VR/AR教学体验的设计与应用研究*

发布时间：2022-10-03 10:56 热度：

　　李小平1，赵丰年1，张少刚2，张琳1，许梦幻1

　　(1.北京理工大学 教育技术研究所，北京 100081;2.国家开放大学，北京 100039)

　　摘要：该文针对VR/AR教学的实际应用和全国VR/AR教学大赛的赛事推广需求，从VR/AR教学体验设计角度，分析了VR/AR教学体验设计的多面性，从心理学视角列出了VR/AR教学体验包含的内容，论述了VR/AR教学体验设计的方法;综合动机设计、情感设计和教学设计等多角度，提出了VR/AR教学体验的分层构成模型;提出了VR/AR教学体验应用模型，将相应体验分为方法性体验、技能性体验、知识性体验和启发探索性体验，并给出系统的设计方法;从用户界面、交互性、可用性等几个方面，提出了VR/AR教学体验设计的评价标准，在VR/AR教学体验应用理论基础性研究上进行了探索。

　　关键词：虚拟现实;增强现实;体验设计;教学体验;应用框架;评价标准

　　中图分类号：G434文献标识码：A

　　VR/AR教学体验设计是VR/AR教学设计中的核心问题。在VR/AR教学过程中，VR/AR体验效果越好，其感知效果和教学效果也就越好，可信度也就越高。VR/AR技术所具有的沉浸性、交互性、构想性、夸张性和社会性等特征[1]，使其在教育领域的应用具有独特的优势。如何在学习中设计具有功能性和目的性，同时又有趣且吸引人的体验，是VR/AR教学设计的重要研究方向，涉及到人工智能、心理学、社会学、电子商务、人机交互、戏剧、电子叙事等多个领域。要使得VR/AR教学体验更加完整，就要更深入地在各个层面上关注内容设计和特性设计，协调它们之间的各个因素。从教学设计的角度，教学传输模式将逐渐让位给体验编导模式，教育者的角色也将从信息提供者转变为体验设计/编导者[2]。本文针对VR/AR教学的实际应用和全国VR/AR教学大赛的赛事推广需求，提出VR/AR教学体验设计的产生框架、构成框架和应用模型，并对VR/AR教学体验的内容、设计和评价进行了论述。

　　一、VR/AR教学体验及其产生框架

　　人们做的每个活动都会形成以及产生一个体验，体验是在一个给定时间内用户和环境交互的过程和结果。在交互的过程中，形成体验的不同元素融合起来形成个体的输出，要被实现的目标、使用的工具以及交互发生的领域形成环境。为了让学习者可以投入到教学任务中，需要综合考虑功能性、可用性以及美观性。通过观察形成学习者和任务交互的进程的元素，我们可以了解大多数教学体验的共同元素。教学体验是一个反馈的循环，过去的体验会影响未来的体验。这种产生式的体验会让学习者的情感发生改变，形成积极的体验(如快乐)或者心流。

　　(一)VR/AR教学体验的概念

　　在设计者的视角下，VR/AR教学体验可以被解释为不同的沉浸概念，包括：感官沉浸、挑战沉浸和想象力沉浸，它们会在使用VR/AR系统时同时发生并相互交互。感官沉浸是学习者在与VR系统交互时获得的，挑战沉浸是“当一个人达到一个挑战和能力的令人满意的平衡点”时出现的，而想象力沉浸则是当学习者“使用他的想象力和任务产生共鸣，或者只是享受VR系统的幻想”时发生的。三种沉浸感觉的交叉点就能为学习者提供一个完全沉浸的VR体验。感官沉浸是学习者与交互界面的连接，而挑战和想象力沉浸则是学习者和VR系统的连接。

　　除了沉浸以外，还可以使用另两个概念来描述R体验：心流和代入感。心流是指个体在遇到与其技能水平相匹配的挑战时，全身心投入目标导向的任务，达到忘我的一种心理状态[3]。代入感则是指在虚拟世界中身临其境的一种感觉。如果VR教学系统提供适当的挑战、即时的反馈、沉浸的虚拟世界，那么有可能获得心流这种最优体验。另一方面，沉浸和代入感不会自动意味着学习者会有愉快的体验，但相应体验也是有价值的，因此是次佳的体验。

　　(二)VR/AR教学体验的多面性

　　在使用VR/AR教学系统时，有意义的目标引导学习者的行为，在系统规则和选择范围中，学习者追求这些目标，赢得奖励，做出决策，并且迎接挑战。学习者有意或无意持续不断地评估他们在系统中的表现，看他们是否正在达成期望的目标，以及他们是否具有迎接挑战的能力。如果他们在克服困难之后达到目标，就会获得正面情绪和胜任感。

　　R叙事变成了讲故事，在故事中学习者扮演一个积极的角色。有趣的时空将学习者的注意吸引到虚拟世界中，从而提供了对现实世界的逃离。学习者投入到他们在VR世界中扮演的角色中。VR世界的生成也同样由界面支持，从而限定了其中的物理交互和社会交互。界面提供了探索、发现和收集新事物的环境。在那里学习者与其他代理进行交互并且逐步适应，从而越来越深地陷入到虚拟世界中，在其中深度体验学习。

　　当学习者描述他们的体验时，往往会描述相应的情感变化(例如：享受)、认知评测(例如：挑战)、以及动机(例如：好奇心)。整理出学习者的认知、情感、动机、知觉以及注意点，将揭示出学习体验的决定性因素，例如体验的质量、强度、意义、价值和广度。总之，这些决定性因素使得分析VR/AR教学体验成为可能，并且赋予了VR/AR教学体验独一无二的特征。如图1所示，中间部分是学习者与虚拟世界的交互过程，教学体验在这个过程中不断演化。在VR系统之外，教学体验很大程度上会受到基础心理学和学习者个人背景的影响，包括：学习者在系统中的临场感、参与度以及心流。

　　二、VR/AR教学体验的内容与设计

　　(一)VR/AR教学体验的内容

　　VR/AR教学带来的体验不应该局限于任务解决能力的提升，它还应能增加学习者的享受。积极的情绪是好奇心和学习新事物的前提，针对消费者需要满足而提出的分层理念：实用性、适用性和愉悦感[5]，也同样适用于VR/AR教学体验。VR/AR教学体验基于现象感知和具身认知，常常被学习者描述成有趣而令人愉悦的，也就是说情感体验是VR/AR教学设计的准则。用户界面和交互设计师应该基于这个设计准则，使用理解性体验、教学形态问题体验、多种效果的感知认识、多种媒体的感受、意会型的感受方式等，来提升VR/AR教学体验的趣味性。

　　学习者对一个VR/AR教学活动的体验是个性化的，它蕴含着学习者的技能、知识以及先前的相似经验，是学习者和VR/AR系统交互时产生的情绪和感觉。由于这种交互总是发生在一些物理和社会环境中，了解学习者、提供的任务以及使用的环境是VR/AR教学体验设计的关键。

　　VR/AR教学体验研究的主要目的是研究哪些因素能影响教学，哪些类型的体验更加适合教学，如何设计以教学为目标的特定体验，研究学习者如何在有趣的基础上挖掘他们的潜能和应对有难度的挑战，如何通过非正式社交、艺术欣赏等方式所带来的潜意识体验提升学业成就，并研究如何对VR/AR教学体验进行分类。基于Mcdougall[6]、Ekman[7]和Reiss[8]等学者的研究，结合VR/AR教学体验的特性，可以从心理学角度给出VR/AR体验的类别定义，如下表所示。该类别可以作为VR/AR教学体验设计时参考的内容标准。

　　三、VR/AR教学体验的构成框架

　　VR/AR教学体验的构成基于动机心理学中对认知评价和情感输出的分类[10]、高投入度教学设计的框架[11]、对临场感的研究[12-14]、情感设计研究[15-17]等，将其分为：VR概念分类层、VR元素组合设计层和VR教学体验层，如图3所示。该框架形成了VR/AR教学体验设计的理论基础，并奠定了VR/AR教学体验应用设计的基础。VR/AR教学体验的构成框架主要涵盖以下方面的元素设计和关系设计：

　　(1)VR/AR教学体验的核心元素：VR教学系统本身及其与学习者之间的互动。VR/AR教学系统包括两个元素：系统规则和虚拟环境，前者是VR/AR教学系统的灵魂，而后者则是相应的载体。系统规则定义了VR/AR世界的背景、交互规则以及故事场景;而虚拟环境则是呈现给学习者的具体方式，包括将物理场景转化为图像和声音。

　　(2)VR/AR教学体验吸引人的因素：挑战、感觉和情绪、其他参与者以及叙事和故事等，这些因素促使学习者参与虚拟世界的交互并且获得有趣的体验。学习者的参与动机也可以用奖励和成就来解释。寻求奖励被认为能强化学习者的行为，因为奖励会刺激学习者去寻求更多的奖励。

　　四、VR/AR教学体验应用设计

　　(一)VR/AR教学体验应用模型

　　VR/AR教学体验应用模型(如图4所示)是在AR/VR技术特性的基础上，生成各自的教学空间，达到教学问题空间化的效果，在空间中进行感知、情感、行为和反思层面的体验。在此基础上，展开对体验对象基本能力的分析，包括对其技能、经验、体能等各方面进行评估。依据相应的评估结果，将系统设置为不同的挑战级别和技能级别，以使学习者获得不同的心理体验[18]，并激发其获得最佳的心流体验。具体的深度体验设计包括：方法性体验、技能性体验、知识体验和启发探索性体验。最后进行体验的评价，评估学习者的学业表现和迁移效果。

　　五、VR/AR教学体验的评价

　　对VR/AR教学体验进行评价是VR/AR教学设计应用的基本要求，建立相应的评价标准能够为全国VR设计大赛等应用的评判提供理论依据。可以依据用户界面、可用性和交互设计三个方面建立VR/AR教学体验设计的评价标准[19-21]。

　　(一)VR/AR教学体验的用户界面评价

　　用户界面是VR/AR教学场景的用户接口，对其评价应考虑以下因素：(1)信息显示：关键设计要明显，这些相关信息应该被展示出来，而且关键的信息要显眼。不相关的信息应该被排除掉。应该提供给学习者足够的信息，从而使其能够判断自己的状态并作出合适的决定。 

　　六、结束语

　　VR/AR系统具有的第一人称体验、自然语义、具身化、自主性和沉浸感等特征，使其在教育领域获得了愈来愈广泛的应用[22][23]。通过提供多个维度的沉浸、交互与认知，VR/AR教学系统能够激发学习动机、增强学习体验、实现情境学习和促进学习迁移[24]。在由VR/AR构成的虚拟环境/叠加环境中，知识获得了多重表征和富语义的呈现，能够让学习者在承载着故事的多维空间中穿梭，以可视化、智能化和个性化的方式体验事物的过程变化和极端变化，从知识产生的源头、知识发展的动力和知识应用的方向等角度构建知识，真正达到学有所得和学以致用。但是，VR/AR教育应用仍然处于较为初级的阶段[25]，一定程度上限制了VR/AR技术与教育的深度融合。本文提出的VR/AR教学体验产生框架、类别定义、构成框架、应用模型和评价标准，将为VR/AR教学体验的设计和评价提供相应的理论和实践支撑，从而促进VR/AR技术在教育领域的推广和应用。

　　参考文献：

　　[1] 李小平, 陈建珍等. AR/VR学习情境设计问题的研究[J]. 现代教育技术,2017,(8):12-17.

　　[2] 李小平,张琳等.虚拟现实/增强现实下混合形态教学设计研究[J]. 电化教育研究,2017,(7):20-25.

　　[3] Mihaly Csikszentmihalyi. Flow:The psychology of optimal experience[M]. New York:Harper and Row,1990.

　　[4] Mcdowall I E. An industrial approach to design compelling VR and AR experience[C]. Bellingham:SPIE Press,2013.

　　[5] Jordan P W. Designing pleasurable products-an introduction to the new human factors[M]. Boca Rato:CRC Press,2002.

　　[6] William McDougall. The Energies of Men: A Study of the Fundamentals of Dynamic Psychology[M]. London: Methuen & Co., Ltd.,1932.

　　[7] Ekman P, Friesen W V, Ellsworth P. Emotion in the human face: Guidelines for research and an integration of findings[M]. New York:Pergamon Press,1972.