普通高等學校虛擬現實教學研究:主題、脈絡與趨勢

葛 堃,徐海峰,劉曉媛

(江西師范大學,江西 南昌 330022)

一、前言

虛擬現實(Virtual Reality,VR)是指由交互式計算機生成虛擬環境,用戶通過佩戴必要的身體外接設備增強一種或多種感官的反饋,從而與虛擬環境中的物品進行交互,使自身精神沉浸在虛擬環境之中[1]。20世紀90年代,美國將虛擬現實引入高等教育。目前,我國部分普通高等學校將虛擬現實引入教學環節,利用其交互性、沉浸性、三維性[2],開展高校實驗教學、實訓教學、沉浸式教學等一系列教學改革,越來越多的學者將目光聚焦在虛擬現實教學領域,開展了基礎理論、應用機制、效果評價等研究。盡管學者們對虛擬現實教學領域的研究和探索日益加深,但對于該領域的相關文獻尚缺乏系統性的梳理,因此,有必要對普通高等學校的虛擬現實教學研究做一些梳理和展望。本文運用知識圖譜軟件CiteSpace,通過可視化分析、詞頻分析、共現分析等方法,梳理我國普通高等學校虛擬現實教學研究主題、發展脈絡、發展趨勢,為我國普通高等學校虛擬現實教學未來發展提供參考和借鑒。

二、研究設計

(一)數據來源

本文研究數據來自CNKI數據庫,檢索方式采取高級檢索中的“主題”檢索,檢索時間從不限年到2023年,文獻來源勾選為SCI來源期刊、EI來源期刊、核心期刊、CSSCI和CSCD,檢索截止時間為2023年7月10日,檢索主題為“高校虛擬現實教學”,結果僅為14條記錄。為擴大數據來源,以“虛擬現實教學”為主題進行檢索,檢索結果為402條。經對比分析,大多數文獻屬于普通高等教育的研究范疇。為進一步確保數據來源的相關性,對以上402條檢索結果進行人工篩選,刪除了非普通高等教育內容以及相關性較弱的檢索結果,最終得到有效文獻382篇。

(二)研究方法

本文基于文獻計量理論,以CiteSpace作為研究分析工具,采用可視化分析、詞頻分析、共現分析等方法對相關文獻進行定量研究。首先將篩選得到的382篇有效文獻導入Citespace進行數據格式轉換;然后,對關鍵詞選項進行運算分析,形成可視化的關鍵詞知識圖譜;最后,結合關鍵詞知識圖譜和相關文獻資料,探究該領域的主題、脈絡以及發展趨勢。

三、普通高等學校虛擬現實教學研究主題

(一)研究熱點分析

文章關鍵詞是對研究主題的高度概括和對研究熱點進行分析時值得信賴的指標。本文選用關鍵詞作為衡量指標,通過CiteSpace軟件生成關鍵詞共現圖譜(圖1),探究普通高等學校虛擬現實教學領域的研究熱點。

圖1 關鍵詞共現圖譜

關鍵詞共現圖譜共有451個節點,即451個關鍵詞。在隱藏主題詞“虛擬現實”以及剔除出現頻率小于5的非高頻關鍵詞之后,得到高頻關鍵詞表(表1)。從關鍵詞共現圖譜、高頻關鍵詞分布、中心性角度分析并結合虛擬現實教學領域的文獻研究,我國普通高等學校虛擬現實教學領域的研究熱點主要分為以虛擬現實技術為背景的教學改革、虛擬現實技術在具體學科領域中的應用、虛擬現實教學平臺或系統的構建。

表1 普通高等學校虛擬現實教學高頻關鍵詞表

(二)研究主題分布

為進一步探究關鍵詞背后的研究主題以及分布情況,本文對關鍵詞進行聚類分析,聚類算法選擇Log-Likelihood Ratio(LLR)生成關鍵詞聚類圖譜,顯示前16個聚類,如圖2所示。結合關鍵詞聚類圖譜和高頻關鍵詞表,對普通高等學校虛擬現實教學研究主題進行分析歸類。

圖2 關鍵詞聚類圖譜

1.虛擬現實教學技術以及應用研究

該主題下的研究包括#0虛擬現實、#1增強現實、#7多媒體、#9交互性、#10仿真、#12超現實等聚類,展現了多種虛擬現實教學技術特點以及教學應用等。虛擬現實教學技術主要分為虛擬現實技術(VR)、增強現實技術(AR)、混合現實技術(MR)以及元宇宙(Meta)等大類。虛擬現實技術具有沉浸性、交互性、想像性等特點,能夠將傳統教學內容和知識可視化,增強學生學習過程中的沉浸和互動體驗[3]。然而,虛擬現實技術在教學應用方面也存在不足之處,部分學者建議將增強現實技術應用于教學過程中,利用真實性、實時互動性等技術特點完善虛擬現實教學,提升教學效果[4]。在此基礎上,孔璽等人從虛擬現實和增強現實相互融合的角度出發,提出混合現實技術,其虛實融合特性能有效提升學習者的沉浸感、代入感[5]。伴隨元宇宙概念的興起,有學者提出了教育元宇宙空間的全新構想,為未來教育形態提供了新的可能,賦予教育教學新的動力[6]。

2.虛擬現實教學平臺搭建研究

該主題下的研究包括#3實驗教學、#6教學平臺、#11遠程教育、#13實訓教學、#14手術教學、#15仿真教學等聚類。隨著對虛擬現實教學技術以及應用理論研究的不斷深入,部分學者對虛擬現實教學平臺的搭建展開研究,包括虛擬遠程教學平臺、虛擬實驗平臺、仿真教學平臺和實訓平臺的搭建等。虛擬實驗平臺是由虛擬現實技術以及網絡技術等生成的,進行仿真實驗的平臺,能夠實現實驗全過程虛擬化,與傳統實驗室教學相比,它具有資源共享、安全性高、不受客觀實驗條件限制等優點[7]。目前,越來越多的普通高等學校開展了虛擬實驗教學平臺或中心的建設工作,并嘗試與理工類、醫學以及應用型學科領域相結合,如土木工程、建筑學、化學、臨床醫學等?？傮w而言,虛擬教學平臺的搭建對于優化教學過程、推進教學模式改革、加速教學模式現代化有著積極的作用。

3.虛擬現實下的教學模式改革以及教學設計研究

該主題下的研究包括#2教學模式、#4教學設計、#5教學效果、#8教學方法等聚類,展現了虛擬現實技術影響下,普通高等學校進行的教學模式改革以及教學內容的再設計。相關研究多基于情景學習理論、具身認知理論、建構主義理論等不同的理論視角。具身認知理論認為學習者可以通過自己的肢體或者感官來進行學習和認知,虛擬現實技術可以提供一個適宜的虛擬教學空間,實現感覺增強以及行為互動[8]。建構主義理論更多強調環境對于學習者的影響,嘗試通過虛擬現實技術構建特定學習環境,幫助學習者利用已有的經驗和知識促進新知識形成[9]。情境學習理論下的虛擬現實教學模式則看重學習過程中的知識和虛擬情境的相互作用,達到寓教于情的教學目標[10]。但無論是增強感官、行為互動,還是學習環境或情境的構建,其實都能夠在虛擬現實技術生成的虛擬空間中實現。如果這個虛擬空間逐步完善內在生態,進一步打破虛擬與現實的邊界,將有機會形成學者們所構想的一個獨立于或平行于真實世界的教育元宇宙[6]。除了上述所提及的理論視角,部分學者還基于認知負荷理論、自主學習理論等提出了教學模式改革以及教學設計。

四、普通高等學校虛擬現實教學的發展脈絡

為了更好地了解虛擬現實教學的發展脈絡,本文繪制了我國虛擬現實教學研究發文量年度變化趨勢圖(圖3)。同時,將圖1的關鍵詞共現圖譜以時區視圖的形式呈現,得到關鍵詞共現時區圖(圖4)。在探究虛擬現實教學領域的關鍵詞共現時區分布和發文量趨勢的基礎之上,通過文獻分析,將國內普通高校虛擬現實教學的發展進程大致分為技術應用、實踐探索、深化研究三個階段。

圖3 1996-2023年虛擬現實教學研究發文量趨勢圖

圖4 關鍵詞共現時區圖

(一)虛擬現實教學技術應用階段(1996-2003年)

20世紀90年代末期,我國將虛擬現實技術引入教育領域中,并開始對“虛擬現實+教學”展開應用研究。圖4顯示,虛擬現實、實驗教學、人機交互、遠程教育都是該階段的主要關鍵詞。在這個階段,虛擬現實技術屬于新興技術,人們對于虛擬現實技術的概念、構成以及功能尚缺乏充足的了解,研究主要聚焦在多種虛擬現實技術本身,聚集虛擬現實技術在具體學科應用中的構想、虛擬現實技術對于教學領域的影響與作用等。同時,該階段處于虛擬現實教學研究的起步階段,發文量總體偏低,呈現先上升后下降的趨勢。

(二)虛擬現實教學實踐探索階段(2004-2015年)

對虛擬現實教學應用理論的探索以及虛擬現實技術的更新迭代,虛擬現實教學進入了以教學平臺或系統設計為主要研究內容的新階段。并且教育部在2013年發布了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》,為虛擬現實教學的發展提供政策上的支持,積極推動了虛擬現實教學從應用理論研究走向實踐教學探索。這個階段的關鍵詞主要包括實踐教學、增強現實、虛擬實驗、教學模式、教學改革等。學者們的研究重點從虛擬現實技術本身以及理論框架構想轉變為實際教學過程中的實踐探索,如虛擬現實教學平臺或系統的構建、虛擬仿真實驗室的搭建、教學模式以及教學設計的探索等。

(三)虛擬現實教學深化研究階段(2016年至今)

2016年被稱為“虛擬現實元年”,源于該年虛擬現實技術的成熟以及虛擬現實可穿戴設備的便攜性和穩定性的大幅優化[11]。虛擬現實技術和設備上的進步為虛擬現實教學在應用實踐和推廣普及等方面提供了強勁的驅動作用[12]。同時,教育部在2018年發布《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》,有力推動虛擬現實教學在理論和應用方面邁向深化研究階段。這個階段的關鍵詞包括具身認知、虛擬仿真、教學實踐、元分析等。研究內容的深化,主要體現在虛擬現實教學系統或平臺功能的完善以及體驗感的優化,嘗試從更多理論視角上提出切實可行的教學模式和教學設計,把更多的學科嘗試與虛擬現實技術融合等。部分學者還針對虛擬現實教學的教學效果以及影響因素展開了探究。

五、普通高等學校虛擬現實教學的發展趨勢

虛擬現實教學研究在理論和應用層面已取得一定進展,但仍存在不足之處,主要體現在:虛擬現實教學在理論研究的方向上存在欠缺、虛擬現實教學技術和設備的優化不足。同時,伴隨元宇宙的興起,部分學者提出“元宇宙+教學”的新設想,但在其應用價值、融合機制、效果評價等研究方面都有待深入挖掘。因此,未來虛擬現實教學的研究可以從以下三個方向展開探索。

(一)對虛擬現實教學理論展開深入研究

當下,虛擬現實教學的理論研究內容聚焦于虛擬現實技術在具體學科中的應用,包括教學模式變革、教學設計以及效果評價等。涉及虛擬現實教學效果評價研究較多,部分學者基于國內外虛擬現實教學效果評價成果,嘗試通過元分析方法探究教學效果,總結得出了虛擬現實教學與傳統教學相比,對學習成績的影響更有效的結論[13]。但因實驗樣本數量、實驗周期、學科、學段以及虛擬現實呈現方式等調節變量差異,也有學者得出了虛擬現實技術對學習方面影響不顯著的結論[14]。在虛擬現實教學效果評價這個問題上,學界仍然存在分歧,尚未取得一致性的結論。值得關注的是,當前虛擬現實教學理論研究大都以學生作為研究主體,以教師為研究對象的成果較少。虛擬現實教學理論研究須關注教師這個重要群體,如探討虛擬現實技術對教師的教育作用,提升教師專業技能滿足當下虛擬現實教學需求等。此外,國際上涉及虛擬現實教學的研究不多,相關研究主要從增強現實和虛擬現實在學習中的應用出發,分析教師對新技術接受度的影響因素[15];也有比較分析虛擬現實教學和線下課堂教學,在教學效果或教學反思效果上的差異[16]。這些成果能夠為國內研究提供借鑒。

(二)虛擬現實教學技術和設備的優化研究

虛擬現實技術經歷了快速發展階段,虛擬現實設備也從商業級向消費級過渡,但是當前的虛擬現實技術和設備仍存諸多問題:頭戴顯示設備使用暈眩感較強,虛擬仿真的真實度、沉浸度欠佳,缺乏有效的學習監控和評估工具等[3]。這些問題會導致教學過程中的教學效果弱化以及對學生學習狀況的了解程度減低,學生學習的體驗感和沉浸感也會大打折扣[17]。為了推動虛擬現實教學設備的優化進度,學者們可以探究虛擬現實環境下的學習邏輯和機制等[18],為教育技術開發人員提供底層的學習邏輯框架,促進虛擬現實設備功能上的完善。虛擬現實教學設備功能和舒適度的完善優化,對于加快虛擬課堂普及、提升教學質量有著至關重要的作用。未來,對于虛擬現實教學技術和設備的持續優化研究勢在必行。

(三)元宇宙下教學新生態建構研究

目前關于元宇宙的概念和內涵沒有統一的共識。有學者認為元宇宙是虛擬現實以及增強現實等技術下的概念具化,其特點是打破虛擬與現實的界限,本質是一個平行于現實世界的在線數字空間[19]。部分學者則認為元宇宙不是與現實世界相平行的空間而是現實折射出的空間,因為平行意味著沒有交集,而元宇宙與現實世界的邊界并不清晰[20]。這些定義雖然在理解上有所區別,但都認為元宇宙具備超越現實的空間屬性。教育元宇宙的相關研究主要集中在理論體系的構建,包括概念辨析、結構體系構建以及實施路徑等。事物皆有兩面性,在看到教育元宇宙所蘊含的教育價值的同時,有學者已經注意到教育元宇宙所面臨的風險和挑戰并提出了應對策略[21]。針對教育元宇宙的研究尚處于探索和啟發階段,研究將進一步聚焦理論構建、實踐應用、效果評價等方面,以創造教學新生態、推動教育數字化轉型。

六、結語

本文聚焦CNKI數據庫中的382篇相關文獻展開分析,闡述了普通高等學校虛擬現實教學研究的研究主題、發展脈絡、發展趨勢。

從研究主題來看,當前我國高校虛擬現實教學研究主要集中于三個方面:虛擬現實技術以及在教學中的應用、虛擬現實教學平臺搭建、虛擬現實下的教學模式改革以及教學設計。這三個方面又分別對應著我國虛擬現實教學的三個發展階段,即虛擬現實教學技術應用階段、虛擬現實教學實踐探索階段、虛擬現實教學深化研究階段。在對虛擬現實教學研究主題和發展脈絡進行梳理的過程中,筆者發現有關虛擬現實教學理論研究方面有所欠缺,主要集中在虛擬現實教學的效果評價和教師教育問題上。在虛擬現實教學技術和設備優化問題上,學者們應該積極推動虛擬現實技術下學習機制的研究,構建虛擬現實學習框架,為教育技術人員提供底層開發邏輯,進而對設備功能進行完善和優化。同時,元宇宙背景下的“元宇宙+教育”研究在我國剛進入啟發和探索階段。元宇宙在與教育進行融合的階段過程中,需要從概念界定、教學效果、融合機制等方面去分析,不斷地補充和完善該領域。未來,教育元宇宙將是一個重要的研究主題。

綜上所述,虛擬現實技術的出現和發展讓傳統教學在教學模式、教學方法上發生了巨大改變,為學習者帶來了更具沉浸性、互動性的學習體驗,激發了學習者的學習興趣。目前,虛擬現實技術已經與理工類以及醫學等學科進行了深度的結合探索,開展了仿真實驗教學和實訓教學等教學實踐,虛擬現實教學的應用前景開始顯現。下一步,應推動虛擬現實技術與更多的學科融合,并且優化虛擬現實教學技術和設備,促進虛擬現實教學的普及率,提升高校虛擬現實教學水平和教學效果,讓更多的學習者參與到虛擬現實教學活動中,并從中受益。