真实感和相关性。
（四）VR教学设计
1. 教学指导与教学评价
中小学生在VR环境中开展有效学习活动需要在关键教学环节中获得合理的引导。如图4（a）所示，VR学习中常见的引导模式有教师指导、数字化引导、手册自学等方式。在60篇文献中，有21篇文献是在虚拟场景中加入了数字化引导设计，例如在小学地理课程虚拟环境中设置弹窗选项，学生可根据提示选择不同的学习场景[29];有10篇文献是教师在学生进入VR前对学生开展培训，培训方式包括视频指导、口述指导和实际操作讲解;有8篇文献中使用了混合式引导设计，一般由教师在VR学习前对学生进行统一指导，同时在VR学习环境中通过多种人机交互形式指引学生完成学习任务。例如某VR项目在教授二次函数知识过程中，首先由教师对学生进行设备使用指导以及任务讲解，同时VR系统在学习过程中弹出讲解动画，为完成任务提供关键信息[30]。另有两篇文献将技术操作说明或者书本作为学习指引材料，引导学生熟悉VR操作、明确学习要求[31]。此外，有19篇文献并未提及学习指导的设计。VR环境中缺乏必要的指引，不仅存在安全隐患，也会影响学习效果。
学习效果是所有研究者都关注的问题。如图4（b）所示，研究者采用了多种方式对VR学习效果进行评价，其中以试卷、问卷和访谈等传统评价方式最为常见，共有27篇。例如Wu等人在小孔成像的VR教学前后采用里克特量表对学生的问题解决能力和学习态度进行测试[32]。随着VR技术的飞速发展，VR内嵌式评价也变得更加普遍。该模式以VR环境中内嵌的测试题为主，具有反馈及时、情境性强等优点。本文一共发现了8篇相关文献;例如Akman等人针对小学分数课设计的一款荒岛探险游戏内设计测试题任务，只有正确回答问题才能通关获得救援[33]。结合传统和VR内嵌两种评价的混合评价方式有7篇;例如一款面向历史学科教学的VR游戏要求学生以游戏闯关形式完成6项实验活动，后续辅以问卷和访谈来评估学习效果[22]。混合式评价整合了数字化评价和传统评价的优点，既保证了反馈的及时性，又能对学习效果做出权威系统评测。此外，有18篇文献未提及评价方式。评价是教学过程的重要环节，VR学习中评价环节的缺失将影响教学的完整性和有效性。
2. 教学策略
如图5所示，研究者利用VR开展教学主要采用以下教学策略：探究式、协作式、练习式及内容呈现式。探究式教学主要以任务为导向，促进学生在虚拟环境中以问题解决为目标开展探索，例如学生在荒岛生存任务中需要完成包含数学知识的各项任务[33]。协作式教学以小组为单位完成学习任务，例如小组成员合作创建三维情境、故事脚本和角色扮演[23]。练习式教学策略以技能训练为主，例如对小学生开展火灾逃生、行人安全等技能训练。内容呈现式教学将现实中肉眼不可见的物体及其变化过程以立体的形式向学习者展示，如利用VR技术3D展示人体细胞的形态和功能等知识[28]。
由图5（a）可以看出，近20年来，内容呈现式及探究式两种教学策略所占的比重有较大的变动。2000—2009年间文献中使用内容呈现式教学策略的VR应用仅占8%，而后十年增长到了35%。受益于VR技术在内容呈现方面好的表现，近年来VR可以更全景细腻地展示各类事物和场景，例如细胞结构和历史场景等。探究式教学策略的应用在近十年间的占比由起初的70%减少到41%，原因可能有以下两点：首先，该策略适用于具备一定探究能力的初高中学生，而初高中学段主要以升学考试为目的，使用VR开展探究式教学需要花费大量时间且效果无法保证。其次，探究式学习要求学生收集整合多源信息，积极参与协作会话，但当前VR设备对信息检索、实时沟通及小组协作等活动的支持仍有限，无法满足探究式学习的核心需求。
图5（b）分学段呈现了VR教学策略的使用情况。整体上，小学、初中、高中阶段的策略使用较为一致：探究式教学策略仍然是最为广泛使用的策略，VR沉浸性、交互性、想象性特点能够吸引学生在VR学习环境中开展探究。内容呈现式教学位居第二，且在小学阶段得到了更普遍的应用。受学科、学段影响最大的教学策略为练习式教学，作为小学阶段健康安全教育中常见的VR教学策略，在初中和高中阶段其他学科教育中的应用寥寥，表明教学策略的选取取决于不同认知层次的学习者及学科，需要研究者酌情进行选择。
（五）VR研究方法
1. 数据收集
本文梳理了文献中使用的数据收集方式。由于一篇文献可能使用多种数据收集方法，因此数据收集方法的计数大于本文综述的文献数量。结果显示问卷调查（30篇）是VR实证数据的主要来源，题目测试（23篇）也是常用的数据收集方法。观察记录（28篇）和采访交流（19篇）也得到应用，但大多用于质性研究，或为量化结果提供质性证据解读。总体而言，问卷调查是最为便捷的数据收集方法，但具有一定的主观性;题目测试可以直接检测学习效果，却忽略了学生内在学习体验;观察记录和访谈相较于前两种方式，能够深入了解学生的学习过程和学习体验，但需花费较多时间。因此，多样化、多源化的数据收集方式值得推崇，能提升研究结果的有效性及可靠性，帮助读者深入了解VR学习的效果和体验。
2. 数据分析
文献中的数据分析方法，除描述性分析外，其他方法主要分为差异分析（n=32）和相关分析（n=9）。其中差异分析包括t-test、ANOVA、ANCOVA、MANOVA、非参数检验、卡方检验、Mann-Whitney U-test、The Wilcoxon Paired Sign Rank Test等方法，相关分析包括相关系数、回归模型、结构方程模型、因子分析等方法。通过实验研究比较组间差异能检验VR教学的效果，而建模分析变量之间的复杂关系有助于探究VR教学起作用的机制和相关影响因素。
在所有32篇使用差异分析的文献中，有26篇得到显着的组间差异结果，有4篇得到不一致的发现，只有2篇文献结果显示VR教学没有带来显着差异。由此可见，VR技术应用于基础教育领域总体上能提升教学效果，带来积极影响。此外，本文统计了VR教学效果的效应量，发现汇报效应量的文献（Effect Size）仅有8篇，其中5篇报告了Cohens d，2篇报告了Cohens f，1篇报告了partial η2。其中有3篇文献报告了多个因变量的效应量，且大部分呈现强效应[24，27，35]。效应量大小反映了VR教学的实际效果，相关数据的缺乏会使教学管理者无法判断VR技术在基础教育领域的可推广性和成本效益;后续研究者也无法获取相关统计数据对VR教学的效果进行元分析。
四、结论与思考
本文结合了VR的3“I”特性、VR教学设计和教学评价对文献开展梳理分析。研究结果表明，随着技术设备的完善，VR技术在基础教育领域的应用研究有明显的增长趋势，对教学效果产生了总体较为积极的影响。但已有VR教育研究中教学指导的缺乏，教学方式的不合理以及单一化的研究方法，使得研究结果指导基础教育教学实践的价值有限。基于本综述的相关发现，笔者提出以下四点建议，期望为VR技术在基础教育领域的应用提供参考。
（一）深化VR在基础教育领域的应用
从文献综述结果来看，VR对学习者整体学习效果有较好的正向影响，但仍存在三个问题。首先，应用于基础教育的VR技术的沉浸性和交互性处于较低水平。因此，在设计VR教学时，要充分利用VR的沉浸性、交互性和想象性，针对不同学习内容和学段特点设计教学干预，将VR环境和学习任务有效联通。其次，当前VR设备的便携性仍有限。提升VR设备的便携性能加速VR在课堂教学实践中的应用。最后，VR教学的周期普遍较短，其长期教学效果未知，一次性教学干预容易受到VR技术新奇性效应的影响。当VR从新技术成为常规技术后，学生能否持续从VR学习环境中得到效益无法估计。因此在未来研究中，检验学习效果需要长期观察，才能得到更可信的实验结果。
（二）结合多种指导开展教学
技术教学的有效性需要依靠合理的教学指导方式。目前对VR技术的研究众多，但大多数研究者似乎忽略了如何有效指导学生使用VR技术开展学习。VR环境与课堂环境差异较大，需要不同的教学指导，且VR设备带来的眩晕、跌倒等安全隐患不容忽视。然而，文献中使用VR开展教学前大多缺乏设备使用培训和环境适应训练，易导致学生在体验过程中出现身体不适;VR体验中缺乏有效引导，造成学生在VR学习过程中出现漫无目的探索的问题;VR体验后未能引导学生进行总结和反思，影响知识的自我建构和迁移。因此，VR学习过程中需提供必要的学习指导和评价来提升学习效果。指导和评价方式可以综合多样，在虚拟环境和现实环境中灵活开展。
（三）设计个性化教学策略
从文献研究结果来看，教学策略主要分为探究式、协作式、练习式、内容呈现式教学，针对不同年龄段的学生采取的教学策略有微小的差异，选择教学策略时需要考虑教学内容和教学对象的差异。虽然VR技术可以创设真实情境，提供情境体验式、感官具象化的学习体验，但其对于抽象隐性知识反而不易表达。低年级的学习内容主要是对简单基础知识的感知与理解或安全技能的培养，因此使用内容呈现式或练习式教学策略更符合学生特点。针对高年级的学生，学习内容和任务对高阶思维有着更高的要求，且学生具有一定的自主探究和小组协作能力，此时探究式学习或协作式学习策略可能更符合高年级学生的特点。因此同其他技术应用于教学类似，在设计VR教学策略前需要对学习者、学习内容进行深度分析，从而选择最合理的教学策略实现VR教学效果的最大化。
（四）VR教育研究方法多元化
当前VR教育文献中，数据收集的方法以量化数据为主，而分析方法则包括多种差异分析和相关分析方法，其研究结果的内部效度较高。对于VR学习效果的评价仍然以传统评价方式为主，通过问卷、测试或记录学习行为进行测量，并通过量化数据处理方式进行分析。然而问卷、测试和行为记录表等工具缺少信效度检验，其研究结果的构想效度无法估计。此外，大量文献在进行差异性分析时只汇报了显着性而没有汇报效应量大小，使得读者对VR教学的实际应用效果缺少估计。因此，今后的VR研究中可以通过多元化的数据收集和分析、规范的量化数据汇报方式等措施来提高研究结果的信效度，科学指导VR技术在基础教育情境中的推广和应用。
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LUO Heng， FENG Qinna， LI Gege， LI Wenhao
（Faculty of Artificial Intelligence in Education， Central China Normal University， Wuhan Hubei 430079）
[Abstract] In recent years， virtual reality technology （VR） has been widely applied in the field of K-12 education， and a large number of theoretical and empirical studies have emerged as a result. To summarize the research findings and development trends of VR technology in K-12 education in the past 20 years （2000-2019）， this study conducts a systematic literature review and selects a total of 60 high-quality empirical studies from the EBSCO database for further reading and systematic coding from the aspects of research context， technology， pedagogy， and effect. The study results reveal that most VR interventions in K-12 settings last for relatively short period of time and are implemented with semi-immersive VR learning environment， and the use of head-mounted displays has witnessed an increase in last decade. In addition， the learning process in VR environment lacks proper scaffolding， teaching evaluation still follows the traditional ones， teaching strategies are based on inquiry-based learning regardless of the learning period， and only a few studies publish the effect size of teaching effect. Based on the research findings， this study proposes some countermeasures and suggestions for the effective implementation of VR teaching in K-12 education.
[Keywords] Virtual Reality; K-12 Education; Empirical Research; Research Review; Technology Affordance; Instructional Design
