调查青少年对认知发展与3D触觉VR技术存在潜在关系的看法外文翻译资料

调查青少年对认知发展与3D触觉VR技术存在潜在关系的看法

RL Hite bull; MG Jones bull; GM Childers bull; M. Ennes bull; K. Chesnutt bull; M. Pereyra bull; E. Cayton

摘要：虚拟临场感描述了用户对虚拟现实 (VR) 环境 (VRE)的感知，特别是他们的参与 感（在虚拟环境中以最少的干扰获得控制感）和沉浸感（多输入感官参与提供物体的明显真实感和互动）。在教育领域，虚拟呈现是一个重要的结构，因为高度身临其境的 VRE 与用户报告令人难忘和令人兴奋的教学体验相关联。先前的研究描述了当受到相同 VRES 成人和儿童的报告不同程度的存在，提示认知用户可能会发挥一些作用“存在感”。根据皮亚杰的说法，具体的操作发展是青少年发展理解抽象概念和评估现实和不现实的能力的分水岭。这一时期认知能力的发展可能会影响儿童和青少年存在的看法。这是一项探索性研究，涉及75名6年级和76名9年级学生，他们使用3D触觉VR技术参加了有关心脏解剖学和 生理学的教学模块。当调查他们对虚拟存在的看法时，没有报告年级之间的差异。当使用皮亚杰的认知发展清单进行评估时，分析表明六年级学生对空间旋转和角度几何的理解与报告的感知控制呈正相关，与分心呈负相关。这项研究表明，在使用VR技术进行科学学习时，年轻学习者的空间敏锐度起着重要作用。这项研究提出了关于用户的相关问题的认知发展使用在VR—12 科学教室。

关键词：认知发展；教学技术；科学教育；虚拟存在；虚拟现实

介绍三维 (3-D) 工具、触觉 (HE) 设备和虚拟现实 (VR) 平台彻底改变了科学演示、实验室和模拟的新形式教育（鲍曼和麦克马汉 2007 年；康诺利等人 2012 年）。这些新兴技 术让学习者参与到沉浸式和交互式的超现实空间界面中（ LaViola 2008）。Witmer 等人的研究( 2005 ), 沉浸描述了一个用户的感官参与水平与最少的干扰，而交互描述了他们在虚拟环境 (VE) 中的 控制水平和明显的真实感。教育研究表明，这项技术可以通过使用高 质量的图形图像、模拟运动和感官刺激来影响科学学习，使学生能够形象化科学概念，如粒子关系（Uchiyama 和 Funahashi 2013），构建大规模复杂模型（Sampaio 等人，2010 年），并实时自适应虚拟存在的心理状态（Witmer 和 Singer 1998）。研究人员一直专注于 测量存在感，以此来检验这些技术在军事模拟研究（Mantovani 2001）医学培训（HsiuMei 和 ShuSheng 2011；Thacker 2003）和本科科学课程（Eriksson 等人，2003 年）中的现实性和吸引力。2014 年）。然而， 很少有研究关注与认知发展水平相关的年轻 (K - 12) 学习者的独特需 求（Jones 等人，2016 年）。本文探讨了年轻学习者在目前认知发展 水平下如何在 3-D、HE、VR 环境中学习科学时体验临场感。这项研究 是使用 VR 进行的一系列学习科学研究的一部分，其中研究了 VR 与 学习科学之间的关系，因为已经发生了重要的学习（Hite，2016a）。 然而，这一系列研究的目的是探索这种关系发生的原因。为了更好地 了解促成这些学习成果的因素，我们检查了参与者的 存在感及其认知 发展，以评估它们之间的任何潜在关系。学生如何与这些设备作为教 学指南产生的 VE 互动并感知其真实性，在将它们纳入科学教学中时 至关重要（Hite，2016a；Zudilova-Seinstra 等人，2009 年）。科学教育 者需要更多地了解 VR 教学对科学教学的有效性以及具有不同认知属 性的学生通过该技术进行的互动和学习。

定义虚拟存在。当一个人无法将硬件介导的环境中的感官信息与现实中的感官信息区 分开来时，就会发生虚拟存在，将虚拟输入解释为来自现实世界（Chertoff et al. 2008）。随着科学中新型 VR 的出现，了解学习者如何 感知虚拟环境以及这种环境在多大程度上显得真实非常重要。在场的 早期研究表明，理论因素有助于对在场的感知，包括身体运动（Slater 等人，1998 年）、感官刺激（Held 和 Durlach 1992 年）和反馈（Sheridan 1992 年）。威特默和辛格 ( 1994) ) 使用参与者的问卷结果确定存在的方面从事虚拟环境。Witmer 和 Singer ( 1998 ) 将虚拟存在描述为包括以下 四个因素：控制、感官、分心和现实主义。控制因素包括虚拟环境的各 个方面，学习者可以通过硬件接口直接操纵以穿越或控制虚拟环境。 感官因素提供基于硬件的感官反馈（例如，触觉）或基于软件的运动感 知（例如，走路时上下运动）。

不同于其它方面，分心降低用户从现实世界或通过接口（硬件或软 件）阻碍存在的感知，由干扰产生。现实主义包括物体的外观和行为， 模仿它们在现实世界中的对应物，使用户相信它们的虚拟性质。作为 斯莱特（2009 年）所指出的，VR 可产生与用户数的限制生动的沉浸体 验“不受控制且学习者可能会觉得身临其境（地方错觉）真正的意义， 因为什么在虚拟环境中发生的实际发生（可信性错觉）。表 1 根据 Witmer 和 Singer（1998 年）最初设计的存在问卷，按因素提供了有关 属性和方面的进一步信息。Witmer 和 Singer ( 1998 ) 提出，在场因素可 能相互关联，控制对沉浸感的影响大于沉浸感，而现实主义可能会影 响沉浸感，但不会影响沉浸感。然而，他们推测感觉和分心因素都会影 响沉浸感和参与感。鉴于典型的 K - 12 科学教室的复杂性，了解分心 因素、对地点的看法和合理性对于设计有效的基于 VR 的科学教学很 重要。

使用支持触觉的 3D 虚拟现实技术诱导存在感。传达丰富而强大的科学体验的 VRE 既引人注目 (Wouters et al. 2013 ) 又引人入胜 (Graesser et al. 2014 ) 可能会在用户内部培养一种心理现象 描述为一个人对周围环境的感觉减弱。有一种物理运输到模拟领域的 感觉（Blu 2012）。这种类型的 VR 体验正变得越来越普遍

学习者可以（实际上）前往太阳系（Mintz 等人，2001 年），感受心脏 的跳动，或进行真实的实验，通过电路和电机可视化电流（琼斯等人 2016 年）。当学生报告执行任务或功能的虚拟体验感觉与真实体验一 样真实时（McCreery 等人，2013 年），他们就感知到了虚拟存在（Fowler 2015 年）。教学技术诱导存在杠杆控制、感官、分心和用户沉浸和交 互的现实因素（Witmer and Singer 1998 ）。由于 3-D、HE、VR 系统是 为沉浸在模拟世界中的用户参与而设计的，因此，这些系统具有在科 学环境中产生临场感的巨大潜力。

首先，3-D、VE 创造了具有深度和逼真品质的物体的视觉错觉（Dalgarno 和 Lee 2010；Wann 和 Mon-Williams 1996）。这种明显的 现实主义不仅指显示器的视觉质量，而且对象的一致性 的行为通过用 户的通信和动作（福勒 2015）。这要求 VE 在对象行为和现实动作方 面具有一致性，其质量（行为和视觉）反映用户与现实世界中的对象之 间的真实交互。据 Dalgarno 和李 S（2010) 3-D VE 中的学习模型，显 示的质量和真实性（再现保真度）加上精确的用户操作（学习者交互） 是新兴技术（ 包括 3-D 和 VR ）的首要特征。兼具高的保真度和相互 作用保持学习者存在（Zeltzer 的感知 1992），最小化的能力，以从外 部分心的 VE。

这些技术还可以结合独特的感官模式，为用户的动作提供力反馈， 称为触觉。这种 HE 学习技术通过硬件接口（例如，握力、触控笔或全 息图）向用户提供基于触摸的感觉反馈，该接口提供各种触觉（例如力 或振动）以模拟纹理、压力、阻力、重量或速度（琼斯和米洛 2006 年）。 该技术已在 K - 12 教室进行研究，以探索学生在研究抽象科学现象， 如温度和压力（琼斯等人，2014 年）、真核细胞结构（琼斯等人，2004 年）方面的学习收获。) 和杠杆系统 (Wiebe et al. 2009 )。由于临场感 是多种感官输入的心理产物（Witmer 和 Singer 1994），因此触摸技术 可能在科学虚拟环境中诱导或维持临场感方面发挥重要且有前景的作 用。Witmer 和 Singer ( 1998 ) 认为，在感官中，视觉信息对临场感的影 响最大；然而，其他研究发现，身体互动（Slater 和 Steed 2000）增加 了用户对存在感的感知。作为视觉触觉耦合在一起 演示（即合并的视 觉和触觉感官信息），它们可以为学习科学产生强大的存在感。Reiner 和 Hecht ( 2009 ) 的一项研究描述了剃刀刀片的物体存在错觉导致参与 者移动他们的手更加缓慢与没有剃刀表示的相同任务相比，施加更少的力。威尔等人。( 2013 ) 发现，当参与者将手放在虚拟火 (BurnAR) 中时，他们报告了一种不自 觉的变暖感并闻到了烟雾。

研究表明，在相似或相同的虚拟环境中，个体对存在的感知各不相同（Ling 等人，2013 年；Wallach、Safir 和 Samana 2010 年）。这项研究 试图通过检查年轻人对学习科学的虚拟存在的看法来增加这项工作。 研究已经确定，与老年人相比，年龄对年轻人的存在感只有中等影响（Siriarava 和 Ang 2012），研究的作者发现这种差异是由于先前使用 虚拟环境的经验造成的。然而，Baumgartner 等人的一项研究将成人与 儿童进行了比较。( 2008 年) 已经证明高度特异性神经网络的激活介导 了成人在虚拟环境中的存在体验。这表明由于前额叶区域不发达而缺 乏活动，这可能有助于增加相同 VE 中儿童的存在体验。总体而言，存 在的感知依赖于 VR 系统的身临其境的特性，并且可以由用户影响“独 特的上下文和心理因素（梅斯特 2015）。

VR 研究领域迅速扩展，报告称不同类型的 VRE（例如协作、多用 户、沉浸式）具有不同程度的沉浸感（例如，动作、心理、感官、符号、叙事），可以为学习者提供真实的具体学习环境的感知体验（Bailenson 等人，2005 年；Slater 2009 年）。该领域的大多数研究都探讨了虚拟 环境的设计或可用性如何在诱导存在和学习方面发挥作用（Fowler 2015 ; Papachristos et al. 2014 ; Seo and Kim 2002 ; Tanaka 2004 ; Tromp et al. 2003 ; Whitelock et al. . 2000）。贝利和 Bailenson（2018）组成的 对儿童研究的荟萃分析“与 VR 在场的经历。沙拉尔等人。( 2007 ) 表 明，与成人相比，儿童更有可能报告更大的存在感和真实感，因为他们 在 VR 中的体验可能与认知和大脑发育有关。他们强调缺乏使用儿童 的 VR 研究（第 192 页），以及需要进一步研究探索 VR 与儿童发展的 关系（第 194 页）。研究由 Shin（2018）已表明认知过程介导的用户 存在的感知; 然而，这项工作只包括成年人。由于缺乏研究用人儿童“对 于 VR 中的临场体验，这项研究不仅旨在提供更多关于年轻用户在 VR 中体验临场感的属性的信息，而且还探索科学学习环境中的认知发展 和临场感。

用户对存在感和认知发展的看法。有证据表明，存在是一种心理状态（Lombard 和迪顿 1997）和学习者 的认知探索属性（能力）可以提供洞察力，以诱导和维持学生的过程中 “存在的看法。伯爵 ( 1971)) 假设有四个主要的连续智力发展阶段，每 个阶段都以新发展的认知能力为重点，从童年、青春期和成年期沿着 神经发育的渐进连续体在整个生命周期中成熟。在认知发展的每个阶 段，儿童通过图式（心理表征）的发展积极构建知识，其中信息要么被 同化以适应现有图式，要么图式被修改（适应）以适应新信息（Southwell 1998 ; Wadsworth 1996 ）。这种进展从感觉运动或认知实验开始，然后 是操作前的认知发展，其中想象力、记忆力和象征意义在童年中期发 展。这一进程最终进入具体的操作阶段，在这个阶段，个人培养逻辑推 理和越来越多的幻想与现实的辨别力。伯爵 ( 1962)）假设从青春期后 期到成年期是认知发展的最后阶段（正式操作处理）发生的时候。这个 阶段是实现对无形概念的抽象，本能经验决定了人们如何看待超越自 己的世界。正是这个阶段对研究特别感兴趣，因为它可以洞察青少年 在心理上区分虚拟世界与现实的能力，从而影响他们对存在的感知。 皮亚杰发展的评估通常包括分类、图像、守恒、关系和规律的测量（Patterson 和 Milakofsky 1980）。科学中的学习概念已被证明与学生 执行皮亚杰任务的能力有关（Southwell 1998）。Piagetian 清单已在内 容领域以及各种年龄和能力组中得到实证验证，包括小学生（Bakken 等人，2001 年）、残疾学生（Riley 1989 年）和科学课程（Bender 和 Milakofsky 1982 年；Coleman）和戈奇 1998 ）。现代研究也使用 Piaget 来理解科学课程学生的空间推理（Cole 等人，2018 年），这可能是由 于最近将 Piagetian 理论用作研究认知发展的特定领域方法的想（Siegler 2016 年）。因此，皮亚杰评估有可能记录不同年龄段科学学 习者的发展差异。

尽管科学教育研究者质疑伯爵的严格解释“重要思想概论（Louren ^ O 和马查多 1996 年），其他研究人员在心理学（蒙特亚莱格雷 2016 和神经坚决支持伯爵 ”与渐进式升

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