基于元分析的虚拟现实技术增强英语教学效果研究

　　摘　要：VR创建的真实和交互环境有助于学生习得语言。近几年VR环境下中小学英语教学的实证研究逐步显现，但所得结果不尽相同。目前，VR支持英语教学有效设计的知识和理论支撑也非常有限。鉴于此，应用元分析方法对VR支持中小学英语教学的研究进行定量与定性分析。以筛选的15篇准实验研究为样本，使用量化元分析方法发现VR支持的英语教学对中小学生学习成效具有中等程度的积极影响;同时基于质性元分析，提炼出真实情境、社会交互、多模态表征以及学习者自主性四个VR作用于英语学习的关键要素;此外，进一步分析并归纳出VR环境下英语教学的典型学习行为与理论框架。随后，基于分析结果探究VR支持的英语课程内容、学习活动及其应用限度，提出未来VR在中小学英语教学中的应用与相关研究应重点关注：综合考量沉浸度与使用成本来选择VR;突破媒体比较研究，聚焦认知结果或价值增值，从学科视角关注学习策略、学习模式的融合应用设计。

　　关键词：虚拟现实；英语教学；中小学；元分析

　　中图分类号：G434

　　文献标志码：A

　　文章编号：1673-8454(2024)10-0119-10

　　作者简介：管珏琪，浙江师范大学教育学院副教授，博士(浙江金华 321004);应淑帆，浙江省温州艺术学校教师(浙江温州 325000)

　　一、引言

　　英语已成为世界通用语言，一些亚洲国家的孩子从小学教育开始就必须将英语作为外语进行学习。《欧洲语言共同参考框架：学习、教学、评估》提出要为外语学习创造真实的语境。^[1]虚拟现实(Virtual Reality, VR)是帮助用户创建虚拟世界并获得仿真体验的计算机环境，已成为外语学习的有效辅助手段。^[2]实证研究表明三维虚拟世界^[3]、沉浸式VR对语言知识和技能获取有积极影响。^[4][5]过去10年中，基于VR的语言教学研究以高等教育学习者为主要研究对象。近年来，基于VR的中小学英语教学应用逐步增多，应用VR帮助学生提高英语表现大致存在3种不同的研究结论：①VR教学对学生英语学习有积极影响;^[6]②VR教学仅对特定水平学生的英语学习有积极影响;^[7]③VR教学对学生英语学习没有影响。^[8]

　　已有研究呈现了移动技术对二语习得影响的语言学习元分析(Meta-Analysis)的应用案例，论述了这一方法的可推广性。^[9]关于VR在语言教学中应用的现有元分析文章中，多采用量化元分析的研究方法，有学者通过量化分析的方式分别确定VR应用与三维虚拟世界对学生语言学习效果的整体影响。^[10][11]这些研究多面向高等教育领域，缺乏效应值之外对研究结果整体、系统的定性分析以归因指导具体实践。而在基础教育领域，更是缺乏关于VR支持中小学英语教学有效性的探究及归因梳理，并缺乏VR支持英语教学活动设计的知识和理论支撑。因此，本研究拟通过元分析方法对VR支持中小学英语教学的研究进行定量与定性分析，在证实并归因VR支持英语教学有效性基础上，探究VR在中小学英语教学中的有效应用。

　　二、研究设计

　　(一)研究方法与工具

　　元分析包括质性与量化元分析，两者的主要差异在于：前者是对已有研究样本进行归纳分析，而后者是对已有研究样本进行量的统计分析。

　　围绕VR对中小学英语教学是否有效、有效性如何归因、VR在中小学英语教学中如何应用三个问题，使用元分析方法形成本研究设计。量化元分析阶段通过提取相关文献的样本量、平均值、标准差等，以标准化平均差(SMD)作为效应值，表征VR在中小学英语教学中的应用效果及其对学生的影响程度。此阶段采用的数据分析工具是质性元分析(Comprehensive Meta-Analysis, CMA)软件。质性元分析遵循一定的编码框架，从编码结果中提取VR对中小学英语教学有效的归因，并具体分析VR环境下的学习行为、学习活动及其理论基础，探究VR在中小学英语教学中的应用。

　　(二)文献检索与筛选

　　新一轮VR应用出现于2012年，但现有研究指出，自2015年起VR应用类型逐渐多样化，表现为桌面式VR之外不同沉浸度VR的应用。^[12]因此，本研究以2015—2022年间刊出的文献为研究对象，采用目的抽样，选取五个电子数据库(WOS、EBSCOhost、IEEE Xplore、Scope和ProQuest)进行搜索。具体的文献检索与筛选过程参考瑞迪安蒂(Radianti)等的研究。^[13]

　　检索采用的列表包括与VR相关、与语言学习有关、与中小学有关的关键词。研究者使用高级搜索功能，并对每篇论文的标题、摘要和关键词进行搜索，检索到2015—2022年发表的英文文献1021篇。根据纳入标准，即文献要同时符合“可获取”“使用VR技术并应用于非母语英语教学”“学习者群体为中小学生”“属于实证研究”四项标准，通过半自动化筛选后仅纳入79篇文献。在这79篇文献中，共删除了9篇重复论文。此外，参考相关学者的文献质量评估方法，^[14]将文献分为“论述完备、论述较好、稍有论述、提及、未提及”五个等级，最终共纳入15篇论述较完备、相关度高的文献。

　　(三)编码分析框架

　　参照斯波勒(Spolaôr)和本尼蒂(Benitti)的分析策略，^[15]本研究从4个维度进行审查：文献基本信息、文献中提及的活动、文献的理论基础以及文献中描述的评价。根据活动五角模型，活动相关的行为可通过角色、组织、使用、功能和操作5个方面描述。^[16]描述VR环境中的学习行为时，组织均为个人活动，技术使用主体均为学生，操作采用“VR设计要素——操作动词+客体”的方式描述，设计要素指向学习活动中使用的功能。因此，共需要从文献中提取8项信息，如表1所示。

表1   编码分析框架

　　(四)编码与数据分析

　　在正式编码前，由两位研究者分别对随机选取的5篇文献独立进行编码。针对每处存在理解不一致的内容进行讨论，修订预编码结果。最后，两位研究者完成对剩下10篇样本文献的编码。研究者根据编码后的结果，参考相关学者的数据分析方法，^[17]将文献的研究结果按照质量评价项分为“完整报告、部分报告和未报告”三个等级，根据排序后的结果，前27%的研究为高质量组、后27%为低质量组，剩余为中等组，去除缺乏量化元分析所需的“学习成效”方面关键数据的低质量组的文献后，留下11篇样本进行量化元分析，遵循库伯(Cooper)的分析步骤，使用CMA软件处理和剖析数据。质性元分析中，研究者根据15篇研究样本形成的分析记录，归纳VR支持英语教学有效性因素及活动设计参考信息。

　　三、VR对中小学英语教学是否有效

　　(一)发表偏倚检验

　　由于本研究的样本量较少(共11篇)，故采取定性的漏斗图和定量的Begg’s检验来检测发表偏倚。如图1所示，样本文献的效应值基本围绕平均效应值对称散开，且大部分在漏斗图的中上部，初步显示样本发表偏倚较小。在进一步Begg’s检验中，检验结果显示Z=1.791<1.96，p=0.073>0.05，没有统计学意义上的发表偏倚。

图1   K-12阶段VR支持英语教学的学习成效漏斗图

　　(二)异质性检验

　　由于被纳入分析文献的样本量、目标语言技能、评价标准等各方面均存在差异，因此，对各研究之间的异质性进行检验，Q值表示观测变异与研究内误差的比值，I2是衡量多个研究之间所致的变异占总变异的比值。样本异质性检验结果(见表2)显示，Q值为45.510，p<0.001，I2=78.027%>75%，说明各研究中样本间存在较大异质性，故在研究VR支持英语教学对学生学习成效的整体效果时选择随机效应模型进行分析。

表2   VR英语教学对中小学生学习成效的整体效果的影响

　　(三)VR英语教学对学生学习成效的整体效果

　　分析结果(见表2)显示，基于VR的英语教学对中小学生学习成效研究的合并效应值为0.652(95% CI: 0.391~0.913)。根据科恩(Cohen)提出的效应值大小标准，合并效应值在0.2到0.8之间为中等效应，可认为基于VR的英语教学对中小学生学习成效有中等且积极影响。

　　(四)学段、目标语言技能、VR技术差异对学习成效的影响

　　就学段而言(Q=1.277, p>0.05)，小学(1-6年级，N=5)、初中(7-9年级，N=4)、高中(10-12年级，N=2)的效应值分别为：0.857、0.639、0.371。VR支持英语教学在不同学段的影响效果不存在显著差异，在小学实施VR英语教学为高效应，在初中和高中均为中等效应。

　　研究样本中的目标语言技能包括词汇(N=3)、语法(N=1)、听说(N=6)以及未明确(N=1)。各目标语言技能效应值相近，分别为：0.599、0.574、0.583，都是中等效应，且对不同目标语言技能的影响程度并无显著差异(Q=0.720, p>0.05)。

　　就VR技术而言(Q=2.382, p>0.05)，研究样本使用的VR技术包括高沉浸式VR(HTC Vive^[18]或Oculus Go^[19])(N=3)、低成本沉浸式VR(如移动应用程序)(N=4)、360°VR视频(N=2)、桌面式VR(N=2)。高沉浸式VR的效应值最大(d=1.125)，低成本沉浸式VR(d=0.649)、桌面式VR(d=0.574)、360°VR视频(d=0.371)的效应值均为中等效应，无显著差异。

　　以上结论表明，VR支持的英语教学对中小学生学习成效具有中等程度的积极影响。这与相关学者的研究结果^[20]一致，即VR对K-12和高等教育阶段学生的语言学习有显著的正向影响。然而，不同学段、不同目标语言技能、不同沉浸度VR的异质性分析结果不显著。已有研究对学段是否为技术应用效果的调节变量并无统一结论，不同学段英语教学中VR的应用机制也有待进一步探讨。就目标语言技能而言，本研究与相关学者的研究结论^[21]有一定的差异，其结果显示VR对不同目标语言技能的正向影响程度不同。这可能与纳入的样本涉及的技能种类少有关。在VR技术方面，沉浸度带来的临场感有助于学生的深度学习、长期记忆，但沉浸度的高低对应用效果的影响不显著。

　　四、VR对中小学英语教学何以有效

　　(一)应用有效性归因

　　为何VR支持的中小学英语教学对学生学习成效有上述积极影响?透过15篇文献的解释逻辑可提炼出四个关键要素：真实情境(N=11)、社会交互(N=7)、学习者自主性(N=2)、多模态表征(N=4)。

　　1.真实情境

　　情境性是所有认知活动的基础，真实的情境有助于对语言输入的理解。VR能够打破时空限制，虚拟场景的沉浸性和临场感让学生置身于拟真情境，为学生提供以往课堂无法实现的语言学习语境，进而提升任务表现与学习结果。有学者在说明文教学中使用了谷歌地球，为学生提供了跨文化实景体验，VR还原了主题场景，有助于提高阅读与写作技能。^[22]

　　2.社会交互

　　社会交互是真实情境之外另一促进学生“习得”语言的因素。社会文化理论认为，有效的学习发生在社会环境中。VR技术建构的社会交互空间支持学习者与环境、虚拟人物、师生的双向实时互动，能够促成对话过程中思想、语言和意义的生成，以及跨文化交流能力的发展。^[17]口语学习中，学习者置身于全景视频创设的双语幼儿园师生互动场景，能够与母语学习者进行实时交流，降低学习焦虑，提升学习动机和口语输出质量。^[23]

　　3.学习者自主性

　　随着学习科学的发展，语言学习研究已转向学习者个体，其自主性也得到更多的关注。VR环境下的临场感让学习者身处虚拟世界，可自由调控学习历程，对自己的学习负责，带来一定程度的学习自主性。而在自主学习过程中，重复作为一种学习策略已被证明有利于语言的掌握。艾丽米(Alemi)和卡图尼(Khatoony)^[24]的研究中，学习者在VR游戏的不同情境中反复接触同一段语音，从而在记忆中留下强烈痕迹，让学习者更有可能记住和回忆单词的发音或拼写。

　　4.多模态表征

　　根据双重编码理论和多媒体生成理论^[25]，多媒体输入通过提供额外的意义生成途径、呈现多模态表征来加强或互补含义的传达，以及通过减少处理过程中的认知负荷、加强记忆保留来增强学习。VR的模式重构功能支持学习者获取视、听、触觉多通道信息，当学习者以第一视角进入物理和心理层面的虚拟空间时，允许长时记忆中的特定记忆与感觉寄存器直接交互，“绕过工作记忆”，从而确保更好地激活长时记忆和更深入的学习体验。在相关学者的研究中，VR环境下词汇的多模态表征加强音—形—义的联结，促进学习者的词汇习得。^[26]

　　(二)VR环境中的典型学习行为

　　基于对研究样本中VR环境下学习行为的建构描述，最终归纳形成VR环境下的典型学习行为(见表3)。虚拟化身、虚拟物体、虚拟人物等角色的参与，加之多模态输入情境与及时反馈，丰富了学生的交互行为。具体而言，学生在学习情境中通过观察性行为(观察体验)、对话性行为(虚拟人物对话、获取反馈)、操作性行为(操练&练习、测试、任务参与)、创作性行为(内容创建、内容分享)等参与VR环境下的学习。此时，VR应用需要实现相应设计要素以支撑以上行为，而与物体的基本交互、做出有意义选择、指示是最为重要的三个设计要素。

表3   VR环境中的典型学习行为

　　(三)VR环境下中小学英语学习活动及其理论基础

　　理论是实践的充分条件，纳入研究样本的设计与实施中明确提及学习理论的共有8篇，包括情境学习理论(N=4)、建构主义学习理论(N=2)、沉浸式学习理论(N=1)、体验式学习理论(N=1)、游戏化学习理论(N=1)、词汇附带习得理论(N=1)，如表4所示，明确的理论基础有助于这些研究中VR应用设计及其应用模式的推广。在以上理论框架指导下，现有实践将学习活动融于各类场景之中，基于VR创设真实、交互、多模态情境，学生成为知识获取的主体，串联表3中的行为，丰富课堂学习活动，推动英语教学的课堂转型。

表4   VR环境下中小学英语学习活动及其理论基础

　　根据情境学习理论，知识、思维与学习的情境紧密联系且都存在于实践中。学习者在VR创设的生活场景(如机场、超市、酒店)中进行“虚拟人物对话”并“获取反馈”，或在特定任务情境(如购买玩具)中针对性地进行目标语言知识与技能的“操练&练习”并“获取反馈”。基于VR的情境化英语学习为学习者提供不同语境的沉浸性与临场感，化身为场景内角色解决真实、情境化问题。

　　建构主义学习理论强调创设英语课堂所需情境，使学生在原有经验之上融合新的经验、建构知识。学习者在VR创设的自然场景中通过“观察体验”从第一视角与虚拟物体进行交互(如行星)，主动建构知识;也可在生活场景(如火车站、医院)中通过与“虚拟人物对话”并“获取反馈”的人际交互来获取并应用知识。

　　游戏化学习理论强调在游戏中促进学生的第二语言学习，游戏为学习者在语言学习过程中的试错提供“安全空间”，而游戏化学习情境能缓解学习孤寂感。^[37]VR游戏往往是在一系列任务中呈现目标语言知识，学习者能够在“任务参与”的活动中使用多种感知渠道探索和求知，直至完成指定的任务、结束游戏。

　　词汇附带习得理论是指学习者在完成其它学习任务的过程中通过多次接触词汇，潜移默化地习得目标词。^[38][39]学习者在VR创设的科幻主题场景中通过“虚拟人物对话”与“获取反馈”或“任务参与”，理解对话内容或任务要求，其关键就是根据语境寻找、猜测目标词汇的含义，在这个过程中学生会反复接触目标词汇直至其理解推进学习进度。

　　五、VR在中小学英语教学中的应用思考

　　(一)VR支持的英语课程内容

　　根据《普通高中英语课程标准(2017年版2020年修订)》与《义务教育英语课程标准(2022年版)》(以下简称“新课标”)，英语课程内容是发展学生英语学科核心素养的基础，包含六个要素：主题语境、语篇类型、语言知识、文化知识、语言技能和学习策略，各要素相互关联、有机统一。结合上述有效性归因的四个要素，VR对英语课程内容的支持归纳为以下三个方面，如图2所示。

图2　VR对英语课程内容的支持

　　1.意义语境的创设与有效模态的提供

　　根据英语学习活动观，“所有的语言学习活动都应该在一定的主题语境下进行”^[40]。语篇中的语言要素也有待多模态来表征，促进学习者与语境意义协商中的知识建构。VR创设的多模态真实情境拓展了英语教学的语境创设路径，为英语学习提供意义语境和可理解输入的模态。正如研究样本中使用VR模拟与学生未来职业相关的工作场景，^[41]模拟学生熟悉的生活场景，^[42]还原自然景观的真实面貌。^[43]

　　2.知识与技能的实践性生成

　　语言是社会实践，是社会成就，也是社会工具。从语言知识教学来看，语音的社会交际功能要求实践活动关注情感信息;语法知识的多样与抽象要求学生在语境中理解和运用语法知识，并发展语法意识;词汇学习要求进行音—形—义联结的图示建构。语言技能也强调专项和综合性语言实践活动中语言技能的发展与真实语言交际转向。VR的模态重构功能可强化文本中的语言知识，VR创设的情境和交互空间支持语言知识应用和语言技能实践，VR模拟的英语社会环境和文化氛围支持学习者在不断的跨文化交际中不自觉地使用英文思维并进行交际表达。

　　3.学习策略的养成

　　形成有效运用策略的能力需要教师在日常语言教学中逐渐增强学生的策略意识。VR本身的技术特性与功能通常能够引导学生自觉地使用学习策略。一方面，VR环境中的虚拟化身独立存在于虚拟场景中体验、探索，学习者对自己的学习负责，^[44]培养其学习自主性是情感策略中的重要内容之一;另一方面，VR的交互性支持学生与虚拟物体、虚拟人物或同伴、教师进行双向实时互动，在此过程中学生会采取一定的交际策略。此外，在VR支持的英语学习中教师可以有意识地将策略的学习融入到活动之中，例如，词汇学习中的结对合作、自主学习策略，^[45]口语教学中同伴评价的元认知策略。^[46]

　　(二)VR支持的英语学习活动

　　根据上述VR环境下的学习行为与学习活动分析，VR支持的英语学习活动系统中，参与活动的主体更为丰富，包括学生、虚拟化身、虚拟人物、虚拟物体、教师、同伴。主体间的交互方式包括观察、对话、反馈、练习、测试、任务参与、创建、分享等。不同主体间的交互通过直接作用或体验替代自身的角色来建构和调节语言学习。而设置的英语学习交互任务主要包括：①知识考查型任务，需要学习者在学习理解基础上通过正确的操作来推进学习历程，如猜词测试、拼图、地图匹配任务;②人际交互型任务，营造与语言应用相适应的社交场景，学习者自身或虚拟化身通过与虚拟角色的对话与互动在应用实践中促成知识向能力的转化;③体验创建型任务，鼓励学习者体验探究，通过真实场景问题解决实现深度学习，语言能力向素养转化。

　　有效的交互活动设计是学习者达成语言学习目标的关键。遵循语言学习循序渐进的原则与英语学习活动观的要求，VR支持的英语学习活动需要根据教学目标与教学内容选择恰当的VR环境，在学习理论与语言学理论指导下，明确交互主体、交互方式、交互任务，从学习理解、应用实践、迁移创新层层递进交互活动，帮助学生在活动中习得语言知识、运用语言技能、感悟语言文化。

　　(三)VR支持英语教学的应用限度

　　1.技术限度：沉浸度与成本的博弈

　　尽管已有研究证实VR在语言教育方面的应用潜力，但学校教育中应用VR面临技术、内容、成本等方面的挑战。沉浸性及其带来的临场感是学习者语言学习中对语境要求的核心要素，而沉浸度高则相应的临场感强，更有助于学生的深度学习。然而，高沉浸度的VR环境相应成本也高。本研究分析结果显示，不同沉浸度VR对英语学习成效未呈现出显著差异。这在一定程度上说明，中小学英语教学中VR的沉浸度未对英语学习成效产生调节作用。因此，语言教育中融合VR不一定一味追求技术上的高沉浸度，在沉浸度与成本的博弈中，建议整合低成本的移动VR应用程序，探究其在英语学习中的应用模式。在相关学者的研究结论^[47]中也将整合低成本的VR作为高等教育中广泛应用VR的第一步。

　　2.活动限度：学科立场与突破媒体比较研究的融合

　　技术应用需从学科立场出发才可能增值课堂教学。交互性较低的课堂应用VR的教学效果不明显，VR适用的英语教学具有活动限度。同时，研究提出缺乏实质性的互动会在很大程度上降低VR系统的可用性，且长时间使用VR有可能会使学习者产生眩晕感等不适。技术自身的限度与活动限度要求实践者认识特定VR系统在语言教育中的优势及局限，合理使用，并能跳出传统课堂教学框架设计学习活动。根据相关学者对游戏化学习实验研究类型的划分，研究样本中VR支持英语教学的应用多为媒体比较研究，即关注VR和传统媒体支持的英语教学活动在学习结果方面的差异。^[48]较少研究聚焦认知结果或价值增值，即关注VR环境下融合不同学习策略、学习模式的差异。新课标提出：“有效使用学习策略有助于提高学生学习英语的效果和效率。”因此，研究者需要突破媒体比较研究，从学科视角关注学习策略、学习模式的融合应用设计。

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Study of Virtual Reality Enhanced English Teaching and Learning Based on Quantitative and Qualitative Meta-analysis

Jueqi GUAN¹, Shufan YING²

(1.College of Education, Zhejiang Normal University, Jinhua 321000, Zhejiang;

2.Wenzhou Art School, Wenzhou 325000, Zhejiang)

　　Abstract: The realistic and interactive environment created by VR will assist students in acquiring language. Although the empirical research on English as a Foreign Language (EFL) teaching and learning in VR environments in K-12 has gradually emerged in recent years, the results are differentiated. Moreover, there is still minimal knowledge and theoretical support for VR to assist in the optimal design of EFL teaching and learning. In view of this, the meta-analysis method was applied to conduct a quantitative and qualitative analysis of the research on VR-supported EFL teaching and learning in K-12. Taking the selected 15 quasi-experimental research studies as samples using quantitative meta-analysis, it was found that VR-supported EFL teaching and learning had a moderate positive impact on the learning effectiveness of K-12 students; Meanwhile, based on the qualitative meta-analysis, the four key elements of the role of VR in EFL learning including authentic context, social interaction, multimodal representation, and learner autonomy were refined; in addition, further analyses were conducted to summarize the typical learning behaviors and the theoretical framework of English teaching in VR environment. Subsequently, based on the results of the analysis, the content and learning activities of VR-supported English language courses and their application limits in K-12 were explored, and it was proposed that the future application of VR in EFL teaching and learning in K-12 and related research should comprehensively consider the immersion and cost of use in VR selection, break through the comparative research of media, focus on cognitive results or value added, and concentrate on the integrated application design of learning strategies and learning modes from the disciplinary perspective.

　　Keywords: Virtual reality; EFL teaching and learning; K-12; Meta-analysis

　　编辑：王天鹏　校对：王晓明