虚拟现实技术赋能脑科学教学：效果验证与优化路径

一、引言

脑科学作为探索生命奥秘的核心学科，其教学过程始终面临多重挑战：神经解剖等核心内容涉及大量三维空间关系与层级结构，抽象概念难以通过传统教学手段直观呈现；同时，实体标本资源的稀缺性进一步限制了学生的实操性学习体验。这些问题导致学生对脑结构与功能的理解多停留在记忆层面，难以形成深度的空间表征与知识整合。

随着智能教育技术的发展，虚拟现实（virtual reality，VR）技术支撑的沉浸式学习已成为智能时代必不可少的学习方式之一，诸多的研究事实证明 [1][2]，VR 技术通过为学习者提供多种空间视角和情境化体验，有效促进知识转移，提高学习效率。已有元分析研究证实，三维可视化总体上优于二维呈现，尤其在空间知识任务上更具优势 [3]。在高等教育领域，VR 技术在程序性训练、高危场景模拟等任务中的应用已逐步成熟，但在脑科学教学中的具体效能与实施策略仍需通过实证研究进一步明确。

认知 - 情感沉浸学习模型（CAMIL）指出，VR 技术的核心教育价值源于临场感与能动性的双重赋能：技术层面的高沉浸度、可控性与逼真度，可通过激发学习动机、降低认知负荷、强化具身认知等中介路径，影响知识的获取与迁移 [4]。沉浸性与交互性是 VR 技术产生教学效益的关键要素，但过度的感官刺激可能引发认知过载，反而制约学习效果 [5]。在高等教育场景中，VR 技术在空间理解类任务与程序性训练中具备显著优势，但其效果高度依赖教学目标与技术设计的匹配度。与此相呼应，方法学工作强调在学习目标 - 交互设计 - 评测指标之间建立更清晰的对齐关系，以减少“任务 - 媒介不匹配”造成的效应低估或不稳定[5]。

在解剖学教学中，扩展现实（Extended Reality，简称 XR）包括AR（ 增强现实 ）、VR（ 虚拟现实 ）、MR（ 混合现实 ），相较传统方法在知识增益与学习有用性感知方面具有显著优势，且作为补充性资源的效果更为稳健。但不同解剖单元、测评类型与暴露时长会带来异质性，提示空间任务 - 评测维度 - 训练流程需精细化匹配。在解剖学尤其是神经解剖教学中，VR 应被定位为与传统方法互补的加成模块，并通过短时适应、渐进交互与形成性评估等策略提升其学习效益与可持续性。

本研究通过对照实验探究 VR 技术在脑解剖教学中的实际效能，重点解决三个核心问题：VR 学习与传统平面学习在知识掌握效果上是否存在显著差异；VR 技术对学习满意度的提升作用如何；VR 学习过程中可能出现的不良反应及应对策略。本研究的理论意义在于验证CAMIL 模型在脑科学教学场景中的适用性，明确 VR 技术影响学习效果的中介路径；实践价值则体现为通过优化VR教学系统与实施策略，为资源有限院校开展高质量脑解剖教学提供可复制的解决方案，推动脑科学教育的技术革新与质量提升。

二、材料与方法

（一）研究对象

通过招募获得心理学专业本科生样本共 32 名（年龄 18–20 岁），所有被试均为自愿参与，视力或矫正视力正常，无VR 使用禁忌症。矫正实验样本用于测验修订，正式实验样本用于主效应检验。被试完成实验可获得小额纪念品作为奖励。

（二）实验材料与工具

1. VR 学习系统及设备

自主开发的 VR 学习系统界面设计合理、功能明确，主要包括四个区域：左侧为脑区选择框，上方为操作说明区，中央下方为三维大脑模型展示区，右侧为相应的学习材料显示框（图 1）。支持脑区选择、结构爆炸、旋转、变色等功能，该软件兼顾操作便捷性与学习内容的直观呈现，有助于用户高效开展沉浸式学习。实验设备采用HTCVIVE 头盔、手柄、定位器，以及可以嵌入头盔显示器的镜片以适配不同视力用户。同时配备可以正常运行 VR 的台式电脑（CPU i7，内存 16G， GPU GTX 1070）。

图1 VR 学习平台界面展示

2. 学习材料

基于相关专业教材，对大脑各分区进行了系统梳理，围绕额叶、顶叶、基底节、边缘系统等关键分区，内容涵盖各脑区的解剖结构、生理功能、相关临床案例、认知障碍表现及损伤后果等方面，配套视频授课与纸质材料。视频时长为10 分钟，学习材料均由专业教师审核，从而确保VR 学习内容在科学性和教学适用性上的准确性。

3. 测量工具

学习成效测验：自编单项选择题问卷，经两轮修订后确定 24 道题目，每个核心脑区各 6 题，涵盖视频与材料中的关键知识点。问卷内部一致性 ∝ 系数为0.771，符合测量学标准。

学习满意度量表：采用 Moro 等人 2017 年修订的量表，包含学习体验、方法有效性、材料适用性等7 个维度，采用5 点计分法。

VR 不良反应量表：采用 Ames 等人编制、 Moro 等人修订的问卷，用于评估视力模糊、眩晕等不良反应程度，分为“完全没有”“轻微”“中等”三个等级。

开放式访谈：设计 2 个核心问题：“您在 VR 学习过程中的体验感受如何？”“您认为该 VR 学习系统有哪些可改进之处？”，用于收集质性反馈。

（三）实验程序

采用被试内设计，所有被试均接受VR 学习与平面学习两种条件，通过平衡设计控制顺序效应。实验分为三个阶段：

1. 前测阶段：仅前测组被试在安静环境中独立完成学习成效测验，用于基础水平评估。

2. 学习阶段：正式实验组被试首先观看 10 分钟教学视频，期间可参阅纸质材料并做笔记；随后采用平衡设计，先后进行 10 分钟 VR学习与 10 分钟平面学习（两种方式间隔 1 分钟），VR 学习前增设设备操作指导环节。

3. 后测阶段：学习结束后，被试立即完成学习成效测验、学习满意度量表与 VR 不良反应量表，随后进行结构化口头访谈，访谈内容全程录音。

图3 实验流程

（四）数据处理

采用 SPSS 23.0 软件进行统计分析，通过配对样本 t 检验比较两种学习方式的成绩与满意度差异；采用 Python 3.7 对访谈文本进行词云分析，提取高频反馈词汇；显著性水平设为 α=0.05 。

三、结果

（一）学习效果对比

VR 学习与平面学习的即时测试成绩无显著差异（  ，p=0.239 ），但两者均显著高于前测成绩（ p<0.001 ），表明两种方式均具备良好教学效能，可有效提升知识掌握。

表1 VR 与平面成绩比较

^***p<0.001

（二）学习满意度分析

VR 学习的满意度评分（ 30.23±1.88 ）显著高于平面学习（ ⋅26.13±1.56 ）， _t=3.907 ， p<0.001 。从具体维度看，VR 学习在“趣味性”“直观性”“沉浸感”三个维度的评分优势最为突出，被试普遍认为VR 技术“能清晰看到脑区空间关系”“学习过程更有吸引力”。

表2 学习满意度 t 检验结果

^***p<0.001

（三）VR 不良反应

部分被试报告了在 VR 条件下出现轻度不适，主要表现为视力模糊（ 15.6% ）、视疲劳（ 9.4% ）与聚焦困难（ 3.1% ），未出现中等及以上程度的不适症状，正面反馈高频词为“形象”“新奇”“易理解”，负面反馈高频词为“不清楚”“疲劳”“操作生涩”。

四、讨论

（一）VR 学习的效果定位：补充而非替代

本研究未发现 VR 学习在即时成绩上优于平面学习，这与Ekstrand 等人的神经解剖教学研究结论一致[11]，可能源于三方面原因：一是测评内容侧重于术语识记，未能充分体现 VR 技术在三维空间关系建构上的核心优势；二是首次使用 VR 设备的操作适应过程占用认知资源，抵消了部分学习增益；三是学习材料难度适中，导致两种方式下均出现一定的天花板效应。但需明确的是，VR 技术的教育价值并非局限于即时成绩提升。本研究中 VR 学习的高满意度评分表明，其在激发学习动机、增强学习投入度方面具有显著优势，而动机提升可进一步促进知识的长期保持与迁移。因此，VR 技术更适合作为传统教学的补充手段，而非完全替代平面学习材料。

（二）VR 教学的优化路径：三维协同策略

1. 硬件与交互优化：降低不良反应风险

针对本研究中出现的视觉不适问题，可构建“硬件校准 - 交互设计 - 流程管控”的三维缓解体系。硬件层面，选用刷新率 ⩾90Hz 的

VR 设备，课前精准校准瞳距并清洁镜片；交互层面，采用瞬移式移动与低加速度转向，设置静态视觉参照点以减轻前庭 - 视觉冲突；流程层面，采用“3 分钟适应期 +10 分钟核心学习 +2 分钟休息”的节律安排，为不适者提供平面材料备用方案。

2. 任务与媒介匹配：发挥技术核心优势

为最大化VR 技术价值，需实现教学任务与媒介特性的精准匹配。建议采用“分层教学”模式：基础概念与术语学习阶段采用平面材料，确保知识框架快速构建；空间关系理解阶段引入 VR 技术，通过模型旋转、结构爆炸等功能强化空间表征；巩固应用阶段结合两种方式，通过VR 实操与纸笔练习的互补实现知识深化。同时，优化测评体系，增设空间迁移题与延迟保持测验，全面评估VR 技术的长效教学价值。

3. 教学与技术整合：构建闭环教学模式

将 VR 技术嵌入“讲授 - 演示 - 练习 - 评价”的教学闭环中，提升应用实效性。在演示环节，通过 VR 实时展示脑区结构与功能对应关系；在练习环节，设计“脑区识别 - 功能匹配 - 障碍模拟”的任务链，引导主动探索；在评价环节，嵌入 VR 实时反馈功能，通过即时纠错与进度提示强化学习效果。此外，可借助同伴互助模式，由熟练使用者示范操作技巧，降低初学者的适应成本。

五、结论

本研究通过对照实验探究了VR技术在脑解剖教学中的应用效果，得出以下结论：

1. VR 学习与传统平面学习均能显著提升脑解剖知识掌握水平，二者的即时测验成绩无显著差异；2. VR 学习在提升学习满意度方面具有显著优势，但其对即时成绩的促进作用并不稳定；3. VR 学习存在轻度视觉不适等不良反应，可通过硬件优化、交互设计与流程管控有效缓解；4. VR 技术更适合作为脑科学教学的补充手段，通过与传统教学的精准匹配实现优势互补。

未来研究可扩大样本规模，探索 VR 技术对不同认知水平学生的差异化影响，并结合人工智能技术开发个性化学习路径，进一步释放VR 技术的教育潜力。

参考文献

[1]Erbas C， Demirer V. 2019. The effects of augmented reality on students’academic achievement and motivation in a biology course[J]. Journal of Computer Assisted Learning， 35（3）： 450-458.

[2]Sprenger D A， Schwaninger A. 2021. Technology acceptance of four digital learning technologies （classroom response system， classroom chat， e-lectures， and mobile virtual reality） after three months’usage[J]. International Journal of Educational Technology in Higher Education， 18（1）： 8.

[3]Yammine K， Violato C. 2015. A meta-analysis of the educational effectiveness of three-dimensional visualization technologies in teaching anatomy[J]. Anatomical Sciences Education， 8（6）： 525-538.

[4]Makransky G， Petersen G B. 2021. The Cognitive Affective Model of Immersive Learning （CAMIL）： a Theoretical Research-Based Model of Learning in Immersive Virtual Reality[J]. Educational Psychology Review， 33（3）： 937-958.

[5]Petersen G B， Petkakis G， Makransky G. 2022. A study of how immersion and interactivity drive VR learning[J]. Computers & Education， 179： 104429.

作者简介：巨兴达（1983—），男，山西左权人，博士，东北师范大学心理学院讲师，研究方向为发展与教育心理学。