虚拟实在技术在中小学教育中的应用：提升学生的参与度、沉浸感及四项核心能力（4C技能）——一项基于实证研究的系统性综述

《Thinking Skills and Creativity》：Virtual reality in P-12 education for improving presence, immersion, and 4C skills: A systematic review of empirical research

虚拟现实（DVR）可提升学生空间能力，且高初始空间能力学生受益更显著，验证了能力增强假设。研究通过浏览器3D设计平台发现，低空间能力学生更关注模型设计，高能力学生侧重模型优化，为差异化教学提供新视角。初始能力与学习表现弱正相关（r=0.398），但虚拟环境仍缩小了个体差异。

　　

摘要

空间能力被认为是预测学生在STEM领域表现的有效指标，虚拟实在STEM教育中的益处也日益明显。然而，目前尚不清楚具有不同初始空间能力的学生如何从虚拟环境中获益。从认知负荷的角度来看，“能力增强假设”和“能力补偿假设”可以解释具有不同初始空间能力的学生在虚拟环境中的收益差异。然而，现有研究尚未为具有不同初始空间能力的学生参与虚拟现实环境提供教学指导。本研究首先探讨了具有不同初始空间能力的学生在虚拟现实环境中的表现差异，并分析了学生的初始空间能力与学习表现之间的相关性。我们验证了虚拟现实环境对空间能力的提升效果，发现具有不同初始空间能力的学生的学习表现相似。随后，通过对学生行为的延迟序列分析，我们发现空间能力较高的学生倾向于优化模型，而空间能力较低的学生则更关注模型设计。这为具有不同初始空间能力学生的教学指导提供了新的视角。

引言

虚拟现实是一种构建模拟环境的技术，它允许人们在三维图像中探索和互动（Ausburn & Ausburn, 2004; Inoue, 2007）。研究表明，虚拟现实有潜力提高学生的学习参与度（Bhargava et al., 2018），从而促进建构主义知识构建并提高学术表现（Luo et al., 2021）。根据交互方式的不同，虚拟现实可以分为两类：沉浸式虚拟现实（Immersive VR）和非沉浸式虚拟现实（Non-immersive VR）。沉浸式虚拟现实通常通过多个屏幕或头戴式显示设备呈现，使人们能够从第一人称视角观察虚拟环境。由于开发及部署成本较高，沉浸式虚拟现实在其教育应用中的普及受到限制（Brivio et al., 2021; Chien et al., 2020）。非沉浸式虚拟现实（也称为桌面虚拟现实，DVR）可以在个人电脑等相对便宜的设备上显示（Chen et al., 2004; Merchant et al., 2014），它通过键盘、鼠标等工具实现三维图像的交互和探索（Gazit et al., 2006）。尽管DVR是一种非沉浸式的交互方式，但由于其视觉和交互优势，它仍然成为沉浸式虚拟现实的替代方案（Makransky & Petersen, 2021; Slater & Sanchez-Vives, 2016）。

虚拟现实因其沉浸式、交互性和想象力的特点，被认为特别适合空间能力训练（Mohler, 2001）。特别是在STEM教育中，虚拟现实使学习者能够操作3D对象并处理复杂的空间关系，提供超越传统物理教室局限性的沉浸式学习体验（Uttal et al., 2013）。然而，现有实证研究对于虚拟现实是否减轻或加剧不同空间能力学习者之间的表现差异存在分歧（H?ffler & Leutner, 2011）。根据“能力补偿假设”，丰富的媒体环境可以通过提供外部视觉模型来减轻低空间能力学习者的认知负荷，从而提高他们的学习表现；而高空间能力学习者由于能够使用更简单的媒体构建内部视觉表征，因此从这种支持中获得的收益有限（Mayer, 2002）。相反，“能力增强假设”认为信息丰富的呈现方式可能会给低空间能力学习者带来过重的认知负担，阻碍其心理模型的构建。对于高空间能力学习者来说，他们卓越的表征能力使他们能够有效利用技术优势，从而导致认知负荷增加（Huk, 2006）。

因此，研究DVR对不同空间能力水平的学习表现和体验的影响对于改进教学设计至关重要。此外，鉴于“能力增强假设”和“能力补偿假设”之间的理论争论，行为数据分析为验证这些对立观点提供了新的证据框架。关键在于，利用行为指标作为外部证据来解释DVR引起的学习表现变化的研究仍然非常不足。

因此，本研究利用基于浏览器的3D设计平台来考察具有不同空间能力的学生在学习表现和操作行为上的差异。这些方法创新为空间导向的教学设计和个性化学习干预措施提供了重要启示。

章节片段

空间能力的诊断

空间能力被定义为生成、保留和操作视觉空间信息心理表征的能力（Carroll, 1993; Linn & Petersen, 1985）。空间能力通常被理解为一个多维结构，包括空间可视化、心理旋转及相关认知成分（Linn & Petersen, 1985）。具体而言，空间可视化涉及空间信息的复杂认知处理和转换。

参与者

共有89名来自中国甘肃省某高中的高一学生参与了这项实验，其中男生46名（51.7%），女生43名（48.3%）。在实验开始前，我们获得了伦理审查批准，参与者签署了知情同意书。由于实验时间较长，学生可以在任何时候退出实验。退出实验的学生仍会参加常规课堂学习。

虚拟环境对学生空间能力的影响

如表2所示，前测的心理旋转测试平均分为7.10分（标准差=3.57，中位数=8），后测平均分为9.33分（标准差=3.00，中位数=10）。通过对前后样本进行T检验分析，发现存在显著差异（p < 0.001）。总体而言，经过虚拟桌面系统训练后，学生的空间能力有所提高。

在研究具有不同初始空间能力的学生的表现差异时

具有不同初始空间能力的学生在DVR中的表现

通过对初始空间能力与学习表现的相关性分析，发现初始空间能力与学习表现之间存在显著的正相关（p < 0.01），但相关性较弱（r = 0.398）。这表明高空间能力个体具有更强的心理表征能力，使他们在虚拟环境中更有效地处理视觉空间信息——这一发现与“能力增强假设”一致。

结论

本研究的结果验证了以下几点：（1）DVR可以训练学生的空间能力；（2）学生的初始空间能力水平显著影响了他们在虚拟环境中的表现，高空间能力个体获得了更大的收益，这支持了“能力增强假设”。我们还发现：（1）空间能力的预测试与学习表现之间存在显著的正相关，但相关性较弱。我们的研究验证了

资金支持

本研究由山东省社会科学规划项目资助 [项目编号 24CJYJ15]。

CRediT作者贡献声明

郭守超：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，正式分析。孙宇倩：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论。王晓：正式分析，数据管理，概念化。

利益冲突声明

代表所有作者，通讯作者声明不存在利益冲突。