《Computers & Education: X Reality》：Effects of annotations and quizzes in a classroom-based immersive virtual field trip
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沉浸虚拟现实(IVR)及虚拟实地考察(VFT)可提升学生对STEM内容的学习兴趣，但也可能因视觉和导航需求增加认知负荷，并影响传统学习策略的使用。研究人员针对此问题，开展了注释（标注关键术语）和测验（通过问题进行自我评估）这两种教学支持措施在课堂式沉浸虚拟实地考察(IVFT)中应用效果的研究。通过对126名10年级学生进行2×2因子实验，研究者发现，注释可显著提升回忆知识水平，但未影响理解知识；测验则对两种知识学习均无显著影响。此外，测验会显著降低存在感，而两种支持措施对认知负荷（内源性、外源性、相关）均无显著影响。研究结果强调了在IVFT设计中，需充分考虑网络晕动症、先前知识等框架条件对学习过程和效果的潜在影响，为优化沉浸式虚拟现实教学环境的设计提供了实证依据。
想象一下，坐在教室里，戴上一副特殊的眼镜，就能瞬间“穿越”到一座复杂的污水处理厂，亲眼目睹物理、化学和生物过程如何协同净化每一滴水。这就是沉浸式虚拟现实(Immersive Virtual Reality, IVR)带来的虚拟实地考察(Virtual Field Trip, VFT)的魅力。它能为学习者提供身临其境、高度情境化的体验，尤其适合整合了科学、技术、工程和数学(STEM)的复杂教学内容。然而，硬币总有另一面。在广阔而逼真的360度虚拟空间中探索和学习，虽然引人入胜，但也可能带来新的挑战：过多的视觉信息会让人眼花缭乱，不熟悉的导航操作会分散注意力，这些都可能加重学习者有限的认知“内存”（即认知负荷），甚至可能引发网络晕动症(Cyber Sickness)，反而阻碍了学习。更关键的是，在头戴式显示器(Head-Mounted Display, HMD)构建的全沉浸环境中，我们熟悉的、在书本或电脑上很有效的学习方法（比如做笔记、自我测试）可能不那么好用了。那么，在沉浸式虚拟现实学习中，到底需要什么样的“脚手架”来支持学生，帮助他们更有效地学习，而不被技术本身带来的负担所拖累？这是教育技术研究者们亟待解决的问题。
针对上述挑战，德国联邦国防军慕尼黑大学教育与媒体系的研究团队在真实课堂环境下开展了一项严谨的实证研究，探索两种潜在的教学支持策略——注释(Annotations)和测验(Quizzes)——在沉浸式虚拟实地考察(IVFT)中的应用效果。他们的研究成果发表在《Computers & Education》期刊上，为理解如何在沉浸式环境中优化教学设计提供了宝贵的见解。
为了探究注释和测验的效果，研究团队运用了几个关键技术方法。他们设计并开发了一个关于废水处理主题的IVFT学习环境，通过HTC Vive Focus III头戴式显示器呈现包含360度视频和解释性图示的内容。研究采用了严格的2×2因子实验设计，将126名10年级学生随机分配到四个不同的实验条件中（无支持、仅有注释、仅有测验、注释与测验结合）。学习成效通过回忆知识和理解知识的前后测试进行衡量。同时，研究使用标准化量表评估了参与者的认知负荷（包括内源性、外源性和相关认知负荷三个维度）、存在感(Presence)以及网络晕动症水平。所有数据分析均使用R语言完成，并运用协方差分析(ANCOVA)来控制先前知识和网络晕动症等协变量的影响，确保了研究结论的可靠性。
研究结果部分通过多项分析，清晰地揭示了注释和测验的不同影响：
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5.2. 注释和测验在多大程度上促进学习？(RQ1)
研究发现，注释能显著提升学习者的回忆知识水平，这一结果支持了研究假设H1.1。这表明，在复杂的虚拟环境中，通过添加关键词、颜色和箭头等提示信息，确实能帮助学习者更好地识别和记住关键事实。然而，注释对于需要理解和解释机制的理解知识则没有显著效果。另一方面，研究最初假设测验能促进理解知识(H1.2)，但数据并未支持这一假设。测验的加入，无论是单独使用还是与注释结合，均未对回忆知识或理解知识产生统计学上的显著提升。不过，描述性数据显示，同时接受注释和测验的学生在回忆知识后测中得分最高，暗示了二者可能存在未被统计检验捕捉的协同潜力。
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5.3. 注释和测验在多大程度上影响存在感？(RQ2)
存在感是衡量用户沉浸于虚拟环境中的主观体验的重要指标。结果显示，测验会显著降低学习者的存在感，这验证了假设H2.2。研究者分析，穿插在虚拟体验中的测验问题会中断学习者对虚拟世界的持续关注，迫使他们将注意力转移到用户界面和答题任务上，从而破坏了“身临其境”的感觉。注释对存在感有微弱的提升趋势，但未达到统计显著水平，因此假设H2.1未获支持。
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5.4. 注释和测验在多大程度上影响认知负荷？(RQ3)
认知负荷理论将学习过程中的心理努力分为内源性负荷（由学习内容本身的复杂度决定）、外源性负荷（由不当的教学设计引起）和相关认知负荷（用于图式构建和学习的有效努力）。令人意外的是，无论是注释还是测验，都未能对这三种认知负荷的任何一种产生显著影响。假设H3.1（注释降低外源性负荷）和H3.2（注释增加相关认知负荷）均未得到数据支持。相比之下，研究发现存在感和网络晕动症是影响认知负荷更重要的因素。存在感与外源性负荷呈负相关，与相关认知负荷呈正相关；而网络晕动症则与更高的内源性和外源性负荷相关联。
在讨论部分，研究者对上述结果进行了深入阐释。注释能有效促进回忆知识，这与多媒体学习认知理论(Cognitive Theory of Multimedia Learning, CTML)中的信号原则一致，但在沉浸式环境中，其对更深层次的理解知识以及认知负荷的调节作用似乎有限。测验未能提升知识成绩，可能因为在本研究相对活跃的IVFT环境中，其带来的“激活”效应与基础互动（如切换学习站点）的效应重叠，优势未能凸显。同时，测验对存在感的负面影响提示，在IVR中设计评估活动时，需更加注重与虚拟环境的叙事融合，以减少“跳出感”。
本研究特别强调了框架条件的强大影响。网络晕动症作为一个显著的负面协变量，不仅降低了存在感，还与更高的认知负荷和更差的回忆知识成绩相关。研究还发现了显著的性别差异，女性参与者报告了更高程度的网络晕动症，这引发了关于IVR教育应用公平性的重要思考。先前知识则对理解知识的获得表现出强大的预测力，体现了“马太效应”——知识基础好的学习者在新知识整合上更具优势。
综上所述，这项在真实课堂中完成的严谨研究表明，在沉浸式虚拟实地考察中，简单的注释是支持事实性知识学习的有效工具，但其益处主要体现在布鲁姆分类学中较低层级的回忆层面。而将传统测验直接嵌入IVR环境，则需谨慎权衡其对学习沉浸感的干扰。更为重要的是，研究揭示了在评估任何IVR教学干预的效果时，必须充分考虑并控制网络晕动症、先前知识和存在感等框架变量的影响，它们的作用力有时甚至超过了具体的教学支持措施本身。该研究不仅为教育工作者设计更有效的沉浸式学习体验提供了实证依据，也尖锐地指出了当前IVR技术应用于教育场景时面临的实际挑战，特别是与舒适度、公平性相关的硬件与设计问题，为未来的研究和开发指明了方向。
