CN111240487A - 一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型及其部署方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型及其部署方法，包括以下步骤：步骤S1：根据在场景中虚拟场景的沉浸性和人机交互的即时性，保留TAM‑TTF模型中的任务特征、技术特征、任务技术匹配、感知有用性和感知易用性五个变量；步骤S2：选取适合虚拟现实技术特征的结果变量：将反思性思维和感知学习效果作为VRIPL模型的结果变量；步骤S3：VRIPL模型引入个人参与因素作为结果变量的直接影响因素，用以研究个人参与系统的程度对于使用系统的学习效果；步骤S4：在虚拟现实教育系统中进行感知学习效果交互模型部署。本发明能从任务技术匹配的视角出发，提出并验证了在教育领域虚拟现实交互技术如何改善感知学习效果，进而改善学习效果。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别是一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型的构建及部署方法。
背景技术
近几年以来，作为一类新兴的计算机模拟仿真交互技术，虚拟现实交互(VirtualReality Interaction, VRI)技术在教育、军事和医学等领域的应用得到了业内人士的广泛肯定。以文字、图像和视频为主的传统多媒体人机交互方式已无法满足日益爆发式的数据增长和多维度广时域的信息交换的需求，而虚拟现实交互技术的出现为教育模式的创新注入新的活力。
对于如何设计虚拟现实教育系统能够有效改善学习效果，现有的技术存在以下3点问题：
（1）现有的虚拟现实教育系统大多面向授课方式的改变，即将传统的多媒体授课方式或实物操作的培训方法转变为运用虚拟教育的形式进行训练。大多数虚拟现实教育系统采用将培训内容作为知识点进行交互的内容，以学习引导模式与考核模式结合的方式训练学员，以达到提高学员学习成绩的效果。但是，大部分的虚拟现实教育系统缺少VRI影响学习效果的理论或者模型的指导，缺少对VRI影响学习效果的原因及程度的研究。
（2）现有的VRI理论研究主要基于技术接受模型（Technology Acceptance Model,TAM）来探究学员使用VR的意图，分析VR如何影响学习效果。然而，对于建立VRI与学习效果之间内在关联的任务与技术匹配（Task-Technology Fit, TTF）这一观点的关注却较少。
（3）现有的技术大多针对某一具体案例进行系统的设计，缺少一个具备通用指导价值的、且能够有效提高学习效果的虚拟现实教育交互模型。
现有技术大多数是针对具体的系统设计提出技术方案，对于系统开发者如何将能够改善学习效果的模型部署到实际系统中，未给予说明。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型及其部署方法，能从任务技术匹配的视角出发，提出并验证了在教育领域虚拟现实交互技术如何改善感知学习效果，进而改善学习效果。
本发明采用以下方案实现：一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型(Virtual Reality Impact Model for Perceptual Learning，以下简称VRIPL)所述VRIPL模型的影响变量为TAM-TTF模型中的任务特征、技术特征、任务技术匹配、感知有用性和感知易用性五个变量；将反思性思维和感知学习效果作为VRIPL模型的结果变量；根据虚拟现实交互技术特性，影响变量中的感知有用性和感知易用性与结果变量中的反思性思维存在正向影响关系，将五个影响变量与结果变量连接并组成VRIPL模型。
进一步地，所述个人参与因素是反应学员的学习能力和学习态度，包括学员参与因素和教员参与因素。
进一步地，本发明还提供一种基于适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型的部署方法，包括以下步骤：
步骤1：将VRIPL模型中的任务特征在虚拟现实教育系统中进行部署：任务特征的部署首先是提取和分析用户的整体需求，然后将用户的整体需求分解为软件功能需求和硬件功能需求，最后结合虚拟现实教育系统所涉及的教学知识点设计为教育系统中的具体任务，学员在完成任务的过程中进行教学知识点的学习；
步骤2：VRIPL模型中的技术特征在虚拟现实教育系统中进行部署：所述技术特征用于对于虚拟现实教育系统的系统设计需求提供相应的服务和支持，包括VR硬件技术支持和软件功能技术支持；
步骤3：VRIPL模型中的感知易用性在虚拟现实教育系统中进行部署：在虚拟现实教育系统设置操作引导模式指引学员在虚拟场景中进行基本操作包括移动、转向、拾取和使用物品，用以提升学员对于系统的感知易用性；
步骤4：VRIPL模型中的感知有用性在虚拟现实教育系统中进行部署：所述感知有用性用于评估学员使用VRI技术加强自身学习效果的程度；在虚拟现实教育系统中将学员需完成的任务分为三种类型：引导式任务、自由式任务和考核式任务；所述引导式任务用于引起学员初步的反思性思维；所述自由式任务用于提升学员的反思性思维，改善感知学习效果；所述考核式任务用于学员的成绩管理。
进一步地，所述步骤2的具体内容为：结合教育系统的教学知识点确定所需的硬件设备类型：若学员选择沉浸式体验，且场地可移动区域较大，所需自由度较高则选择HTCVive或者Oculus Rift；否则选择移动端或者一体机式硬件设备；教育系统根据学员选择的硬件设备匹配对应的应用场景，并通过任务特征分析各个知识点对应的任务的特点，用以增强系统的可交互性。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明VRIPL模型部署于虚拟现实教育系统之后，相比于传统多媒体的教学方式，可改善学员11.1%的学习效果。部署VRIPL模型的虚拟现实教育系统可改善虚拟现实教育系统5.8%的学习效果、6.2%的学习效率和6.6%的反思性思维效果。在系统满意度方面，VRIPL模型的部署提高了虚拟现实教育7.2%的系统满意度。
（2）本发明VRIPL模型能从任务技术匹配的视角出发，提出并验证了在教育领域虚拟现实交互技术如何改善感知学习效果，进而改善学习效果。
附图说明
图1为本发明实施例的模型构建及应用流程图。
图2为本发明实施例的VRIPL模型结构演变图，其中图2（a）为TAM-TTF模型图，图2（b）为VRIPL模型图。
图3为本发明实施例的VRIPL模型部署流程图。
图4为本发明实施例的实例验证流程图。
图5为本发明实施例的VRFSE与VRIPL模型关系对应图。
图6为本发明实施例的高层火场逃生任务流程图。
图7为本发明实施例的任务选择图，其中图7（a）为任务选择图，图7（b）为任务选择结果图。
图8为本发明实施例的实例验证过程流程图。
图9为本发明实施例的消防安全知识测试数据对比图
图10为本发明实施例的 VRFSE系统使用满意度调查图
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供，一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型，所述VRIPL模型的影响变量为TAM-TTF模型中的任务特征、技术特征、任务技术匹配、感知有用性和感知易用性五个变量；将反思性思维和感知学习效果作为VRIPL模型的结果变量；根据虚拟现实交互技术特性，影响变量中的感知有用性和感知易用性与结果变量中的反思性思维存在正向影响关系，将五个影响变量与结果变量连接并组成VRIPL模型。
在本实施例中，所述个人参与因素是反应学员的学习能力和学习态度，包括学员参与因素和教员参与因素。
较佳的，本实施例还提供了一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型的部署方法包括以下步骤：
步骤1：将VRIPL模型中的任务特征在虚拟现实教育系统中进行部署：任务特征指导系统中具体的任务设计，将教育系统涉及的知识点以任务的形式展示，学员在完成任务的过程中完成知识点的学习；
步骤2：VRIPL模型中的技术特征在虚拟现实教育系统中进行部署：所述技术特征用于对于虚拟现实教育系统提供服务和支持，包括VR硬件技术支持和软件功能技术支持；
步骤3：VRIPL模型中的感知易用性在虚拟现实教育系统中进行部署：在虚拟现实教育系统设置操作引导模式指引学员在虚拟场景中进行基本操作包括移动、转向、拾取和使用物品，用以提升学员对于系统的感知易用性；
步骤4：VRIPL模型中的感知有用性在虚拟现实教育系统中进行部署：所述感知有用性用于评估学员使用VRI技术加强自身学习效果的程度；在虚拟现实教育系统中将学员需完成的任务分为三种类型：引导式任务、自由式任务和考核式任务；所述引导式任务用于引起学员初步的反思性思维；所述自由式任务用于提升学员的反思性思维，改善感知学习效果；所述考核式任务用于续学员的成绩管理。
在本实施例中，所述步骤2的具体内容为：结合教育系统的教学知识点确定所需的硬件设备类型：若学员选择沉浸式体验，且场地可移动区域较大，所需自由度较高则选择HTC Vive或者Oculus Rift；否则选择移动端或者一体机式硬件设备；教育系统根据学员选择的硬件设备匹配对应的应用场景，并通过任务特征分析各个知识点对应的任务的特点，用以以增强系统的可交互性。
较佳的，在本实施例中，构建模型的具体步骤如下：
步骤S1：根据在场景中虚拟场景的沉浸性和人机交互的即时性，保留TAM-TTF模型中的任务特征、技术特征、任务技术匹配、感知有用性和感知易用性五个变量；
步骤S2：选取适合虚拟现实技术特征的结果变量：将反思性思维和感知学习效果作为VRIPL模型的结果变量；
步骤S3：VRIPL模型引入个人参与因素作为结果变量的直接影响因素，用以研究个人参与系统的程度对于使用系统的学习效果；
步骤S4：在虚拟现实教育系统中进行感知学习效果交互模型部署。
较佳的，本实施例从任务技术匹配的视角出发，注重虚拟现实交互技术对于系统任务的支持和匹配程度，将学员对于虚拟现实交互技术的感知有用性和感知易用性作为模型的基点，提出了运用虚拟现实交互技术改善感知学习效果的交互模型。
较佳的，本实施例的VRIPL模型具有的优点如下：
1. VRIPL模型与大多数虚拟现实教育系统能够较好的适配，并且部署成本较低。部署完成的虚拟现实教育系统能够以学员的感知有用性和感知易用性为基点，注重于任务与技术的匹配，促进学员的反思性思维，进而改善学员的感知学习效果，以达到改善虚拟现实教育系统学习效果的目的。
2. VRIPL模型是一种具有通用指导价值的交互模型，适用于虚拟现实教育系统开发指导，尤其是安全教育系统指导方面。以VRIPL模型作为虚拟现实安全教育系统的指导模型，能够快速指引开发人员快速部署VRIPL至教育系统，改善虚拟现实教育系统的学习效果。
3.VRIPL模型提出了虚拟现实交互技术如何改善感知学习，为虚拟现实交互技术在教育领域影响学习效果的理论研究提供了新的视角。VRIPL模型提出并验证了虚拟现实交互的任务特征和技术特征显著正向影响任务-技术匹配，任务-技术匹配显著正向影响感知有用性和感知易用性。学员对于虚拟现实交互技术的感知有用性和感知易用性显著正向影响反思性思维，反思性思维显著正向影响感知学习效果。
本实施例提出了一个能够有效改善虚拟现实教育系统学习效果的通用交互模型，阐述了模型具体的部署过程。本案解决了虚拟现实教育系统在开发过程缺少通用指导价值的虚拟现实交互技术改善学习效果交互模型的状况，以新型交互模型作为虚拟现实教育系统指导模型，可改善虚拟现实教育系统的学习效果。
本实施例通过新模型构建、模型部署及实例验证三个阶段：
第一个阶段是新模型构建。如图1中所示，首先通过文献研究，整理技术接受模型与任务-技术匹配理论的研究进展，梳理TAM-TTF整合模型发展脉络，针对目前虚拟现实交互技术和任务特点进行分析，保留适用于VR应用于教育领域的影响学习效果的任务特征、技术特征、任务-技术匹配、感知有用性和感知易用性五个变量，然后根据虚拟现实交互的技术特征引入反思性思维和感知学习效果作为模型结果变量，最后引入个人参与因素，提出了虚拟现实交互技术影响感知学习（Virtual Reality Impact Model for PerceptualLearning Effect，VRIPL）的研究模型。
第二个阶段是模型部署。如图1中所示，在模型构建完成之后，基于模型进行系统设计，将模型部署至虚拟现实教育系统。
第三个阶段是实例验证。如图1中所示，为了验证基于VRIPL模型构建的虚拟现实教育系统能有效改善感知学习效果，以基于新模型构建的虚拟现实消防安全教育系统评测对象，通过一系列步骤开展实例验证。
VRIPL模型的研究目标是对探究VR交互技术影响感知学习效果的过程，设计为可优化虚拟现实教育系统学习效果的通用交互模型。如图2所示，图2描述了VRIPL的构建过程，其中图2（a）是TAM-TTF整合模型，图2（b）是VRIPL模型，实线框①表示TAM-TTF的结果变量，实线框②表示VRIPL的结果变量。模型构建分为以下3项步骤：
（1）VRIPL模型构建的第一步是根据在场景中虚拟场景的沉浸性和人机交互的即时性，保留图2(a)所示的TAM-TTF模型中的任务特征、技术特征、任务技术匹配、感知有用性和感知易用性五个变量。如图2（a）①所示，TAM-TTF整合模型中的使用意愿、使用态度和实际使用三个变量反馈的是学员对于信息系统的接受程度。本案的研究目的是VR交互技术影响感知学习的过程，使用意愿、使用态度和实际使用三个变量与感知学习结果变量相关程度较低，若作为VR交互技术影响感知学习的结果变量并不适用，故移除TAM-TTF模型中的使用意愿、使用态度和实际使用三个变量。在图2（a）②中，TAM-TTF整合模型的使用经验影响因素表示学员使用信息技术的先验知识，由于本案将学员的使用经验作为问卷调查的控制变量，研究使用经验对于学习效果的影响程度，因此在VRIPL模型中移除使用经验因素。
（2）VRIPL模型构建的第二步是选取适合虚拟现实技术特征的结果变量。如图2（b）③所示，本案选择将反思性思维和感知学习效果作为VRIPL模型的结果变量。反思性思维（Reflect Thinking , RT）是个体以信念或者知识作进一步的推论所进行的一种主动和全面的思考。决定学习效果的是技术的教学实施，当技术能够解决学习任务时，技术能够改善学员的反思性思维，从而影响学习结果。感知学习（Perceived Learning）是指由实践或经验引起的感知变化。在感知学习中，视听觉通道是认知事物的主要通道，而VRI技术的沉浸性能够刺激人体的视觉和听觉通道，使学员获取更多的三维图像和音频信息。VRI技术的操作即时性开设了交互认知通道，学员通过与虚拟环境产生交互认知，改变了学员被动接受信息的情况，以主动参与认知的状态获取知识。VRIPL模型将反思性思维和感知学习效果作为结果变量，提出感知有用性和感知易用性直接影响反思性思维，进而影响感知学习效果。
（3）VRIPL模型构建的第三步是引入个人参与因素。如图2（b）中④和⑤所示，为研究个人参与系统的程度对于使用系统的学习效果，VRIPL模型引入个人参与因素作为结果变量的直接影响因素。其中，在图2（b）中，VRIPL模型描述了VR交互技术影响感知学习效果的过程，VR交互技术任务与技术的匹配程度主要取决于VR交互技术的任务特征和技术特征，并且作为感知有用性和感知易用性的外部变量。感知有用性和感知易用性能够正向影响反思性思维，进而影响感知学习效果。同时，学员参与因素和教员参与因素直接影响感知学习效果。
VRIPL模型提出了VRI影响感知学习效果的过程，可作为虚拟现实安全教育系统的指导模型，能够快速指引开发人员理解虚拟现实交互技术改善感知学习效果的过程，进而提高虚拟现实安全教育系统对于学员的学习效果。
模型部署
VRIPL模型从任务技术匹配、技术接受和个人参与三个方面描述了VRI对学习效果的影响。作为一个通用的虚拟现实教育系统交互模型，将VRIPL部署至虚拟现实教育系统可有效改善学员的学习效果。模型部署流程图如图3所示，主要由两个部分组成，上侧实线部分表示VRIPL模型，下侧实线部分表示将要部署VRIPL模型的虚拟现实教育系统。虚拟框表示虚拟现实教育系统的系统组成与VRIPL模型的对应4个关联。在系统中部署模型的4个步骤如下：
(1)第一步如图3虚线框①所示，VRIPL模型中的任务特征是指学员使用虚拟现实教育系统时，为完成学习任务的交互行为的需求，因此系统设计遵循以学员的需求为中心展开设计的原则。虚拟现实教育系统的设计目的对应于VRIPL模型中的任务特征。在模型部署过程中，应明确学员对于虚拟现实教育系统的硬件设备需求和软件功能需求，以便提供学员相应的技术支持。硬件设备的需求主要体现在硬件设备厂商的选择和设备类型，目前主流的虚拟现实设备有Oculus Rift、HTC Vive和三星Gear VR等，主要的设备类型有头戴式、环幕式和一体机形式的虚拟现实硬件设备，不同的设备需提供相应的技术支持。软件功能需求主要由虚拟交互的任务特征决定，任务特征指导具体的任务设计，将教育系统涉及的知识点以任务的形式展示，学员在完成任务的过程中完成知识点的学习。
(2)第二步如图3虚线框②所示，在VRIPL模型中的技术特征是VRI对于虚拟现实教育系统所能提供的服务和支持，主要包括VR硬件技术支持和软件功能技术支持。在充分考虑和分析学员需求之后，结合教育系统的教学知识点确定所需的硬件设备类型。若学员追求较好的沉浸式体验，且场地可移动区域较大，所需自由度较高可选择HTC Vive或者Oculus Rift。若学员体验感要求不高，可采用移动端或者一体机式硬件设备。在软件功能支持方面，一方面是不同的硬件设备对应不同的软件功能支持。另一方面，软件的技术支持主要是虚拟场景的沉浸性和交互的即时性。沉浸感主要依靠于逼真的场景实现，制作精良的场景和模型能够给予学员身临其境的感受。交互的即时性体现在具体的任务设计中，应分析各个知识点对应的任务的特点，适配不同的VRI技术，以增强系统的可交互性。VR技术特征与教育系统的任务特征的匹配程度越高，则改善的感知学习效果的程度就越高。
(3)第三步如图3中的虚线框③所示，VRIPL模型中感知易用性是指学员使用虚拟现实教育系统的难易程度，虚拟现实教育系统设置操作引导模式指引学员快速掌握在虚拟场景中移动、转向、拾取和使用物品等基本操作以提升学员对于系统的感知易用性。操作引导如图所示，主要包括文字说明、语音提示、操作图标提示、时间提示。操作引导的设置应与具体的任务设计同步进行，确定在该任务执行时，应设置明确的操作引导，使学员能够快速理解任务的执行过程并完成任务。适当的操作引导能够减少学员学习使用系统的时间成本，更快的掌握使用系统的方法。
(4)第四步如图3虚线框④所示，感知有用性是学员认为使用VRI技术加强自身学习效果的程度，反思性思维是学员在完成学习任务过程中反思自身，将系统中所学的知识与先验知识对比，不断刺激学员的视听觉通道和交互认知通道，进而改善感知学习效果。在指导系统设计时，将虚拟现实教育系统的教学知识点设计成若干学员需完成的任务。任务类型包括以下三个层次教学任务：
（a）第一层次的教学任务是引导式任务，按照教学知识点设计成为步骤形式的任务，学员在操作引导的指示下完成所有的任务。学员在使用虚拟现实教育系统完成任务的过程中，完成知识点的全面学习，引起学员初步的反思性思维
（b）第二层次的教学任务是自由式任务，系统不再提供完整的操作引导，学员体验自由度较高，学员在虚拟教学场景中独立完成学习任务。学员在自由完成任务过程中，正确的操作情况下学员能够巩固知识点，而错误的操作将会触发相应的错误操作后果，并实时反馈给学员，形成从感知到认知的转变，进而促使学员反思自身的错误操作，总结自身完成任务的情况。此外，自由式任务中可设置选择型任务，选择型任务的作用是使学员在虚拟场景中面临选择，不同的选择会导致各异的抉择后果，学员在面临选择时能够进一步促进反思性思维。自由式任务提高了学员的反思性思维，最终达到改善感知学习效果的目的。
（c）第三层次的教学任务是考核式任务，在自由式任务的基础上添加了分数统计，以便于后续学员的成绩管理。
为验证本实施例所提出的VRIPL模型改善虚拟现实教育系统的学习效果的程度，实例验证将基于VRIPL模型，首先以消防安全教育为例，依照上文所述的模型部署步骤，设计了一套虚拟现实消防安全教育系统（Virtual Reality Fire Safety EducationSystem，VRFSE）实例，然后在实验评测中分别获取了学员采用已部署VRIPL模型的VRFSE、未部署VRIPL模型的VRFSE和传统多媒体方式教学的评测数据，最后分析学员的评测数据。
VRIPL模型的实例验证流程如图4所示，实例验证首先是将受邀参与评测的学员安排为实验组、对比组1和对比组2，各组分配40位学员。实验组运用已部署VRIPL模型的VRFSE学习消防安全知识，对比组1使用未部署VRIPL模型的VRFSE，对比组2采用传统多媒体教学的方式。学习时间为60分钟，学习完成之后让学员参与并完成针对公安部消防局下发的公民消防安全知识手册而设计的《大学生消防安全知识竞赛》的考核题。最后统计和分析学员的成绩，对比虚拟现实教育系统学习效果的改善程度。
实例验证法数据分析主要包含以下三部分内容：
①第一部分是收集和统计实验组和对比组的学员成绩以及实验组和对比组1的学员完成系统学习之后填写调查问卷的数据。
②第二部分是分析学员成绩，将实验组和对比组1分别与对比组2的成绩统计结果对比得出已部署VRIPL模型的VRFSE和未部署VRIPL模型的VRFSE的学习效果相比于传统多媒体教学方式的改善程度。将实验组与对比组1的系统学习效果对比得出部署VRIPL模型对于虚拟现实教育系统学习效果的改善程度。
③第三部分是统计和分析实验组和对比组1的学员填写的调查问卷的数据，对比系统满意度。
（1）部署VRIPL模型于虚拟现实教育系统实例
为了验证VRIPL模型对于虚拟现实教育系统改善学员感知学习效果的有效性，以消防安全教育系统为例，基于VRIPL模型构建了一套虚拟现实消防安全教育系统。VRFSE是基于VRIPL模型的技术特点，相应的展开任务设计和交互开发。VRFSE与VRIPL模型对应关系图如图5所示，上侧实线实现部分表示VRFSE的组成部分，下侧实线部分表示VRIPL模型，虚拟框表示VRFSE的系统组成与VRIPL模型组成元素的关联关系。
如图5中的虚线框①所示，VRFSE的设计目的是提升学员火场逃生意识和自救能力，对应VRIPL模型中的任务特征。VR交互技术可提供搭建虚拟环境所需的三维场景、碰撞检测及智能NPC等，使得学员能够通过VRFSE完成感知学习的任务。在图5中虚线框②中，在VRFSE中使用计算机进行模拟仿真产生虚拟场景和人物模型，而后通过对学员的视觉、听觉和触觉等感知通道，使学员能够如同身临其境般的进行感知学习的体验。拟真的虚拟场景和人物造型有助于提升学员沉浸。在硬件需求方面，激光定位技术通过相关的追踪设备获取相关信息，陀螺仪空间位置校正装置，由后台程序对获取的信息进行处理，进而获得火灾场景中所有物体的信息和状态，最后通过对所有空间信息的整合捕捉学员的动作，而虚拟环境会根据不同的动作做出相应的反馈，从而完成学员与系统的人机交互。因此在VR硬件方面，VRFSE采用HTC Vive设备通过激光定位技术虚拟现实技术进行动作捕捉及空间定位。
如图5中的虚线框③所示火场逃生任务设计主要包括操作引导、逃生知识和自救手段。由于VR的操作方式不同于传统的键盘和鼠标的人机交互方式，对于初次体验VR的学员，系统给出了具体操作引导图。如图5中的虚线框④所示，VRFSE设置操作引导模式指引学员快速掌握在虚拟火灾场景中移动、转向、拾取和使用物品等基本操作以提升学员对于系统的感知易用性。VRFSE的任务设计的主要目的是使学员掌握火场逃生技能，因此火场逃生的任务设计围绕逃生知识和技巧展开。任务系统体验中给出的明确指示，学员需要去完成系统所设定的各个逃生任务。总任务由多个子任务组成，每一个子任务由一个或多个知识点构成，多个任务组合起来就构成了在火场逃生的某一环境中的感知学习的全部操作。消防安全教育体验这一系列任务不仅要支撑起火场逃生的体验内容，同时要构建起教育目标所要求的知识结构和能力培养体系。这就要求在任务设计时要考虑更多的因素，把教育目标合理地融入到任务中。让学员在完成任务的过程中积累火场逃生知识，培养逃生能力。通过系统一系列包含知识点的任务，学员能够掌握火场逃生的常识并具备自救能力，以提升学员对于VRFSE的感知有用性。
VRIPL模型中提出了影响感知学习效果的直接影响因素是反思性思维，选择性的任务能够进一步促进学员的反思性思维。因此VRFSE在主线任务下设定选择类型的支线任务，选择任务的作用是使学员在火灾场景中面临选择，不同的选择会导致各异的抉择后果，促使学员在VR火场逃生中反思自己的行为以持续提升感知学习的效果。以VRFSE中的高层火场逃生为例，在高层建筑火灾发生时，被困人员应保持镇静，不盲目行动，并选择正确的逃生方法。由于真实的火灾现场温度极高，并且烟雾会阻挡视线。因此，在高层火场中主线任务首先是查看火情，然后才是查看逃生路线，再寻找水源做逃生准备，最后逃离火场完成逃生任务。VRFSE系统高层建筑火场逃生任务图如图6所示，在主线任务下设置了选择类型的支线任务，例如在门外火情较大的情况直接打开房门，火势会迅速蔓延至室内导致人员受伤，学员在以往的火场逃生知识学习中可能未注意到这一细节问题。除上述问题以外，任务选择还应该考虑每种选择对应的反馈结果。任务选择图如图7（a）所示，在VRFSE系统中，根据该知识点设计学员面临的选择任务是“查看火情时是否直接开门”。若学员选择触摸门把手，则硬件设备手柄震动反馈并提示语音门把手过烫，建议另寻出口。任务选择效果图如图7（b）所示，若学员直接打开房门，则会在场景中直接面对火焰和浓烟。选择任务的组合能够促进学员反思自身的行为，理解所学习到的逃生知识，提升学员使用VRFSE系统的感知学习效果。根据学习任务特征与VR交互技术匹配的前提下所设计的VRFSE的学习任务能够提高学员的感知有用性和感知易用性，进而提高反思性思维，间接影响感知学习效果。
基于VRIPL模型所开发的VRFSE注重于学习任务与VR技术的匹配，充分发挥的VRI沉浸式即时操作的技术优势，以学员的感知有用性和感知易用性促使学员进行反思性思维，进而改善学员的感知学习效果。
（2）实例验证过程
实例验证过程流程图如图8所示，首先是将学员分组，然后采用虚拟现实教育系统和多媒体方式分别学习消防安全知识，完成学习之后通过消防安全知识测试题的得分情况分析学员的学习效果。采用虚拟现实教育系统学习的学员还需回答调查问卷，完成系统满意度调查。虚拟现实消防安全教育系统能够实时获取学员的交互数据，得出系统的学习效果。
实例验证过程包括以下四个步骤：
步骤一、数据获取
首先是将120位学员安排为实验组、对比组1和对比组2，各组分配40位学员，并邀请10位教员辅助教学和批阅考试题。实验组和对比组1运行虚拟现实教育系统进行学习，对比组2采用传统多媒体的方式进行学习。考核题题型设计如表1所示，在表1中第一行表示考核题的题型设置，第一列表示考核题的属性。考核题目总分为100分，考核题型由两部分内容组成，第一部分是知识性的题目，包括选择题、判断题和问答题，分值为80分。第二部是操作性的题目，这一部分题目的评判分值为20分。的题目从考核题的题目从题库中筛选出300道基础消防安全和火场逃生相关知识点作为样本集，样本集分为训练集和测试集两部分，训练数据集和测试数据集题目比例为4:1，即训练集为240道消防安全知识题目，测试集为60道消防安全知识题目。二者题目类型相同，且没有重复题目，从而保证了样本集的合理性。
表1 考核题题型
步骤二：消防安全知识测试数据分析
消防安全知识测试数据对比图如9所示，在图9中横坐标表示实验组、对比组1和对比组2的平均考核成绩，纵坐标表示考核分数。学习效果以各组在完成60分钟的学习之后考核的平均成绩为评价指标，实验组运用已部署VRIPL模型的VRFSE学习，对比组1使用未部署VRIPL模型的VRFSE，对比组2采用传统多媒体方式。在各组的数据对比中，实验组的平均成绩为85.9分，对比组1的平均成绩是80.1分，对比组2的平均成绩为78.8分。从消防安全知识测试的各组得分可以得出，相比于传统多媒体的教学方式，已部署VRIPL模型的VRFSE和未部署VRIPL模型的虚拟现实教育系统的学习效果分别提高了11.1%和5.3%。在实验组和对比组1的系统学习效果对比中，已部署VRIPL模型的教育系统可改善系统学习效果的程度为5.8%。
步骤三、VRFSE系统学习数据对比
学员在使用两种不同的VRFSE学习消防安全知识的过程中，各学习场景的完成时间能够反映出学员的学习效率。实验组和对比组1的系统整体学习时间表如表2所示，在表2中，横轴表示实验组和对比组1的系统学习数据对比项目，纵轴是实验组的对比组1的学员完成相应场景学习所花费的平均时间。从表2 的数据可以看出，实验组的学员完成系统操作引导学习的时间明显少于对比组1，表明实验组的成员较容易完成系统操作引导的学习。从完成系统学习的时间来看，实验组的成员的完成系统学习时间为52分钟54秒，对比组1成员所花费的平均时间是59分钟6秒，实验组成员的学习效率比对比组1成员高6.2%。
表2 VRFSE系统学习时间表
实验组和对比组的学员被要求完成两次VRFSE系统中的火场逃生演练部分的操作，对比两次火场逃生演练的通过率可评估学员对消防知识和逃生技巧的掌握情况以及对自身错误操作的反思情况。实验组和对比组1的火场逃生通过率如表3所示，在表3中，横轴表示火场逃生演练对比项，纵轴表示学员两次体验火场逃生演练的通过率。在VRFES的火场逃生演练中，重大的错误操作会导致体验直接结束。从表3可以看出，实验组和对比组1的学员第一次体验火场逃生的通过率较为接近，分别为63.7%和62.1%，但在第二次体验中实验组的通过率明显高于对比组1，表明实验组使用已部署VRIPL模型的VRFSE在促进学员反思性思维方面相比于未部署VRIPL模型的VRFSE改善了6.6%。
表3 VRFSE火场逃生场景通过率数据
| 对比项目 | 火场逃生演练第一次通过率 | 火场逃生演练第二次通过率 |
| 实验组 | 63.7% | 89.7% |
| 对比组1 | 62.1% | 81.5% |
步骤三、VRFSE系统满意度调查
问卷调查主要评估用户在使用VRFSE时对系统的新颖性、易用性、交互性、沉浸性和有用性展开调查。调查问卷采用5点李克特量表获取数据，每一个问项设置五等选项：1.非常不满意2.不满意3.一般4.满意5.非常满意。在调查问卷的数据统计完成之后，将数据量化为百分比形式。实验组和对比组1的系统使用满意度对比图10所示，横坐标表示系统满意度的组成项，纵坐标表示满意度。从图10可以看出，两个VRFSE在系统新颖满意度大致接近，但是在系统易用性、交互性、沉浸性和有用性的数据对比中，实验组的教育系统相较于对比组1的教育系统分别提高了10%、8%、5%和8%，系统整体满意度提高了7.2%。
（4）实例验证结论
VRFSE系统按照VRIPL的部署流程进行系统设计，相比于传统多媒体的教学方式，可改善学员11.1%的学习效果。VRIPL模型的部署可改善VRFSE系统5.8%的学习效果、6.2%的学习效率和6.6%的反思性思维效果。在系统满意度方面，VRIPL模型的部署提高了虚拟现实教育7.2%的系统满意度。
VRIPL模型从任务技术匹配的视角出发，提出并验证了在教育领域虚拟现实交互技术如何改善感知学习效果，进而改善学习效果。
VRIPL模型具有的优点如下：
1. VRIPL模型与大多数虚拟现实教育系统能够较好的适配，并且部署成本较低。在模型部署过程中，仅需虚拟现实教育系统开发人员按照VRIPL模型框架将教育系统的开发需求、任务设计和操作引导环节一一对应至模型中的任务特征、感知有用性、感知易用性、反思性思维和感知学习效果等变量。部署完成的虚拟现实教育系统能够以学员的感知有用性和感知易用性为基点，注重于任务与技术的匹配，促进学员的反思性思维，进而改善学员的感知学习效果，以达到改善虚拟现实教育系统学习效果的目的。
2.VRIPL是一种具有通用指导价值的交互模型，适用于虚拟现实教育系统开发指导，尤其是安全教育系统指导方面。虚拟现实安全教育系统能够避免现场安全教育操作过程中的安全性问题，减少安全教育用品的消耗。大多数的虚拟现实安全教育系统开发人员由于缺少虚拟现实影响感知学习效果的理论指导，在开发过程中只是在还原安全事故现场和模拟事故发生过程，并不一定能够改善学员的学习效果。以VRIPL模型作为虚拟现实安全教育系统的指导模型，能够快速指引开发人员快速部署VRIPL至教育系统，改善虚拟现实教育系统的学习效果。
3.VRIPL模型提出了虚拟现实交互技术如何改善感知学习，为虚拟现实交互技术在教育领域影响学习效果的理论研究提供了新的视角。VRIPL模型提出并验证了虚拟现实交互的任务特征和技术特征显著正向影响任务-技术匹配，任务-技术匹配显著正向影响感知有用性和感知易用性。学员对于虚拟现实交互技术的感知有用性和感知易用性显著正向影响反思性思维，反思性思维显著正向影响感知学习效果。
VRIPL模型的用途：
VRIPL模型可用于虚拟现实在教育领域的理论研究，为探索虚拟现实交互技术影响感知学习效果提供了新的观点。此外，VRIPL是具有通用指导价值的交互模型，可指导系统开发者快速部署交互模型至虚拟现实教育系统，改善教育系统的学习效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型，其特征在于：所述VRIPL模型的影响变量为TAM-TTF模型中的任务特征、技术特征、任务技术匹配、感知有用性和感知易用性五个变量；将反思性思维和感知学习效果作为VRIPL模型的结果变量；根据虚拟现实交互技术特性，影响变量中的感知有用性和感知易用性与结果变量中的反思性思维存在正向影响关系，将五个影响变量与结果变量连接并组成VRIPL模型。
2.根据权利要求1所述的一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型，其特征在于：所述个人参与因素是反应学员的学习能力和学习态度，包括学员参与因素和教员参与因素。
3.一种基于权利要求1至2任一项所述的适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型的部署方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将VRIPL模型中的任务特征在虚拟现实教育系统中进行部署：任务特征的部署首先是提取和分析用户的整体需求，然后将用户的整体需求分解为软件功能需求和硬件功能需求，最后结合虚拟现实教育系统所涉及的教学知识点设计为教育系统中的具体任务，学员在完成任务的过程中进行教学知识点的学习；
步骤2：VRIPL模型中的技术特征在虚拟现实教育系统中进行部署：所述技术特征用于对于虚拟现实教育系统的系统设计需求提供相应的服务和支持，包括VR硬件技术支持和软件功能技术支持；
步骤3：VRIPL模型中的感知易用性在虚拟现实教育系统中进行部署：在虚拟现实教育系统设置操作引导模式指引学员在虚拟场景中进行基本操作包括移动、转向、拾取和使用物品，用以提升学员对于系统的感知易用性；
步骤4：VRIPL模型中的感知有用性在虚拟现实教育系统中进行部署：所述感知有用性用于评估学员使用VRI技术加强自身学习效果的程度；在虚拟现实教育系统中将学员需完成的任务分为三种类型：引导式任务、自由式任务和考核式任务；所述引导式任务用于引起学员初步的反思性思维；所述自由式任务用于提升学员的反思性思维，改善感知学习效果；所述考核式任务用于学员的成绩管理。
4.根据权利要求3所述的一种适用于虚拟现实教育系统的感知学习交互模型的部署方法，其特征在于：所述步骤2的具体内容为：结合教育系统的教学知识点确定所需的硬件设备类型：若学员选择沉浸式体验，且场地可移动区域较大，所需自由度较高则选择HTC Vive或者Oculus Rift；否则选择移动端或者一体机式硬件设备；教育系统根据学员选择的硬件设备匹配对应的应用场景，并通过任务特征分析各个知识点对应的任务的特点，用以增强系统的可交互性。
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