学习者特征对沉浸式虚拟游戏学习体验和学习成效的影响*

杨文阳

学习者特征对沉浸式虚拟游戏学习体验和学习成效的影响*

杨文阳

（西安石油大学 计算机学院，陕西西安 710065）

虚拟现实技术支持的沉浸式虚拟游戏可以提升学习者的学习体验和学习成效，而工业4.0时代的高校需要基于学习者特征培养人才的核心能力。在此背景下，文章通过对比实验，探讨了学习者特征对沉浸式虚拟游戏学习体验和学习成效的影响，结果发现：学习者的人格特征对沉浸式虚拟游戏学习体验具有显著影响，而沉浸倾向对沉浸式虚拟游戏学习体验中的沉浸感、心流具有显著影响，但对代入感的影响不明显；
学习者特征对学习兴趣激发的影响不明显，但在一定时间内对学习成绩具有显著影响。文章的研究可为高校数字化转型和个性化教学模式设计提供理论指导，并对科学评价沉浸式虚拟游戏的学习成效具有重要的实践价值。

学习者特征；
沉浸式虚拟游戏；
学习体验；
学习成效

工业4.0时代制造业通过数字技术实现生产和业务流程的数字化转型与升级，这就对未来工作岗位的操作流程、内容及技能提出了新的要求[1]。创新创造、跨学科思维能力和知识管理能力、情感能力等已经成为工业4.0时代人才能力的基本要求，虚拟现实技术（Virtual Reality，VR)支持的沉浸式虚拟学习环境在高校教育教学中的应用越来越广泛[2]。高校需要主动应对工业4.0发展所带来的变化，以产出为导向，基于沉浸式虚拟学习环境培养解决复杂问题能力和创新能力的人才成为高等教育变革的重点[3]。为了应对工业4.0时代人才能力的新特点和新需求，高校师生需尽快适应沉浸式虚拟学习环境的变化，不断培养沉浸式虚拟学习环境下学习者的学习兴趣与学习能力，以保证其教学质量。但沉浸式虚拟环境下不同学习者之间存在个体差异，学习者的沉浸式学习兴趣、学习体验、学习成绩等值得关注。基于此，本研究试图探究沉浸式虚拟学习环境下学习者特征的差异及其对沉浸式虚拟游戏学习体验和学习成效的影响。

1 学习者特征的相关指标

沉浸式虚拟游戏学习环境以学习者为中心，可为学习者提供一个稳定的、高沉浸感的虚拟交互空间，学习者的个体差异性通过学习者特征反映出来。沉浸式虚拟游戏有助于唤醒学习者的正向情绪，学习者可以身临其境地全身心投入学习任务，排除无关信息的干扰，以勇于挑战、积极开放合作的心态进行学习，高度聚焦于游戏学习目标，从而实现知识内化与能力培养[4]。

在沉浸式虚拟游戏学习过程中，需关注学习者人格特征（如情绪稳定性、挑战性、开放性等）的变化——当学习者处于沉浸学习状态时，其情绪是激动、开放、挑战、放松的正向情绪，而非焦虑、紧张的负向情绪[5]。沉浸式虚拟游戏可随时为学习者提供高度沉浸式学习体验，激发学习者全身心参与学习[6]。另外，沉浸倾向反映学习者在虚拟游戏学习中的沉浸式体验强度，主要分为游戏级别、参与度和关注度三个层次，也会对激发学习者的正向人格特征产生重要影响[7]。

2 沉浸式虚拟游戏学习的相关指标

对学习者认知迁移效果的评价一直是沉浸式学习效果评价研究的难题之一，而学习体验与学习成效是实时监测、反馈学习者认识迁移效果的关键指标[8]。其中，沉浸感、代入感、心流是学习体验的主要表现，学习兴趣激发、学习成绩则是学习成效的重要观测指标。

（1）沉浸式虚拟游戏学习体验

为了满足学习者的个性化学习需求，沉浸式游戏学习环境必须升级硬件配置，以保障学习者的沉浸式学习体验效果。VR技术可以帮助用户沉浸在虚拟游戏学习环境中，而用户具有更高的沉浸感可以带来更好的学习效果[9]。沉浸式虚拟游戏学习体验主要表现在：①沉浸感。当学习者积极参与当前环境的活动并通过各种方式进行互动时会产生积极情绪，有较强的沉浸感[10]。沉浸感可用于评价学习者在虚拟游戏学习中的参与程度[11]。情绪、挑战性和故事情境等因素可有效激发学习者积极参与虚拟游戏学习，并获得丰富的学习体验[12]。②代入感。沉浸感体现VR系统的技术特征，并将用户的代入感理解为沉浸式技术的必然结果[13]。代入感是指在虚拟环境中用户身临其境的一种感觉，除了媒体工具会影响用户的代入感，与用户个人相关的变量如人格特质、人口统计学因素也会影响用户的代入感[14]。用户在虚拟游戏学习环境中花费的时间也是一个影响因素，如用户对虚拟游戏学习环境的不适应感和负面影响会随着时间的推移而相应减少，这可以提高用户的代入感[15]。③心流。心流是指人们持续的专注和愉快体验，也就是说学习者在持续进行的可控学习活动中遇到与自身技能水平相匹配的挑战时，表现出注意力高度集中的一种心理状态，此时学习者尽管存在较高的学习压力，但能够全身心愉悦地去完成学习任务[16]。虚拟游戏学习环境可以为学习者提供沉浸的虚拟情境、适切的学习挑战、即时的互动反馈，当学习需求和学习能力达到平衡时，学习者就会处于最佳心流状态。

（2）沉浸式虚拟游戏学习成效

①学习兴趣激发。工业4.0时代的人才核心能力不仅包括复杂环境下分析和解决问题的能力，还包括以学习兴趣为基础的情感能力，这一点体现了数字化发展的新特点和新需求。沉浸式学习离不开学习兴趣的激发，充分激发学习者兴趣是产生和维持沉浸式学习的前提[17]。在沉浸式学习过程中，需要建立学习者与学习目标、学习内容等之间的有效衔接，以充分激发学习者的学习兴趣[18]。虚拟游戏学习中的技术体系涵盖多样化游戏学习情境、虚拟现实技术、人机交互技术等多种相关技术，能提供多种方式增强学习者与游戏内容的互动，从而激发学习者的学习兴趣。因此，学习者的兴趣激发程度可以体现其情感能力，也是观测沉浸式虚拟游戏学习成效的重要指标。

②学习成绩。学习任务是连接教与学的重要纽带，对于激发学习者的学习兴趣、帮助教师完成教学任务具有重要意义。沉浸式虚拟游戏学习任务的设计必须符合学习者特征和个性化学习需求，不同学习者有不同的心理需求，对游戏学习任务会有不同的偏好[19]。沉浸式虚拟游戏学习任务需要基于学习内容（如主题漫游、故事、操纵物体等）进行多样化设计，以问题为导向，根据不同层次的任务驱动学习者主动解决问题。在沉浸式虚拟游戏学习任务实施的过程中，为了实时监测与反馈学习者的学习成绩，游戏系统会使用积分、等级、排行榜、徽章等游戏化手段进行实时激励和反馈[20]。因此，学习成绩是沉浸式虚拟游戏学习成效的重要体现，既可让学习者了解自己的认知变化过程和学习效果，也有利于教师实时了解与评价学习者的学习成绩，并及时调整教学活动与实施策略。

当前，学界对沉浸式虚拟游戏学习的评价褒贬不一，理论研究者对游戏学习效果的巨大期待与实践研究者注重证据的谨慎态度形成了鲜明对比。此外，教师对游戏学习中的学习者特征缺乏清晰认识，没有及时引导学习者积极保持较高的学习投入[21]。由于高校师资和实践教学资源紧张，普遍存在大班授课的情况，而实践教学主要依赖于教师讲授和演示，致使学习者的学习兴趣和完成学习任务的积极性不高，这就会严重影响实践教学成效[22]。目前，对于沉浸式虚拟游戏学习体验效果的研究主要聚焦于学习体验与虚拟游戏学习环境性能之间的相关性分析，而对于沉浸式游戏学习体验效果与学习者特征影响因素之间关系的研究缺乏实证数据支撑，需要通过进一步的实践研究进行深入分析[23]。沉浸式虚拟游戏可以激发学习者的学习兴趣，提升其学习体验和学习成绩，为创新实践教学形式提供有力支撑，但需要通过设计相应的实验来进一步验证其合理性。

1 研究问题

沉浸式虚拟游戏学习环境为学习者提供了丰富的学习体验，有利于激发学习者的学习兴趣并提升其学习成绩。当前，沉浸式虚拟游戏学习方面的研究聚焦于理论探究、游戏框架与课程目标设计等，而对学习者沉浸式虚拟游戏学习成效的实践探索较少，缺乏基于学习者特征的沉浸式游戏学习体验、学习兴趣和学习成绩实证研究。基于此，本研究利用虚拟现实技术开展沉浸式虚拟游戏学习实验，旨在探究沉浸式虚拟游戏学习环境下学习者特征对沉浸式学习成效的影响。具体来说，本研究主要解决两个问题：①学习者特征是否影响沉浸式虚拟游戏学习体验？②学习者特征是否影响沉浸式虚拟游戏学习学习成效？

2 研究对象

参与本实验的学习者是陕西省X大学计算机科学与技术专业的126名大三学生，他们对沉浸式虚拟学习环境有一定的了解，对专业学习需求认识较为深刻。这些学生来自四个班，本研究随机选取其中的两个班为实验班，共62人；
另外两个班为对照班，共64人。实验班中男生有34人（占比54.8%），女生有28人（占比45.2%）；
而对照班中男生有39人（占比60.9%），女生有25人（占比39.1%）。另外，有两名教师参加本实验活动。成绩测试结果显示，实验班与对照班之间不存在显著差异（=0.78＞0.05）。本研究考虑学生的学业绩点高低平均分布，并照顾各小组的性别分布，将实验班学生分为16个小组，每个小组3～4名学生。在本次实验中，游戏学习持续时间为4周。

图1 自变量与因变量之间的关系

图2 实验流程设计

3 研究内容与变量

本研究基于研究问题设计沉浸式虚拟游戏实验进行测试，以验证学习者特征对沉浸式虚拟游戏学习体验和学习成效的影响。为此，本研究设置了1个自变量（即学习者特征，包括人格特征、沉浸倾向）和2个因变量（即沉浸式虚拟游戏学习体验、沉浸式虚拟游戏学习成效），其关系如图1所示。

本研究的自变量为学习者特征，包括学习者的人格特征和沉浸倾向。其中，人格特征主要表现为情绪稳定性、挑战性和开放性等，其分析采用“大五人格量表（第二版）”（Big Five Inventory-2，BFI-2）[24]；
而沉浸倾向主要分为游戏级别、参与度和关注度三个层次，其分析采用“沉浸倾向量表”（Immersive Tendency Questionnaire，ITQ）[25]。自变量相关数据通过调查问卷的形式收集，数据分析结果表明：自变量所含两个量表测试题的Cronbach’s α值为0.78，说明这些测试题的内部一致性较高，说明信度良好。

因变量主要有2个：①沉浸式虚拟游戏学习体验，包括3个考察维度，即沉浸感（通过“沉浸式体验量表”测量[26]）、代入感（通过“代入感量表”测量[27]）、心流（通过“心流量表”测量[28]）。②沉浸式虚拟游戏学习成效，包括2个考察维度，即学习兴趣激发（通过“学习兴趣量表”测量[29]）、学习成绩（通过完成游戏学习任务过程中的不同参数如每个游戏参与者完成学习任务所用时间、使用的轨道数量、因出错而移除的轨道数量、行驶距离等进行测量）。本研究选用问卷星平台搜集所涉量表数据，并根据学习者的主观报告来测量其学习体验[30]。学习者沉浸式虚拟游戏学习效果所涉量表的测试题项都按照李克特五点量表计分，即从“完全同意”到“完全不同意”设为5～1分。测试结果表明，沉浸式虚拟游戏学习效果各量表题项的Cronbach’s α值处于0.8～0.9之间，说明信度在合理范围内。

4 研究实施过程

本研究通过调查问卷法收集研究数据，问卷调查内容主要涉及学习者特征（含人格特征、沉浸倾向），沉浸式虚拟游戏学习体验（含沉浸感、代入感、心流）和沉浸式虚拟游戏学习效果（含学习兴趣激发、学习成绩）。此外，为深入了解沉浸式虚拟游戏学习环境中学习者特征和学习界面因素对沉浸式虚拟游戏学习体验和学习效果的影响，本研究设计了相应的实验进行验证和对比分析，实验流程设计如图2所示。其中，实验组利用沉浸式游戏学习环境的实验条件包括计算机和头戴式显示器（Head Mounted Display，HMD），学生使用HTC VIVE穿戴式显示设备；
而控制组学生通过观看计算机视频进行学习。实验活动结束后，所有学生立即填写问卷，同时教师检查学生的学习成绩，完成游戏学习后测。整个实验过程持续时间大约为50分钟。

5 学习活动设计

本研究基于“半条命：艾利克斯”游戏，设计了沉浸式虚拟游戏学习情境，如图3所示。在该游戏中，学生可以根据自己的学科背景和专业兴趣选择技术性学习情境，如工程学、物理学、地理学等；
也可选择非技术性学习情境，如创造力、团队合作、特定技能。之后，学生通过扮演主角——艾利克斯在战后世界重建工业区的背景下完成各项工程任务，如密码箱的破解、维修桥梁、电路的改造与连接等。该游戏由空间定位、决策、问题解决、心理运动技能四个模块构成，学生在游戏学习过程中的学习行为数据由系统通过数据挖掘技术自动生成。

学生参与游戏学习的沉浸式虚拟游戏学习活动场景如图4所示。在游戏学习过程中，学生需要在轨道上快速完成货物运输的任务，为此必须想办法高效率、低成本地利用轨道运输路线。虚拟游戏学习平台提供一个专门用于记录该游戏学习成绩参数的编程工具，此工具可测量每个参与游戏的学生在游戏中所用的时间、使用的轨道数量、因出错而移除的轨道数量和行驶距离。另外，屏幕捕获软件可在完成学习任务的过程中随时记录学生在游戏学习过程中的运动轨迹。

图3 沉浸式虚拟游戏学习情境设计

图4 沉浸式虚拟游戏学习活动场景

为解决上述两个研究问题，本研究采用结构方程模型分析方法，通过SPSS 22.0统计软件对相关数据进行处理，分别进行了学习者特征对沉浸式虚拟游戏学习体验、学习效果的影响分析。

1 学习者特征对沉浸式虚拟游戏学习体验的影响分析

学习者特征与沉浸式虚拟游戏学习体验的相关性分析结果如表1所示，可以看出：①人格特征方面，情绪稳定性与沉浸感存在显著相关性（＜0.05），情绪稳定性与代入感、心流均存在显著的负相关性（＜0.01）；
挑战性与沉浸感、代入感、心流均存在显著相关性（＜0.05）；
开放性与沉浸感、代入感、心流也都存在显著相关性（＜0.05）。②沉浸倾向方面，游戏级别与沉浸感、心流均存在显著相关性（＜0.05），参与度与沉浸感、心流均存在显著相关性（＜0.05），关注度与沉浸感、心流也都存在显著相关性（＜0.05）；
但是，沉浸倾向（含游戏级别、参与度、关注度）与代入感之间没有显著相关性（＞0.05）。综上可知，学习者的人格特征对沉浸式虚拟游戏学习体验具有显著影响，其中情绪稳定性对代入感、心流具有显著的负向影响；
沉浸倾向对沉浸式虚拟游戏学习体验中的沉浸感、心流具有显著影响，但对代入感的影响不明显。

表1 学习者特征与沉浸式虚拟游戏学习体验的相关性分析

注：*＜0.05，**＜0.01。下同。

2 学习者特征对沉浸式虚拟游戏学习效果的影响分析

学习者特征与沉浸式虚拟游戏学习效果的相关性分析结果如表2所示，可以看出：①学习兴趣激发方面，情绪稳定性、挑战性、开放性、游戏级别、参与度、关注度与学习兴趣激发之间均没有显著相关性（＞0.05）；
②学习成绩方面，情绪稳定性、挑战性、开放性、游戏级别、参与度、关注度均与学习成绩（1周）存在显著相关性（＜0.05），但与学习成绩（4周）之间均没有显著相关性（＞0.05）。综上可知，学习者特征对学习兴趣激发的影响不明显；
学习者刚开始进行游戏学习时，学习者特征对学习成绩（1周）具有显著影响，但经过一段时间的沉浸式游戏学习后，学习者特征对学习成绩（4周）的影响变得不明显了，说明在一定时间内学习者特征对学习成绩具有显著影响。此研究结论的提出，与“沉浸式学习环境存在多感知性，学习成绩和学习兴趣两个主观测量指标在反映沉浸式学习认知上存在一定的分离性”此观点具有一致性[31]。

表2 学习者特征与沉浸式虚拟游戏学习效果的相关性分析

结合上述研究结论，本研究针对未来沉浸式虚拟游戏学习的开展提出以下建议：

1 沉浸式虚拟游戏学习活动需满足学习者的个性化需求，为其提供丰富的学习体验

考虑到学习者人格特征中的情绪稳定性对代入感、心流具有显著的负向影响，教师需在沉浸式虚拟游戏学习过程中及时关注学习者的情绪状态。当学习者在沉浸式虚拟游戏学习过程中面临学习任务困难、个性化学习需求不能得到满足等问题时，很容易出现焦虑、紧张等负面情绪，这就要求沉浸式虚拟游戏学习活动在学习内容和场景设计上更具创意性、可变性、可重复性，以激发学习者的正面情绪，引导学习者多次主动挑战和体验沉浸式虚拟游戏学习活动，进而增强其代入感和心流体验。而当学习者在沉浸式学习中的沉浸倾向具有代入感特征时，会对沉浸式学习任务不断提出挑战[32]。考虑到学习者的沉浸倾向对代入感的影响不明显，设计沉浸式虚拟游戏学习时可以设置师生交互、生生交互、人机交互的多目标选择任务，鼓励学习者全身心积极参与体验，以开放心态多角度探索学习活动，进而获得最佳学习体验，强化对知识和技能的学习。

2 教师需及时监控和调整学习者的沉浸式虚拟游戏学习状态，引导其顺利完成学习任务

考虑到学习者特征对学习兴趣激发的影响不明显，加上在沉浸式虚拟游戏学习环境中无关信息的干扰、学习任务难度的增加和长时间的压力累积，容易使学习者失去对沉浸式学习任务的兴趣，而无法保持持久的沉浸式学习状态，因此教师要基于学习者特征分析沉浸式学习目标和学习内容，充分利用各种技术、工具创设多元学习路径和情境可选项，以增强学习者与游戏内容的互动，从而激发学习者的学习兴趣。考虑到在一定时间内学习者特征对学习成绩具有显著影响，教师需及时掌握并分析学习者的沉浸式学习动态信息，实时监督学习者的学情、学习情绪和沉浸倾向变化，以帮助学习者及时解决学习问题；
同时，教师要及时记录学习者的沉浸式学习时长，当学习者陷入沉迷状态时要及时干预，以引导学习者顺利完成学习任务。

受限于研究条件，本研究存在样本数量偏少、实验时间较短等问题。对此，后续研究需使用更大的样本量去探究学习者特征具体要素对沉浸式虚拟游戏学习体验和学习成效的影响。此外，学习者特征与学习成效之间的关系受沉浸式学习时长的影响，这使得在限定的时间内难以详细观测学习者特征具体要素与学习成效之间的关系，因此沉浸式学习时长对学习者沉浸式学习成效的影响也值得后续进一步探索与分析。

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The Influence of Learners’ Characteristics on Learning Experience and Learning Effectiveness of Immersive Virtual Games

YANG Wen-yang

Immersive virtual games supported by virtual reality technology can improve learners’ learning experience and learning effectiveness. However, universities and colleges need to cultivate talents’ core competence based on learners’ characteristics in the Industry 4.0 era. Under this context, this paper discussed the influence of learners’ characteristics on the learning experience and learning effectiveness of immersive virtual games through comparative experiments. It was found that learners’ personality characteristics had a significant impact on the learning experience of immersive virtual games. Meanwhile, the impact of immersion tendency on the immersion sense and mental flow in the learning experience of immersive virtual games was significant, but on the substitution sense was not obvious. In addition, the influence of learners’ characteristics on learning interest motivation was not obvious, but the influence on learning performance in a certain period of time was significant. The research in this paper could provide theoretical guidance for digital transformation and personalized teaching model design in universities and colleges, and had an important practical value for the scientific evaluation of immersive virtual games’ learning effectiveness.

learners’ characteristics; immersive virtual game; learning experience; learning effectiveness

G40-057

A

1009—8097（2022）11—0059—08

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.11.007

本文为2021年度陕西省教育科学“十四五”规划课题“智慧教育环境下的高校教师专业化发展途径及策略研究”（项目编号：SGH21Y0087）的阶段性研究成果。

杨文阳，副教授，博士，研究方向为数字化学习、虚拟现实技术及应用，邮箱为ywy80910@163.com。

2022年4月21日

编辑：小米

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