发布时间：2022-03-30所属分类：教育论文浏览：1次
摘 要： 【摘要】针对虚拟现实与增强现实技术在教育领域研究的兴起，以及国外在该领域研究起步较早且处于领先优势的现状，本研究以Web of Science数据库中2014-2019年间收录的相关英文文献为研究对象，对文献总体趋势进行分析，之后借助 CiteSpace软件进行可视化分析。结果表明
【摘要】针对虚拟现实与增强现实技术在教育领域研究的兴起，以及国外在该领域研究起步较早且处于领先优势的现状，本研究以Web of Science数据库中2014-2019年间收录的相关英文文献为研究对象，对文献总体趋势进行分析，之后借助 CiteSpace软件进行可视化分析。结果表明，英美话语体系国家在该领域的研究处于优势地位，以理工科类教育为主导，且多基于框架来构造模型并进行试验成果应用。由此得到我国在虚拟现实与增强现实技术教育研究的五大启示：加强交流与合作，多方位合力提升研究水平;取精去糟，扎根细化研究流程;促进多学科领域融合，坚持科学性与人文性相统一;力促新老技术协同创新，推进VR/AR教育游戏设计开发;延伸各方监督，适度虚拟以拥抱现实。
【关键词】VR;AR;Web of Science数据库;CiteSpace;可视化分析
一、引言
如今，方兴未艾的慕课、微课等远程教育模式较好地缓解了优质课程资源共享、师生时空分离的问题。然而在教学情境沉浸感和交互性以及教学模式多样性等要素的扩展上依旧咫尺千里。早在1960年，虚拟现实(VR)技术被萨瑟兰提出，而后发展成为在计算机系统及传感器技术模拟的基础上生成的可交互的技术。随后1990年波音公司的员工考德尔首次提出增强现实(AR)一词，该技术以虚实结合、实时交互和三维注册为三大准则，在真实世界基础上动态叠加上相关位置或虚拟信息。这两门技术在三维空间或现实的物理世界叠加了一层虚拟信息，延伸并扩充了学习者的视觉系统，由此为教育带来了新的机会。
2016年作为VR/AR技术的元年，VR/AR技术在当年的《地平线报告(高等教育版)》中被预测为2~3 年内采用的关键技术。然而在接下来的三年里，VR/ AR技术不但没有在教育领域蓬勃发展，反面在预言到期之日消失在榜单中，随之代替的是更为尖端的混合现实(MR)技术。这不仅体现了这两门技术在教育领域上的研究断层，同时还映射出当下研究者的急功近利。《2019年教育信息化和网络安全工作要点》中指出要推动大数据、VR、人工智能等新技术在教育教学中的深入应用。
基于此，本研究以近六年(2014-2019年)Web of Science(WoS)数据库为主要信息源，分析相关文献并利用科学知识图谱，以可视化的方式进一步梳理相关主题关键词与发展热点，从而把握国外VR/AR技术研究现状与发展趋势，为指导我国在该领域的后续研究提供参考。
二、数据来源与研究方法
(一)数据来源
本研究选取WoS数据库合集为主要文献样本来源，同时兼顾做出突出研究贡献的国内学者的研究成果及观点。使用数据库高级检索功能，经过反复检 索得出最优化的检索式为：TS=("Virtual Reality*" OR "Augment Reality*" OR AR OR VR) AND TS=(Teach* OR Learn* OR Education* OR School* OR Classroom*) ，语种选择为英语，文献类型选为期刊，时间跨度选定为 2014-2019年，检索出3 163篇文献，通过文献标题及期刊类型筛选出符合要求的论文共计2 010篇作为进一步分析的基础。
(二)研究方法
本研究首先分析国外研究的总体趋势，梳理国外研究热点和前沿，绘制相应的知识图谱。接着运用共现分析等方法对相关文献进行可视化分析，判断各学科领域主题间的关系，试图从VR/AR技术视角探析在教育教学中的研究热点及发展前景，为其在我国教育技术领域的研究与实践提供参考。
三、研究结果与分析
(一)总体研究趋势分析
1. 期刊来源与作者机构分布
本研究通过WoS数据库检索及对检索结果的分析，得到载文量排名前三的期刊分别为：Journal of Surgical Education、Computers in Human Behavior和Computers& Education。从期刊的所属学科来看，文献主要从属于医学类、计算机类、教育技术类、工程技术类;从期刊所属国家来看，高频发文的期刊里英、美两国在文献数量与期刊影响因子上都处于世界领先。
对于作者所属机构的分析主要从各机构发文数量与合作情况，以及中国大陆地区机构与其他地区机构之间的对比情况来进行。首先，通过对WoS机构扩展的统计分析，在机构发文数量上可分为四个梯队。第一梯队为伦敦大学与哈佛大学，两者的发文量共占总文献数的5.078%，反映出英、美两国在该领域的学术统治力;第二梯队近五年来的发文数量在45~50 之间且彼此差距甚小，平均占比率低于第一梯队约0.2个百分点;而占绝大多数的第三、四梯队为发文占比为 1%上下的机构，大陆地区所属机构大多位于这两个梯队。其次，CiteSpace中机构以国家和地区为参数设置，生成机构所属国家和地区共现图谱(见图1)，发现美国的机构在该领域辐射范围最广，在其周围围绕了加拿大以及欧洲发达国家，这表现出了欧美国家之间的机构合作频繁。中国大陆地区机构处于美国辐射圈的外层，虽然自身辐射范围甚至高于一些欧洲国家，但其自身学术影响力的狭隘性导致了与其他国家的合作甚少。
2. 文献地区与文献数量分布
通过对文献所属国家和地区进行统计分析，可以了解不同国家和地区对该研究领域的关注度与贡献度。美、中、英三国在该领域的影响力稳居前三，这也在文献发表数量上能够体现出来。其中，美国以716 篇发文量位于第一，中国大陆地区以386篇位于第二，英国以285篇排名第三，紧随其后的还有加拿大(189 篇)、德国(131篇)、西班牙(133篇)、澳大利亚(129篇)、中国台湾(110篇)。以上八个国家和地区发文量均超过100篇，且合计发文占比超过八成，由此可见这八个国家和地区是该领域文献发表的主力军。
从图2中可以发现，六年间的文献数量及被引频次总体均呈上升趋势。在2016年之前文献数量在300~400篇上下浮动，文献被引频次均低于3 000次以下。加德纳技术成熟度曲线表明，一个新领域的研究会面临五个阶段：科技诞生的促动期—过高期望的峰值—泡沫化的低谷期—稳步爬升的光明期—实质生产的高峰期(Gartner, 1995)。由于国外对该领域的研究起步较早，2014-2016年该领域的研究状态已处于“再起步”阶段，即在第三与第四阶段的过渡期。在2017-2019年该领域再次出现了研究热潮，两项指标在近两年增幅明显，说明此时的研究境况触底反弹，研究热度稳步爬升，处于第四阶段。从2016年之后文献的被引频次以每年1 000次进行增长的程度来看，一方面是源于近两年文献数量的增长所带来的(学者们普遍习惯引用近两年左右的文献)，另一方面也从侧面反映出近两年文献质量较 2016年前有很大提升。
照此趋势来看，未来五年该领域将仍在此阶段徘徊。本研究认为5G技术的广泛应用可能会把高质量的 VR/AR教学内容处理走向云端，借助其高速度、低延迟的优势，引领该领域的纵深发展。
(二)共现热点趋势分析
为了分析该领域的共现热点趋势，本研究借助 CiteSpace生成的领域共现图与关键词共现图，分别得到了该领域的三大热点领域以及研究热点。
1. 领域共现
在关键词共现分析的基础上，使用CiteSpace中的领域共现生成图谱。根据图3节点大小与分布结构可以发现VR/AR技术的教育研究热点领域主要集中于三大类，分别为学科教学领域、医学教育领域、计算机教学管理领域。
1)学科教学领域
从图3下方最大的节点来看，该领域所辐射的范围最广，根据CiteSpace中的内部数据显示，该领域所辐射到的多为学科类教学方向，其中包含了数学、化学、物理、英语等学科领域。
以情境化故事为教学内容制作的“AR魔法书” 帮助学生学习数学中的数字和计数规则(Chien, Chen, & Jeng, 2010)。Salinas、Quintero、Sanchez和Mendivil (2015)针对数学函数图像的实时性与多变性开发出可以多角度观察生成函数图像的AR软件，经试验表明对于学生的立体思维与形象化思维的培养有明显帮助。而在数学立体思维的培养上，运用AR技术将立体几何中的三视图以二维展开图与三维立体图形结合呈现，能够使学习者更加直观地理解图形的变化形式(Chen, 2019)。
有学者设计出自然环境下的VR系统来帮助学习者理解酸雨分子层面的化学反应。还有利用AR技术让学生通过对3D分子结构模型的旋转来进行化学元素的学习(Iyiade, Bielawski, Rui, & David, 2018)。
针对初中物理中的磁场与磁感线教学内容制作出的AR体感教学软件，可将磁场可视化并由学习者通过手势与磁场进行实时交互。同时发现该技术的应用会对成绩较为不突出的学生有更大影响，进而设计出由传统多媒体在线学习内容及小组任务类教育游戏两部分构成的科学教育类AR游戏。(Cai, Chiang, Sun, Lin, & Lee, 2016)。
Kishino(2005)指出，在信息时代内容如此丰富的今天，如果运用新技术仅仅是为了展示更多的教学内容，那可谓大材小用了。相反，O'Shea和Elliott (2016)赞成以VR/AR技术展现信息的能力来定义其技术能力，并认为计算机科学技术、人机交互、心理学与教育学等综合因素才是考量技术在教育教学领域发光发热的必要条件，为此评估了时下基于AR技术的教育类APP，指出了阻碍当下发展的问题及发展方向。Hendrys、Silvia和Ramon(2017)开发出基于AR 技术的英语阅读游戏软件，开发者将英语阅读包装成一个叙事类AR游戏，图文并茂地展示在学习者面前。与传统阅读教学对比，实验结果显示，虽然成绩差异不显著，但却能大幅提高学习者的学习动机与兴趣，培养问题解决能力、探索能力以及社交能力。
2)医学教育领域
检索发现有400余篇涉足医学教育领域应用的文章。经筛选与精读后发现，该领域所涉及的文献在研究方法上强调量化实验数据的结果与分析，这也与医学这一学科特点有关。而在研究内容上，国外学者偏爱特殊人群的教育领域以及临床外科这类易操作的医学领域，其中既有针对VR游戏化的暴露疗法来使人们克服对蜘蛛的恐惧(Miloff et al, 2016)。又有以3D 模型为主，搭配符合青少年认知风格与流行元素研发辅助青少年戒烟的VR游戏(Wiederhold, Wiederhold, & Miller, 2017)。还有效仿Virtual Tee VR骨骼学习软件，通过VR游戏来进行骨骼学习(Nicola, Virag, & Lᾰcrᾰmioara, 2017)。
3)计算机教学管理领域
从图3中的联结线上可以看出教育科学、计算机科学、软件工程这三大类领域结合甚为紧密。一方面由于这三类领域所归属的学校院系在国外院校大多同属于一个院系，因而在论文的单位署名上难免会产生重叠。另一方面，这三大领域对于教育研究的出发点与采用方法多为实用主义的实践操作，因而加深了相互之间的引用及合作。为此，本研究将图3中左侧的三块节点部分融入该领域一并分析。在研究内容上，以搭建系统框架、设计可操作系统来优化教育教学方案为主要方向。
根据Ramin(2018)长达十五年的研究表明，VR 技术除了能影响用户身体指标之外，还能够影响用户的思考与行为方式，其中一部分原因是它过于逼真。为此，国桂环、曾睿、万力勇和韩阳(2017)认为可从智能环境、智慧教学与科研、智慧应用、智慧体验四个方面建设AR智慧校园。Mota(2018)就当前教师缺乏开发软件能力这一普遍现状，设计出一款自定义的低门槛、可视化AR软件开发工具，让不会编程的教师也能使用这个软件开发AR教育产品。MunozCristobal、Gallego-Lema、Arribas-Cubero、Asensio-Perez 和Martinez-Mones(2018)指出了当前AR教育类软件为人诟病的突出问题，即过于依赖特定类型的教学，专注于特定类型的空间，并且通常与其他教育技术分离。因此他们提出了GLUEPS-AR系统，帮助教师创建和制定基于AR与Web工具的学习场景。Anastassova、 Panëels和Souvestre(2016)专为工程教育开发了可以通过摄像头显示真实信息和叠加虚拟信息的名为E2LP 系统，为师生操作复杂的工程试验提供了解决方案。
2. 关键词共现
为更加细致地分析该领域的研究热点，本研究使用CiteSpace中的关键词为参数设置，生成出高频关键词共现图谱(见图4)，同时根据其后台储存的相关数据，导出关键词的共现频次和中心性的数据指标(见表1)。
通过图4的关键词共现图谱可以发现，颜色越深的代表其出现频次越多，也代表着该关键词所指示的问题为本领域研究热点，表1左列排在前十的高频关键词，除去VR/AR与education作为核心关键词排在前列外，还涌现出了performance、 simulation、skill、 environment和 system等关键词，相关文献反映了VR/AR技术的理论框架研究、VR/AR技术在各学科中的案例研究和VR/AR教育游戏的开发与应用这三类研究方向。
首先，在对比表1中关键词的频次与中心性可以发现，原本在频次排行第五的AR却没有出现在中心性排行的前十名，这一现象表明了国外对VR的研究关注超过了AR，借助加德纳的技术成熟度曲线的观点来看，VR技术将先于AR技术进入稳步爬升的光明期。对此，我国的研究可考虑“攻其弱侧”，在国外对VR 技术已掌握了核心竞争力的背景下，转为以AR技术为突破点，结合5G技术进行弯道超车。
其次，对比关键词排行榜，在中心性的排行榜上新增了validity、intervention、outcome和framework 四个关键词，由此推断出国外在该领域的研究方向主要以教学系统设计开发与应用为主，这也从侧面反映出他们在教育教学的理论功底以及在软件开发上的研究实力。
第三，借助VR/AR技术教学既符合行为主义的刺激—反应(S-R)联结反馈，又符合建构主义中关于学习是一种真实情境体验的观点。根据CiteSpace后台数据里提供了Burst(突现)选项，以表示一项数值中的一个变量值在短期内发生很大变化。就本研究而言，突现率较高的关键词分别为technical skill、 competence、construct validity和virtual reality simulator。
因此，将国外在该领域的研究热点总结为：以技术类专业学习者能力的培养为目标，构建具有高效度的教学模式并推广应用。
四、研究结论与启示
(一)结论
首先，总体来看，英、美话语体系国家在该领域的研究处于优势地位。无论是从发文质量、期刊影图4 高频关键词共现图谱 响力还是地区辐射力上，英、美话语体系国家有着举足轻重的地位，而西、德、意等非英、美话语体系国家，其学术影响力较于前两者略有差距，但仍在该领域享有一席之地。虽然我国在发文数量上仅次于美国，然而依旧滞步于量变转向为质变的爬升阶段。
其次，从学科领域上看，理工科类占学科教育主导地位。这种新技术向理工科类学科倾斜的状况一方面体现出了理工科“自产自销”的优势地位，同时又体现出了西方对人文学科的忽视，且不自觉地影响了我国学者。然而这种忽视却不曾影响到国外学者对特殊人群的热心研究，例如：各类恐惧症患者、先天性疾病患者、在校不良青年、老年患病者等等。
第三，在关键词与中心性的对比上可以得出，该领域的研究多基于框架来构造模型，进而进行试验成果应用。Virtual Reality、education和performance在两个榜单上都排名前三，VR与education的高频词是由于检索词所导致，而performance一词的频次与中心性如此之高可以表明该领域的研究多基于框架来构造模型，从突现率较高的关键词中依旧可以印证该结论。而在中心性榜单中validity、intervention、outcome 和framework四个关键词的排名跃升可以看出国外研究者普遍倾向于量化试验研究。两个榜单的第五位分别是Augmented Reality和serious game，一方面源于AR 技术晚于VR技术的研究开发，因此AR在中心性排名上不见其踪影。另一方面源于教育游戏的研究虽早于 VR/AR技术，理应率先向稳步爬升的光明期过渡，却因近年来突显的新技术让研究者无暇顾及此类“老技术”，这不由得让我们联想可将这一老一少相组合，打造VR/AR教育游戏。
(二)启示
1. 加强交流与合作，多方位合力提升研究水平
当前，欧美国家在该领域的研究已占据先手优势，我国学者接下来的研究首先应当立足我国国情，在面对差距时保持自己的气节，不盲目跟风，以自身的大国智慧与涵养高标准要求自己。遵循调查后才有发言权的原则，将理论与实践的统一，深入挖掘自身的本土化问题，满足我国的现实需要。切实做到沉下心扎根理论研究，探出头实验开发，弯下腰实践探索。国内学者应加强与国外优秀学者的交流与合作，互赢互利，共同进步，进一步提升我国在该领域的国际学术地位。
其次，施行政府引导、企业配合、教师开发的良性循环模式。2018年12月，《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》中制定出我国虚拟现实产业整体实力到2025年进入全球前列的发展目标。2018年10 月19日，2018世界VR产业大会在南昌开幕;2019年浙江省发布《关于全面实施高等教育强省的战略意见》中指出要探索建设基于VR/AR的沉浸式学习环境。可以看出，近年来从中央到地方多次考虑了政策宏观调控的手段对VR/AR技术的支持。与此同时应当利用企业的基层经验与硬件支持加大校企合作力度，正如 2019年清华大学正式成立“虚拟仿真实验教学创新联盟”，同年中国政法大学VR教室正式建成开始启用。
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因此，需求的增长重在技术革新，贵在产业推广。研究发现，在现有研究中大多数VR/AR系统都是原型系统或依托于专项开发项目，难以推广。而在目前VR/AR制作软件还没有普及的情形下，既需要有精通软件编程设计的能手，也需要熟悉教育教学规律、方法及教学内容的教育专家来开发出合适的教育资源。然而，目前同时具备这两个不同行业知识的专家可谓少之又少，针对跨学科教师人才缺乏的现状，可以通过“校企合作+教师定期培训”的方式来解决。
2. 取精去糟，扎根细化研究流程
结合对国外文献的深入阅读，发现我国对该领域的研究流程需要在以下三方面进行改进。
1)充分扎实的框架设计
先进技术应用于实践教学中最常见的问题就是缺乏有效的理论框架设计，通过梳理相关文献发现，大多数研究将VR/AR技术与教学活动进行简单相加，试图创设完全普适性的理论框架，从而缺乏针对性的教学设计，缺乏对学习者需求和课堂教学需求的分析，导致软件与硬件、教师与学生、教育技术与教学内容彼此分离，最终造成研究者悉心培养的胎儿仅能生存在实验室环境中，根本无法大范围地步署在真实教学环境中。因此，研究者可以在企业的指导下大胆探索新的技术与开发模式，为避免走弯路，应注重汲取国际经验，努力将冷门的、可契合该领域的重要观点融合入新兴技术中，创设能够解决本土化问题的框架设计，为接下来的开发与实验打下基础。
2)着力突出技术效果
经实验调查，受试学生更偏向于使用与实际环境相匹配的AR方式来进行学习(Arino, Juan, & GilGomez, 2014)。基于VR与AR技术教育研究成果的开发前提是进行充分的教学设计，而搭建的学习环境是教学行为开始之前的桥头堡，虚拟环境的设计要强化交互性，将学生与教师所处的虚拟环境共设为“交集”状态(王辞晓，李贺，尚俊杰，2017)。Schank 和Kass(1996)就一同归纳出了有效学习环境三要素。其一，为学习者呈现能够激发其动机的目标。这一环节不能仅仅依靠教师在真实环境下对学生的动员，更要在虚拟环境中的教学环节上下功夫，利用具身认知理论以及合作学习的方法燃起学生的学习动机。其二，使学习者置于真实的学习环境。想要做好这一点，就需要在虚拟声画上渲染相应的学科基调与情感氛围，让学生在该环境下产生共鸣，身临其境地获取知识。其三，设置需要分析信息、设计行动计划才能够完成的任务。这一点也完美契合了情境学习理论强调的任务性原则的观点。王嵩林与唐震(2017)在分析了虚拟环境移动端显示方式的基础上，构建出手机+VR盒子的新型移动增强现实技术教学方式的解决方案，在降低成本的同时，实现了真实感的增强以及用户操作自由度的最优化平衡。高义栋、闫秀敏和李欣(2017)则认为VR一体机和主机VR将是今后沉浸式VR教育应用设备的主力军。为此，着力突出VR/ AR技术的效果优势，切实保证成品质量，做出研究者满意的成果，才能打动教学使用者们的芳心。
3)规范实验过程与评价方案
基于VR/AR教学的最终目标是提升学生的学习效果，学习效果的测量是检验学习目标达成度的重要途径。根据收集到的文献来看，大部分国外研究者选择实验法，基于设计的研究和案例研究只有少数采用了准实验设计，还有个别学者进行了延后测试来测量学习者的学习迁移及保持效果。为了进一步控制并进行综合评价，前后测能够反映测量学习者学习效果提升的程度，科学地证明学习结果的改变是使用了某种教学方式或技术引起的，态度和动机测试则可以收集实验对象对结论的满意度与建议，帮助研究者改进教学设计。O'Shea和Elliott (2016)以此设计出教育技术的使用评价工具：用来测评教育技术的使用沉浸感，共分为五个层级，包括从最浅层的触发器类技术到最深层的教学内容分配与实践意义评估。研究者应在VR/AR环境设计研究的基础上，更深入地挖掘学习者内在认知过程，借鉴国外的研究设计，注重对学习者元认知、高水平思维的分析研究。设置科学、严谨、合理、清晰的实验流程，为教育改革和课程教学提供最精准的支撑服务。简而言之，设计扎实、技术效果与成品质量较高、实验严谨是今后研究者需要考虑的重点。此外，VR/AR教育研究成果的安全性与伦理道德评估也应统筹考量，从细微处保证学习者的身心安全。——论文作者：高 伟 王昱霖 郭 瑾
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