具身程度對大學生虛擬實驗學習的影響研究

張金瑩 楊現民 胡永斌

[摘? ?要] 具身程度是虛擬實驗設計和應用的關鍵要素。虛擬實驗的具身程度如何劃分，不同具身程度對虛擬實驗學習效果有何影響，這些問題至今鮮有研究。本研究首先基于具身認知理論和“經驗之塔”理論，將虛擬實驗劃分為高具身、中具身、低具身三種級別。然后，采用元分析方法，對國內外36篇期刊論文的77項實驗與準實驗數據進行量化分析。研究發現：（1）虛擬實驗對大學生的學習效果有中等偏上的正向促進作用；（2）虛擬實驗的應用效果受調節變量（學科類型、知識類型、具身程度）的影響而存在差異；（3）高具身虛擬實驗在醫學和工學等學科中的應用效果更好，有利于程序性知識與陳述性知識的學習，對大學生非認知能力的發展有顯著影響；（4）中具身虛擬實驗在醫學等學科中的應用效果更好，有利于陳述性知識的學習，對大學生認知能力的發展有顯著影響；（5）低具身虛擬實驗在工學和教育學中的應用效果較好。

[關鍵詞] 虛擬實驗； 具身認知； 具身程度； 學習效果； 元分析

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 張金瑩（1998—），女，山東臨沂人。碩士研究生，主要從事虛擬現實教育應用研究。E-mail：jinying_939@163.com。胡永斌為通訊作者，E-mail：huyb@jsnu.edu.cn。

一、引? ?言

隨著虛擬現實技術的不斷發展，虛擬實驗逐漸成為教育教學的重要輔助手段。與傳統實驗相比，虛擬實驗不僅能有效解決“三高”（高危險、高成本、高污染）與“四難”（難觀摩、難實操、難進入、難再現）問題[1]，更可以提供豐富的實驗場景和實驗類型，為大學生實踐能力培養帶來新的契機。具身認知理論認為，信息加工過程根植于學習者與學習環境的交互行為中，沉浸式虛擬實驗相比傳統的非沉浸式虛擬實驗，更有助于學生的深層次信息加工，這表明虛擬實驗的具身程度越高，學生在虛擬環境中的學習效果可能越好[2-3]。然而，已有的元分析研究并未將具身程度作為調節變量進行分析，而是將虛擬實驗作為整體去分析其對學習效果的影響[4]，或者只分析某種具身程度的虛擬實驗對學習效果的影響[5-6]。本研究擬在探究虛擬實驗具身程度劃分的基礎上，采用元分析方法對國內外77項實驗和準實驗數據進行整合分析以探究不同具身程度對大學生虛擬實驗學習效果的影響。

二、虛擬實驗具身程度模型

由于不同具身程度的虛擬實驗能夠帶給學生不同的交互體驗，研究者嘗試構建面向虛擬實驗的具身學習環境，并探究不同具身程度對學生的學習效果的影響。依據感知運動參與程度、“手勢—內容”一致性、感知沉浸性三個因素，Glenberg等人首次對學習環境的具身程度進行了劃分[7]。柴陽麗等人在此基礎上進行了改進，以感知—運動的參與量、姿態動作一致性程度和沉浸感三個因素將具身程度劃分為四度[8]。而最新的研究中，王辭曉等人通過虛擬實驗的硬件設備與教學交互的類型，將具身程度從學習者參與程度、涉及的硬件技術及教學交互三個方面劃分為四種交互程度：全身、涉身、控件、替代[3]。然而，由于以上劃分沒有考慮到人類學習的經驗存在抽象級別的層次差異，本研究認為應將具身學習的涉身性、情境性和生成性等核心特征[9-11]與戴爾的“經驗之塔”理論相結合，重新考慮具身程度的劃分問題。

戴爾于1946年提出的“經驗之塔”，將活動行為產生的經驗劃分為“具體—抽象”連續譜系。該理論認為，人類的學習即經驗的獲取共包括三個大類、十個層次。戴爾的“經驗之塔”表征學習經驗的獲取是從直接參與到圖像代替，再到抽象符號表示的漸進發展過程。根據人類學習從簡單到復雜、從形象到抽象的認知規律，選擇適宜的涉身方式，使自身的認知過程符合認知規律，才能達到最佳的學習效果。因此，“經驗之塔”是一個學習隱喻，較低的層次更加具體和感性，需要身體的涉入較多，而較高的層次更加抽象和理性，更少依靠身體的涉入。

據此，依據戴爾的“體驗之塔”可將人類學習分為高具身學習、中具身學習和低具身學習。高具身學習對應“做的經驗”，學習者使用他們的身體作為探索、操縱和表達的工具；中具身學習對應“觀察的經驗”，學習者使用他們的身體作為表達、交流和反饋的媒介；低具身學習對應“抽象的經驗”，學習者使用他們的身體作為外圍輸入設備。本研究從具身認知理論的角度，構建出學習環境具身級別分類模型，包括低具身、中具身、高具身三大級別，具體如圖1所示。

虛擬實驗所強調的“具身”程度，是指實驗者在多大程度上使用身體參與到實驗操作中。高具身虛擬實驗強調調動實驗者全身的感覺與運動器官，使用虛擬現實設備進行交互，因而具有高度沉浸感和真實的情感體驗，其涉身性、情境性和生成性最強；中具身虛擬實驗要求實驗者能運用多種感官感知實驗內容，使用手持設備進行實驗操作，其涉身性、情境性和生成性較強；低具身虛擬實驗主要依靠視聽覺參與，使用鼠標、鍵盤等設備進行實驗操作，情感體驗較差，其涉身性、情境性、生成性較弱。據此可以制定出具身級別的分類標準，具體見表1。

三、研究方法與過程

本研究采用博倫斯坦等人提出的元分析方法，通過對文獻進行檢索篩選與編碼的方法獲取實驗數據，計算虛擬實驗學習效果的平均效應值[12]。本研究使用CMA3.7（ComprehensiveMetaAnalysis3.7）作為數據分析工具，采用Hedges' g作為效應值指標。

（一）文獻檢索與篩選

1. 文獻檢索標準

本研究以Web of Science數據庫作為主要數據來源，檢索用中文關鍵詞包括學習成效和虛擬實驗，外文檢索詞包括simulation、virtual lab、virtual manipulation、 virtual experiment、 learning gain、learning outcome、learning achievement、learning effectiveness、 learning performance，關鍵詞通過“AND”和“OR”拼接使用。文獻檢索時間為2015年1月1日至2023年8月31日。

2. 文獻篩選標準

為得到精確的數據來源，在文獻篩選開始前，本研究制定了一系列排除規則：第一，研究方法需為實驗或準實驗；第二，自變量為虛擬實驗的對照實驗；第三，因變量為學習效果，應包含認知能力與非認知能力；第四，研究應提供完整的實驗數據；第五，學段為大學生，包括大專、本科、研究生。

（二）變量設定與編碼

本研究選取的調節變量包括：學科類型、知識類型、具身程度。編碼規則如下：（1）學科類型以教育部于2018年發布的《學位授予和人才培養學科目錄》為參考依據[13]；（2）知識類型為虛擬實驗所屬的知識種類，以安德森對知識的劃分為依據[14]；（3）虛擬實驗的具身程度包括高具身、中具身、低具身三個層級。本研究共有三名人員參與編碼，兩名人員首先進行編碼，當遇見分歧時由第三名人員進行再次編碼，確保編碼的準確性。

四、數據分析與結果

（一）虛擬實驗對學習結果影響的整體分析

1. 發表偏倚檢驗

本研究采用漏斗圖法（Funnel Plot）將研究結果的標準誤差與效應量繪制在同一張圖上，通過觀察圖形檢驗是否存在發表偏倚，發表偏倚如圖2所示。該圖表明，大部分效應值都集中在漏斗圖的上部有效區域內，且較均勻地分布在平均效應值的兩側，這表示所納入的研究樣本不存在明顯的出版偏差，本研究元分析結果具有可靠性。

2. 異質性檢驗與整體效應檢驗

異質性檢驗與整體效應檢驗結果見表2。本實驗共得到77條樣本量進行量化研究。本研究Q值為452.965（p<0.001），I2值為83.222%，表明本研究的異質性較高。因此，在進一步分析時應選擇隨機效應模型。最終得到虛擬實驗對學習效果的合并效應值為0.611，表明虛擬實驗對學習效果具有較高程度的正向促進作用。

（二）虛擬實驗對認知能力和非認知能力的影響分析

基于前人的研究結論[15-16]，本研究將學習結果分為認知能力和非認知能力。認知能力是指學生處理信息、記憶、思考、學習、解決問題等方面的能力，通常與智力相關，如學業成績和學習能力等；非認知能力則是指一個人的人格特質、情感控制、社交技能、動機和自我調節等方面的能力，通常與情感、性格、態度等方面有關，如臨場感、學習興趣、自我效能感、學習動機等。

虛擬實驗對學生認知能力與非認知能力都具有中等程度以上的顯著效果。虛擬實驗對認知能力的整體效應值為0.581（p<0.001），表明具有中等程度的正向影響；而虛擬實驗對非認知能力的整體效應值為0.673（p<0.001），表明虛擬實驗對學生的非認知能力的發展具有較高程度的促進作用。具體見表3。

（三）虛擬實驗學習結果的調節效應分析

從學科類型來看，虛擬實驗主要集中在醫學（N=42）、工學（N=12）和教育學（N=15），理學（N=8）相對來說研究較少。其中，工學的效應值為0.512，教育學的效應值為0.544，理學的效應值為0.463，醫學的效應值為0.703。整體來說，虛擬實驗在不同學科的效應值處于0.2至0.8之間，這表明虛擬實驗對不同學科的學習有不同程度的積極影響。虛擬實驗在醫學學科的效應值較高，說明虛擬實驗對醫學學習具有較高程度的正向促進作用；理學、工學和教育學的效應值在0.5左右，表明虛擬實驗對理學、工學和教育學的學習都具有中等程度的影響。

從知識類型來看，虛擬實驗用于程序性知識（N=60）學習的研究多于陳述性知識（N=17）的研究。陳述性知識的效應值（Hedges'g=0.976，p<0.000）高于程序性知識的效應值（Hedges'g=0.506，p<0.000），表明虛擬實驗更有利于學生學習陳述性知識。陳述性知識的效應值高于0.8，表明虛擬實驗對陳述性知識的學習具有較高層次的正向影響；程序性知識的效應值在0.5左右，表明虛擬實驗對程序性知識的學習具有中等層次的正向影響。

從具身程度來看，高具身虛擬實驗（N=35）與低具身虛擬實驗（N=27）應用較多，而中具身（N=15）虛擬實驗則相對較少。高具身虛擬實驗的效應值（Hedges' g=0.809，p<0.000）高于中具身（Hedges'g=0.520，p<0.000）和低具身虛擬實驗的效應值（Hedges'g=0.375，p<0.005）。高具身組的效應值高于0.8，表明高具身虛擬實驗對學生學習效果具有較高層次的正向促進作用；中具身效應值大于0.5，表明中具身虛擬實驗對學生學習效果具有中等程度的正向促進作用；而低具身組效應值為0.375，表明低具身虛擬實驗對學生學習效果具有較低程度的正向促進作用。研究發現，隨著具身程度的提高，虛擬實驗對學習效果越積極，則表明沉浸式的虛擬實驗更有利于提升學習效果。

（四）不同具身程度的虛擬實驗亞組分析

本研究進一步就不同具身程度虛擬實驗對學習效果的影響進行分析，結果見表4。

1. 高具身虛擬實驗對學習的促進作用及其調節變量分析

由表4可知，在認知能力方面，高具身虛擬實驗的整體效應值是0.714，表明高具身虛擬實驗對認知能力具有較高程度的正向促進作用；在非認知能力方面，高具身虛擬實驗的整體效應值為1.010，表明高具身虛擬實驗對非認知能力也具有較高程度的正向促進作用。

高具身虛擬實驗調節變量分析結果顯示：（1）從學科類型來看，高具身虛擬實驗在醫學（Hedges'g=0.892，p<0.001）和工學（Hedges'g=0.743，p<0.001）中對學生的學習成效具有較強的正向促進作用，在教育學（Hedges'g=0.588，p<0.001）中則具有中等程度的正向促進作用，但在理學（Hedges'g=1.681，p>0.05）中未達到統計學上的顯著意義；（2）從知識類型來看，高具身虛擬實驗對陳述性知識（Hedges'g=0.834，p<0.001）與程序性知識（Hedges'g=0.792，p<0.001）的學習具有較強的正向促進作用。

2.中具身虛擬實驗對學習的促進作用及其調節變量分析

由表4可知，在認知能力方面，中具身虛擬實驗的整體效應值是0.693，表明中具身虛擬實驗對認知能力具有較高程度的正向促進作用；在非認知能力方面，中具身虛擬實驗的整體效應值是0.407，表明中具身虛擬實驗對認知能力的發展具有中等程度的正向促進作用。

中具身虛擬實驗調節變量分析結果顯示：（1）從學科類型來看，中具身虛擬實驗對醫學（Hedges'g=0.691，p<0.001）具有中等偏上的正向促進作用，而在工學（Hedges'g=0.078，p>0.05）中則未達到統計學上的顯著意義；（2）從知識類型來看，中具身虛擬實驗對陳述性知識（Hedges' g=0.061，p<0.001）的學習具有較高程度的正向促進作用，對程序性知識（Hedges'g=0.382，p<0.001）的學習則具有較低程度的正向促進作用。

3.低具身虛擬實驗對學習的促進作用及其調節變量分析

由表4可知，在認知能力方面，低具身虛擬實驗的整體效應值是度的正向促進作用；在非認知能力方面，低具身虛擬實驗未達到統計學意義上的顯著水平（p>0.05）。

低具身虛擬實驗調節變量分析結果顯示：（1）從學科類型來看，低具身虛擬實驗在工學（Hedges'g=0.558，p<0.05）和教育學（Hedges'g=0.451，p<0.005）中具有中等程度的正向促進作用；但在理學和醫學中未達到顯著水平（p>0.05）；（2）從知識類型來看，低具身虛擬實驗對程序性知識（Hedges'g=0.279，p<0.05）的學習具有較低程度的正向促進作用，而對陳述性知識的學習則未達到顯著水平（p>0.05）。

五、結論與思考

本研究采用元分析方法，對36篇有關虛擬實驗對學習效果影響的實驗與準實驗研究論文進行分析。研究發現：（1）虛擬實驗對大學生的學習效果有中等偏上的正向促進作用；（2）虛擬實驗的應用效果受調節變量（學科類型、知識類型、具身程度）的影響而存在差異；（3）高具身虛擬實驗在醫學和工學等學科中的應用效果更好，利于程序性知識與陳述性知識的學習，對大學生非認知能力的發展有顯著影響；（4）中具身虛擬實驗在醫學等學科中的應用效果更好，有利于陳述性知識的學習，對大學生認知能力的發展有顯著影響；（5）低具身虛擬實驗在工學和教育學中的應用效果較好。綜合以上分析可以發現，不同具身程度的虛擬實驗對大學生的學習效果都具有較高的促進作用，且在不同學科、知識類型中也有不同程度的影響。依據研究結論，本研究給出如下建議：

（一）加速推進高具身虛擬實驗在高等教育的開發和應用

本研究發現，相比中、低具身虛擬實驗，高具身虛擬實驗對大學生的學習具有更好的效果。當前，圍繞立德樹人根本任務，教育部高度重視大學生實踐能力和創新精神培養，提出“以現代信息技術為依托，以相關專業類急需的實驗教學信息化內容為指向，以完整的實驗教學項目為基礎，建設示范性虛擬仿真實驗教學項目”，以支撐高等教育教學質量全面提高[25]。2019年以來，教育部共計認定了1194門國家級虛擬仿真一流課程，發布在虛擬仿真實驗教學項目共享平臺（www.ilab-x.com），涉及工學、理學、教育學、文學、歷史學、醫學等11個學科門類。然而，這些課程主要提供低具身虛擬實驗，高具身程度的實驗比例較低。為此，高校應以現有虛擬仿真一流課程為基礎，加速推進高具身虛擬實驗的開發及其在專業實踐能力培養中的應用，充分發揮高具身虛擬實驗的涉身性、情境性和生成性，調動學生的身體經驗，促進學生對知識的理解、遷移和技能形成。此外，在高校應建設相應的專業虛擬實驗室，針對專業學習中的“三高”與“四難”問題，開發或引入系列主題的高具身虛擬實驗，將虛擬實驗和真實實驗同樣納入實驗考核，使虛擬實驗對實踐能力培養的促進作用達到新的高度。

（二）選擇知識類型與具身程度相匹配的虛擬實驗

程序性知識和陳述性知識是人類學習的兩種典型知識類型。程序性知識強調操作技能培養，需要學生動手實踐，不斷重復實驗以掌握操作技能。高具身虛擬實驗提供高交互的虛擬學習場景和技能操作訓練，更適合于程序性知識的學習。相比之下，陳述性知識強調觀念與概念的理解，需要學生將注意力集中在對知識的理解上，并不需要與學習環境有過多的交互，因此，低具身虛擬實驗就可以滿足。不同具身程度的虛擬實驗各有其特點與優勢，高具身虛擬實驗可以提供較強的沉浸性與交互性，可以高度仿真學生動手實踐的虛擬場景，而低具身虛擬實驗場景設置較簡單，忽略很多虛擬環境中與學習無關的元素，有助于學生將注意力集中在對概念的理解中。因此，在實驗教學過程中，應匹配虛擬實驗的具身程度與知識類型，讓學生在具身合適的環境中完成不同知識類型的學習任務，充分發揮不同具身程度虛擬實驗的教學優勢，真正實現實驗教學效果最優化。

（三）中、低具身虛擬實驗具有低使用門檻，應加大推廣與應用的力度

本研究結果表明，中、低具身虛擬實驗對大學生實驗學習同樣具有中等程度的促進作用，這些虛擬實驗通過常見的個人電腦、移動平板或智能手機就可以使用，大大降低了使用門檻和應用成本。目前，教育部虛擬仿真實驗教學項目共享平臺提供了1194門國家級的虛擬仿真課程，涉及了全學科門類的虛擬實驗，這些課程以中、低具身虛擬實驗為主，且免費向社會開放。例如，同濟大學開發的“農田土壤重金屬污染生態修復虛擬仿真綜合實驗”，僅需要網絡瀏覽器即可訪問，其訪問人次超過257，380人，用戶數超過10，850人，這充分顯示了中、低具身虛擬實驗易于使用和推廣的優勢。因此，應加大這類低成本虛擬實驗的推廣和應用力度，組織更多高校利用虛擬仿真實驗教學項目共享平臺開展日常教學實驗和教研活動，進一步提升虛擬實驗的開放共享度。

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