1、第 39 卷 第 7 期 福 建 电 脑 Vol.39 No.7 2023 年 7 月 Journal of Fujian Computer Jul.2023 陈智鹏，男，1998年生，主要研究领域为虚拟现实与人机交互。E-mail:。虚拟现实环境下自我导向学习系统的构建 陈智鹏(福州大学物理与信息工程学院 福州 350108)摘 要 为了提高线上教学的效果，设计一个能够满足学生自学需求的学习系统是十分必要的。本文提出了一个基于虚拟现实技术实现的自我导向学习系统的构建方案，所构建的系统能够为学生在疫情期间的线上学习需求提供具体的解决方案。通过计算机仿真对系统的功能和显示效果进行了验证，结果表明
2、该系统能够满足学生的自我导向学习需求。关键词 自我导向学习；虚拟现实；人机交互 中图法分类号 TP391.9 DOI:10.16707/ki.fjpc.2023.07.022 The Construction of Self-directed Learning System Based on Virtual Reality CHEN Zhipeng (Department of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,China,350108)Abstract In order to improve the ef
3、fectiveness of online teaching,it is necessary to design a learning system that can meet students self-learning needs.This paper proposes a construction scheme of a self guided learning system based on virtual reality technology,which can provide specific solutions for students E-learning needs duri
4、ng the epidemic.The functionality and display effect of the system were verified through computer simulation,and the results showed that the system can meet students self-directed learning need.Keywords Self-directed Learning;Virtual Reality;Human-computer Interaction 1 引言 21 世纪以来，信息化的发展为人们带来学习技能、创新
5、技能、生活技能和职业技能协同发展的机会1。在众多教育学理论中，自我导向学习(Self-directed learning，SDL)被认为是一种日益重要的技能2。SDL 是学生主动诊断学习需求、制定学习目标、确定学习资源并评估学习结果的过程3。新冠疫情时期，国内外各大高校和中小学将学习方式从线下教学转为在线教育4-5。在目前的在线教学中，主要由教师制定学习内容并传授给每一位学生。这种方式并非以学生为教学主体，对学生的学习积极性和学习效果有一定的影响。因此，本文提出一种基于虚拟现实技术的 SDL 教育方法并设计出一套相对应的教学系统。学生能够在此虚拟环境中预先制定自己的学习计划，并在学习结束后反思
6、学习内容。此外，为了实现更高效的 SDL，系统部分具有学生与内容以及学生与教师之间的积极互动。2 相关研究 目前，各种信息技术迅速发展，知识不断更新换代，学习成为人类在信息时代生存的重要技能。在这种形势下，选择高效的学习方式不仅能帮助学生提升自学能力，也能满足学生根据自身特点多方面发展的需求。学生的学习过程从本质上说，不仅需要外部环节的支持和引导，也需要学生的内在驱动。学生不能被动地依赖于学校和教师所规划的学习课程和内容，而是根据自身实际需要主动选择学习计划，即 SDL。相较于面授学习，SDL 更加注重在自身目标与动机的导向下，采取自主学习、反思总结与多种实践活动相结合的方式来满足学生的202
7、3 年 福 建 电 脑 107 多方面的学习需求。在此前的研究中，Ji-Young Yeo 等研究了护理专业的学生运用 SDL 的效果6，表明虚拟场景下的教学模拟激活了自主学习的各种认知因素，学生能够从失败和错误中学习，并纠正他们在学习过程中的错误，形成良性循环。对患者没有实际伤害的虚拟环境已经成为学生体验自信心、成就感和满足感的学习空间。Shin Jungmin 等研究了基于 VR 的沉浸式训练系统对用户的影响7，表明该系统增强了用户的学习动力，提高了用户的沉浸感，促进了用户的 SDL 活动。Hu 等的研究表明8，虚拟现实技术能够在没有空间和时间限制的情况下实现教育，使用基于模拟的 3D 图
8、像实现人机之间的交互。综上所述，基于虚拟现实技术实现的 SDL 具有显著优势。首先，使用虚拟学习环境为学生构建了一个开放和多样化的学习交互空间，也为 SDL 提供了具体的应用情境支持。学习交互的灵活性，学习资源的多样性和学习后反思的即时性保证了以自主和反思作为特征的 SDL 的实现。其次，学习过程由传统的教师主导转变为学生主导，虚拟现实技术的互动性特点鼓励学生参与交互，并能够根据学生的学习兴趣和目标实现个性化的学习。最后，教师能够将游戏化的趣味性因素应用到虚拟场景的学习交互中，使用游戏化策略使学生自发地设定学习目标并在学习中受到激励，提升学生的问题解决能力和独立学习能力。另一方面，将虚拟现实技
9、术运用于 SDL 的过程中也发现了一些问题。首先是依然难以完全模拟真实场景的细节和复杂性，影响学习的整体效果和质量。其次是学习过程中缺乏个性化定制因素，大多数教学场景无法像真正的教师一样和学生实时互动并提供教学提示。3 方法 采用虚拟现实技术设计了一个 SDL 框架指导下的学习交互系统，以分析、验证 SDL 在虚拟现实环境中对学生各方面的影响。具体 SDL 模型图如图1 所示。此系统以学生的自学作为整个交互系统的主题，目的是运用教师引导和虚拟交互环境的支持帮助学生完成包含五个阶段的 SDL。学生自学的五个阶段分别为制定学习计划、进行 SDL 活动、考核检验、评估 SDL 成效和自我反思总结。图
10、 1 SDL 模型图 3.1 制定学习计划 在本阶段，教师根据课程的内容（如化学实验或者物理实验）安排学习内容，设计学习任务清单（该节课程目标）并提前上传学习资源和考核题目。随后在虚拟现实场景中清晰呈现该课程需要用到的展示内容，用于引导学生结合自身情况明确自己的学习目标并制定自我学习计划，从而更好地完成后续学习活动。3.2 进行SDL活动 进行 SDL 活动是自我导向学习的重点。学生在自己制定好的学习计划安排下，在虚拟现实场景中自学各类资源内容并参与交互。教师在这个环节中作为引导者，需要使用虚拟现实场景的提示功能给予学生帮助和指导。例如，在学生遇到困难的时候及时弹出提示，协助和引导学生解决问题
11、。3.3 考核检验 考核检验是在学习活动完成后用于学生考核自己在 SDL 后的具体效果。在完成考核题目后将会显示结果，有助于学生深入了解自己的薄弱环节，帮助他们后续反思整体学习过程。3.4 评价SDL成效 本阶段是对前三个阶段的整体评价。评价 SDL成效是针对学生学习状态和交互情况的评估，主要包括主观问卷评估和客观数据评估两部分。其中，主观问卷评估有助于了解学生在学习过程中的情绪状态，方便教师后续改善教学细节。而客观数据评估有助于学生实现对自我学习交互进度的了解，例如学习时长可以使学生看到自己与他人在学习效率上的差距。3.5 自我反思总结 本阶段是学生依据前一阶段的结果开始反思和调整 SDL
12、的过程。当学生在反思中发现前面学习过程中存在问题后，可以根据自身的知识掌握情108 陈智鹏：虚拟现实环境下自我导向学习系统的构建 第 7 期 况，灵活调整学习计划并有选择性的重新学习。4 基于 SDL 的 VR 学习系统 4.1 系统整体框架 使用 Unity3D 引擎制作系统，并采用 HTC Vive头戴式交互设备作为虚拟学习的交互设备。这套交互设备中的 HMD 与一台配备英特尔 i7 处理器、16GB 内存和 Nvidia GTX 1070 显卡的图形工作站相连，使用封闭式耳机传输音频数据。同时，为了满足开发需求，还导入了 Steam VR Plugin 和 VRTK插件。插件在Unity
13、 Asset Store中获取。其中Unity3D的版本号为 2019.3.2f1，Steam VR Plugin 版本号为1.2.3，VRTK 版本号为 4.0。整个系统在开发完计算机端项目后再整体适配到 HTC Vive 端。图 2 基于 SDL 的 VR 系统实例 该系统主要是由软硬件支持、资源支持、空间设计支持和评估设计支持四个部分组成，如图 2 所示。软硬件支持主要指在整体开发过程中所使用到的硬件设备和软件程序以及一些插件。资源支持指的是场景中用到的各种素材类型。空间设计支持指的是场景开发中的各类界面、功能及交互设计，其中又细分为场景设计和交互设计。最后是评估设计支持，分为主观评估和
14、客观评估两类。主观评估采用群体存在感问卷（Igroup Presence Questionnaire，IPQ）和元意识认知问卷（Metacognitive awareness inventory，MAI）作为评估载体。客观评估则分为考核测评和交互数据两部分，将两者结合后得到对学生 SDL 的整体效果评价。4.2 系统实现 整体系统主要分为“学习主题”、“学习任务”、“学习内容”、“提示”、“场景切换”和“评估”五大部分。此外，系统中的场景交互部分使用了动画、文字、三维可交互物体和视频四种方式呈现，并以此作为最后考核测评环节的知识来源。整个交互系统结合了虚拟现实技术和 SDL 理论，以“病毒传播
15、预防”、“感染治疗”和“病毒知识”这 3 个新冠病毒题材为基础，并以此开发了 VR 场景交互内容。与这三个题材相关的知识点被制作成 VR 内容，并采用静态显示和主动交互相结合的方式用于学生 SDL。该系统的运行界面如图 3 所示，借助虚拟现实下寓教于乐的技术特点，能够进一步系统化地实现学生的 SDL，为学生提供生动有趣的学习内容，并用于后续评估虚拟现实技术在促进 SDL 成效方面的具体价值。由于在设计时考虑到不同的知识点之间有所关联，因此在设计界面时，将不同的陈述性知识按照交互顺序分别罗列，并将按钮设计成交互后变色反馈，防止受试者反复点击同一按钮。场景的设计架构根据线性脚本和物体生成 VR 场
16、景。其中用户需要完成预定义的交互场景列表。图 3 SDL 交互系统具体场景截图 在基于 VR 技术所实现的各种界面设计和交互设计后，用户交互体验与 VR 系统内容之间建立了紧密的正相关性。要使应用程序在用户体验方面更具吸引力，需要统计用户在系统中交互时的客观数据并用于后续教师的教学参考和改进。系统中还设计了数据采集功能负责采集受试者的交互点击次数和总交互时长等数据。由于受试者的学习是在浏览交互并理解吸收的过程中逐步实现，因此通过采集交互间隔来分析不同受试者在系统中的学习能力。采集过程采用在 Unity3D 中嵌套事先设计好的 C#脚本中实现，并在每次实验后记录所采集到的交互数据。2023 年
17、福 建 电 脑 109 4.3 实验评估 在实验中使用学习掌握程度、学习认知情况、学习沉浸感和交互数据四个指标来评估学生的自我导向学习成效。实验部分的受试者被随机分配到控制组（n=34）和实验组中（n=34）。首先，所有的受试者需要在实验开始前填写知情同意书。然后，实验组受试者将在有SDL帮助的条件下于VR交互环境中学习知识内容，与之相对应的控制组受试者在无SDL 帮助的 VR 交互环境中学习相同的知识。该阶段将收集所有受试者的交互数据。在学习后，受试者需要完成考核，用于后续分析学习表现。最后，所有受试者需要在体验完VR学习后填写MAI问卷和 IPQ 问卷，用于分析评估受试者在 VR 学习过程
18、中的主观感受。通过统计所有受试者的 MAI 问卷得分、IPQ 问卷得分、考核结果、交互时长以及交互次数，得到对实验数据的描述性统计如表 1 所示。表 1 实验数据的描述性统计 组别 数目 均值 标准差 MAI 得分 实验组 34 203.97 24.14 对照组 34 194.68 39.28 IPQ 得分 实验组 34 64.71 10.16 对照组 34 59.12 14.15 考核结果 实验组 34 9.53 1.48 对照组 34 8.44 1.42 交互时长 实验组 34 563.47 164.16 对照组 34 584.53 113.97 交互次数 实验组 34 151.88 51
19、.73 对照组 34 144.56 46.72 通过对实验组和对照组的知识考核结果的统计实验，发现使用 SDL 的实验组在 VR 学习中对于知识的掌握程度更好。具体来说，实验组学生平均能够答对 9.53 题，而对照组学生平均只能够答对8.44 题，表明使用 SDL 能够提高学生的学习能力和考核效果，即假设 H1 得到了验证。此外，两个组别之间的标准差基本一致，说明使用 SDL 并未增加学习过程中的不确定性。因此可以得出结论，SDL对于 VR 学习的效果是显著的。这种显著的效果可能是由于 SDL 注重学生自我掌控学习过程，使得学生更加主动地参与学习并且更容易掌握知识。此外，SDL 可以帮助学生更
20、好地理解学习内容，从而提高学习效率。在 VR 学习中，学生可以通过 SDL 更好地掌握学习节奏，自主选择学习内容，并根据自己的需要进行学习。这种自主性和自由度可以进一步提高学生的学习动机，从而更好地完成学习任务。5 总结与展望 本文设计的系统所具有的沉浸式视觉反馈和丰富的交互方式能够增强用户的自主学习体验，在学习过程中，SDL 促进了学生自我认知的激活，并通过学习中的反馈形成良性循环。学生在完成 SDL后，能够提高他们的学习能力，并最终将知识应用于实践中检验。这表明，基于虚拟现实技术开发的教学系统作为一种促进 SDL 的教学工具，具有广阔的潜力和可实现性。该系统为未来教育领域的进一步探索与发展
21、提供了一定的参考价值，但还有许多改进和完善的空间。未来可以考虑使用同一系统学习不同的教学内容，还可以考虑进一步完善考核环节的丰富度，以及结合大数据和人工智能等技术增强系统的整体性能。参 考 文 献 1 张勇,等.教育信息化推进职业教育创新发展促进高技能人才培养的范式研究.中文科技期刊数据库(全文版)教育科学,2022(7):3 2 Jones J E.Portfolio assessment as a strategy for self-direction in learning.New Directions for Adult&Continuing Education,2010,1994(6
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23、9 and lockdown on mental health of children and adolescents:A narrative review with recommendations.Psychiatry research,2020(293):113429 6 Glseren Kocaman,Ugur A,Dicle A.A longitudinal analysis of the self-directed learning readiness level of nursing students enrolled in a problem-based curriculum.J
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