發布時間：2022-03-30所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 【摘要】針對虛擬現實與增強現實技術在教育領域研究的興起，以及國外在該領域研究起步較早且處于領先優勢的現狀，本研究以Web of Science數據庫中2014-2019年間收錄的相關英文文獻為研究對象，對文獻總體趨勢進行分析，之后借助 CiteSpace軟件進行可視化分析。結果表明
【摘要】針對虛擬現實與增強現實技術在教育領域研究的興起，以及國外在該領域研究起步較早且處于領先優勢的現狀，本研究以Web of Science數據庫中2014-2019年間收錄的相關英文文獻為研究對象，對文獻總體趨勢進行分析，之后借助 CiteSpace軟件進行可視化分析。結果表明，英美話語體系國家在該領域的研究處于優勢地位，以理工科類教育為主導，且多基于框架來構造模型并進行試驗成果應用。由此得到我國在虛擬現實與增強現實技術教育研究的五大啟示：加強交流與合作，多方位合力提升研究水平;取精去糟，扎根細化研究流程;促進多學科領域融合，堅持科學性與人文性相統一;力促新老技術協同創新，推進VR/AR教育游戲設計開發;延伸各方監督，適度虛擬以擁抱現實。
【關鍵詞】VR;AR;Web of Science數據庫;CiteSpace;可視化分析
一、引言
如今，方興未艾的慕課、微課等遠程教育模式較好地緩解了優質課程資源共享、師生時空分離的問題。然而在教學情境沉浸感和交互性以及教學模式多樣性等要素的擴展上依舊咫尺千里。早在1960年，虛擬現實(VR)技術被薩瑟蘭提出，而后發展成為在計算機系統及傳感器技術模擬的基礎上生成的可交互的技術。隨后1990年波音公司的員工考德爾首次提出增強現實(AR)一詞，該技術以虛實結合、實時交互和三維注冊為三大準則，在真實世界基礎上動態疊加上相關位置或虛擬信息。這兩門技術在三維空間或現實的物理世界疊加了一層虛擬信息，延伸并擴充了學習者的視覺系統，由此為教育帶來了新的機會。
2016年作為VR/AR技術的元年，VR/AR技術在當年的《地平線報告(高等教育版)》中被預測為2~3 年內采用的關鍵技術。然而在接下來的三年里，VR/ AR技術不但沒有在教育領域蓬勃發展，反面在預言到期之日消失在榜單中，隨之代替的是更為尖端的混合現實(MR)技術。這不僅體現了這兩門技術在教育領域上的研究斷層，同時還映射出當下研究者的急功近利�！�2019年教育信息化和網絡安全工作要點》中指出要推動大數據、VR、人工智能等新技術在教育教學中的深入應用。
基于此，本研究以近六年(2014-2019年)Web of Science(WoS)數據庫為主要信息源，分析相關文獻并利用科學知識圖譜，以可視化的方式進一步梳理相關主題關鍵詞與發展熱點，從而把握國外VR/AR技術研究現狀與發展趨勢，為指導我國在該領域的后續研究提供參考。
二、數據來源與研究方法
(一)數據來源
本研究選取WoS數據庫合集為主要文獻樣本來源，同時兼顧做出突出研究貢獻的國內學者的研究成果及觀點。使用數據庫高級檢索功能，經過反復檢 索得出最優化的檢索式為：TS=("Virtual Reality*" OR "Augment Reality*" OR AR OR VR) AND TS=(Teach* OR Learn* OR Education* OR School* OR Classroom*) ，語種選擇為英語，文獻類型選為期刊，時間跨度選定為 2014-2019年，檢索出3 163篇文獻，通過文獻標題及期刊類型篩選出符合要求的論文共計2 010篇作為進一步分析的基礎。
(二)研究方法
本研究首先分析國外研究的總體趨勢，梳理國外研究熱點和前沿，繪制相應的知識圖譜。接著運用共現分析等方法對相關文獻進行可視化分析，判斷各學科領域主題間的關系，試圖從VR/AR技術視角探析在教育教學中的研究熱點及發展前景，為其在我國教育技術領域的研究與實踐提供參考。
三、研究結果與分析
(一)總體研究趨勢分析
1. 期刊來源與作者機構分布
本研究通過WoS數據庫檢索及對檢索結果的分析，得到載文量排名前三的期刊分別為：Journal of Surgical Education、Computers in Human Behavior和Computers& Education。從期刊的所屬學科來看，文獻主要從屬于醫學類、計算機類、教育技術類、工程技術類;從期刊所屬國家來看，高頻發文的期刊里英、美兩國在文獻數量與期刊影響因子上都處于世界領先。
對于作者所屬機構的分析主要從各機構發文數量與合作情況，以及中國大陸地區機構與其他地區機構之間的對比情況來進行。首先，通過對WoS機構擴展的統計分析，在機構發文數量上可分為四個梯隊。第一梯隊為倫敦大學與哈佛大學，兩者的發文量共占總文獻數的5.078%，反映出英、美兩國在該領域的學術統治力;第二梯隊近五年來的發文數量在45~50 之間且彼此差距甚小，平均占比率低于第一梯隊約0.2個百分點;而占絕大多數的第三、四梯隊為發文占比為 1%上下的機構，大陸地區所屬機構大多位于這兩個梯隊。其次，CiteSpace中機構以國家和地區為參數設置，生成機構所屬國家和地區共現圖譜(見圖1)，發現美國的機構在該領域輻射范圍最廣，在其周圍圍繞了加拿大以及歐洲發達國家，這表現出了歐美國家之間的機構合作頻繁。中國大陸地區機構處于美國輻射圈的外層，雖然自身輻射范圍甚至高于一些歐洲國家，但其自身學術影響力的狹隘性導致了與其他國家的合作甚少。
2. 文獻地區與文獻數量分布
通過對文獻所屬國家和地區進行統計分析，可以了解不同國家和地區對該研究領域的關注度與貢獻度。美、中、英三國在該領域的影響力穩居前三，這也在文獻發表數量上能夠體現出來。其中，美國以716 篇發文量位于第一，中國大陸地區以386篇位于第二，英國以285篇排名第三，緊隨其后的還有加拿大(189 篇)、德國(131篇)、西班牙(133篇)、澳大利亞(129篇)、中國臺灣(110篇)。以上八個國家和地區發文量均超過100篇，且合計發文占比超過八成，由此可見這八個國家和地區是該領域文獻發表的主力軍。
從圖2中可以發現，六年間的文獻數量及被引頻次總體均呈上升趨勢。在2016年之前文獻數量在300~400篇上下浮動，文獻被引頻次均低于3 000次以下。加德納技術成熟度曲線表明，一個新領域的研究會面臨五個階段：科技誕生的促動期—過高期望的峰值—泡沫化的低谷期—穩步爬升的光明期—實質生產的高峰期(Gartner, 1995)。由于國外對該領域的研究起步較早，2014-2016年該領域的研究狀態已處于“再起步”階段，即在第三與第四階段的過渡期。在2017-2019年該領域再次出現了研究熱潮，兩項指標在近兩年增幅明顯，說明此時的研究境況觸底反彈，研究熱度穩步爬升，處于第四階段。從2016年之后文獻的被引頻次以每年1 000次進行增長的程度來看，一方面是源于近兩年文獻數量的增長所帶來的(學者們普遍習慣引用近兩年左右的文獻)，另一方面也從側面反映出近兩年文獻質量較 2016年前有很大提升。
照此趨勢來看，未來五年該領域將仍在此階段徘徊。本研究認為5G技術的廣泛應用可能會把高質量的 VR/AR教學內容處理走向云端，借助其高速度、低延遲的優勢，引領該領域的縱深發展。
(二)共現熱點趨勢分析
為了分析該領域的共現熱點趨勢，本研究借助 CiteSpace生成的領域共現圖與關鍵詞共現圖，分別得到了該領域的三大熱點領域以及研究熱點。
1. 領域共現
在關鍵詞共現分析的基礎上，使用CiteSpace中的領域共現生成圖譜。根據圖3節點大小與分布結構可以發現VR/AR技術的教育研究熱點領域主要集中于三大類，分別為學科教學領域、醫學教育領域、計算機教學管理領域。
1)學科教學領域
從圖3下方最大的節點來看，該領域所輻射的范圍最廣，根據CiteSpace中的內部數據顯示，該領域所輻射到的多為學科類教學方向，其中包含了數學、化學、物理、英語等學科領域。
以情境化故事為教學內容制作的“AR魔法書” 幫助學生學習數學中的數字和計數規則(Chien, Chen, & Jeng, 2010)。Salinas、Quintero、Sanchez和Mendivil (2015)針對數學函數圖像的實時性與多變性開發出可以多角度觀察生成函數圖像的AR軟件，經試驗表明對于學生的立體思維與形象化思維的培養有明顯幫助。而在數學立體思維的培養上，運用AR技術將立體幾何中的三視圖以二維展開圖與三維立體圖形結合呈現，能夠使學習者更加直觀地理解圖形的變化形式(Chen, 2019)。
有學者設計出自然環境下的VR系統來幫助學習者理解酸雨分子層面的化學反應。還有利用AR技術讓學生通過對3D分子結構模型的旋轉來進行化學元素的學習(Iyiade, Bielawski, Rui, & David, 2018)。
針對初中物理中的磁場與磁感線教學內容制作出的AR體感教學軟件，可將磁場可視化并由學習者通過手勢與磁場進行實時交互。同時發現該技術的應用會對成績較為不突出的學生有更大影響，進而設計出由傳統多媒體在線學習內容及小組任務類教育游戲兩部分構成的科學教育類AR游戲。(Cai, Chiang, Sun, Lin, & Lee, 2016)。
Kishino(2005)指出，在信息時代內容如此豐富的今天，如果運用新技術僅僅是為了展示更多的教學內容，那可謂大材小用了。相反，O'Shea和Elliott (2016)贊成以VR/AR技術展現信息的能力來定義其技術能力，并認為計算機科學技術、人機交互、心理學與教育學等綜合因素才是考量技術在教育教學領域發光發熱的必要條件，為此評估了時下基于AR技術的教育類APP，指出了阻礙當下發展的問題及發展方向。Hendrys、Silvia和Ramon(2017)開發出基于AR 技術的英語閱讀游戲軟件，開發者將英語閱讀包裝成一個敘事類AR游戲，圖文并茂地展示在學習者面前。與傳統閱讀教學對比，實驗結果顯示，雖然成績差異不顯著，但卻能大幅提高學習者的學習動機與興趣，培養問題解決能力、探索能力以及社交能力。
2)醫學教育領域
檢索發現有400余篇涉足醫學教育領域應用的文章。經篩選與精讀后發現，該領域所涉及的文獻在研究方法上強調量化實驗數據的結果與分析，這也與醫學這一學科特點有關。而在研究內容上，國外學者偏愛特殊人群的教育領域以及臨床外科這類易操作的醫學領域，其中既有針對VR游戲化的暴露療法來使人們克服對蜘蛛的恐懼(Miloff et al, 2016)。又有以3D 模型為主，搭配符合青少年認知風格與流行元素研發輔助青少年戒煙的VR游戲(Wiederhold, Wiederhold, & Miller, 2017)。還有效仿Virtual Tee VR骨骼學習軟件，通過VR游戲來進行骨骼學習(Nicola, Virag, & Lᾰcrᾰmioara, 2017)。
3)計算機教學管理領域
從圖3中的聯結線上可以看出教育科學、計算機科學、軟件工程這三大類領域結合甚為緊密。一方面由于這三類領域所歸屬的學校院系在國外院校大多同屬于一個院系，因而在論文的單位署名上難免會產生重疊。另一方面，這三大領域對于教育研究的出發點與采用方法多為實用主義的實踐操作，因而加深了相互之間的引用及合作。為此，本研究將圖3中左側的三塊節點部分融入該領域一并分析。在研究內容上，以搭建系統框架、設計可操作系統來優化教育教學方案為主要方向。
根據Ramin(2018)長達十五年的研究表明，VR 技術除了能影響用戶身體指標之外，還能夠影響用戶的思考與行為方式，其中一部分原因是它過于逼真。為此，國桂環、曾睿、萬力勇和韓陽(2017)認為可從智能環境、智慧教學與科研、智慧應用、智慧體驗四個方面建設AR智慧校園。Mota(2018)就當前教師缺乏開發軟件能力這一普遍現狀，設計出一款自定義的低門檻、可視化AR軟件開發工具，讓不會編程的教師也能使用這個軟件開發AR教育產品。MunozCristobal、Gallego-Lema、Arribas-Cubero、Asensio-Perez 和Martinez-Mones(2018)指出了當前AR教育類軟件為人詬病的突出問題，即過于依賴特定類型的教學，專注于特定類型的空間，并且通常與其他教育技術分離。因此他們提出了GLUEPS-AR系統，幫助教師創建和制定基于AR與Web工具的學習場景。Anastassova、 Panëels和Souvestre(2016)專為工程教育開發了可以通過攝像頭顯示真實信息和疊加虛擬信息的名為E2LP 系統，為師生操作復雜的工程試驗提供了解決方案。
2. 關鍵詞共現
為更加細致地分析該領域的研究熱點，本研究使用CiteSpace中的關鍵詞為參數設置，生成出高頻關鍵詞共現圖譜(見圖4)，同時根據其后臺儲存的相關數據，導出關鍵詞的共現頻次和中心性的數據指標(見表1)。
通過圖4的關鍵詞共現圖譜可以發現，顏色越深的代表其出現頻次越多，也代表著該關鍵詞所指示的問題為本領域研究熱點，表1左列排在前十的高頻關鍵詞，除去VR/AR與education作為核心關鍵詞排在前列外，還涌現出了performance、 simulation、skill、 environment和 system等關鍵詞，相關文獻反映了VR/AR技術的理論框架研究、VR/AR技術在各學科中的案例研究和VR/AR教育游戲的開發與應用這三類研究方向。
首先，在對比表1中關鍵詞的頻次與中心性可以發現，原本在頻次排行第五的AR卻沒有出現在中心性排行的前十名，這一現象表明了國外對VR的研究關注超過了AR，借助加德納的技術成熟度曲線的觀點來看，VR技術將先于AR技術進入穩步爬升的光明期。對此，我國的研究可考慮“攻其弱側”，在國外對VR 技術已掌握了核心競爭力的背景下，轉為以AR技術為突破點，結合5G技術進行彎道超車。
其次，對比關鍵詞排行榜，在中心性的排行榜上新增了validity、intervention、outcome和framework 四個關鍵詞，由此推斷出國外在該領域的研究方向主要以教學系統設計開發與應用為主，這也從側面反映出他們在教育教學的理論功底以及在軟件開發上的研究實力。
第三，借助VR/AR技術教學既符合行為主義的刺激—反應(S-R)聯結反饋，又符合建構主義中關于學習是一種真實情境體驗的觀點。根據CiteSpace后臺數據里提供了Burst(突現)選項，以表示一項數值中的一個變量值在短期內發生很大變化。就本研究而言，突現率較高的關鍵詞分別為technical skill、 competence、construct validity和virtual reality simulator。
因此，將國外在該領域的研究熱點總結為：以技術類專業學習者能力的培養為目標，構建具有高效度的教學模式并推廣應用。
四、研究結論與啟示
(一)結論
首先，總體來看，英、美話語體系國家在該領域的研究處于優勢地位。無論是從發文質量、期刊影圖4 高頻關鍵詞共現圖譜 響力還是地區輻射力上，英、美話語體系國家有著舉足輕重的地位，而西、德、意等非英、美話語體系國家，其學術影響力較于前兩者略有差距，但仍在該領域享有一席之地。雖然我國在發文數量上僅次于美國，然而依舊滯步于量變轉向為質變的爬升階段。
其次，從學科領域上看，理工科類占學科教育主導地位。這種新技術向理工科類學科傾斜的狀況一方面體現出了理工科“自產自銷”的優勢地位，同時又體現出了西方對人文學科的忽視，且不自覺地影響了我國學者。然而這種忽視卻不曾影響到國外學者對特殊人群的熱心研究，例如：各類恐懼癥患者、先天性疾病患者、在校不良青年、老年患病者等等。
第三，在關鍵詞與中心性的對比上可以得出，該領域的研究多基于框架來構造模型，進而進行試驗成果應用。Virtual Reality、education和performance在兩個榜單上都排名前三，VR與education的高頻詞是由于檢索詞所導致，而performance一詞的頻次與中心性如此之高可以表明該領域的研究多基于框架來構造模型，從突現率較高的關鍵詞中依舊可以印證該結論。而在中心性榜單中validity、intervention、outcome 和framework四個關鍵詞的排名躍升可以看出國外研究者普遍傾向于量化試驗研究。兩個榜單的第五位分別是Augmented Reality和serious game，一方面源于AR 技術晚于VR技術的研究開發，因此AR在中心性排名上不見其蹤影。另一方面源于教育游戲的研究雖早于 VR/AR技術，理應率先向穩步爬升的光明期過渡，卻因近年來突顯的新技術讓研究者無暇顧及此類“老技術”，這不由得讓我們聯想可將這一老一少相組合，打造VR/AR教育游戲。
(二)啟示
1. 加強交流與合作，多方位合力提升研究水平
當前，歐美國家在該領域的研究已占據先手優勢，我國學者接下來的研究首先應當立足我國國情，在面對差距時保持自己的氣節，不盲目跟風，以自身的大國智慧與涵養高標準要求自己。遵循調查后才有發言權的原則，將理論與實踐的統一，深入挖掘自身的本土化問題，滿足我國的現實需要。切實做到沉下心扎根理論研究，探出頭實驗開發，彎下腰實踐探索。國內學者應加強與國外優秀學者的交流與合作，互贏互利，共同進步，進一步提升我國在該領域的國際學術地位。
其次，施行政府引導、企業配合、教師開發的良性循環模式。2018年12月，《關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》中制定出我國虛擬現實產業整體實力到2025年進入全球前列的發展目標。2018年10 月19日，2018世界VR產業大會在南昌開幕;2019年浙江省發布《關于全面實施高等教育強省的戰略意見》中指出要探索建設基于VR/AR的沉浸式學習環境�？梢钥闯�，近年來從中央到地方多次考慮了政策宏觀調控的手段對VR/AR技術的支持。與此同時應當利用企業的基層經驗與硬件支持加大校企合作力度，正如 2019年清華大學正式成立“虛擬仿真實驗教學創新聯盟”，同年中國政法大學VR教室正式建成開始啟用。
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因此，需求的增長重在技術革新，貴在產業推廣。研究發現，在現有研究中大多數VR/AR系統都是原型系統或依托于專項開發項目，難以推廣。而在目前VR/AR制作軟件還沒有普及的情形下，既需要有精通軟件編程設計的能手，也需要熟悉教育教學規律、方法及教學內容的教育專家來開發出合適的教育資源。然而，目前同時具備這兩個不同行業知識的專家可謂少之又少，針對跨學科教師人才缺乏的現狀，可以通過“校企合作+教師定期培訓”的方式來解決。
2. 取精去糟，扎根細化研究流程
結合對國外文獻的深入閱讀，發現我國對該領域的研究流程需要在以下三方面進行改進。
1)充分扎實的框架設計
先進技術應用于實踐教學中最常見的問題就是缺乏有效的理論框架設計，通過梳理相關文獻發現，大多數研究將VR/AR技術與教學活動進行簡單相加，試圖創設完全普適性的理論框架，從而缺乏針對性的教學設計，缺乏對學習者需求和課堂教學需求的分析，導致軟件與硬件、教師與學生、教育技術與教學內容彼此分離，最終造成研究者悉心培養的胎兒僅能生存在實驗室環境中，根本無法大范圍地步署在真實教學環境中。因此，研究者可以在企業的指導下大膽探索新的技術與開發模式，為避免走彎路，應注重汲取國際經驗，努力將冷門的、可契合該領域的重要觀點融合入新興技術中，創設能夠解決本土化問題的框架設計，為接下來的開發與實驗打下基礎。
2)著力突出技術效果
經實驗調查，受試學生更偏向于使用與實際環境相匹配的AR方式來進行學習(Arino, Juan, & GilGomez, 2014)。基于VR與AR技術教育研究成果的開發前提是進行充分的教學設計，而搭建的學習環境是教學行為開始之前的橋頭堡，虛擬環境的設計要強化交互性，將學生與教師所處的虛擬環境共設為“交集”狀態(王辭曉，李賀，尚俊杰，2017)。Schank 和Kass(1996)就一同歸納出了有效學習環境三要素。其一，為學習者呈現能夠激發其動機的目標。這一環節不能僅僅依靠教師在真實環境下對學生的動員，更要在虛擬環境中的教學環節上下功夫，利用具身認知理論以及合作學習的方法燃起學生的學習動機。其二，使學習者置于真實的學習環境。想要做好這一點，就需要在虛擬聲畫上渲染相應的學科基調與情感氛圍，讓學生在該環境下產生共鳴，身臨其境地獲取知識。其三，設置需要分析信息、設計行動計劃才能夠完成的任務。這一點也完美契合了情境學習理論強調的任務性原則的觀點。王嵩林與唐震(2017)在分析了虛擬環境移動端顯示方式的基礎上，構建出手機+VR盒子的新型移動增強現實技術教學方式的解決方案，在降低成本的同時，實現了真實感的增強以及用戶操作自由度的最優化平衡。高義棟、閆秀敏和李欣(2017)則認為VR一體機和主機VR將是今后沉浸式VR教育應用設備的主力軍。為此，著力突出VR/ AR技術的效果優勢，切實保證成品質量，做出研究者滿意的成果，才能打動教學使用者們的芳心。
3)規范實驗過程與評價方案
基于VR/AR教學的最終目標是提升學生的學習效果，學習效果的測量是檢驗學習目標達成度的重要途徑。根據收集到的文獻來看，大部分國外研究者選擇實驗法，基于設計的研究和案例研究只有少數采用了準實驗設計，還有個別學者進行了延后測試來測量學習者的學習遷移及保持效果。為了進一步控制并進行綜合評價，前后測能夠反映測量學習者學習效果提升的程度，科學地證明學習結果的改變是使用了某種教學方式或技術引起的，態度和動機測試則可以收集實驗對象對結論的滿意度與建議，幫助研究者改進教學設計。O'Shea和Elliott (2016)以此設計出教育技術的使用評價工具：用來測評教育技術的使用沉浸感，共分為五個層級，包括從最淺層的觸發器類技術到最深層的教學內容分配與實踐意義評估。研究者應在VR/AR環境設計研究的基礎上，更深入地挖掘學習者內在認知過程，借鑒國外的研究設計，注重對學習者元認知、高水平思維的分析研究。設置科學、嚴謹、合理、清晰的實驗流程，為教育改革和課程教學提供最精準的支撐服務。簡而言之，設計扎實、技術效果與成品質量較高、實驗嚴謹是今后研究者需要考慮的重點。此外，VR/AR教育研究成果的安全性與倫理道德評估也應統籌考量，從細微處保證學習者的身心安全。——論文作者：高 偉 王昱霖 郭 瑾
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