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沉浸式虚拟环境中的心流体验与移情效果研究

分类:(四) 发表时间:2019-08-15

一、引言 随着信息技术在教育中的深入应用, 我国进入了教育信息化2.0时代。技术的进步为教育提供了多种选项:大数据、人工智能、云计算、虚拟现实 (Virtua Reality, 以下简称VR) 等新技
一、引言
 
 
随着信息技术在教育中的深入应用, 我国进入了教育信息化2.0时代。技术的进步为教育提供了多种“选项”:大数据、人工智能、云计算、虚拟现实 (Virtua Reality, 以下简称“VR”) 等新技术的层出不穷为新的教学应用模式提供了“新武器”[1]。以虚拟现实和人工智能等新技术开展具身学习及个性化学习等教与学的活动, 成为教育信息化2.0时代教育发展的新要求[2]。2018年12月25日, 工信部发布《工业和信息化部关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》 (以下简称《意见》) 。《意见》指出:“要推进虚拟现实技术在高等教育、职业教育等领域和物理、化学、生物、地理等实验性、演示性课程中的应用;促进虚拟现实教育资源开发, 实现规模化示范应用, 推动科普、培训、教学、科研的融合发展。”[3]可以看出, VR在教育领域的重要性越来越突出, 我国政府通过政策引导和支持“VR+教育”的发展, 为VR与教育领域的创新融合应用提供了新的机遇。
 
 
当前, VR已经被应用于教育和社会等各个领域, 并发挥着重要作用。例如, 提升学习者解决几何问题的能力[4];为进食障碍者提供心理治疗, 帮助他们克服身体形象的扭曲[5];减少人们的社交焦虑症[6];引发人们积极情绪的改变等[7]。VR具有仿真虚拟世界的构造、强烈的多感官交互的特点, 可以创建一种真实世界的替代空间, 同时, 为用户提供身临其境的感觉和自然的交互方式, 提高感性和理性认识[8,9]。它的核心作用之一是构建沉浸式虚拟环境 (Immersive Virtua Environment, 以下简称“IVE”) 。这种环境所营造的沉浸式学习方式具有增强性 (Engagement) 、再现性 (Evocation) 和证据性 (Evidence) 的3E特征[10]。在学习过程中, 如何借助IVE为学习者提供丰富的学习场景, 使学习者获得最佳的感官体验及学习效果, 是未来IVE与学科课程进行融合应用的一个重要研究方向。因此, 为了更加完整和全面地了解学习者的学习过程, 就需要从心理学的视角探究学习者在学习过程中产生的一些心理状态 (如心流、移情等) , 了解学习者学习时的内在心理活动及情感体验效果。心流 (Flow) 是个体全身心投入某项活动时所产生的积极情绪体验, 移情 (Empathy) 则需要个体能够感同身受地去理解客观“对象”的情景及感受[11,12]。IVE可以为学习者提供一个全沉浸式的虚拟环境, 为心流和移情的发生提供机会。一般来讲, 不同的信息技术工具所构建的学习场景及知识呈现形式, 会对学习者的心流和移情产生不同程度的影响。基于此, 本文试图探究学习者在IVE中学习科学知识过程中产生的心流和移情, 并进一步分析IVE对学习者的心流体验和移情影响效果。
 
二、研究综述
 
(一) 心流体验
 
 
心流 (Flow) 的概念, 最初由美国著名心理学家Csikszentmihalyi于1975年提出, 指个体强烈地参与一项活动时的认知状态[11]。Celsi等人认为:“心流是一种现象学状态, 在这种状态下, 自我、自我意识、行为和环境构成了全身心的独特体验”[13]。当个体专注于某项活动时, 就会产生心流, 主要表现为注意力高度集中、感到时间飞逝、充满愉悦感等[11]。心流理论 (Flow Theory) 是指人们的专注和愉快体验, 是了解人们持续性地使用信息技术工具的一个流行理论框架。它的核心是心流体验 (Flow Experience) , 当个体处于心流体验状态时, 他们的意识仅限于活动本身, 并且丧失自我意识, 充满愉悦感[11,14]。按照心流理论, 将心流体验划分为“技能与挑战的平衡”“清晰的目标”“及时的反馈”“注意力高度集中”“控制感”“行动与知觉的融合”“时间扭曲”“丧失自我意识”“具身体验”九个维度[15]。相关研究表明, 心流体验更可能激发个人动机并达成积极的结果[16]。
 
 
当前, 学者们对心流体验在不同教育领域中的应用情况进行了相关探索, 包括数字化游戏学习、体育实践教学、创造性产品设计、信息技术应用、网络购物、在线游戏体验等。陈奕桦等人探讨了数字化游戏学习环境中影响学习者心流体验的因素, 结果表明, 学业能力与社会互动倾向对学习者的心流体验具有交互作用[17]。在体育教学实践方面, Kawabata探讨了促进心流干预项目的有效性, 研究发现, 该项目能够有效促进体育教学环境中学习者的心流体验[18]。从创造性产品设计的角度来看, 杨晓哲等人通过构建虚拟现实技术和脑波 (Electroencephalography) 整合的学习环境, 调查了个体的创造力行为与其创造性大脑 (要求参与者设计一个开放的虚拟产品) 之间的联系, 并进一步探讨了个体的创造力及其相关的因素 (包括心流、注意力和冥想) 的影响效果[19,20]。Pilke调查了学习者在信息技术应用过程中的心流体验, 结果发现, 学生在计算机上进行文字处理、编程、视觉设计以及信息检索等任务时, 心流体验较为频繁发生[21]。对于心流体验在网络购物方面的研究, Hsu等人分析了心流体验与网络购物行为的关系对用户特征 (包括信任程度、购买意愿以及自信心) 的影响, 结果发现, 心流体验与网络购物行为具有显著的正相关, 当用户对商品的信任程度、购买意愿以及自信心越高时, 心流体验对网络购物行为的影响就越大[22]。除此之外, 在线游戏体验也能够唤起人们的心流体验和积极情绪[23]。整体而言, 当前学者们针对心流体验的应用研究还是较多集中于网络生活、商业应用等领域, 研究对象也较多集中于高等教育及成人教育领域, 而针对中小学生的一些学科教学实践研究还较少。
 
(二) 移情
 
 
从广义上来讲, 移情 (Empathy) 指个体对他人观察到的体验感受[12]。Davis认为, 移情包括认知和情感两个方面, 他将移情划分为四个维度:“移情关注”“观点采择”“想象”“个人忧伤”。前两者属于认知移情范围, 后两者属于情感移情范围[12]。认知移情是“在不实际经历他人情感时对他人条件或者思维状态的智力或者想象的理解”[24,25], 情感移情是“对他人情感经历的积极响应”[26]。“移情”一词最初由德国美学家Vischer作为美学术语使用, 随后由美国心理学家Titchener引入心理学领域。此后, 来自不同领域的专家学者们开始关注移情, 并将移情引入自己的研究中。
 
 
以虚拟世界为背景的讲故事、仿真游戏是否影响移情进入研究者们的视野。Shin探究了沉浸式虚拟现实技术在讲故事过程中的应用, 研究表明, 学习者学习体验、临场感以及心流体验的认知过程会影响个体如何表达VR故事及产生移情[27]。Bachen等人从心流、存在感以及字符识别三个角度分析了地震模拟游戏对移情产生的效果及学习兴趣的影响, 研究表明, 存在感能够显著提高人们的全球化移情能力, 而这种移情能力又能提升学习者的学习兴趣[28]。站在学习者角度设计教学活动, 促使学习者产生移情体验引起了研究者们的关注。陈为东等人构建了基于图片优势效应的移情式教学设计模型, 为图片应用于移情式教学提供了可借鉴的参考途径[29]。移情作为语言交往中的重要因素, 进入了课堂教学实践和研究者视野。有研究者探讨了高校英语课堂教学中师生之间的移情及合作, 结果表明师生感情的作用是相互的, 教师和学生都期待对方的移情[30]。此外, 与移情相关的研究领域还包括对牙科专业的学生进行移情培训、帮助自闭症儿童提高移情表现等[31,32]。
 
 
综上, 有关移情的研究主要还是集中在叙事移情、语言移情、移情式教学设计等方面, 有关IVE在辅助知识学习、提高移情等方面的研究尚不足。基于此, 本研究基于虚拟现实技术, 构建了IVE下的科学教育实验, 以探究IVE对学习者心流体验及移情的影响。具体而言, 本研究聚焦以下三个问题: (1) 基于VR的沉浸式学习能否提升学习者的心流体验? (2) 基于VR的沉浸式学习能否提升学习者的移情能力? (3) 基于VR的沉浸式学习能否促进学习者对科学知识的理解, 提高学习成绩?
 
三、实验设计
 
 
本研究采用实验组和控制组对照的实验设计, 分别对两种不同形态的学习环境 (视频学习环境及沉浸式虚拟环境) 下的学习者进行前后测, 以验证沉浸式虚拟环境中学习者的心流体验及移情效果。
 
(一) 研究对象
 
 
本次实验研究对象为上海市某中学七年级的62名学生, 其中男生32人 (52%) , 女生30人 (48%) , 年龄范围在13~14岁之间。实验前, 开展问卷调查了解学习者在使用虚拟现实设备、视频学习方面的基本情况。调查结果显示, 49名学生 (79%) 已经有视频学习经验, 29名学生 (47%) 体验过虚拟现实设备, 但是所有学生并没有使用虚拟现实设备进行相关知识学习的经历。
 
(二) 学习内容
 
 
本次实验学习内容为《人体之旅》科学教育视频。该视频主要阐述了细胞在人体内的运作流程。在视频中, 学习者将化身为一个超级微小的机器人, 坐在飞行探测器中, 穿梭于身体的微观世界中, 学习各种各样细胞的组成结构和功能的相关知识, 体验客观世界无法亲身经历的学习场景。之所以选取该视频, 是由于其中的部分知识内容来自于科学课本, 能够有效拓展学生的课外知识范围。《人体之旅》视频选自VIVEPORT平台, 视频内容资源由The Body VR LLC公司开发, 长度为13分钟左右。可以采用电脑、VR头盔进行视频的学习。视频界面如图1所示。
 
图1 视频内容界面  
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(三) 研究工具
 
1. 沉浸式虚拟现实设备
 
 
HTC Vive是由HTC电子公司和维尔福软件公司联合开发的一款沉浸式虚拟现实头戴式设备。它由一个头戴式显示器、两个单手持控制器、一个能在空间内同时追踪显示器与控制器的定位系统 (Lighthouse) 组成。使用这种头戴式显示器和运动控制器的高性能主机VR系统, 沉浸感和交互性最佳, 学习者可以得到最佳的个体体验[33]。因此, 实验选取了全沉浸式的VR设备, 每套设备单人体验, 同时, 给予其一定的体验空间。
 
 
其中, 实验组使用台式电脑来连接HTC Vive头戴式设备, 在VIVEPORT平台上观看视频。电脑基本配置为:处理器为IntelRCore (TM) i7-CPU, 安装内存16.00G, 操作系统为Windows 10。控制组采用笔记本电脑观看视频, 电脑基本配置为:处理器为IntelR Core (TM) i5-CPU, 安装内存为8.00G, 操作系统为Windows 10。
 
2. 问卷
 
 
心流的测验采用Pearce等人开发的心流问卷, 共11道题[34]。其中, 问卷部分题目为:“在这个学习活动过程中, 所做的事都有把握, 且结果都和我预期的一样”“我强烈地投入在这个学习活动中”“我发现这个学习活动令人感到愉快”等。
 
 
移情的测验采用Davis开发的移情问卷[12]。由于实验参与者并没有社会角色与之互动, 因此, 问卷题目选取的是想象倾向的子问卷, 关注虚拟学习情境和自我重现的能力。移情问卷共5道题, 部分题目为:“当观看视频时, 我可以很容易地将自己放在主角的位置上”“我完全沉浸在变成机器人的感受当中”等。
 
 
心流和移情测验问卷均采用Likert 5点计分方式 (“5”代表非常同意, “1”代表非常不同意) 。问卷题目在施测时都是中文的, 问卷的英文翻译是由两名团队成员完成, 语句表达根据研究需要进行了改动。在翻译完成后, 他们对问卷进行修正, 并由其他团队成员对问卷进行校验, 修改后的心流体验问卷信度为0.80, 移情问卷信度为0.85。整体而言, 本研究所使用的问卷具有良好的信效度。
 
 
知识前后测题目均来自《人体之旅》视频中的10道难度不等的知识选择题, 题目由两名中小学科学教育学科的专业教师针对视频内容进行设计, 并经过反复修改和预测验, 最终形成《人体之旅》知识测验问卷。心流、移情问卷及《人体之旅》知识前后测问卷的发放和回收均在网络平台“问卷星”上面进行, 后期使用SPSS软件对问卷收集数据进行统计与分析。
 
(四) 实验流程
 
 
实验开始前, 测量所有学习者的基本信息及《人体之旅》知识前测。测试结果显示:同年级学生之间没有显著差异 (p=0.81>0.05) 。因此, 按照实验人数 (N=62) , 将学习者随机分配到实验组 (N=31) 和控制组 (N=31) 。为了确保实验顺利进行, 研究团队成员首先向学习者介绍了具体学习任务以及VR设备的使用方法, 并示范佩戴VR设备, 告知学习者在佩戴VR设备进行学习过程中不要紧张, 保持正常学习状态。随后介绍整体的实验流程和注意事项。实验开始时, 实验组佩戴HTC Vive头戴式设备, 在IVE中进行学习, 控制组观看电脑视频进行学习。学习活动结束后, 所有学习者立即填写心流、移情问卷, 并完成《人体之旅》知识后测。整个实验过程持续时间在50分钟左右, 实验流程如图2所示。
 
图2 实验流程  
图2 实验流程   下载原图
 
 
四、结果与分析
 
(一) 心流体验分析
 
 
为了解学习者的心流体验是否因为不同的学习环境而存在显著性差异, 对两组学习者的心流问卷统计结果进行独立样本T检验。调查发现 (见表1) , 实验组心流体验均值 (M=4.48) 高于控制组均值 (M=3.97) , 两组学生间的心流体验存在显著性差异 (t=3.63, p=0.001<0.05) 。由此表明, IVE对学习者的心流体验具有积极的影响, 基于VR的沉浸式学习能够提升学习者在科学知识学习过程中的心流体验。
 
 
表1 心流体验问卷T检验结果     下载原表 
表1 心流体验问卷T检验结果  
注:**p<0.01.;*p<0.05, 以下同上。
 
(二) 移情分析
 
 
为了解学习者的移情是否因为不同的学习环境而存在显著性差异, 对两组学习者的移情问卷统计结果进行独立样本T检验。调查发现 (见表2) , 实验组移情均值 (M=4.26) 高于控制组均值 (M=3.60) , 两组学生间的移情存在显著性差异 (t=3.32, p=0.002<0.05) 。由此表明, IVE对学习者的移情具有积极的影响, 基于VR的沉浸式学习能够提升学习者在科学知识学习过程中的移情能力。
 
 
表2 移情问卷T检验结果     下载原表 
表2 移情问卷T检验结果  
(三) 学习成绩分析
 
 
实验组知识前测成绩平均值和标准差为M=33.87, SD=11.16, 控制组为M=34.84, SD=19.64 (见表3) 。T检验统计结果显示两组没有显著性差异 (t=0.24, p=0.81>0.05) 。由此可知, 两组在开展学习活动之前, 他们的知识水平并不具有差异性。为了解学习者的学习成绩是否因为不同的学习环境而存在显著性差异, 对两组学习者的知识后测成绩进行方差同质性检验, 其显著性远大于0.05, 满足方差齐性要求。
 
 
表3 知识前后测统计结果     下载原表 
表3 知识前后测统计结果  
 
在此基础上, 以知识前测成绩作为协变量, 知识后测成绩作为因变量, 对两组学习者的学习成绩进行协方差分析。调查发现 (见表3) , 实验组知识后测成绩的修正均值和标准误差分别为A=77.96, S=2.49, 控制组为A=69.14, S=2.49。不同组别之间知识后测成绩存在显著性差异 (F=6.26, p=0.015<0.05) 。实验组的知识后测成绩均值 (M=77.74, SD=10.56) 高于控制组 (M=69.35, SD=19.14) 。由此说明, IVE对学习者的科学知识学习具有积极的影响, 能够促进学习者对科学知识的理解, 提高学习成绩。
 
五、结论与讨论
 
 
本研究基于心流理论, 采用问卷调查法分析了沉浸式虚拟环境对学习者心流体验和移情的影响效果, 得出以下结论:
 
 
沉浸式虚拟环境对学习者的心流体验具有积极的影响, 基于VR的沉浸式学习能够提升学习者在科学知识学习过程中的心流体验。虚拟现实技术所具有的强大的临场感和交互性为构建心流体验的学习环境提供了充分的技术支持。相关研究表明, 在可能导致心流体验的众多条件因素中, 临场感可以显著影响心流体验[35], 临场感有可能是造成心流体验的条件因素[36]。如果虚拟现实教学系统能够提供沉浸的虚拟世界, 那么就有可能获得最优心流体验[37]。3D虚拟世界具有更强的临场感和愉悦感, 而临场感可以导致心流体验, 使网络用户获得最佳体验[36]。全沉浸虚拟现实系统具有高沉浸性和临场感, 其创设的IVE, 能使学习者完全沉浸在虚拟世界中并产生一种真实感, 即“身临其境”的感觉。本研究主要体现的是基于虚拟现实技术以及心流理论在中学生学习科学知识过程中的应用, 区别于传统课堂和在线学习, 学生可以找到自己的“角色”定位, 增加对学习的掌控感和体验感。
 
 
沉浸式虚拟环境对学习者的移情具有积极的影响, 基于VR的沉浸式学习能够提升学习者在科学知识学习过程中的移情能力。由于虚拟环境的沉浸感特性和移情情境性, 虚拟现实技术已经被用来引导人们在某些主题中改变同理心, 并产生移情。例如, 帮助老年痴呆症患者的监护者更好地理解神经痴呆的感受、将观众置于灾难情境中, 引导他们同情那些经历过灾难的人等[38,39]。学习者在学习科学知识过程中所产生的移情就是在这样的虚拟环境中产生的, 沉浸式虚拟环境一方面为学习者学习知识提供了一个身临其境的学习情境, 帮助他们在观看视频过程中更能体会视频中“机器人”的所感所需, 并站在“机器人”的角度进行体验和感受。另一方面, 视频中的“机器人”也会对学习者产生移情作用, 使他们产生喜欢、厌恶等多种情绪。学习者在视频中进行了角色互换, 他们化身为一个超级微小的机器人, 穿梭于身体内部并了解各种细胞的组成结构及功能, 在学习知识的同时感受作为“机器人”角色的满足感。这种角色互换提高了学生的情感移情能力, 虚拟现实移情就是将视频中的“机器人”角色的感受和体验传递给学生, 让学生将自己的情感和体验投入到学习活动中, 从而实现移情。
 
 
沉浸式虚拟环境对学习者的科学知识学习具有积极的影响, 基于VR的沉浸式学习能够促进学习者对科学知识的理解, 提高学习成绩。虚拟现实技术应用于学习情境的创设, 最重要的一个优势在于其本身能够作为一个工具呈现抽象概念, 并提高对抽象或复杂概念的理解[4,40]。学生在体验高科技带来的新奇感的同时, “亲身”遨游知识海洋, 感受立体化的知识。另一方面, 身临其境的感受和自然丰富的交互体验提供了学习者亲身体验的机会, 促进了学生的认知加工及知识建构过程[41]。VR技术可以模拟学与教的环境, 提供一个自由灵活、生动逼真、更加人性化的学习环境, 创造出一个丰富有趣的学习氛围, 使得教学效果事半功倍。
 
 
本研究主要从学习者个体的视角探索了VR在科学教育中的应用, 是一次初步的尝试, 但是, 也存在一些不足之处。本研究所使用的科学教育视频学习资源仅仅是作为科学课课外扩展知识的补充, 并不能推广到学校的科学课教学中。未来, 对于以班级为单位进行群体教学的学校来说, 开展VR科学课教学也依然有很多亟待探索的问题。首先, 每个班级上科学课的学生人数大约为40~50人, 如果为每个学生配备一台高沉浸感的VR设备, 学校根本无力投入巨大的财力、设备及场地空间。最佳解决方案是借助互联网企业的技术平台优势, 为学校提供技术工具方面的支持, 构建VR技术平台支撑下的新型VR智慧教室。即以班级授课、小组合作 (每组3~5人) 、高性能主机VR设备共享的———VR课堂教学应用模式。该模式除了能够保证每个学习者在高沉浸感环境中获得最佳沉浸体验和学习体验外, 还能减轻学校财力、场地空间负担。同时, 还需要联合高校科研人员及一线教师, 共同开发适合于中小学教学的VR课程资源, 以保证VR课程资源与教学内容符合教学目标的需求。
 

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文章名称:沉浸式虚拟环境中的心流体验与移情效果研究

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