大家好！我是研究生颜。
这次我阅读了以下论文。目的是为了广泛探讨针对科学教育的VR应用研究。
论文标题：Development of an immersive simulator for improving student chemistry learning efficiency
作者：Shan Jin, Yuyang Wang, Lik-Hang Lee, Xinyi Luo, and Pan Hui
刊载杂志：Proceedings of the 16th International Symposium on Visual Information Communication and Interaction (VINCI ’23)
发行方：Association for Computing Machinery (ACM), New York, NY, USA
发行年份：2023年
DOI： https://doi.org/10.1145/3615522.3615535
1. 导言
大学传统的化学实验课程存在安全风险高、设备成本高、操作门槛高等问题。在新冠疫情期间，在线课程无法进行实操，导致学习效果不佳；此外，初学者因不熟悉操作而容易引发失误。与此同时，VR在教育领域的应用日益广泛，特别是在化学实验这种操作风险高且成本昂贵的场景中。本研究的贡献在于开发了一套全面的VR化学实验模拟器，并调查了用户操作技能的学习效率以及在虚拟环境中的安全感。
2. 先行研究
VR已广泛应用于多个学科的教育中，大量研究证实其能提高学习兴趣和效率。关于化学教育的现有研究也集中在安全性、学习效率和趣味性等方面，但均未比较不同VR环境对学生学习效率的影响，这成为了本研究的出发点。研究课题是“带有考试压力的VR场景是否能提高学生的学习效率和安全感”，研究假设认为，带有考试压力的环境通过提高心理紧张感来增强专注力，从而提高学习效率和操作安全性。
3. 研究方法
作者开发的VLAB系统由四个部分组成：教授VR设备和基础操作的视频演示中心、提供实验安全及系统介绍等学习材料的综合学习中心、模拟大学化学实验室的虚拟实验室，以及确认理论知识掌握情况的其他学习工具。该系统模拟了多个实验危险场景，旨在通过预先展示危险后果而非视觉刺激来提高安全意识。考试系统限时5分钟，超时或损坏器材会被扣分，界面上显示倒计时和实时分数。
实验设计以39名大学生（男性26名，女性13名，平均年龄22岁）为对象，所有参与者均具备基础化学实验知识，但大多数人没有VR经验。实验步骤为：佩戴设备后随机分组，依次进行无考试场景A（自由操作，无时间限制、无评分）和有考试场景B（有限时、有评分），在每个场景结束后回答NASA-TLX问卷，并在所有实验结束后通过自定义用户体验问卷评估16个评价项目。数据分析采用卡方检验分析各指标的显著性，用Φ系数测量效应量，并比较了主观学习效率、安全感、任务完成时间、心率变化等指标。
4. 结果
关于主观反馈，结果显示大多数学生认为VR考试环境能提高学习效率和安全感，其中94.87%的学生对学习效率、92.31%的学生对安全感给出了肯定回答。此外，在用户体验问卷中，吸引力、清晰度、效率、可靠性、刺激性、新颖性、内容质量等所有设计项目均获得了显著的肯定评价。
关于客观数据，虽然有无考试在平均心率和任务完成时间上未见显著差异，但报告显示，高心率组在考试场景中完成速度更快，而在无考试场景中无显著差异。在NASA-TLX评估中，考试场景在精神负荷、身体负荷、时间压力、表现、努力程度、挫败感这所有指标上均显著高于无考试场景，表明考试虽然给学生带来了更多的疲劳感和压力，但也促进了更多的努力。
5. 讨论与局限性
考试场景能提高效率的原因，被认为是考试带来的紧张感产生了增强专注力和沉浸感的心理唤醒效应；评分制度通过让学生意识到扣分从而促使操作准确谨慎，起到了行为约束作用；危险动画的警告效果通过视觉冲击强化了风险认知。时间上无显著差异的原因包括：VR初学者不熟悉操作，在紧张时反而会变慢变谨慎；部分学生因好奇心在无考试场景中自由探索导致时间增加；以及个体差异较大。考试场景能提高安全感的原因，被认为是评分扣分制度促使学生为避免损坏设备而谨慎操作；危险事故动画使学生能直观理解失误后果并预先构建风险认知；以及拥有明确的操作标准和评价标准。
局限性包括：缺乏与实际面对面实验的比较；未将理论知识的掌握程度量化；长时间使用VR导致的疲劳或晕动症可能影响数据；心率与学习效率的明确数值模型尚未建立；样本量仅为39人且均为大学生，因此在通用性上存在局限。
6. 结论
主要发现包括：带有考试压力的VR环境能提高学生的主观学习效率和安全感；有无考试在平均心率和完成时间上无显著差异，但高心率学生在考试下有更快操作的倾向；NASA-TLX的全部6项指标显示考试场景显著更高，虽然伴随着更大的努力和负荷，但表现评价也更高；用户体验调查中系统所有设计项目均获得显著肯定评价；考试场景通过心理唤醒、行为约束及危险警告提高了学习效率。今后的课题包括：与实际面对面实验的比较、理论知识掌握程度的量化、在更多样化的参与者中进行验证、评估长时间使用时的疲劳或晕动症影响、以及心率与学习效率关系的建模。
感想
通过这篇论文，我深刻理解了将VR技术应用于化学实验教育的可能性。特别是“考试带来的压力会对学习效率和安全感产生积极作用”这一发现非常有趣，让我感到压力并不总是带来负面影响。此外，VR环境中的危险模拟有助于提高安全意识，这一点也非常实用。不过，样本量较少以及未与实际实验进行比较是今后的课题。期待未来能开展更大规模的研究，以及与实际实验室学习的对比研究。
文责：颜玉琦
