空间图式：沉浸式虚拟现实促进地理空间认知

沈夏林 杨叶婷

[摘   要] 地理空间的宏观性超越了人类感知能力的范围，造成地理教学普遍存在脱离情境和经验的问题，沉浸式虚拟现实（IVR）为此提供了模拟体验，但其学习效用和内在机制并不明确。研究考察了沉浸感与学习动机、在场感与具身关切、图式与概念生成三对关系;设计了课堂实验检测IVR和视频两种场景下的学习差异，从学习体验和认知两方面对实验结果进行分析，发现IVR在空间在场、深度知觉和图式化过程中存在优势;讨论了IVR材料忠实于客观和人为选择性建构之间的矛盾，认为符合图式原则是考量选择性建构的一个依据。文章从地理空间思维的角度诠释了具身的意蕴，继而以具身认知的思想赋予了情境学习以新内涵。

[关键词] 地理空间; 在场感; 图式; 具身认知; 沉浸式虚拟现实

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 沈夏林（1979—），男，浙江嵊州人。高级实验师，博士，主要从事虚拟环境下的具身学习研究。E-mail：sxl@zjnu.cn。

一、引   言

地理课程多涉及对地理空间的认知，如天体、大气、地形等，但是，地理空间作为宏观现象，其空间与时间上的巨大跨度，超越了人类直接感知的范围，尽管教学中已采用不同具象程度、不同感知通道的媒体，脱离情境、脱离经验仍是困扰地理教学的问题[1]。沉浸式虚拟现实（Immersion Virtual Reality，IVR）技术具有高沉浸性的优势。由于近年消费级头盔显示器的量产化，IVR设备成本大幅下降，加上第三方应用和资源的丰富，已经具备了在常规课堂中应用的可能，出现了一些包括地理在内的教学应用研究，如：以IVR系统感知宏观生态系统有助其科学概念的形成[2];将谷歌街景用于地理空间学习提升学习动机[3];通过IVR在二维、三维等高线和实境转换中享受到“地图乐趣”[4]，等等。

然而，也有研究表明，虚拟现实并非必然促进学习[5]，IVR在地理宏观空间认知中的共性优势、建基于什么样的机制等问题并未明确，为此，本文将针对IVR在宏观空间概念学习中的问题，开展理论分析，设计课堂教学实验，试图揭示通过IVR促进宏观空间概念建构的机制。

二、理论框架

（一）沉浸感与动机

地理现象在空间尺度上具有宏观性，在时间跨度上具有长期性，如太阳系直径达到2光年以上，围绕太阳公转周期最短的水星也达到了88天，远远超过了人类直接感知的范围。视频、三维动画和图形图像等媒体，将宏观地理现象以学习者视觉上可观察的方式呈现，尽管解决了地理现象的时空尺度限制，但难以为学习者营造知识建构的情境，以致在基本地理概念的形成上实质是记忆的过程，是一种从“概念到概念”的学习，缺乏形成科学思维的感知通道，从而也难以让学习者沉浸其中——地理课经常被认为是枯燥的“地图课”[4]。基本地理概念作为推理和知识创新的基础，对学习者影响的深度超出了概念本身的意义。

IVR为基本地理概念的形成提供了可行的感知通道。沉浸性是IVR的基本技术特性，巴（Bae S）等人以自我参照表征和客体参照表征两个概念解释了学习者如何在IVR中形成沉浸感。前者指体验者将自身作为参照点的视角来表征所在空间的位置，后者则在体验者之外的框架内定位参照点[6]。如虚拟漫游中的第一人称视角即为自我参照表征;第三人称视角为客体参照表征——通常以体验者后上方的一定距离内的视角获取空间信息。除了感知真实性——体验者对媒介所表现的世界与现实世界之间合理性、准确性和相似性的判断，实证研究表明，自我参照表征比对象参照表征具有更高的沉浸性[7]。IVR作为自我参照的空间表征，场景跟随体验者视点转换，场景深度和距离同步变化，相比对象参照表征的3D视频，IVR使学习者具有更高的沉浸性，营造更“真实”的學习情境，从而提升学习动机。

沉浸感可以通过心流体验进行测量。心流体验指个人精神力完全投入某项活动上的状态，主要表现为注意力高度集中、充满愉悦感、引发好奇心、感到时间飞逝等状况[8]。心流体验已经成为了解学习者使用信息技术工具状态的一个有效测量工具。

（二）在场感与具身认知

IVR的学习效用通常以在场感（Sense of Presence）解释：IVR应用的目标是创造在场感，使体验者形成身在虚拟环境中的错觉，形成人类感官与虚拟输入、输出之间的匹配[9]。在场感包含空间在场与社会在场，空间在场指用户将其感觉来源归因于虚拟环境的意识状态，社会在场则为“与某人在场”的错觉，指获知他人心智、意图和感官印象的程度[10]。IVR的技术特性使体验者“身在其中”地经历地理事件，如模拟宇航员遨游太空，这为地理学习提供了理想的学习情境。实证研究表明，同等条件下，IVR比视频等媒体能引发更高的在场感[11]。但是，在场感并不必然导致地理学习的发生。

安（Ahn）等人认为，人们对地理事件认识不足的原因主要在于两方面[11]：首先，地理事件往往不能被直接观察到;例如，海水PH值持续降低正破坏整个海洋系统，但这种严重后果难以引发人们的认同，因为他们很少有机会亲自看到海洋酸化对海洋生物的影响。其次，许多地理事件发生在缓慢、渐进的过程中，其漫长的时间跨距容易使人们忽视问题的严重性。为此，安提出了平行中介模型——由具身体验并行空间在场，在其实验中，以IVR构建海洋生态场景，让被试化身为珊瑚，感受海洋酸化和人类行为带来的影响。实验发现，这种方式有效增加了对地理和环境问题的参与度，当人们从亲历者的角度看问题时，会导致自我和他人形成心理重叠，从而产生亲密感和同理心。

具身体验反过来又提升了在场感，IVR以化身示能性为体验者提供了身体归属于虚拟场景的幻觉，从而发生“身体转换”，研究发现，当体验者仅以视觉方式看到作为化身的外部实体被触摸，就能形成自己身体被触摸的感觉，大脑将身体归属的感知赋予被触摸的可见实体，这种身体转换的错觉已经被经典的橡胶手假肢实验所证明[12]。虽然视频图像也被证明具有身体转换效应[13]，但IVR具备更强烈的身体迁移错觉。在安的IVR实验场景中，当渔网触及珊瑚礁时，实验者仅仅用手指轻戳被试，被试即产生了强烈的身体代入感，感到自己的身体正遭受痛苦体验，激发起了自然与自我之间的联系，舒尔茨（Schultz）等人将这种现象描述为自我中的自然融入（Inclusion of Nature in Self，INS）[14]。

以心流体验、满意度、认知三个模块的问卷作为检测工具。心流体验采用皮尔斯（Pearce J）等人开发的量表，检测学习者在持续使用信息技术工具时投入其中的状态，包括控制感、沉浸感、愉悦感、专注度等信息[27]，共8个题目。满意度采用楚（Chu H）等人的学习模式满意度量表[28]，检测学习者对学习方式的认可程度，共7个题目。两者编制为一套问卷，以李克特5点计分，其中“1”表示非常不同意，“5”表示非常同意。认知检测根据“宇宙中的地球”教学内容而编制，用于检测学习者的知识掌握情况，从单元检测、月考试卷中选择了与该课内容相关的若干题目，经高校学科教学论专家与高中一线教师讨论、修正，最终确定8个选择题和7个综合题组成测验问卷。进一步以安德森教学目标分类的认知过程维度，将试题分成记忆、理解、应用三种类型，并对题目赋分，选择题为每题3分，综合题每题2～4分。

（四）被试和过程

从浙江省某中学高一年级的20个班级中，选取同一位教师任教的、地理成绩相近的两个班级学生为被试，分别作为实验组（44人）和对照组（47人）。并将该年级最近一次的地理月考成绩作为参照，检测两个班级学生知识储备状况，排除先前经验的影响。经独立样本t检验，发现：实验组平均成绩（M=79.55，SD=6.663）与对照组（M=79.70，SD=6.423）接近，两者没有显著差异（t=-0.114，p=0.909>0.05）。因而，兩组样本有效。

在实验开始前，对实验组的学生进行了虚拟现实头盔使用的培训，使学生熟悉设备的基本使用方法，并提供了“细胞”“三峡船闸”两个与课程内容无关的IVR资源，给予学生充分的时间体验，以消除由于新鲜感对实验带来的可能影响。

实验中，两个班级分别安排了连续两节课的时间开展本项内容的学习并完成实验任务。由同一位教师对两个班级授课，在引出课堂教学主题、了解基本概念后，实验组学习通过IVR头盔体验太阳系遨游的场景，过程约7分钟，在此期间允许重复体验;对照组通过教室大屏幕观看视频进行体验，重复观看两次。其余如教学内容、学习组织方式、学习时间等因素，两个班级完全一致。教学和体验过程约50分钟，此后，花费约30分钟完成课堂检测并填写问卷，问卷材料当堂上交。

实验结束后，安排了约10分钟时间，让对照组使用IVR设备重新体验太阳系场景，实验组学生观看视频，以此消除可能的不良影响。

四、实验结果

（一）学习体验结果

对学生的心流体验数据进行独立样本t检验，发现实验组的均值（M=38.12，SD=2.978）高于对照组（M=35.93，SD=5.882），两者差异具有显著性（t=2.184，p=0.032<0.05），即实验组学生的心流体验优于对照组。对学生的满意度数据进行独立样本t体验，发现实验组的均值（M=33.23，SD=3.131）高于对照组（M=31.15，SD=5.526），两者差异具有显著性（t=2.165，p=0.033<0.05），即实验组学生的学习满意度高于对照组。学习体验结果支持本研究的第一个假设：IVR能为地理空间学习带来更高的沉浸感和在场感。

（二）认知检测结果

对实验组和对照组学生的认知检测结果以记忆、理解、应用三个维度进行区分，并分别进行独立样本t检验，数据见表1。

（1）记忆维度上，实验组均值（M=2.78，SD=0.925）略高于对照组（M=2.73，SD=1.015），但两者差异不具显著性（t=0.731，p=0.465>0.05）。

（2）理解维度上，实验组均值（M=2.25，SD=1.351）高于对照组（M=1.92，SD=1.434），两者差异具有显著性（t=2.563，p=0.011<0.05）。

（3）应用维度上，实验组均值（M=1.13，SD=1.461）高于对照组（M=1.09，SD=1.449），但两者差异不具有显著性（t=0.185，p=0.854>0.05）。

因而，认知检测结果在理解维度上印证了本研究的第二个假设——IVR能为地理空间的学习带来更好的认知效果。但是，在记忆和应用维度上不支持该假设。

五、分析与讨论

（一）从地图课到现场课

心流体验结果表明，IVR引发了学习者更强烈的沉浸感和在场感，其原因可能在于学习者产生了位置转换和身份转换的错觉。

位置转换错觉。实验组的学生在佩戴头盔体验时，未经提示而自发地转动头部，从不同的方向观察空间场景，头盔和手机的位置传感器模拟了这种功能：一旦学习者进入虚拟场景，其前后、上下360度动态图像的位置将“锁定”，根据体验者视角变化动态地呈现相应方位的101度画面（实验所用头盔视场角为101度，大于人类约100度的双眼极限视场）。通过这种方式，为体验者提供了以自我为参照的第一人称视角，从而以视觉反馈营造“我能”的自主感，以及“我在其中”的归属感[12]。自主感和归属感被认为是决定空间在场的两大因素，甚至优先于图像保真度，这在虚拟现实游戏研究中已经得到证实——即使图像保真度不高，仍能让体验者沉浸其中[20]。通过这种方式，IVR体验者犹如置身太空，产生强烈的空间在场感，也即位置转换的错觉。而大屏幕投影的视频既不具备如此宽广的视场角，也不具备自我参照表征的视觉互动。

身份转换错觉。IVR以自我为参照的第一人称视角，也使体验者犹如被拉入到宇宙空间场景中，产生了“近身空间”效应。近身空间指位于人体可及范围的物理空间[29]，生物体对位于近身空间的对象具有更敏感的反应，这种现象具有进化意义：攻击距离内的捕食者更具有威胁性和紧迫性，远距离的对象则只要保持识别、观察即可。IVR的近身空间效应增强了体验者的感知敏度，使其“化身”为宇航员，以宇航员的具身关切应对场景中的地理问题，由此产生身份转换的错觉。

此外，感知通道给予学习者有关太阳系原始、一手的信息，相比间接认知，其信息量完整而丰富，这是知识发现及个性化学习的前提。感知作为人类认知系统的基底层通道，以身体“嵌入”太空情境进行体验，这种记忆本身是深刻的。IVR的地理空间体验，不仅使地理教学从“地图课”转变为“现场课”，通过虚拟化身还将对地理问题的关切“嵌入”其中，这种转换从学习满意度上再次得到印证。

（二）从深度知觉到图式化

在认知检测中，实验班在理解维度上表现出优势，其原因可能在于IVR与视频学习者在深度知觉和图式化过程中的差异。

首先，IVR具备深度知觉优势。人类视觉本身在三维世界中进化而来，双眼视差及对由头部细微运动所形成图像序列的连续知觉形成了对景深的感知。IVR模拟了深度知觉原理——根据人眼视角的微小变化提供不同视差的连续图像，这也是视频帧率和屏幕刷新率影响三维影像质量的原因，两者决定了每秒钟呈现不同视差图像数量的能力（本实验所用视频为每秒30帧，手机屏幕和计算机屏幕刷新率均为60Hz）。而视频则已经是一种二维化的图像序列，无法形成人眼的景深错觉。

图1   包含图式线索的太阳系IVR场景

其次，IVR感知和图式化过程的融合有助于深度理解。实验材料在模拟太阳系空间运动的基础上，添加了“图式线索”——如地轴、赤道、代表公转轨道的虛线等辅助信息，这些线索在现实世界中并不存在。由于图式是有关对象类属信息集合的简图，这些辅助信息使本身不可见的关键线索显性化，叠加于模拟真实的虚拟场景中，为体验者建立图式提供了良好的支架。如公转轨道示意线，为多个行星同时运行中原本看似散乱的过程建立了序列，由此有助于建立对太阳系空间关系的逻辑认知，如图1所示。并且，IVR这种感知信息和图式线索共存的方式，将经典体验式学习[30]中体验和抽象两个分离的阶段融合到了一起，使学习者在不中断体验的状态下进行图式化（大卫·库伯表述为抽象化），有助于学习者的深度理解。相比而言，利用视频学习的被试，由于视频内容的强信息性、低体验性，其“图式化”缺乏IVR体验中被试所经历的切身、不言而喻的理解基础，实质上仍旧是一种记忆。

除此之外，我们认为，IVR体验中深度知觉和图式化过程融合的特征，同样有助于长时记忆，但实验结果中记忆维度的差异并没有显著性，原因可能在于短时记忆在认知检测时仍在发挥作用，而使IVR体验带来的长时记忆优势未能凸显。但是，应用维度由于涉及更多的实践因素，短短几分钟的课堂体验尚未能引发具备显著性的影响。

（三）从仿真到选择性建构

虚拟现实建立于对真实世界的模拟，但并不是客观重现，首先是由于技术发展的限度，尚无法对如此复杂的客观世界建立精确的模型，因而通常采用增强目标对象的被感知性和忽略其他对象的方式进行近似模拟。这符合经济性原则——仅仅关注于目标对象，以最少的投入产生所需的沉浸效果;也符合教学性原则——使学习者专注于目标对象而减少不必要的心智资源耗费。

“宇宙中的地球”教学目标要求学习者建立对地球所处宏观空间及其关系的整体认知，并以此理解与之相关的地理现象的成因，如昼夜、季节的交替。但是，地球作为宏观天体，在时空尺度上超越了人类感知的广度与敏度：如果让学习者在太空中的合适位置观察，将看到地球以一种极缓慢的速度运行——自转一周耗时24小时，完成一个公转周期则达到365天;同时，由于太阳系广袤的空间，肉眼实际上并不能看到多个行星围绕太阳有序运行的场景。也即，观察者并不能通过直接的视知觉建立空间关系的直观模型。尽管天文学家确立天体运行轨道是依赖于长期观察数据所建立的数学模型，而不是感知。但是，地理学习则需要从感知模型出发。因而，本实验对所用材料采用了多种建构手段，如缩小太阳系的空间跨度，忽略复杂的宇宙背景，加快行星自转和公转的速度;更重要的是，为行星运行添加表示公转轨道的示意线，为地球添加了地轴和赤道示意线，这些辅助线尽管在现实世界中并不存在，但有助于学习者感知到看似杂乱的行星运行的整体性，有助于认识地理现象与地球运动的关系。

选择性建构的手法，在包括虚拟现实在内的教学资源开发中普遍存在，这似乎有悖于科学性原则，但如若仅仅是仿真，许多资源将失去学习效用。选择性建构在获得良好教学效果的同时，也存在着风险，尤其是虚拟现实，由于其强体验性，学习者一旦形成错误认知，将难以消除其负面影响。因而，教学资源开发中人为建构和忠实于客观这一对矛盾，是一个有待讨论的问题。就本研究而言，我们认为，是否有利于图式的生成是判断选择性建构合理性的依据，这为虚拟现实及地理教学资源开发提供了参考。

六、结   语

IVR在地理空间学习中具备如下显著的优势：首先，利用人类感官系统特性，以视知觉沉浸及自我参照表征营造空间在场，使学习者犹如置身于地理空间之中，产生位置转换错觉;通过近身空间效应，使学习者保持对认知对象的感知敏度，对地理空间问题施以第一人称的具身关切，从而产生角色转换错觉。由此，使地理空间的学习由“地图课”转变为“现场课”。其次，IVR为地理空间认知保留了深度知觉信息，尽管仅仅是模拟的信息，但这种信息是个性化学习的来源，同时也是知识结构化的感知基础。最后，图式线索和感知情境的融合，使学习者在不中断体验的情况下进行图式化，使图式化过程顺畅而深刻，有助于学习者的深度理解。因而，本研究从地理空间思维的独特角度诠释了具身认知的内涵，继而以具身认知思想赋予了情境学习以新的意蕴。

此外，基于研究所使用材料的性质，进一步讨论了虚拟现实究竟应该忠于客观，还是允许人为的选择性建构。从技术发展、经济性和教学性原则考量，人为的选择性建构无可避免，业已成为教学资源开发的共同问题，选择性建构在促进教学目标达成的同时，伴随着科学性风险，这是一个值得关注的问题，而是否符合图式原则是选择性建构的考量依据。

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