虚拟现实技术在中、高职实训教学中的应用效果研究

虚拟现实技术在中、高职实训教学中的应用效果研究
作者：金熠张志学
来源：《中国教育技术装备》2024年第11期
摘要目前，应用虚拟现实技术开展实训教学是新时代职业教育的新方向，但其缺点较为明显，包括一次性投入成本大、师资队伍建设和匹配欠缺、教学模块不能自主开发等。

因此，为了解虚拟现实为载体的数字化教学技术在中、高职实训教学中的应用效果，在调研已发表的19篇虚拟现实技术相关文献的基础上，进行该技术对教学效果影响的定量分析。

以真正提高学生理论水平、技术能力和学习兴趣等作为实训教学出发点，避免过分追求所谓的高新技术而陷入虚拟现实的“技术陷阱”，旨在定量分析虚拟现实技术应用在中、高职实训中的效果，以期为教育决策者提供有益的参考。

关键词虚拟现实技术；职业教育；中高职实训教学；Meta分析；实训室
中图分类号：G717 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2024）11-00-07
0 引言
虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术起源于20世纪末期，发展不过短短的20余年，但VR技术具有强大的生命力，在医学、工业制造、教育等领域有着广泛的应用，其创造的场景更加逼真，辅助真实的教学手段可能会产生更好的教学效果。

中、高职实训课程一般占总课时量的四分之一至三分之一，是职业教育的一个重要环节，考查学生对知识的应用能力。

积极引入VR技术，构建数字化、智慧化的实训室成为众多职业院校着力开展的一项工作。

因此，各职业院校都在大力改进和完善智慧化实训室建设。

深圳职业技术学院提出面向职业院校的虚拟现实资源建设及教学应用整体规划模式，提出虚拟现实教育资源的三层应用模式，并通过实践案例证明有效性[1]。

周美圻等[2]将VR技术引入机械课堂教学，并从开放式虚拟机械学习、分布式虚拟机械实训共享、虚拟机械实训评价考核三个方面进行展望。

广州铁路职业技术学院[3]应用VR技术开展轨道类专业实践教学探索，打造轨道交通虚拟仿真工场，实践路径可为其他院校提供借鉴。

可以看出，目前VR技术在我国职业院校的应用方兴未艾，因此有必要开展基于VR技术的实训教学效果研究。

VR技术的优点很多，例如：医学、护理等专业由于学生临床接触病人的机会不多，采用VR技术可以提高护理教育质量；对于理工科如机电制造、工业机器人、汽车维修等相关专业群实训教学，运用VR技术可以更好地融入企业需求真实场景，构建项目任务工单、虚拟工厂等虚拟与现实交互式实训场景。

有学者指出，VR技术能够吸引学生的注意力，使学生在VR 技术创设的三维世界中穿梭行走并发现乐趣和挑战；在中、高职各年龄段学生的实训教学中，VR技术都有引领、促动和鼓励发现新知的潜力，学生能够与3D环境交互并创造自己的多维世界，有一种身临其境的体验感，并参与
学习[4]。

但是，由于资金等各方面因素的限制，国内各职业院校应用VR技术的水平参差不齐。

一方面，VR技术所涉及的装备和模块更新换代的速度很快，即使在资金相对充沛、扶持力度较大的院校早期投入资金建设实训基地，后期VR技术设备的迭代和维护消耗依然较大，难以持续；另一方面，一些院校的制造类专业选用VR设备开展教学，但是发现学生对知识的掌握和学习满意度并没有得到显著提升[5]。

此外，有部分VR技术设备的安全性不高，学生在操作设备时会有一些安全隐患。

正如美国学者Pantelidis V[4]列举，应用VR技术的缺点是设备花销较大、可能带来健康和安全问题、要求教师花大量时间学习VR技术的软硬件使用，以及将VR技术整合进一门系统课程需耗费大量精力。

因此，不论是从采购先进教学设备的性价比还是从安全性角度考虑，在中、高职实训教学中是否坚持引入VR技术、在哪些专业引入VR技术，应该有必要的论证，达到用最小的投入产生对学生理论知识、技能提升的最好效果，避免陷入虚拟现实的“技术
陷阱”。

1 研究方法
Meta分析又被称为元分析或荟萃分析，是一种定量化的文献综述技术，由美国统计学家基恩·格拉斯于1976年正式提出。

经过近50年的发展历程，Meta分析被广泛应用于医学、生态学、教育学等领域的研究中。

其研究步骤主要包括：
1）确定研究主题，制定文献检索策略，在各个数据库中全面地搜集有研究数据支撑的文献；
2）对文献进行数据提取，找出想要挖掘的关键性因素，并进行质量评价；
3）合并效应值的计算，合并效应值的检验并进行异质性分析，最终完成对研究主题的结果评价。

本项研究是在搜索大量文献的基础上，应用Meta分析的方法探索VR技术在中、高职实训教学中的影响效果，主要考查相较于板书、PPT、实物模型等传统实训教学模式，利用VR 技术教学对学生理论成绩、实操能力、满意度和学习兴趣提升的效果。

1.1 文献检索和筛选
计算机检索Web of Science、中国知网（CNKI）、
万方等多种数据库，检索近六年（2016年1月至
2022年5月）发表的文献。

采取搜索主题词的方式
制定检索策略，并采用二次检索法查找相关文献。

英文数据库检索词为“Virtual reality”“Poly-technic education”“Practical Training”，中文数据库检索词为“职业教育”“虚拟现实技术”“实训”。

本研究对选取的文献采用以下标准进行筛选。

1）应用VR技术实验发生在国内中职和高职实训教学中，必须来源于实验研究或者准实验研究，不能是定性的论述性文献。

2）数据资料中尽量含有VR技术教学效果的干预数据，包括教學前后的前测数据和后测数据；必须采用正确的统计学方法，有具体数值（含图表）平均值、方差或者标准差，尽量有原始数据。

3）对同一作者重复报道的数据只选用一次。

根据以上制定的文献检索原则，在數据库中进行文献筛选后得到19项相关的研究报道，根据文献发表年限的先后顺序将研究结果的主要信息依次列出，见表1。

可以看出，19篇文献所涉及的领域包括财会类、智能制造类、化工检测类、康养旅游类和医学护理类等五大类专业。

1.2 文献编码
文献编码的内容主要包括作者信息、发表年份、学生专业、年级学段、知识类型、VR技术设备种类等。

其中，年级学段包括中职和高职两类；知识类型包括理论、实践和理实一体化教学三类；VR技术设备种类包括桌面式VR系统、Unity-3D系统和沉浸式VR系统等。

1.3 统计方法
应用RevMan 5.3软件进行分析并绘制漏斗图和森林图。

采用I2值判断研究间异质性检验，当
I2＜50%时，认为研究间同质性较好，采用固定效应模型合效应量；当75%＜I2＜100%时，认为研究间存在异质性，采用随机效应模型合效应量。

在不同的效应模型下输出相应的森林图。

2 结果与讨论
2.1 发表偏倚检验
为了保证纳入文献实验数据的可靠性和科学性，本研究引入漏斗图来检验是否存在发表偏倚。

发表偏倚是指不能系统、全面地反映已发表文献做的整体研究，发表偏倚不同程度地存在于Meta分析中。

漏斗图的横坐标表示效果大小，纵坐标表示标准误差，两条斜线表示95%的置信区间。

发表偏倚主要通过观察确定，同时，如1.3节所述，当I2＜
50%时，采用固定效应模型合效应量；当75%＜
I2＜100%时，认为研究间存在异质性，采用随机效应模型合效应量，漏斗图对称意味着没有发表偏倚。

显然，图1中除实操能力的漏斗图以外，其余三项都是对称的，表明整体的Meta分析结果是可以接受的。

然而，在漏斗图中存有一些点在两条斜线之外，这意味着在那里纳入的研究可能存在异质性。

这一结论与异质性检验结果一致，并进一步分析基于引入文献的森林图数据。

2.2 Meta分析结果
2.2.1 VR技术教学对学生理论成绩提升的影响
本分项研究符合要求的文献共计18篇，共涉及1 304名学生。

I2=92%，采用随机效应模型合效应量。

如图2所示，本项研究的均值差为-8.46，总效应值Z=26.62，且P＜0.05，这表明VR技术教学对学生理论成绩的效果有显著差异，VR技术优于传统教学技术。

此研究结果与吴雪艳[13]的研究结果矛盾。

在吴雪艳的研究中，中职学生机械制图课程的对照组与实验组的前测理论成绩没有差别（P=0.221）；在利用VR技术进行教学后，结果表明两者的后测理论成绩依然无显著性差异（P=0.585）。

同样，在国外的VR技术教学研究中也有类似的结论。

Khot Z等[24]利用传统模型教学和VR技术教学两种手段对60名医学生进行解剖学名词识记实验，通过10分钟的学习对25个项目问题进行测验。

结果表明，利用传统模型教学的识记率为67%，而利用VR技术教学的识记率只有41%。

相比于静态的模型教学，通过VR技术教学在提高学生识记项目方面并没有显著优势。

2.2.2 VR技术教学对学生实操能力提升的影响
本分项研究符合要求的文献共计12篇，共涉及875名学生。

I2=92%，采用随机效应模型合效应量。

如图3所示，本项研究的均值差为-15.5，总效应值Z=4.09，且P＜0.05，这表明VR技术教学对学生实操能力的提升效果有显著差异，同样是VR技术优于传统教学技术。

值得注意的是在徐晶心[19]的研究中，对中职学生开展全口义齿工艺教学，利用VR技术并没有与传统模型教学产生显著性差异。

作者分析这是由于在口腔医学教学中，VR技术无法实现操作手势的同步传授，尤其是在专业化比较强的口腔医学领域，利用VR技术结合行业专家的实际操作示范才可以取得较好的实操效果。

2.2.3 VR技术教学对满意度和学习兴趣的影响
对VR教学满意度和学习兴趣的研究，分别有八项和九项研究符合数据纳入标准，相应的涉及学生数分别为496人和641人。

从图4中可以看出，相比于传统教学模式，利
用VR技术进行实训教学后学生的满意度更高，两
者之间具有显著差异（P＜0.01）。

但也有学生在调查问卷中表示不喜欢VR技术教学，分析原因可能是由于低年级段的学生长时间佩戴沉浸式VR设备会造成眩晕感，出现不适症状，进而降低了VR技术教学的体验感[20]。

从图5可以看出，总体来说，相比于传统教学模式，学生对采用VR技术的教学更感兴趣，积极性也更高。

也有学生反映VR教学的效果与传统教学模式差别不大[8，22]，究其原因，可能是沉浸式的VR技术教学虽然是新鲜事物，对学生的吸引力较强，但由此引发课堂纪律欠佳，最终导致学生无法真正静下心来掌握课程教学知识点[4]。

本项研究结果启发教师应该精准把握采用VR技术教学的切入点和教学时间，并对课堂纪律进行有效控制以保证教学质量，这样才能收到事半功倍的效果。

2.3 研究结论
VR技术在国内尚属新兴事物，基于以上19项实验的研究结果表明，初步判断将VR技术应用于中、高职实训教学活动中会有助于提升学生的理论知识水平和实操能力；相比于传统教学模式，VR技术教学可以大幅度提升学生学习的满意度和专注度，由此可以催生学生学习的兴趣和主动性，但同时要严格管理班级上课纪律。

然而，在学生理论知识巩固和运用方面还没有涉及研究，如何更好地开发利用VR技术以增强教学效果还有待进一步探索。

从本项研究结果来看，涉及桌面式VR系统教学的如会计、导游、礼仪、食品加工等专业，应用VR教学的效果显著好于传统教学模式，在机械加工、汽车维修、机器人拆装等专业利用沉浸式VR设备教学效果也好于传统模式教学效果；但是对于专业性比较强、学制较长的专业（如医学），就要谨慎开展单一利用VR技术教学的模式，因为在此类专业中，行家导师的带教和示范对学生理论和实操水平的提升同样具有很大的影响。

3）对同一作者重复报道的数据只选用一次。

根据以上制定的文献检索原则，在数据库中进行文献筛选后得到19项相关的研究报道，根据文献发表年限的先后顺序将研究结果的主要信息依次列出，见表1。

可以看出，19篇文献所涉及的领域包括财会类、智能制造类、化工检测类、康养旅游类和医学护理类等五大类专业。

1.2 文献编码
文献编码的内容主要包括作者信息、发表年份、学生专业、年级学段、知识类型、VR技术设备种类等。

其中，年级学段包括中职和高职两类；知识类型包括理论、实践和理实一体化教学三类；VR技术设备种类包括桌面式VR系统、Unity-3D系统和沉浸式VR系统等。

1.3 统计方法
应用RevMan 5.3软件进行分析并绘制漏斗图和森林图。

采用I2值判断研究间异质性检验，当
I2＜50%时，认为研究间同质性较好，采用固定效应模型合效应量；当75%＜I2＜100%时，认为研究间存在异质性，采用随机效应模型合效应量。

在不同的效应模型下输出相应的森林图。

2 结果与讨论
2.1 发表偏倚检验
为了保证纳入文献实验数据的可靠性和科学性，本研究引入漏斗图来检验是否存在发表偏倚。

发表偏倚是指不能系统、全面地反映已发表文献做的整体研究，发表偏倚不同程度地存在于Meta分析中。

漏斗图的横坐标表示效果大小，纵坐标表示标准误差，两条斜线表示95%的置信区间。

发表偏倚主要通过观察确定，同时，如1.3节所述，当I2＜
50%时，采用固定效应模型合效应量；当75%＜
I2＜100%时，认为研究间存在异质性，采用随机效应模型合效应量，漏斗图对称意味着没有发表偏倚。

显然，图1中除实操能力的漏斗图以外，其余三项都是对称的，表明整体的Meta分析结果是可以接受的。

然而，在漏斗图中存有一些点在两条斜线之外，这意味着在那里纳入的研究可能存在异质性。

这一结论与异质性检验结果一致，并进一步分析基于引入文献的森林图数据。

2.2 Meta分析结果
2.2.1 VR技术教学对学生理论成绩提升的影响
本分项研究符合要求的文献共计18篇，共涉及1 304名学生。

I2=92%，采用随机效应模型合效应量。

如图2所示，本项研究的均值差为-8.46，总效应值Z=26.62，且P＜0.05，这表明VR技术教学对学生理论成绩的效果有显著差异，VR技术优于传统教学技术。

此研究结果与吴雪艳[13]的研究结果矛盾。

在吴雪艳的研究中，中职学生机械制图课程的对照组与实验组的前测理论成绩没有差别（P=0.221）；在利用VR技术进行教学后，结果表明两者的后测理论成绩依然无显著性差异（P=0.585）。

同样，在国外的VR技术教学研究中也有类似的结论。

Khot Z等[24]利用传统模型教学和VR技术教学两种手段对60名医学生进行解剖学名词识记实验，通过10分钟的学习对25个项目问题进行测验。

结果表明，利用传统模型教学的识记率为67%，而利用VR技术教学的识记率只有41%。

相比于静态的模型教学，通过VR技术教学在提高学生识记项目方面并没有显著优势。

2.2.2 VR技术教学对学生实操能力提升的影响
本分项研究符合要求的文献共计12篇，共涉及875名学生。

I2=92%，采用随机效应模型合效应量。

如图3所示，本项研究的均值差为-15.5，总效应值Z=4.09，且P＜0.05，这表明VR技术教学对学生实操能力的提升效果有显著差异，同样是VR技术优于传统教学技术。

值得注意的是在徐晶心[19]的研究中，对中职学生开展全口义齿工艺教学，利用VR技术并没有与传统模型教学产生显著性差异。

作者分析这是由于在口腔医学教学中，VR技术无法实现操作手勢的同步传授，尤其是在专业化比较强的口腔医学领域，利用VR技术结合行业专家的实际操作示范才可以取得较好的实操效果。

2.2.3 VR技术教学对满意度和学习兴趣的影响
对VR教学满意度和学习兴趣的研究，分别有八项和九项研究符合数据纳入标准，相应的涉及学生数分别为496人和641人。

从图4中可以看出，相比于传统教学模式，利
用VR技术进行实训教学后学生的满意度更高，两
者之间具有显著差异（P＜0.01）。

但也有学生在调查问卷中表示不喜欢VR技术教学，分析原因可能是由于低年级段的学生长时间佩戴沉浸式VR设备会造成眩晕感，出现不适症状，进而降低了VR技术教学的体验感[20]。

从图5可以看出，总体来说，相比于传统教学模式，学生对采用VR技术的教学更感兴趣，积极性也更高。

也有学生反映VR教学的效果与传统教学模式差别不大[8，22]，究其原因，可能是沉浸式的VR技术教学虽然是新鲜事物，对学生的吸引力较强，但由此引发课堂纪律欠佳，最终导致学生无法真正静下心来掌握课程教学知识点[4]。

本项研究结果启发教师应该精准把握采用VR技术教学的切入点和教学时间，并对课堂纪律进行有效控制以保证教学质量，这样才能收到事半功倍的效果。

2.3 研究结论
VR技术在国内尚属新兴事物，基于以上19项实验的研究结果表明，初步判断将VR技术应用于中、高职实训教学活动中会有助于提升学生的理论知识水平和实操能力；相比于传统教学模式，VR技术教学可以大幅度提升学生学习的满意度和专注度，由此可以催生学生学习的兴趣和主动性，但同时要严格管理班级上课纪律。

然而，在学生理论知识巩固和运用方面还没有涉及研究，如何更好地开发利用VR技术以增强教学效果还有待进一步探索。

从本项研究结果来看，涉及桌面式VR系统教学的如会计、导游、礼仪、食品加工等专业，应用VR教学的效果显著好于传统教学模式，在机械加工、汽车维修、机器人拆装等专业利用沉浸式VR设备教学效果也好于传统模式教学效果；但是对于专业性比较强、学制较长的
专业（如医学），就要谨慎开展单一利用VR技术教学的模式，因为在此类专业中，行家导师的带教和示范对学生理论和实操水平的提升同样具有很大的影响。