基于临场感的桌面虚拟现实教学评价实证研究

吴凤义 程群群

（巢湖学院化学化工与生命科学学院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

虚拟现实（Virtual Reality）技术，又称灵境技术，是利用电脑模拟三维虚拟环境。操作者通过人机交互设备，以自然方式（如头的转动、手的运动等）向计算机传入各种动作信息，并获得虚拟环境对用户视觉、听觉、触觉等多种感觉信息实时反馈。以此获得对客观世界的感知。虚拟现实技术，做为一种现代高新技术在教育领域有巨大应用潜力。

发达国家，虚拟现实技术在化工教学领域已得到广泛应用。经历了单一设备到整体流程、由单用户操作到多用户协同发展过程。如美国GB公司利用OpenGL建立了C/S模式的化工虚拟设备数据库。英国化学工程师学会研制化工培训软件SAFE——VR，就是一款基于模型流程仿真软件，它实现了场景漫游等操作。而基于流程多用户协同仿真，又称为协同虚拟现实系统，即利用计算机和通信技术建立协同虚拟环境，在虚拟空间中人们相互合作，共同工作于一个研究领域。例如美国Alibre公司开发的软件AlibreDesign，提供了3D立体机械的设计、合作和资料的分享管理。在我国，虚拟现实技术在化工设备方面也有一些开发和应用，如太原理工大学以VB语言为工具，基于Windows操作系统开发的化工单元操作多媒体软件。徐州工业职业技术学院采用虚拟现实建模语言（VRML）建立的常见化工机械零部件模型库。北京理工大学化工与环境学院以化工学科超临界萃取实验为研究对象，开发的基于Java3D化工网络虚拟场景。大庆石油学院基于Virtools平台开发的虚拟化工厂三维模型等。

尽管，虚拟现实技术在国内化工教学应用得到较快发展，然而，从整体上看，该技术应用还处于探索发展阶段，还存在诸多问题。其中，重视虚拟教学系统开发，轻理论应用研究[1]，尤为突出。理论应用研究不足，影响虚拟现实技术在该课程教学使用。

巢湖学院化工教研室根据自身需要，开发了《化工设备机械基础》桌面虚拟现实教学系统，将系统应用于化工设备附件选型章节教学。结合社会临场感理论，分析了桌面虚拟现实临场感特征，并对于虚拟现实临场感与学习绩效进行相关分析和研究。得出了一些有益结论，为虚拟现实技术在化工教学中进一步应用奠定基础。

2 问题的提出

社会临场感理论（social presence）是关于社会研究与传播学领域重要理论之一。该理论起初用于解释媒体为维持人际关系与互动所扮演功能性角色[2]，探究媒体赋予人社会情感及态度的能力。后被教育技术研究者引用，对各种教学媒介进行教学效果分析与评价等研究。三维虚拟情景应用于教学，做为一种新教学媒介，其临场感基本特征框架尚在探究中[3]。我国学者王广新[4]采用探索性因素分析法描述了虚拟现实情境的临场感结构，它包括情感涉入度、逼真度、感知响应力、控制力和注意力等五个因子。

从研究结果看，采用实证法研究临场感评价三维虚拟情景教学模型，到目前为止仍然有限，为有效利用临场感理论评价三维虚拟情景教学，需研究者更多去检验、应用和扩充该模型。研究以临场感为理论研究线索，利用实证法建立一个适合评价桌面虚拟现实情景临场感模型。

3 问卷编制和实施

3.1 临场感测量工具的选择与修订

3.1.1 临场感涵义界定

随着媒介技术不断发展以及研究者对临场感理解不同，临场感涵义至今没有统一界定。不同涵义临场感，其测量方法不一样。根据桌面虚拟现实技术特点，本研究临场感界定为学习者对虚拟技术所描绘的客观对象，视觉、听觉、触觉等多感官体验，是学习者对处于虚拟情景的客观对象，所产生主观经验描摹。

3.1.2 虚拟现实临场感维度建构和调查编码编制

根据桌面虚拟教学系统特点和对临场感理解，参考王广新[4]的“临场感调查问卷”所描述内容，构建临场感六个维度，它们分别是：交互性、沉浸感、想象性、真实感、多感知性、卷入度等，并借鉴王广新等的问卷对这些因素所包含题项进行了编写，共描述了30个题项。

3.1.3 虚拟现实临场感量表编码修订

在正式发放问卷之前，先搜集35份问卷进行预测。发现沉浸感与卷入度两个维度的调查问题相关度较大，重复性高，不具有鉴别度，因此将有关卷入度因素五个题项全删除，另外，学生认为想象性因素在桌面虚拟情景中表现不强烈，有关想象性因素五个题项全删除。最后经教育专家鉴定，确认20个题项构成临场感调查问卷题项。最终，形成的量表编码见表1：

表1 虚拟现实临场感量表编码

3.2 学习者满意度测量工具选择

学习者满意度是指学习者在学习知识过程中，将自己学习收获与预期期望进行比较，产生的高兴、愉悦或满足的心理感受程度。本研究学习满意度是通过对学生自评满意度问卷调查获得。其中学生自评满意度划分三个维度：学业成就、社交能力、学后反馈推广。自评满意度量表编制借鉴王照军[5]编制测量网络学习满意度量表，对量表中部分词语做适当修改，删除其中2个题项，每个维度3个题项，共9个题项。修订后的自评满意度量表见表2：

表2 自评满意度量表

并对量表进行信度分析，结果显示三个维度的克隆巴赫（Cronbach’s α）系数分别为 0.811，0.756，0.782。自评满意度问卷量表总体克隆巴赫系数0.827，说明修改后自评满意度量表具有较高的信度和可靠性。

3.3 研究对象与数据处理

2013年5月-2013年6月对巢湖学院10应用化学（1）班、10级化工班两个班级学生进行虚拟临场感、满意度问卷调查。发放问卷124份，收回问卷124份，剔去回答重复及回答不全问卷，有效问卷120份。其中男生89人，占被试人数74.16%。女生31人，占被试人数25.84%。数据管理及分析采用spss19软件。

4 数据整理与统计

4.1 虚拟问卷临场感信度和效度分析

为检验问卷内部一致性和可靠性，对此量表信度检验，其检验结果见表3：

表3 虚拟问卷信度指标

从表3可以看出，该量表共分为4个因子，分别为交互性、沉浸感、真实感、多感知性。除多感知性因子外，其余三个因子信度尚可，其克隆巴赫系数和分半信度系数，均在在0.8以上；而总问卷克隆巴赫系数和分半信度系数均在0.88以上，这表明该问卷信度较高，可靠性较好。采用因子分析法检验问卷量表结构效度，有关KMO测度和巴特利特球体检验结果见表4：

表4 KMO和Bartlett的检验

由表4显示，KMO值为0.808，大于0.8。表中巴特利特球体检验统计值显著性概率是0.000，小于0.5%，说明原变量之间具有明显的结构性和相关关系，具有较好的结构效度，适宜作因子分析。

4.2 虚拟临场感问卷因子分析

公因子提取，采用主成分分析法。从问卷所列出题项中抽取特征值大于1的四个因子，其方差贡献率见表5：

表5 解释的总方差

可见前四公因子反映事物全部信息89.869%。能代表全体因素解释桌面虚拟现实临场感体验。为使影响因子具有可释性，采用最大方差对初始因子载荷矩阵进行旋转，旋转后，公因子对指标贡献见表6：

表6 虚拟现实情境临场感因子

4.3 虚拟临场感与满意度的相关性分析

以学习满意度即学业成就、社交能力、学后反馈推广为因变量，桌面虚拟现实临场感公因子——交互性、沉浸感、真实感、多感知性为自变量，考察因变量与自变量相关性。有效总样本数为120。所有变量通过问卷方式获取，问卷采用李克特五点量表（Likert scale），从满意到不满意分为五个等级，根据调查对象选择，依次给予每个问题项1-5分，每项变量以平均分为最后得分。对有效样本进行皮尔逊（Pearson）相关分析，其分析结果如表7所示：

表7 临场感与满意度相关性

由表7可知，当P＜0.01时，自变量与学业成就相关程度高低依次排序是：真实感、交互性、沉浸感、多感知性。真实感与学后反馈推广正相关。当P＜0.05时，交互性、真实感和多感知性与社交能力正相关。沉浸感对社交能力没有统计意义上显著相关性。沉浸感、交互性与学后反馈推广相关。多感知性与学后反馈推广没有统计意义上显著相关性。

5 研究结果与讨论

5.1 桌面虚拟现实情景临场感具有清晰结构特征

通过探索性因子法分析，桌面虚拟现实临场感具有真实感、交互性、沉浸感、多感知性等多维结构特征。其中，真实感是指学生感到作为主体存在于虚拟环境中的真实程度。交互性是指学习者在虚拟环境中如同真实环境一样，与虚拟环境中的任务、事物发生交互，其中学生是交互主体，虚拟对象是交互客体。沉浸感是指学习者感受自己是虚拟世界中一部分。突破被动观察者的惯例，沉浸在虚拟世界，参与虚拟世界各项活动。多感知性是指除了一般计算机技术所具有视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想虚拟现实技术应具有一切人所具有感知功能。

5.2 桌面虚拟教学系统临场感与满意度具有相关性

满意度测量采用问卷调查方式，问卷包括三个维度：学业成就、社交能力、学后回馈推广。学业成就指通过学习，学生主观感觉在专业知识、技能所提高程度。社交能力指学生与周围环境建立广泛联系和对外界信息吸收、转化能力，以及正确处理上下左右关系能力。 学后回馈推广指学生继续进行学习意愿，并乐意向身边朋友推荐采用虚拟现实系统的愿望。

学业成就与桌面虚拟现实临场感各个公因子具有较强相关性。建构主义学习理论认为知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定情境下，借助其他人帮助，利用必要学习资料，通过意义建构方式而获得。因此“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中四大要素。相比传统教学方式，桌面虚拟现实情景因具有各临场感特征，所建构学习环境更有利于学生主动进行信息加工和意义建构，学生自我学业成就感也越高，其学业成就与桌面虚拟现实临场感各个公因子相关性较强。社交能力与桌面虚拟现实临场感中的交互性、真实感、多感知性具有弱相关性，而与沉浸感相关性不强。社交能力又称为人际交往能力。交际活动成败与社交能力高低有密切联系。关联理论[6]认为交际能否成功就看交际者对认知环境是否能够明白和相互明白，因此认知环境是交际成败关键环节之一。所谓认知环境就是指个人的认知能力与周围物质环境相互作用结果。桌面虚拟现实情景呈现给学习者逼真、客观的虚拟环境，虚拟现实情景临场感特征强与弱、好与坏，对学习者认知能力直接作用，从而间接地影响学习者社交能力。本桌面虚拟现实系统与理想的虚拟现实系统有一定差距，其交互性、真实感、多感知性、沉浸感等临场感特征不是很强烈，从而对学生社交能力影响有限。

虚拟现实教学系统中交互性、真实感、沉浸感对学后反馈推广呈较强相关性。多感知性对学后反馈推广相关性不强。桌面虚拟现实教学系统由于自身技术限制，感知功能仅限于视觉、听觉、触觉等几种。还未能实现真正意义上全方位多感知性。因此，相比其他虚拟现实情境临场感特征，多感知性，给学生留下印象不深刻，与学后推广相关系数不高。

6 结论

采用探索因子法分析了桌面虚拟现实临场感特征即真实感、交互性、沉浸感、多感知性等特征。在此基础上，考察了桌面虚拟现实各临场感特征与学习绩效相关性。结果表明：桌面虚拟现实各临场感特征与学生学习满意度具有较好的相关性。本研究仅对桌面虚拟现实系统社会临场感进行了分析。然而，依据兰迪-加里森（Garrison）对探究型学习社区研究，要让学习者真正获得学习经验，还需考虑认知临场感（Cognitive Presence）和教学临场感（Teaching Presence）等要素[7]。因此，在后续研究中，还需进一步研究虚拟现实情境中学习者认知临场感和教学临场感。

[1] 李凌云，王佳，王海军.我国虚拟实验研究现状的实证分析[J].现代教育技术，2009，（12）：111-114.

[2] 王广新，宫淑红.网络学习情境中社会临场感研究回溯[J].开放教育研究，2010，（5）：41-46.

[3] Mikropoulos,T.A.Presence：A Unique Characteristic in Educadonal Virtual Environments[J].Virtual Reality，2006，（3）：197-206.

[4] 王广新，刘兴波.虚拟现实情境内临场感的结构、影响因素与特征[J].中国电化教育，2010，（286）：52-56.

[5] 王照军.影响网络学习成效关键因素探究[D].上海：华东师范大学，2007.

[6] 许菊.关联理论与交际[D].武汉：华中师范大学，2007.

[7] 何苗，程坤，郭允建.虚拟学习社区中社会临场感研究初探[J].中国电化教育2010，（276）：54-58.