皆さん、こんにちは！研究生の顔です。

今回は下記の論文を読みました。科学教育を対象としたVR活用の研究を広く検討するためです。

論文タイトル：Development of an immersive simulator for improving student chemistry learning efficiency

著者：Shan Jin, Yuyang Wang, Lik-Hang Lee, Xinyi Luo, and Pan Hui

掲載誌：Proceedings of the 16th International Symposium on Visual Information Communication and Interaction (VINCI ’23)

発行元：Association for Computing Machinery (ACM), New York, NY, USA

発行年：2023年

DOI： https://doi.org/10.1145/3615522.3615535

1.  イントロダクション

大学の伝統的な化学実験の授業には安全リスクが高い、設備コストが高い、操作の敷居が高いといった問題があり、コロナ禍中はオンライン授業では実技が行えず、学習効果が低かったほか、初心者は操作に不慣れでミスを起こしやすいという課題がありました。同時にVRは教育分野でますます活用されており、特に化学実験のような操作リスクが高くコストのかかる場面で用いられています。本研究の貢献は、全面的なVR化学実験シミュレーターを開発し、ユーザーの操作スキルの学習効率と仮想環境における安心感を調査した点にあります。

2. 先行研究

VRは既に多くの学科の教育で広く利用されており、多数の研究により学習への興味や効率を向上させることが実証されています。化学教育に関する既存研究も安全性や学習効率、面白さなどに焦点を当てていますが、いずれも異なるVR環境が学生の学習効率に与える影響を比較しておらず、これが本研究の出発点となりました。研究課題は試験によるプレッシャーがあるVRシナリオが学生の学習効率と安心感を向上させるかという問いであり、研究仮説として試験によるプレッシャーがある環境は心理的な緊張を高めることで集中力を向上させ、学習効率と操作の安全性を高めると考えられました。

3. 研究方法

著者が開発したVLABシステムは、VRデバイスと基礎操作を教えるビデオプレゼンテーションセンター、実験安全やシステム紹介などの学習材料を提供する総合学習センター、模擬大学化学実験室である仮想ラボ、理論知識の習得状況を確認するその他のラーニングツールの4つの部分で構成されています。システムは複数の実験危険シナリオを模擬しており、視覚的な刺激ではなく危険の結果を事前に見せることで安全意識を高めることを目的としています。試験システムは制限時間5分で、時間超過や器具の破損は減点対象となり、インターフェースにはカウントダウンとリアルタイムのスコアが表示されます。

実験デザインでは、大学生39名（男性26名、女性13名、平均年齢22歳）を対象とし、全員が基礎的な化学実験の知識を有する一方で大多数はVR経験がないという参加者でした。実験手順としては、装備を着用した後ランダムにグループ分けし、試験なしのシナリオA（自由操作、時間制限・採点なし）と試験ありのシナリオB（制限時間、採点あり）を順次実施し、各シナリオ終了時にNASA-TLXアンケートに回答し、全実験終了後にカスタムユーザー体験アンケートで16の評価項目を評価しました。データ分析はカイ二乗検定を用いて各指標の有意性を分析し、Φ係数で効果量を測定し、主観的学習効率や安全感、タスク完了時間、心拍数変化などの指標を比較しました。

4. 結果

主観的フィードバックについては、大多数の学生がVR試験環境が学習効率と安全感を高めると考えていることが示され、学習効率では94.87％、安全感では92.31％の学生が肯定的に回答しました。またユーザー体験アンケートでは、魅力、明確性、効率性、信頼性、刺激、新規性、内容品質など全ての設計項目で有意に肯定的な評価が得られました。

客観データについては、試験の有無による平均心拍数とタスク完了時間には有意差は認められませんでしたが、高心拍数グループは試験シナリオでより速く完了し、無試験シナリオでは有意差がなかったことが報告されています。NASA-TLX評価では、試験シナリオが精神的負荷、身体的負荷、時間的プレッシャー、パフォーマンス、努力、フラストレーションの全ての指標で無試験シナリオを有意に上回り、試験が学生により多くの疲労感とストレスを与える一方でより努力を促進することが示されました。

5. 討論と限界点

試験シナリオが効率を向上させる理由としては、試験による緊張感が集中力と没入感を高める心理的覚醒効果、減点を意識することで正確で慎重な操作が促される採点制度による行動規制、視覚的インパクトがリスク認識を強化する危険アニメーションの警告効果が考えられます。時間に有意差がない理由としては、VR初心者は操作に不慣れで緊張時にはむしろ遅く慎重になること、一部の学生は好奇心から無試験シナリオで自由に探索して時間が増加すること、個人差が大きいことが挙げられます。試験シナリオが安全感を向上させる理由としては、採点・減点制度により機器を損傷しないよう慎重に操作すること、危険事故アニメーションでミスの結果を視覚的に理解し事前にリスク認識を構築できること、明確な操作基準と評価基準があることが考えられます。

限界点としては、実際の対面実験との比較がないこと、理論知識の習得度を数値化していないこと、長時間のVR使用による疲労や酔いがデータに影響を与える可能性があること、心拍数と学習効率の明確な数値モデルが未確立であること、サンプル数が39と少なく全員が大学生であるため汎用性に限界があることが挙げられます。

6. 結論

主要な発見として、試験プレッシャーがあるVR環境は学生の主観的な学習効率と安全感を高めること、試験の有無で平均心拍数と完了時間に有意差はないが高心拍数の学生は試験下でより速く操作できる傾向があること、NASA-TLXの全6指標で試験シナリオが有意に高いスコアを示しより大きな努力と負荷を伴う一方でパフォーマンス評価も高いこと、ユーザー体験調査ではシステムの全ての設計項目で有意に肯定的な評価を得たこと、試験シナリオは心理的覚醒や行動規制、危険警告を通じて学習効率を向上させることが示されました。今後の課題としては、実際の対面実験との比較、理論知識習得度の数値化、より多様な参加者での検証、長時間使用時の疲労や酔いの影響評価、心拍数と学習効率の関係のモデル化が挙げられています。

感想

この論文を通じて、VR技術を化学実験の教育に応用する可能性について深く理解することができました。特に、試験によるプレッシャーが学習効率や安全感に肯定的に作用するという発見は興味深く、プレッシャーが必ずしも悪影響を及ぼすわけではないと感じました。また、VR環境での危険シミュレーションが安全意識の向上に寄与する点も実用的だと感じました。ただし、サンプル数が少ないことや実実験との比較がされていない点は今後の課題であると感じました。将来的にはより大規模な研究や、実際の実験室での学習との比較研究が進むことを期待しています。

文責：顔玉琦