普通高等学校虚拟现实教学研究:主题、脉络与趋势

葛 堃,徐海峰,刘晓媛

(江西师范大学,江西 南昌 330022)

一、前言

虚拟现实(Virtual Reality,VR)是指由交互式计算机生成虚拟环境,用户通过佩戴必要的身体外接设备增强一种或多种感官的反馈,从而与虚拟环境中的物品进行交互,使自身精神沉浸在虚拟环境之中[1]。20世纪90年代,美国将虚拟现实引入高等教育。目前,我国部分普通高等学校将虚拟现实引入教学环节,利用其交互性、沉浸性、三维性[2],开展高校实验教学、实训教学、沉浸式教学等一系列教学改革,越来越多的学者将目光聚焦在虚拟现实教学领域,开展了基础理论、应用机制、效果评价等研究。尽管学者们对虚拟现实教学领域的研究和探索日益加深,但对于该领域的相关文献尚缺乏系统性的梳理,因此,有必要对普通高等学校的虚拟现实教学研究做一些梳理和展望。本文运用知识图谱软件CiteSpace,通过可视化分析、词频分析、共现分析等方法,梳理我国普通高等学校虚拟现实教学研究主题、发展脉络、发展趋势,为我国普通高等学校虚拟现实教学未来发展提供参考和借鉴。

二、研究设计

(一)数据来源

本文研究数据来自CNKI数据库,检索方式采取高级检索中的“主题”检索,检索时间从不限年到2023年,文献来源勾选为SCI来源期刊、EI来源期刊、核心期刊、CSSCI和CSCD,检索截止时间为2023年7月10日,检索主题为“高校虚拟现实教学”,结果仅为14条记录。为扩大数据来源,以“虚拟现实教学”为主题进行检索,检索结果为402条。经对比分析,大多数文献属于普通高等教育的研究范畴。为进一步确保数据来源的相关性,对以上402条检索结果进行人工筛选,删除了非普通高等教育内容以及相关性较弱的检索结果,最终得到有效文献382篇。

(二)研究方法

本文基于文献计量理论,以CiteSpace作为研究分析工具,采用可视化分析、词频分析、共现分析等方法对相关文献进行定量研究。首先将筛选得到的382篇有效文献导入Citespace进行数据格式转换;然后,对关键词选项进行运算分析,形成可视化的关键词知识图谱;最后,结合关键词知识图谱和相关文献资料,探究该领域的主题、脉络以及发展趋势。

三、普通高等学校虚拟现实教学研究主题

(一)研究热点分析

文章关键词是对研究主题的高度概括和对研究热点进行分析时值得信赖的指标。本文选用关键词作为衡量指标,通过CiteSpace软件生成关键词共现图谱(图1),探究普通高等学校虚拟现实教学领域的研究热点。

图1 关键词共现图谱

关键词共现图谱共有451个节点,即451个关键词。在隐藏主题词“虚拟现实”以及剔除出现频率小于5的非高频关键词之后,得到高频关键词表(表1)。从关键词共现图谱、高频关键词分布、中心性角度分析并结合虚拟现实教学领域的文献研究,我国普通高等学校虚拟现实教学领域的研究热点主要分为以虚拟现实技术为背景的教学改革、虚拟现实技术在具体学科领域中的应用、虚拟现实教学平台或系统的构建。

表1 普通高等学校虚拟现实教学高频关键词表

(二)研究主题分布

为进一步探究关键词背后的研究主题以及分布情况,本文对关键词进行聚类分析,聚类算法选择Log-Likelihood Ratio(LLR)生成关键词聚类图谱,显示前16个聚类,如图2所示。结合关键词聚类图谱和高频关键词表,对普通高等学校虚拟现实教学研究主题进行分析归类。

图2 关键词聚类图谱

1.虚拟现实教学技术以及应用研究

该主题下的研究包括#0虚拟现实、#1增强现实、#7多媒体、#9交互性、#10仿真、#12超现实等聚类,展现了多种虚拟现实教学技术特点以及教学应用等。虚拟现实教学技术主要分为虚拟现实技术(VR)、增强现实技术(AR)、混合现实技术(MR)以及元宇宙(Meta)等大类。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、想像性等特点,能够将传统教学内容和知识可视化,增强学生学习过程中的沉浸和互动体验[3]。然而,虚拟现实技术在教学应用方面也存在不足之处,部分学者建议将增强现实技术应用于教学过程中,利用真实性、实时互动性等技术特点完善虚拟现实教学,提升教学效果[4]。在此基础上,孔玺等人从虚拟现实和增强现实相互融合的角度出发,提出混合现实技术,其虚实融合特性能有效提升学习者的沉浸感、代入感[5]。伴随元宇宙概念的兴起,有学者提出了教育元宇宙空间的全新构想,为未来教育形态提供了新的可能,赋予教育教学新的动力[6]。

2.虚拟现实教学平台搭建研究

该主题下的研究包括#3实验教学、#6教学平台、#11远程教育、#13实训教学、#14手术教学、#15仿真教学等聚类。随着对虚拟现实教学技术以及应用理论研究的不断深入,部分学者对虚拟现实教学平台的搭建展开研究,包括虚拟远程教学平台、虚拟实验平台、仿真教学平台和实训平台的搭建等。虚拟实验平台是由虚拟现实技术以及网络技术等生成的,进行仿真实验的平台,能够实现实验全过程虚拟化,与传统实验室教学相比,它具有资源共享、安全性高、不受客观实验条件限制等优点[7]。目前,越来越多的普通高等学校开展了虚拟实验教学平台或中心的建设工作,并尝试与理工类、医学以及应用型学科领域相结合,如土木工程、建筑学、化学、临床医学等。总体而言,虚拟教学平台的搭建对于优化教学过程、推进教学模式改革、加速教学模式现代化有着积极的作用。

3.虚拟现实下的教学模式改革以及教学设计研究

该主题下的研究包括#2教学模式、#4教学设计、#5教学效果、#8教学方法等聚类,展现了虚拟现实技术影响下,普通高等学校进行的教学模式改革以及教学内容的再设计。相关研究多基于情景学习理论、具身认知理论、建构主义理论等不同的理论视角。具身认知理论认为学习者可以通过自己的肢体或者感官来进行学习和认知,虚拟现实技术可以提供一个适宜的虚拟教学空间,实现感觉增强以及行为互动[8]。建构主义理论更多强调环境对于学习者的影响,尝试通过虚拟现实技术构建特定学习环境,帮助学习者利用已有的经验和知识促进新知识形成[9]。情境学习理论下的虚拟现实教学模式则看重学习过程中的知识和虚拟情境的相互作用,达到寓教于情的教学目标[10]。但无论是增强感官、行为互动,还是学习环境或情境的构建,其实都能够在虚拟现实技术生成的虚拟空间中实现。如果这个虚拟空间逐步完善内在生态,进一步打破虚拟与现实的边界,将有机会形成学者们所构想的一个独立于或平行于真实世界的教育元宇宙[6]。除了上述所提及的理论视角,部分学者还基于认知负荷理论、自主学习理论等提出了教学模式改革以及教学设计。

四、普通高等学校虚拟现实教学的发展脉络

为了更好地了解虚拟现实教学的发展脉络,本文绘制了我国虚拟现实教学研究发文量年度变化趋势图(图3)。同时,将图1的关键词共现图谱以时区视图的形式呈现,得到关键词共现时区图(图4)。在探究虚拟现实教学领域的关键词共现时区分布和发文量趋势的基础之上,通过文献分析,将国内普通高校虚拟现实教学的发展进程大致分为技术应用、实践探索、深化研究三个阶段。

图3 1996-2023年虚拟现实教学研究发文量趋势图

图4 关键词共现时区图

(一)虚拟现实教学技术应用阶段(1996-2003年)

20世纪90年代末期,我国将虚拟现实技术引入教育领域中,并开始对“虚拟现实+教学”展开应用研究。图4显示,虚拟现实、实验教学、人机交互、远程教育都是该阶段的主要关键词。在这个阶段,虚拟现实技术属于新兴技术,人们对于虚拟现实技术的概念、构成以及功能尚缺乏充足的了解,研究主要聚焦在多种虚拟现实技术本身,聚集虚拟现实技术在具体学科应用中的构想、虚拟现实技术对于教学领域的影响与作用等。同时,该阶段处于虚拟现实教学研究的起步阶段,发文量总体偏低,呈现先上升后下降的趋势。

(二)虚拟现实教学实践探索阶段(2004-2015年)

对虚拟现实教学应用理论的探索以及虚拟现实技术的更新迭代,虚拟现实教学进入了以教学平台或系统设计为主要研究内容的新阶段。并且教育部在2013年发布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》,为虚拟现实教学的发展提供政策上的支持,积极推动了虚拟现实教学从应用理论研究走向实践教学探索。这个阶段的关键词主要包括实践教学、增强现实、虚拟实验、教学模式、教学改革等。学者们的研究重点从虚拟现实技术本身以及理论框架构想转变为实际教学过程中的实践探索,如虚拟现实教学平台或系统的构建、虚拟仿真实验室的搭建、教学模式以及教学设计的探索等。

(三)虚拟现实教学深化研究阶段(2016年至今)

2016年被称为“虚拟现实元年”,源于该年虚拟现实技术的成熟以及虚拟现实可穿戴设备的便携性和稳定性的大幅优化[11]。虚拟现实技术和设备上的进步为虚拟现实教学在应用实践和推广普及等方面提供了强劲的驱动作用[12]。同时,教育部在2018年发布《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》,有力推动虚拟现实教学在理论和应用方面迈向深化研究阶段。这个阶段的关键词包括具身认知、虚拟仿真、教学实践、元分析等。研究内容的深化,主要体现在虚拟现实教学系统或平台功能的完善以及体验感的优化,尝试从更多理论视角上提出切实可行的教学模式和教学设计,把更多的学科尝试与虚拟现实技术融合等。部分学者还针对虚拟现实教学的教学效果以及影响因素展开了探究。

五、普通高等学校虚拟现实教学的发展趋势

虚拟现实教学研究在理论和应用层面已取得一定进展,但仍存在不足之处,主要体现在:虚拟现实教学在理论研究的方向上存在欠缺、虚拟现实教学技术和设备的优化不足。同时,伴随元宇宙的兴起,部分学者提出“元宇宙+教学”的新设想,但在其应用价值、融合机制、效果评价等研究方面都有待深入挖掘。因此,未来虚拟现实教学的研究可以从以下三个方向展开探索。

(一)对虚拟现实教学理论展开深入研究

当下,虚拟现实教学的理论研究内容聚焦于虚拟现实技术在具体学科中的应用,包括教学模式变革、教学设计以及效果评价等。涉及虚拟现实教学效果评价研究较多,部分学者基于国内外虚拟现实教学效果评价成果,尝试通过元分析方法探究教学效果,总结得出了虚拟现实教学与传统教学相比,对学习成绩的影响更有效的结论[13]。但因实验样本数量、实验周期、学科、学段以及虚拟现实呈现方式等调节变量差异,也有学者得出了虚拟现实技术对学习方面影响不显著的结论[14]。在虚拟现实教学效果评价这个问题上,学界仍然存在分歧,尚未取得一致性的结论。值得关注的是,当前虚拟现实教学理论研究大都以学生作为研究主体,以教师为研究对象的成果较少。虚拟现实教学理论研究须关注教师这个重要群体,如探讨虚拟现实技术对教师的教育作用,提升教师专业技能满足当下虚拟现实教学需求等。此外,国际上涉及虚拟现实教学的研究不多,相关研究主要从增强现实和虚拟现实在学习中的应用出发,分析教师对新技术接受度的影响因素[15];也有比较分析虚拟现实教学和线下课堂教学,在教学效果或教学反思效果上的差异[16]。这些成果能够为国内研究提供借鉴。

(二)虚拟现实教学技术和设备的优化研究

虚拟现实技术经历了快速发展阶段,虚拟现实设备也从商业级向消费级过渡,但是当前的虚拟现实技术和设备仍存诸多问题:头戴显示设备使用晕眩感较强,虚拟仿真的真实度、沉浸度欠佳,缺乏有效的学习监控和评估工具等[3]。这些问题会导致教学过程中的教学效果弱化以及对学生学习状况的了解程度减低,学生学习的体验感和沉浸感也会大打折扣[17]。为了推动虚拟现实教学设备的优化进度,学者们可以探究虚拟现实环境下的学习逻辑和机制等[18],为教育技术开发人员提供底层的学习逻辑框架,促进虚拟现实设备功能上的完善。虚拟现实教学设备功能和舒适度的完善优化,对于加快虚拟课堂普及、提升教学质量有着至关重要的作用。未来,对于虚拟现实教学技术和设备的持续优化研究势在必行。

(三)元宇宙下教学新生态建构研究

目前关于元宇宙的概念和内涵没有统一的共识。有学者认为元宇宙是虚拟现实以及增强现实等技术下的概念具化,其特点是打破虚拟与现实的界限,本质是一个平行于现实世界的在线数字空间[19]。部分学者则认为元宇宙不是与现实世界相平行的空间而是现实折射出的空间,因为平行意味着没有交集,而元宇宙与现实世界的边界并不清晰[20]。这些定义虽然在理解上有所区别,但都认为元宇宙具备超越现实的空间属性。教育元宇宙的相关研究主要集中在理论体系的构建,包括概念辨析、结构体系构建以及实施路径等。事物皆有两面性,在看到教育元宇宙所蕴含的教育价值的同时,有学者已经注意到教育元宇宙所面临的风险和挑战并提出了应对策略[21]。针对教育元宇宙的研究尚处于探索和启发阶段,研究将进一步聚焦理论构建、实践应用、效果评价等方面,以创造教学新生态、推动教育数字化转型。

六、结语

本文聚焦CNKI数据库中的382篇相关文献展开分析,阐述了普通高等学校虚拟现实教学研究的研究主题、发展脉络、发展趋势。

从研究主题来看,当前我国高校虚拟现实教学研究主要集中于三个方面:虚拟现实技术以及在教学中的应用、虚拟现实教学平台搭建、虚拟现实下的教学模式改革以及教学设计。这三个方面又分别对应着我国虚拟现实教学的三个发展阶段,即虚拟现实教学技术应用阶段、虚拟现实教学实践探索阶段、虚拟现实教学深化研究阶段。在对虚拟现实教学研究主题和发展脉络进行梳理的过程中,笔者发现有关虚拟现实教学理论研究方面有所欠缺,主要集中在虚拟现实教学的效果评价和教师教育问题上。在虚拟现实教学技术和设备优化问题上,学者们应该积极推动虚拟现实技术下学习机制的研究,构建虚拟现实学习框架,为教育技术人员提供底层开发逻辑,进而对设备功能进行完善和优化。同时,元宇宙背景下的“元宇宙+教育”研究在我国刚进入启发和探索阶段。元宇宙在与教育进行融合的阶段过程中,需要从概念界定、教学效果、融合机制等方面去分析,不断地补充和完善该领域。未来,教育元宇宙将是一个重要的研究主题。

综上所述,虚拟现实技术的出现和发展让传统教学在教学模式、教学方法上发生了巨大改变,为学习者带来了更具沉浸性、互动性的学习体验,激发了学习者的学习兴趣。目前,虚拟现实技术已经与理工类以及医学等学科进行了深度的结合探索,开展了仿真实验教学和实训教学等教学实践,虚拟现实教学的应用前景开始显现。下一步,应推动虚拟现实技术与更多的学科融合,并且优化虚拟现实教学技术和设备,促进虚拟现实教学的普及率,提升高校虚拟现实教学水平和教学效果,让更多的学习者参与到虚拟现实教学活动中,并从中受益。