《Computers and Education Open》：Learning metabolism with virtual reality to optimize biochemistry education in the Spanish-speaking region
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为解决传统2D教学方式在教授复杂代谢过程（如电子传递链/氧化磷酸化）时，学生因缺乏直观感知而难以理解的问题，研究人员开发并评估了一种虚拟现实（VR）微教学环境。结果显示，使用VR学习的学生知识水平显著提升（p<0.00001），超90%学生认为VR有益。这项研究为利用沉浸式技术优化基础科学教育提供了有效范例。
在数字化浪潮席卷教育领域的今天，新一代的学生们早已习惯了视频游戏、动画和各类动态视觉内容的强刺激。然而，当他们步入生物化学的课堂，面对线粒体内膜上进行的电子传递链（ETC）和氧化磷酸化（OXPHOS）这类微观、抽象且复杂的代谢过程时，传统的教科书文字和二维图示往往显得力不从心。如何将不可见的分子世界变得生动可感，如何帮助学生们跨越想象力的鸿沟，深入理解这些生命的能量核心机制，成为了基础科学教育者面临的持续挑战。
这正是来自墨西哥蒙特雷理工学院（Tecnologico de Monterrey）医学院与健康科学学院的研究团队所关注的核心问题。他们敏锐地意识到，虚拟现实（VR）技术所具有的沉浸式、可交互的特性，或许能为这一教学困境提供创新的解决方案。于是，他们开展了一项研究，旨在设计、实施并评估一个专门用于教授人类代谢，特别是ETC和OXPHOS的VR教学环境，并探究其相对于传统2D教学活动的效果。这项研究成果最终发表在《Computers and Education Open》期刊上。
为了回答上述问题，研究人员进行了一项试点研究，主要采用了以下关键方法：首先，基于van Dinter模式设计并开发了一个关于ETC和OXPHOS的VR体验平台，让学生在虚拟环境中“进入”线粒体膜间隙进行探索。其次，研究招募了来自健康科学入门课程的289名学生，将他们分为不同小组，由三位不同的教师在不同学期实施教学。研究采用对照设计，将学生通过VR学习ETC/OXPHOS（第2周）的效果，与通过传统讲座、阅读和协作构建代谢图方式学习糖酵解（第1周）和脂解（第3周）的效果进行比较。知识评估通过包含10个多项选择题的前后测快速测验进行。此外，研究还通过问卷调查了学生对VR学习体验的感知和有用性评价。最后，使用Minitab?软件对收集到的分数数据进行统计分析（如Mann-Whitney U检验、Kruskal-Wallis检验等），并建立多元回归模型以探究影响学习效果的因素。
3. 结果
3.1. VR与传统教学的学习效果对比
研究结果显示，通过VR学习ETC/OXPHOS主题后，学生的评估成绩中位数显著高于通过传统2D活动学习糖酵解和脂解主题的成绩（p < 0.00001）。具体而言，VR学习后的正确率中位数达到80-90%，而传统学习周的正确率中位数则较低。这表明VR策略在促进复杂主题的即时学习增益方面具有明显优势。
3.2. VR活动的知识增益
在VR活动实施前，学生对ETC/OXPHOS主题的知识水平普遍较低（正确率中位数为30–40%）。完成VR体验后，他们的知识水平大幅提升至80–90%（中位数），前后对比具有高度统计学显著性（p < 0.0001）。这证实了VR活动能有效提升学生对复杂生化过程的理解。
3.3. 教学的可迁移性与不同群体的表现
研究评估了VR教学策略在不同教师间的可迁移性。结果表明，三位不同教师使用相同的教学设计实施VR活动后，学生获得的学习成果（后测成绩）没有显著差异（p = 0.136）。这说明该VR教学方案易于被不同教师掌握和实施，且效果稳定。此外，分析显示，尽管VR策略对大多数学生（97.8%）有效，但有一小部分先前在传统学习中表现良好的学生，在使用VR后成绩反而有所下降，表明该策略并非对所有学习者都同样有效。
3.4. 影响学习效果的因素
多元回归分析显示，VR活动前的知识水平（Pre-VR分数）、第1周（糖酵解）的传统学习得分以及所处的学术周期（Period）是影响VR后测成绩（Post-VR）的主要解释变量（p < 0.001）。然而，这些变量共同只能解释约31.66%的分数变异，暗示还有其他未测量的个体因素（如学习习惯、电子游戏经验等）在起作用。
3.5. 学生对VR的感知与接受度
超过90%的学生对VR学习体验给予了正面反馈。他们认为VR是一种“更好、更有趣、更直观”的学习方式，能够通过三维可视化帮助理解抽象概念。热图分析显示，学生对VR有用性的感知与其在VR活动后取得的成绩存在正相关趋势。同时，也有少数学生报告了眩晕感、设备连接问题或因分子运动过快导致的困惑，并建议增加暂停音频讲解的功能。
4. 讨论与结论
本研究证实，将虚拟现实技术整合到生物化学（特别是代谢）教学中，能够显著提升学生对复杂、抽象主题（如电子传递链和氧化磷酸化）的理解和学习效果。VR创造的沉浸式、可视化环境，使学生能够“亲临”微观的细胞场所，将难以想象的过程具体化，从而弥补了传统2D教学工具的不足。
其重要意义主要体现在以下几个方面：首先，教学有效性：VR作为一种“微教学”机制，在短时间内有效促进了知识的掌握，且这种效果在不同教师间具有可迁移性，为大规模推广提供了可能。其次，学生参与度：极高的学生接受度（>90%）表明VR符合数字时代学生的学习偏好，能有效提升学习动机和投入度。第三，教育公平与创新：VR技术为所有学生提供了接触微观世界的平等机会，并能模拟昂贵、危险或现实中难以实现的实验场景，降低了教学成本与风险。最后，未来教育方向：研究指出，虽然VR对大多数学生有益，但并非“一体适用”（one size fits all）。未来的教育技术应用应关注学习者的个体差异，并考虑将VR与传统教学方法（如混合式学习）相结合，以创造更具包容性和适应性的学习环境。
当然，研究也存在一些局限性，如样本均来自同一机构、结果主要为短期测量、存在潜在的新奇效应等。此外，目前平台仅提供西班牙语版本，限制了其在更广泛英语学术圈的应用。研究人员呼吁其他院校合作，以验证和推广这一教学工具。展望未来，结合人工智能（AI）提供自适应引导、开发英语版本、进行长期知识保留（保留率）测试以及评估成本效益，将是该领域重要的研究方向。
总之，这项研究表明，精心设计的虚拟现实体验能够成为基础科学教育中强大的“学习促进者”。它不仅优化了复杂概念的教学，也为在西班牙语地区乃至全球范围内，利用沉浸式技术革新STEM（科学、技术、工程和数学）教育提供了有价值的实践证据和可行路径。
