面向虚拟现实中的协作学习：共处一地的对称与非对称双人学习的比较

文献标题

Towards Collaborative Learning in Virtual Reality: A Comparison of Co-Located Symmetric and Asymmetric Pair-Learning

文献信息

• 主题领域: 虚拟现实与协作学习
• 关键词: 虚拟现实, 协作学习, 对称系统, 非对称系统, 信号传递, 学习效果, 教学设计, 用户体验, 沉浸感, 认知负荷

研究背景与问题

• 问题或挑战:

  • VR 虚拟现实技术已被广泛用于教育领域，并显示出良好的学习效果。然而，与传统学习相比，VR应用中认知负荷可能增加。
  • VR在教育中的协作体验仍然研究不足，尤其是多用户协作学习。
  • 当前尚未明确：在 VR 环境中学习时，对称与非对称配对方式的影响，以及视觉信号如“高亮标识”等是否能为协作学习提供帮助。

• 重要性:

  • 优化学习方式可以增加学习动机、社会存在感、沉浸感，并最终提升学习效果。
  • 探索多用户协作对于VR教育的设计意义深远，既可用于课堂教学，也可应用于家庭学习。

• 研究动机与相关工作:

  • 当前的 VR 应用虽然已经展示了一定的学习效果，但多数应用缺少理性设计框架（如基于认知加载理论）。
  • 研究假设：如果 VR 中协作学习结合传递信号功能，可以帮助学生区分信息的相关性，从而减少认知负荷，提高学习效果。

解决方案

• 方法与方案:

  • 开发了两种配对学习原型：
    1. 对称系统: 两位用户（学生和教师）都使用 VR 头显身临其境。
    2. 非对称系统: 学生使用 VR 头显，而教师使用平板电脑通过学生视野的监视器界面参与学习。
  • 信号传递设计：通过对象的“绿色边框高亮标记”引导学生注意学习内容。
  • 使用森林动物作为教学主题，设计逼真的虚拟环境让用户学习其特征。

• 创新之处:

  • 首次将对称与非对称系统以及信号传递结合，用于协作学习。
  • 量化了6个学习相关变量：沉浸感、学习动机、认知负荷、学习效果等。

• 实施步骤与技术:

  • 创建含有高精度 3D 动物模型的虚拟森林环境。
  • 教师通过“教学表”学习内容并传递知识给学生。
  • 提供学生与教师的视觉反馈（如头像和手势表示）。
  • 配置信号传递机制高亮标记重要信息。

研究成果

• 具体成果:

  • 对称系统: 学生和教师在沉浸感、存在感、玩家体验（PX）等方面表现优于非对称系统。
  • 非对称系统: 学习效果与对称系统相当，但教师认知负荷显著较高，沉浸感较低。
  • 信号传递对学生起到了明显的正向作用，提升了学习相关认知投入（GCL）。

• 实验或评估结果:

  • 对称系统显著提高了学生和教师的沉浸感（IEQ 评分：VR/VR > VR/Tablet, P值 < 0.05）。
  • 使用信号传递后，学生学习参与度（PX）提高，但对教师的作用不显著。
  • 两种系统在学习效果方面没有显著差异，表明两者均为有效的学习系统。

• 优点与局限:

  • 优势:
    • 对称系统具有更好的用户体验，适合课堂或小组协作使用。
    • 非对称系统成本较低，占地空间小，更适合家庭学习。
    • 信号传递在学生中表现出良好的引导效果。
  • 局限性:
    • 样本量较小（N=46），需进一步验证。
    • 教师使用平板时的能力可能受限，对教学质量可能有负面影响。
    • 对信号传递的理解集中于静态标记，未来可测试动态信号。

• 未来方向:

  • 探索非对称系统在专业教学中（如教师同时监督多个学生）的应用。
  • 比较 VR 单人学习与传统配对学习间的差异。
  • 研究在AR中应用类似的配对协作是否产生类似效果，包括远程协作和本地协作。

总结与建议

• 研究得出在可能的情况下应首选对称系统，同时信号传递有助于提升学习体验。
• 对于预算有限的环境，例如家庭教育，非对称系统仍可作为有效选择。
• 提供了 6 条设计指南，有助于未来开发新型协作学习 VR 应用，以平衡沉浸感、认知负荷和学习效果。