国际虚拟现实教育应用演进趋势与启示

　　摘 要：為厘清国外虚拟现实教育应用研究演进趋势，以 “Virtualreality”和“Education”为中心关键词，利用CiteSpace对Web of Science核心合集2004-2019年间收录的658篇文献进行可视化分析。结果发现，国外虚拟现实教育研究演进趋势呈现局部到整体、整体再到局部的发展态势。 由此提出我国虚拟现实教育应用研究发展方向应集中于3个方面：①深化虚拟学习，通过在线虚拟仿真教育打造校际间深度学习共同体;②优化学习空间，构建多功能化虚拟学习环境以实现特殊教育与基础教育的有机融合;③落实教育理念，利用跨学科虚拟学习资源促进教育个性化、多样化和开放性发展。

　　关键词：虚拟现实;虚拟现实教育;可视化分析;研究热点;研究趋势

　　0 引言

　　基于觀察学习的虚拟现实(Virtual Reality，VR)教育历经30余年发展，成为世界各国核心素养发展战略。其中，英、美、德等发达国家从国家教育改革层面提出虚拟现实技术在教育中的应用是推动教育改革的重要技术手段。随着虚拟现实技术快速发展，其在教育领域的应用优势日益凸显。我国虚拟现实教育也进入发展阶段。2017年，《教育十三五规划》首次提出虚拟现实及其教育应用，并将虚拟现实技术视为未来教育发展的有利工具[1];2018年，教育部发布《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目》的通知，该通知要求现代教育需强化“以能为先”的人才培养理念，通过虚拟仿真教学项目达到提升教学质量和水平的目的[2]。由此可见，虚拟现实教育已融入当代学科教育中，并结合机器人、超媒体等技术，在不同学科、不同人群中得以应用，推动我国教育改革发展。

　　本文利用CiteSpace信息可视化软件对Web of Science核心合集数据库中收录的2004-2019年有关虚拟现实教育应用的期刊文献数据进行分析，以探讨国外虚拟现实教育研究前沿与研究趋势，为今后我国虚拟现实教育本土化发展提供借鉴和支持。

　　1 研究设计

　　1.1 数据收集与整理

　　本文以Web of Science核心数据合集为数据来源。为兼顾查准率与查全率，本文选择主题检索，且在检索时将检索条件设定为“Web of Science核心合集”，以初步剔除不必要的文献，随后将检索内容设置为“Virtual reality”、“Education”，时间跨度为2004年-2019年(因发表在Web of Science核心合集上的第一篇虚拟现实教育应用研究相关文章发表于2004年)。同时，删除与本主题明显无关的文献(征稿启事、会议通知等)，并通过精炼出版物剔除非教育类刊物。最终得到658篇文献作为研究样本，以纯文本格式导出，每条数据记录主要包括文献作者、题目、摘要、机构等信息，数据具体筛选如表1所示(检索时间：2019年9月13日)。

　　1.2 研究工具与方法

　　本研究主要采用知识图谱分析、聚类分析等对文献进行定量分析。可视化研究工具是由美国德雷塞尔大学(Drexel University)陈超美研发的CiteSpaceIII，该软件适用于多元、分时、动态的复杂网络分析，目前已广泛应用于分析和探测某学科或领域热点主题及其演进趋势。

　　使用CiteSpace分析虚拟现实教育应用研究的具体步骤为：新建两个文件夹分别命名为data和project，将从Web of Science中导出的文献数据命名为download_xxx格式，并将文本文件放入data文件夹中;将时间跨度设置为2004-2019年，间隔为1年;节点阈值设置为(2、2、20)，表示2004-2019年Web of Science数据库核心数据合集中，虚拟现实教育应用文献每年被引频次或出现频次最高的前20篇;选择路径发现(Pathfinder)的剪切连接方式以简化网络结构突出重要特征，并采用聚类静态(Cluster View-static)与展示整个网络(Show Merged Network)的可视化方式呈现最终分析图谱。

　　2 知识图谱分析结果

　　2.1 发文量时间分布情况分析

　　2004-2019年国外虚拟现实教育应用研究的文献发行数量年均分布情况如图1所示，从中可以看出虚拟现实教育应用研究发展分为缓慢和快速两个发展阶段。缓慢式发展阶段(2014年以前)囿于虚拟软硬件技术限制，虚拟现实应用尚未普及，因此在2004-2014年近10年间发文量总体处于较平稳的缓慢上升状态;自2014年Facebook以20亿美元收购VR厂商Oculus后，虚拟现实教育应用进入快速发展阶段，各主流企业为抢占虚拟产品市场，不断进行VR(触觉、视觉等)研发与改进，虚拟现实技术得以快速发展，由于虚拟现实不但能通过提供丰富的可视化素材调动学习者积极性，还能为学习者搭建个性化自主学习空间，在教育领域具有极大发展空间与潜力。因此，自2014年虚拟现实教育应用研究发文量呈现出快速增长趋势。

　　2.2 研究主题演进过程分析

　　基于关键词聚类生成的时间线图谱如图2所示，通过该图谱可清晰看出各研究主题关联性、传承性及研究焦点演进轨迹。本研究结合该图谱对生成的8个聚类研究主题进行深度剖析，以揭示虚拟现实教育应用研究发展过程。

　　图2中聚类主题共有8个，分别是腹腔镜检查(Laparoscopy)、合作/协作学习(Cooperative/Collaborative Learning)、医学教育(Medical Education)、游戏化学习(Game-based Learning)、自闭症(Autism)、结构方程建模(Structural Equation Modeling)、多媒体/超媒体系统(Multimedia/Hypermedia Systems)、机器人学(Robotics)，对各聚类主题分析如下。

　　主题0腹腔镜检查(Laparoscopy)是虚拟现实技术在医学中的一种应用，相较于开放性手术而言，腹腔镜手术优势明显，它通过减少组织创伤和患者疼痛，缩短患者恢复时间，并降低手术成本。但是腹腔镜手术不仅需长时间的前期手术培训，还需要专家监督与指导。基于虚拟现实技术的腹腔镜模拟器为学生临床手术技能培训提供了一种低风险、高保真、低成本且可重复练习的工具。托拜厄斯(Tobias)等[3]将VR腹腔镜模拟器与可穿戴式VR设备结合在一起，通过模拟器将标准腹腔镜场景与手术室中的人物视频等进行集成，创建高度沉浸式VR环境，以此优化医学生临床技能。

　　主题1合作/协作学习(Cooperative/Collaborative Learning)是一种“以学生为中心”，通过学习者之间相互合作完成特定小组任务的学习方法，可增强学习者合作與参与意识，支持学习者主动学习[4]。已有研究表明，学习者对沉浸式多用户虚拟协作学习感兴趣的原因是虚拟学习系统可提供一种超越文化、语言、时间与空间的交互模式，该模式不但可为学习者提供创造性发展批判性思维的机会，还能使虚拟环境中的每个虚拟个体发挥重要作用，更好地支持学习者协作学习[5-6]。Cho等[7]设计了由教师控制的虚拟学习伙伴，将学习者分成不同小组，并以协作观察的方式解决地理地形问题。研究结果发现，在协作虚拟环境中，学习者不仅可与虚拟学习伙伴进行有效讨论以解决实际问题，还可通过该环境发展自身协作技能。

　　主题2是医学教育(Medical Education)。医学是一门特殊学科，其教学瓶颈在于教学过程中难以通过描述和简单的表示解释抽象的教学内容，从而导致学习者无法收获深刻的情感体验。虚拟现实学习环境通过沉浸性拟真交互界面，培养医学生学习兴趣，拓宽其知识面，有效支持其理论学习。如学习者可以打破空间限制，通过进入到生物医学分子和身体结构中细致观察。同时，学习者还可安全地进行各种人体实验，如虚拟心脏搭桥手术。除此之外，虚拟学习环境还可打破时间限制，如生物遗传学中某些遗传定律可能需花费几个月甚至更长的时间完成整个实验，但是在虚拟环境中，学习者可通过加速植物生长缩短实验时间，大幅提升学习效率。

　　主题3游戏化学习(Game-based Learning)是教育工作者为更好调动学生学习动机和积极性，将游戏嵌入到各学科中，通过完成游戏认知学习相关知识的一种学习方式。已有研究表明，游戏化学习可改变传统单调、枯燥的讲授式教学方式，通过建立与物理世界和游戏世界的联系帮助学习者学习课堂知识，同时提高学习者动机与参与度。近年来，虚拟现实在游戏领域呈现产业链式快速发展，关注于提升学习者学习动机和参与度、并将虚拟学习与游戏化学习有机结合于教育的应用愈加广泛。其中，Wongta等[8]设计了基于游戏的虚拟学习环境，在该环境中，研究者将选定的植物球形照片嵌入到游戏中，学习者可通过完成游戏任务学习植物分类学相关知识。结果表明，虚拟现实游戏互动性与沉浸性可激发学习者学习兴趣;Chintiadis等[9]开发了一款基于希腊神话故事的虚拟现实教育游戏，在该游戏中嵌入雅典卫城审判案的故事情节，并设置了解秘密任务、多项选择及问答游戏，学习者通过与游戏角色(希腊神话中的英雄)的互动，获取相关解密线索，完成最终任务学习。结果表明该游戏可极大改善学习者体验，提升其课堂参与和积极性。

　　主题4为自闭症(Autism)。自闭症是一种发育性障碍疾病，患者往往无法维持稳定的人际关系，也无法进行正常的工作和学习。随着信息和通信技术的发展，研究者采用机器人技术、交互式视频、基于网页的协作式学习环境及眼动仪等尝试改善自闭症学习者心理缺陷[10-11]。研究结果表明，自闭症学习者对技术支持下的视觉刺激有积极反应，同时通过顺利完成各种数字技术支持下的学习任务，收获相应学习成效[12]。可为学习者营造良好视觉可视化效果的3D协作虚拟学习环境逐渐得到教育研究者重视，该技术可通过为自闭症学习者提供一个拟真的虚拟情境，帮助其练习相应技能并完成学习任务。在此基础上，还有学者探索了虚拟学习环境对自闭症学习者知识与技能发展的影响。如Glaser等[13]在研究中发现，三维虚拟学习环境可以通过自由和个性化操控适应自闭症学习者独特需求，以促进自闭症学习者知识与技能习得。

　　主题5结构方程模型(Structural Equation Modeling)是一种基于变量的协方差矩阵，可用以分析难以直接进行准确测量的潜在变量(如智力、学习动机、家庭社会经济地位等)间的关系。由于虚拟现实在教育中的应用主要通过高度沉浸可视化的交互性学习环境丰富单调枯燥的传统学习，学习者自我效能感、学习参与度、学习动机与兴趣等会随之发生潜移默化的改变。为保证研究可靠性和严谨性，研究者需使用结构方程模型分析研究中存在的潜在变量，以期得到信度更高的研究结果。

　　主题6多媒体/超媒体系统(Multimedia/Hypermedia Systems)包含丰富的图片、文字和素材等，可为虚拟现实学习环境构建提供有力支持。如Borisov等[14]将虚拟现实技术集成到多媒体信息系统中，使多媒体系统丰富的素材与虚拟环境融合，以更加逼真的形式呈现具有富含文化和历史内涵的情境，以帮助学习者收获良好的学习效果;Nóbrega等[15]将交互式3D图像或视频插入到多媒体应用程序中，以构建一个内容更丰富的虚拟现实环境。

　　主题7为机器人学(Robotics)。虚拟现实在机器人学科中的应用集中于机器人手术技能课程培训。由于机器人手术具有精度高、错误率低的特点，近年来其在临床手术中的应用不断增加，这使年轻医生利用机器人手术技能提升能力的需求上大幅增加，但由于专门用于训练目的的机器人成本较高，且所需空间较大，导致新手医生很难在现实课堂中使用机器人进行训练。因此，可突破成本和空间局限的虚拟机器人技能培训具有独特优势。Bric等[16]的研究表明虚拟机器人手术技能培训课程可显著提高新手医生操作熟练水平;同时，Hovgaard等[17]在研究中通过对比实验发现重复训练对新生医生机器人手术技能训练具有重要影响，由于虚拟环境下不受素材与成本限制，手术过程具有可逆性，医生可通过重复练习强化手术技能。

　　通过时间线图谱，可清晰看到各研究主题出现的时间节点及研究起止时间。由图2可以看到，由关键词聚类生成的8个主题，按照时间节点出现顺序分别是：主题0(腹腔镜检查)、主题2(医学教育)、主题1(合作/协作学习)、主题6(多媒体/超媒体系统)、主题3(游戏化学习)、主题5(结构方程模型)、主题4(自闭症)和主题7(机器人学)。整体来看，国外虚拟现实教育发展呈现局部到整体、整体再到局部的态势。其中，从主题出现的顺序可以看出，国外虚拟现实在教育中的应用最早出现在医学教育中，而后随着多媒体技术的不断发展，虚拟现实逐渐扩展到化学、生物等其它学科，形成整体学科教育应用的局面。而后，由于虚拟现实技术在娱乐领域的快速发展，与游戏化学习结合的优势日渐凸显，同时，为了更好地研究虚拟游戏化学习对学习者动机、自我效能感、参与度等潜变量的影响，结构方程模型被引入研究，以便对结果进行更严谨的阐释。

　　3 启示

　　从主题研究过程分析中可以看出，当前国际虚拟现实教育应用研究主要集中于学科教育(如医学、科学)、学习方式融合与创新发展(如合作学习、游戏化学习)、优化特殊群体学习等方面。基于此，本文提出我国未来虚拟现实教育应用研究发展方向。

　　(1)深化虚拟学习，通过在线虚拟仿真教育打造校际协作的深度学习共同体。校际协作学习指基于互联网开展校际学习活动，以实现校际间教育资源共享，促进教育均衡发展[18]。在线教育的发展为校际协作学习提供了基础条件，但在学习型社会构建过程中，在线教育教育效果并不理想，最主要原因是在线教育仅停留在浅层学习上，无法促进学习者情感、行为和认知上的有效参与并形成深度学习[19]。在此基础上，教育部于2019年发布了《关于促进在线教育健康发展的指导意见》，该文件指出各部门需抓住5G契机，通过打造在线虚拟仿真教育，促进在线深度学习共同体构建。在线虚拟仿真教育构建的虚拟学习社区不但可通过多地远程并班和互动教学打破空间界限，还可通过课内外学习信息融合联通打破严格的时间限制，这也促进了校际学习者之间的沟通与交流，可有效调动学习者情感参与、行为参与和认知参与，最终促进校际深度学习共同体形成。但目前国外虚拟现实在线教育研究主要聚焦交互式在线学习[20]、在线医学模拟[21]、在线教育与多媒体系统有机融合[22]等，而国内虚拟现实教育应用研究局限于小规模线下学科教学，尚未涉及在线教育相关研究，二者在如何打造校际深度学习共同体方面还缺乏有效的研究和论证。同时，我国在线教育存在缺乏师生交互、课程单一、资源共享和学习者管理困难等问题，因此，从教育长远规划和发展趋势来看，我国需在技术快速发展的大背景下，重点推进虚拟在线仿真教育，以弥补目前国内在线教育不足。

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文章名称： 国际虚拟现实教育应用演进趋势与启示

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