刘革平　高楠

摘要：手势交互作为一种理想的虚拟现实交互技术，其在虚拟实验中的应用能够很好地满足学习者多样化的交互需求并提升交互体验。然而，当前关于手势交互虚拟实验的研究大多聚焦于提高手势识别的准确率、设计开发不同领域的虚拟实验应用等方面，而对学习者在虚拟实验中的学习体验并未进行深入地研究。为了探索手势交互虚拟实验对学习者学习体验的影响机制，利用设计开发的基于Leap Motion的“计算机组成原理”虚拟实验，采用混合研究范式对学习者的沉浸感、学习动机和态度分别进行了测量与分析。结果表明：在手势交互虚拟实验中，学习动机作为中间因素会影响学习者的学习体验;身临其境的感觉和自然丰富的交互体验能够有效增强学习者的物理沉浸，进而提高学习者的学习动机，改善学习者的情感体验并增强其使用意愿，由此来促进学习者学习体验的提升。从改进实践的层面来看，未来应合理设计交互手势，创设高度沉浸的实验环境，优化虚拟实验任务设计，注重对学习反思的引导，以不断提升学习者在心理沉浸和学习效果方面的表现。

关键词：手势交互技术;虚拟实验;学习体验;影响机制;学习动机;沉浸感

中图分类号：G434   文献标识码：A    文章编号：1009-5195（2021）02-0022-12  doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.02.003

作者简介：刘革平，博士，教授，博士生导师，西南大学西南民族教育与心理研究中心（重慶 400715）;高楠，博士研究生，西南大学西南民族教育与心理研究中心（重庆 400715）。

一、研究背景

虚拟实验作为智慧学习环境的重要组成部分，在提高实验教学质量和培养创新人才方面发挥着重要作用。虚拟实验所具有的诸多优点如高仿真性、开放共享性、可扩展性、重复使用性以及高安全性等（杨雪等，2008），可以补充和延伸课堂教学（王济军等，2011），支持混合学习（王阿习等，2013）以及弥补远程教育中“实验”的缺失（赵同刚等，2015）。一直以来，虚拟实验在教育教学中的应用都受到国家的高度重视。中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《加快推进教育现代化实施方案（2018-2022年）》提出“加快推进智慧教育创新发展，设立‘智慧教育示范区，开展国家虚拟仿真实验教学项目等建设”。《教育信息化2.0行动计划》中也明确提出“加强职业院校、高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，服务信息化教学需要”。我国教育部于2019年11月发布的《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》提出“对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象……可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现”。由此可见，加快推进虚拟实验在各级各类教育中的应用是当前教育教学改革的重要任务。

目前应用最为广泛的虚拟实验多为基于桌面式的“非沉浸式”虚拟实验，这类虚拟实验大多采用基于WIMP（Windows、Icon、Menu、PointClick）的交互范式。这种范式存在的主要问题是交互过程中输入的带宽太窄，仅支持精确的鼠标点选和离散的按键输入，“二维性”难以操控三维虚拟对象和完成三维交互任务（张凤军等，2016）。因此，采用鼠标键盘交互的虚拟实验中学习者的学习体验不佳，无法发挥出虚拟现实系统的沉浸性、交互性和构想性等优势。手势交互作为一种重要的自然交互方式，它的出现在一定程度上打破了WIMP交互范式的限制，在形式上和空间上极大改善了交互体验（廖宏建等，2013），不仅能提升交互的沉浸感和效率，而且也能增加交互的真实感。然而，当前关于手势交互虚拟实验的诸多研究大多聚焦于提高手势识别的准确率（王赋攀等，2018;杨贤等，2019;Raees et al.，2019）、设计开发不同领域的虚拟实验应用（吴福理等，2016;Wu & Wang et al.，2019;蒋梦菲等，2020），而对学习者在虚拟实验中的学习体验仅笼统地描述为“增强用户体验”（袁伟等，2018），“提高学习兴趣”（杨鲁义，2019），“激发学习动机”（杜宝江等，2016）等，并未进行深入的研究。鉴于此，本研究利用设计开发的“计算机组成原理”手势交互虚拟实验，从定性与定量相结合的角度探究基于手势交互技术的虚拟实验对学习者学习体验的影响，以期为优化手势交互虚拟实验设计、提升学习者学习体验提供参考和借鉴。

二、文献综述与研究问题

1.手势交互技术在虚拟实验中的发展

随着基于计算机视觉（Molina et al.，2011）、超声波（杨晓东等，2015）、肌电识别（Xu et al.，2019）等技术的发展，手势交互技术正逐渐走向实际应用。手势交互是指用户自然地利用手指、手腕和手臂动作表达其交互意图，主要包括握拳、挥手、点指、手掌转动等（Cabreira et al.，2015），其本质是一种非接触式的自然人机交互方式。相较于其他交互方式，手势交互具有更广阔的交互空间、更高的灵活度和更加人性化等特点（于汉超等，2017）。虽然手势交互技术最早被应用于游戏和移动设备中，但其巨大的教育应用潜力引起了教育工作者的关注。Johnson认为，手势交互技术将会对教育产生重大影响（Johnson et al.，2011）。近年来，有关手势交互教育应用的研究不断增多且分布在不同领域，例如智能教学系统（刘勉等，2019）、教育游戏（Navarro-Newball et al.，2015）、虚拟实验（Wu & Wong  et al.，2019）等，其中以手势交互虚拟实验的研究最为广泛。Nainggolan设计开发了虚拟人体骨骼实验系统，当学习者使用右手点击虚拟骨骼物体时，系统会显示当前骨骼的名称。而且学习者可以利用左手的手势控制摄像机的移动和放大缩小，如握拳向上移动表示放大（Nainggolan et al.，2016）。张晓蓉设计开发了基于手势交互的沉浸式虚拟化学实验系统，学习者需要佩戴上Oculus头戴显示器，使用Leap Motion作为手势输入设备。在实验过程中，学习者可以依据实际操作方式随意抓取、拖放实验仪器，完成实验操作（张晓蓉等，2018）。

当前手势交互技术在虚拟实验中的应用与发展十分迅速，其主要原因在于手势交互技术具有其他交互方式不具有的独特优势：（1）改善交互体验。手势交互不需要借助鼠标键盘、手柄等输入设备，允许学习者以自然的方式与虚拟物体进行交互，实现虚拟世界与真实世界之间的无缝连接（Lee  & Rhee et al.，2010）。（2）降低认知负荷。手势交互不需要学习者有意识地关注交互过程（Deller et al.，2006），其操作是基于学习者的日常生活经验（Vuletic et al.，2019），相较于传统交互方式更加直观，从而大大降低了人机交互的复杂性。（3）促进具身认知。手势交互为学习者的具身参与和交互提供了技术支撑（Sheu et al.，2014），它可以让学习者通过身体或肢体的运动与虚拟世界中的物体进行交互，实现从离身到具身（Johnson-Glenberg，2018）。已有研究发现，基于手势交互技术的虚拟实验有助于学习者获取知识、掌握动作技能等。Wolski发现，与教师演示、视频教学相比，学习者利用手势交互虚拟实验学习效果最好，尤其是学习迁移能力和问题解决能力（Wolski et al.，2017）。同样，在虚拟学习环境中，手势交互也能够提高学习者的学习效果和运动技能（Hsiao et al.，2017）。之所以会产生这样的效果，可能是因为手势或身体运动会激活负责认知过程的大脑区域（Macedonia et al.，2010），促进其对科学概念的深度理解（黄红濤等，2018）。

2.手势交互虚拟实验中的学习体验研究

随着研究的深入，研究者们逐渐开始关注学习者在手势交互虚拟实验中的学习体验（Learning Experience）。当前大部分研究是从人机交互的角度探讨手势交互相较于其他交互方式对学习者学习体验的影响。例如，De Paolis等人的研究发现，当学习者在虚拟环境中使用HTC Vive控制器和Myo腕带两种不同交互方式学习人体解剖结构时，其沉浸感存在显著性差异，学习者使用基于Myo腕带手势交互方式时的沉浸感更强（De Paolis et al.，2019）。Manghisi等人的研究发现，与传统的鼠标键盘交互方式相比，手势交互能够显著增强学习者的参与度（Manghisi et al.，2018）。虽然学界对学习体验的定义尚无定论，但是从体验的内容来看，学习体验是指学习者对学习环境、学习活动和学习支持服务等学习过程中涉及的诸多要素的感知、反应和行为表现（刘斌等，2017）。显然，仅从人机交互角度无法全面说明手势交互虚拟实验对学习者学习体验的影响。因此，为了更全面了解手势交互虚拟实验对学习者学习体验的影响，本研究着重探究学习者在手势交互虚拟实验中的实际经历和感受，尤其是沉浸感、学习动机和态度三个方面。

沉浸感是指用户与虚拟环境交互时产生的身临其境的感觉。Sherman等人将沉浸感分为物理/感官沉浸（Physical/Sensory Immersion）和心理沉浸（Mental Immersion）两类（Sherman et al.，2003）。在虚拟环境中，用户利用视觉、听觉和触觉等感官收集信息，经由本体的感知觉系统加工实现自由漫游和操控虚拟对象，从而达到物理沉浸。心理沉浸是指用户在虚拟环境中“深度参与的状态”。这两种类型的沉浸感对提升用户体验有着重要的影响。在虚拟环境中，自由漫游、第一人称视角、真实性以及交互性等都有助于学习者获得沉浸感（Regenbrecht et al.，2002;Mikropoulos，2006），尤其是交互性（Schubert et al.，2001）。相较于传统的二维交互技术（如鼠标），具有更高自由度的交互技术在操控虚拟对象上更符合用户的行为习惯（Ware et al.，1988），沉浸式虚拟环境中交互真实性的增强也能够显著提高用户的沉浸感（McMahan et al.，2012）。还有研究发现，在虚拟实验环境中提供近似真实的交互行为，学习者更可能在学习任务上投入更多的时间和注意力，从而带来更深刻的学习体验（Salzman et al.，1999）。因此，当研究学习者在基于手势交互技术的虚拟实验中的学习体验时，有必要对沉浸感进行测量。

探究学习者在虚拟环境中的学习动机是学习体验研究中的另一个重要问题。根据社会认知动机理论，个体的动机通常是情境化的（Linnenbrink et al.，2002）。虚拟现实技术不仅能够最大程度地还原真实情境，而且可以构建现实中不易甚至无法实现的情境（Huang et al.，2010）。因此，利用虚拟现实技术模拟实验能够为学习者提供逼真的实验情境，激发学习者的学习兴趣和学习动机。最近有关虚拟实验的研究也证明了这一点。例如，De Vires 等人的研究发现，虚拟实验能够帮助学习者将理论与实践结合起来，提高学习的积极性和学习动机（De Vires et al.，2019）。Huang等人认为利用虚拟现实技术创设的逼真、互动的学习环境，能够全面提高学习者的学习动机，尤其是提高学习者的内在动机（Huang et al.，2019）。还有研究提及，学习者在利用虚拟现实技术进行空间训练时能够显著增强他们的学习动机（Carbonell-Carrera et al.，2017）。鉴于此，有必要在基于手势交互虚拟实验中对学习者的学习动机进行研究。

此外，还有研究发现学习者在虚拟环境中的态度和他们在现实世界中的态度之间存在着重要联系。例如，Asiksoy等人发现学习者在虚拟实验室中进行物理实验的经历能够显著影响他们对待物理课程的态度（Asiksoy et al.，2017）。Pyatt等人发现学习者对虚拟实验表现出积极态度，并且认为虚拟实验能够取代真实实验（Pyatt et al.，2012）。Tussyadiah等人发现用户在虚拟旅行中的沉浸感可能会增加用户访问真实地方的意愿，表明用户在虚拟环境中的感知与他们在现实中的态度和行为之间存在着关联（Tussyadiah et al.，2018）。因此，研究还将调查学习者在使用手势交互虚拟实验时的态度。

综上所述，本研究将利用基于Leap Motion设计开发的“计算机组成原理”手势交互虚拟实验，从沉浸感、学习动机和态度三个方面探究基于手势交互的虚拟实验对学习者学习体验的影响。具体而言，包括如下四个问题：（1）基于手势交互的虚拟实验对学习者的沉浸感影响如何;（2）学习者使用基于手势交互的虚拟实验前后，其学习动机的变化如何;（3）基于手勢交互的虚拟实验对学习者的态度影响如何;（4）沉浸感、学习动机、态度三者之间的关系如何。

三、实验设计与实施

1.实验对象

为了初步了解学习者在基于手势交互虚拟实验中的学习体验，本研究选取某大学教育技术学专业的学生作为被试。为减少虚拟现实技术本身的新奇性对实验的影响，本研究挑选有过VR体验的学生，最终有26名学生被邀请参与到此次实验。其中男生有9名（35%），女生有17名（65%）。在这26名被试中，有6 人（23%）使用过虚拟实验进行学习，有12 人（46%）体验过VR游戏，有18 人（69%）利用Unity 3D 软件设计开发过虚拟现实应用。通过询问了解到所有被试均未有使用手势交互虚拟现实的经历。因此，本研究选取的实验对象符合本实验的要求。

2.实验工具

（1）Leap Motion

当前虚拟现实应用最为广泛的手势输入设备包括数据手套、Kinect和Leap Motion。当使用数据手套作为手势交互输入设备时，用户需穿戴带有各种类型传感器的数据手套，这种方式不仅会大大限制用户的活动范围，还会因为手套的沉重感和束缚感而影响用户的沉浸体验和交互体验。微软公司发布的Kinect能很好地解决这一问题，其利用一个RGB摄像头和一个红外摄像头获取用户的RGB图像和深度图像，能实现对人体骨骼、手、头等部位的实时追踪，为手势交互走向实际应用提供了基础。但是Kinect的精度较低，无法获取手部动作的细节信息，并且获取的手势信息属于视觉上高维的深度信息，在手形分割和特征提取方面需要进行大量的数据计算，因而也会影响手势交互的准确性、连续性和实时性。虽然Leap Motion与Kinect都是基于视觉原理的手势输入设备，但Leap Motion在手势识别上较Kinect更加准确（Guzsvinecz et al.，2019）。因为Leap Motion只获取用户的手部数据，而且其通过红外摄像头采集用户手部的空间坐标信息，数据也更加简洁，这在很大程度上减少了手势特征提取的计算量（孙玉等，2019）。另外，Leap Motion体积小巧，可附着于HTC Vive和Oculus Rift配套使用，大大增强了Leap Motion的可拓展性。因此，本研究选择利用Leap Motion作为虚拟实验手势交互的输入设备。

（2）实验材料

“计算机组成原理”实验是一个综合性的实验项目，除了要求掌握基本的计算机理论知识和计算机组件的参数之外，更重要的是在实验过程中理解计算机各个组件的工作原理，建立计算机的整机概念，从而具备计算机整机和组件的分析与设计能力。本研究利用Unity 3D软件设计开发了基于手势交互的“计算机组成原理”虚拟实验，以满足学习者的实践需求并作为测量学习体验的实验材料。根据建构主义理论，情境是学习的必要前提，即学习任务和学习环境的“真实性”将对学习起到重要的支持作用（刘革平等，2015）。本研究设计开发的“计算机组成原理”虚拟实验能在最大程度上还原真实实验场景和实验任务，本研究重点对其中的手势交互进行了设计。

目前虚拟现实手势交互设计还没有一种通用可行的方法。本研究将以用户交互需求为中心，以真实实验为基础，确保虚拟实验中所设计的交互手势符合学习者的行为习惯，以避免因认知不协调产生额外的认知负荷，降低学习者的学习体验。为此，本研究邀请了12位具有计算机组装经验但没有虚拟现实手势交互经验的志愿者参与设计。首先，请各位志愿者列举在计算机实际组装过程中使用频率较高的手势动作。结合对访谈结果的归类以及虚拟现实环境交互的需求，最终选取抓握、释放、点击和漫游四种手势动作。其中，抓握、释放和点击都属于操作型手势，主要指学习者与虚拟环境中某一物体之间的交互。抓握实现选择交互目标的功能，是绝大部分交互发生的先决条件。释放与抓握相反，表示放弃当前已选择的交互目标。点击实现与功能按键之间的交互，例如退出或重新加载当前场景等。漫游属于通讯型手势，可以实现学习者在虚拟环境中的自由移动。其次，依据每位志愿者对四种手势的描述，分别对每种交互手势设计多种备选的手势动作。最后，让志愿者通过评分的方式评估备选的手势动作与现实情境中行为动作的匹配程度。评估之前还向志愿者详细说明了备选手势动作的具体内容，以保证志愿者在不受任何干扰的环境中按照自己的操作经验对交互手势进行评分，最终选取四种手势中评分最高的作为虚拟实验交互的手势动作，如图1所示：

由于该虚拟实验是沉浸式虚拟实验，在进入虚拟实验环境之前，被试需要穿戴好附着Leap Motion控制器的HTC Vive头戴式显示器。在实验过程中，被试利用设计好的交互手势操控虚拟环境中的计算机组件。每个计算机组件的安装过程主要由三个步骤组成：首先，被试利用抓握手势拿取所需安装的计算机组件并将该组件放到准备安装的位置上;其次，伸展手掌释放组件;最后，点击确定按钮确认安装组件。虚拟实验软件能提供反馈和指导功能。当被试点击确定按钮之后，实验软件会即时反馈该组件安装是否正确。如果安装错误，软件会提供当前计算机组件的说明以及安装注意事项，被试可根据反馈信息重新安装。另外，被试还可以利用漫游手势在虚拟环境中移动以拿取准备安装的计算机组件。在整个实验过程中，学习者可以通过不断“试误”将计算机的各个组件安装到正确的位置，最终使得计算机能够正常工作。

（3）调查问卷

本研究使用IPQ沉浸感问卷（Igroup Presence Questionnaire，IPQ）（Witmer et al.，1998）、教学材料动机调查问卷（Instructional Materials Motivation Survey，IMMS）（Chin et al.，2015）和态度调查问卷（Tsai et al.，2001）分别测量学习者的沉浸感、学习动机和态度。在保持各问卷维度不变的情况下对问卷内容进行改编，聚焦于手势交互虚拟实验对学习者学习体验的影响。随后采用德尔菲法咨询领域专家的意见，最终制定的学习体验调查问卷结构如表1所示。该问卷共有11个因子和40道题目，包括空间临场感（5题）、参与度（4题）、真实感（4题）、注意（4题）、相关（3题）、自信（3题）、满意（3题）、感知易用性（4题）、感知有用性（4题）、情感体验（3题）和使用意愿（3题）。问卷题目均采用李克特5分制评分（1分代表完全不同意，5分代表完全同意）。对于修改后的沉浸感、学习动机和态度调查问卷，其 Cronbachs Alpha系数分别为0.920、0.920和0.828，表明该问卷通过一致性检验。

（4）访谈提纲

为了更全面地了解基于手势交互虚拟实验对学习者学习体验的影响，弥补量化研究的不足，本研究还增加了定性研究内容。定性研究采用半结构式访谈法，主要包括两个开放性问题：一是询问访谈者对基于手势交互虚拟实验的总体感受，二是请访谈者给出关于手势交互虚拟实验的改进意见。

3.實验过程

实验过程共分为五步：第一步，被试用20分钟时间填写IMMS问卷作为对学习动机的前测。第二步，被试在实验助理的指导下进行10分钟手势交互练习，以适应虚拟实验环境和掌握手势交互动作。第三步，所有被试随机进入教室体验手势交互虚拟实验，时间在30分钟左右。需要说明的是，本实验是在相对封闭的教室内进行，教室内只有被试和两名实验助理，保证了学习者的学习体验不受其他外部因素的干扰。第四步，被试进入另一间教室填写沉浸感、学习动机和态度三份问卷，时间在40分钟左右。第五步，被试接受20分钟左右的访谈，全面了解其学习体验，同时将谈话内容记录下来。

四、实验结果

本研究采用SPSS 22.0对问卷结果进行效度分析。由于此次参与实验的被试较少，且沉浸感和态度各因子得分的标准差太大，未符合正态分布，因此本研究利用非参数检验中弗德里曼检验（Friedmans Test）和威尔科克森符号秩检验（Wilcoxon Signed-Rank Test）进行问卷数据分析。而后，本研究采用配对样本T检验测量学习者使用手势交互虚拟实验前后学习动机的变化。最后，本研究采用斯皮尔曼相关性系数（Spearman）对学习动机与沉浸感、态度三者之间的关系进行测量。

1.手势交互虚拟实验对沉浸感的影响分析

从表2数据可知，学习者在手势交互虚拟实验中获得了强烈的空间临场感（Mean=4.04，SD=0.87），但参与度一般（Mean=3.44，SD=0.92），基本满足真实感需求（Mean=3.65，SD=0.72）。弗德里曼检验结果显示，学习者在手势交互虚拟实验中的空间临场感、参与度、真实感之间存在显著性差异（χ2=25.232，p<0.001）。威尔科克森符号秩检验结果进一步显示，空间临场感与参与度（Z=-4.128，p<0.001）以及真实感（Z=-3.114，p<0.01）存在显著性差异，但参与度和真实感之间不存在显著性差异。以上分析表明，在基于手势交互技术的沉浸式虚拟实验环境中，学习者获得的空间临场感相较于参与度和真实感更强。

2.手势交互虚拟实验对学习动机的影响分析

从表3数据可知，学习者参与手势交互虚拟实验前后其学习动机具有显著性差异（t（25）=-4.523，p<0.001）。且从平均值可以看出，学习者使用手势交互虚拟实验之后的学习动机明显高于使用之前，说明基于手势交互技术的虚拟实验能够显著增强学习者的学习动机。另外，学习者参与手势交互虚拟实验前后其注意（t（25）=-6.230，p<0.001）和自信（t（25）=-3.742，p<0.01）也表现出显著性差异，但相关和满意并不存在显著性差异，这说明手势交互虚拟实验能够有效吸引学习者的注意力和提高学习者的自信心。

3.手势交互虚拟实验对态度的影响分析

从表4数据可知，学习者在感知易用性（Mean=4.01，SD=0.54）、使用意愿（Mean=3.81，SD=0.84）和情感体验（Mean=4.24，SD=0.90）三个维度都有较好的反馈，但感知有用性的得分较低（Mean=3.55，SD=0.67）。利用威尔科克森符号秩检验分别测量感知易用性与感知有用性、使用意愿与情感体验之间是否存在显著性差异，结果显示，学习者在感知易用性上的得分显著高于感知有用性的得分（Z=-4.051，p<0.001）。这表明学习者认为手势交互虚拟实验更易于控制，但对他们学习的帮助作用有限。另外，学习者在情感体验上的得分显著高于使用意愿的得分（Z=-3.615，p<0.001），表明虽然学习者在手势交互虚拟实验中获得了良好的情感体验，但实际使用的意愿相对较低。

4.沉浸感、学习动机、态度三者相关关系分析

从表5数据可知，学习动机与沉浸感（r=0.535，p<0.01）和态度（r=0.717，p<0.01）存在显著性相关关系，但沉浸感与态度之间不存在显著性相关关系（r=0.308，p>0.05）。为进一步探究三者之间的关系，对学习动机各要素与沉浸感、态度各要素之间进行相关性分析。从表6数据可知，在沉浸感与学习动机之间，空间临场感和真实感分别与注意、自信、满意存在显著性相关关系，参与度与满意呈显著性相关，而空间临场感、参与度和真实感与相关皆不存在显著性相关关系;在学习动机与态度之间，注意、相关、自信、满意分别与情感体验、使用意愿呈显著性相关关系，但是感知易用性与注意、相关、自信、满意皆不存在显著性相关关系。

5.访谈结果分析

针对“对手势交互虚拟实验的总体感受”，访谈结果显示，26名学习者中有24名对基于手势交互技术的虚拟实验很感兴趣，15名学习者表示虚拟实验过程与真实实验过程基本一致，10名学习者表示虚拟实验环境很逼真，有很强的沉浸感，6名学习者表示想要尝试更多的手势交互虚拟实验。评价内容有：“利用自己的双手做实验太不可思议了，手势交互非常有趣！”“我喜欢用虚拟实验学习，能够用双手做实验很棒！”“我感觉虚拟实验环境很逼真。”但是也有学习者表示不太喜欢手势交互虚拟实验，认为“手势交互不够准确”“交互时间长的话，双手会很酸痛”。针对“改进意见”的问题，访谈者主要提出三点建议：一是手势交互的准确率需要进一步提高;二是手势设计需要更加还原真实实验操作，并且丰富听觉上的反馈内容;三是提高虚拟实验环境的仿真度。

从访谈结果可以看出，手势交互虚拟实验能够增强学习者的学习体验，尤其是手势交互技术能够实现让学习者利用自己的双手操控虚拟物体，最大程度还原现实情境中的实验操作，从而激发学习者的学习兴趣和积极性。访谈过程中还发现，学习者使用手势与虚拟实验交互能够在一定程度上减轻眩晕症状。这一点在Han等人的研究中也被提及，即当学习者被手势交互技术吸引，而全神贯注于实验操作时，他们的精神会处于高度集中的状态，这样可以避免虚拟现实存在的眩晕问题（Han et al.，2017）。因此，在虚拟实验中探索多种交互技术相结合的新型交互方式，例如将手势、声音与眼动追踪相结合（Sharma et al.，2000），能够为学习者提供多样化、令人满意的沉浸性交互体验。另一方面，由于基于Leap Motion的手势识别还存在精确度不高、灵敏度不够等问题，导致某些手势动作不能被精确地识别。而且学习者在交互过程中需要一直保持双手处于Leap Motion控制器的监测范围内，时间长会造成手臂酸痛，这些都会影响学习者的学习体验。

五、结论与讨论

1.相较于心理沉浸，学习者的物理沉浸更强

在手势交互虚拟实验中，根据Sherman等（2003）对沉浸感的分类，学习者的空间临场感与真实感是其物理沉浸程度的反映，而参与度能够反映学习者的心理沉浸程度。研究发现，沉浸感并不是虚拟环境的固有属性，它受虚拟环境的逼真度和控制的直接性两个因素影响（Lee & Wong et al.，2010）。在虚拟环境中，手势交互在处理复杂交互任务时比传统的手持控制器更为有效（Xu et al.，2019），并且手势交互信息的连续性、多维性和隐含性（方新国等，2020）能够显著提高学习者交互的直接性，增强视觉、触觉等感官体验，从而提升学习者的物理沉浸。有学者在研究虚拟实验中不同交互方式对学习者参与度的影响时发现，手势交互方式能够有效提高学习者的参与度（Johnson-Glenberg et al.，2017）。但是，本研究中发现学习者的参与度却是最低的，其可能原因有两点：一是手势识别算法的准确率不够高导致学习者需要重复相同的手势才能完成实验操作;二是学习者频繁向实验助理求助，造成学习者过多关注现实世界，使得学习者无法完全沉浸在手势交互虚拟实验中。因此，在本研究中，学习者的物理沉浸相较于心理沉浸更強。

2.手势交互能够显著增强学习动机，尤其表现在注意和自信上

基于手势交互技术的虚拟实验在吸引学生注意力方面具有巨大的优势。因为相较于其他交互方式，手势交互可以让学习者利用自己的双手以自然交互的方式控制虚拟物体，在“试误”体验式的学习中享受动手操作的乐趣，从而使学习变得更主动、更有趣。另外，手势交互技术可以让学习者摆脱传统交互输入设备带来的种种限制，极大降低操控的依赖度与复杂度。已有研究显示，身体参与的运动可以促进学习过程（George Lucas Educational Foundation，2011），使得学习者更有信心完成实验任务（Pulijala et al.，2018;Wu & Wong et al.，2019）。本研究中，基于手势交互技术的虚拟实验能够让学习者的多种感官同时参与到学习活动中，而多种感官的刺激能够从多个通道促进学习者的认知过程，提高学习者的手眼协调能力。总体而言，定量和定性数据都表明，基于手势交互技术的虚拟实验确实对学习者的学习动机产生了影响，尤其体现在激发学习者的学习兴趣和提升学习者的信心上。

3.手势交互能够提升感知易用性和情感体验

在本研究中学习者普遍认为基于手势交互技术的虚拟实验易于使用，达到了将手势交互技术应用于虚拟实验的期望。根据访谈结果可知，影响感知易用性的因素主要包括手势识别的精确度和手势是否符合学习者的行为习惯。因此，在进行手势交互设计时不仅要提高手势识别的准确率，还需注重隐喻的设计，尤其是空间隐喻设计和行为隐喻设计。隐喻的设计必须要以学习者为中心，以“用户概念模型”为基础，才能更有效地引导出学习者的直觉交互行为。手势交互作为一种自然交互方式，其操作方法是基于现实生活经验的，不仅避免了因学习复杂操作界面而增加额外的认知负荷，还可以享受动手的乐趣，从而提升学习者的情感体验。但是，本研究发现学习者对使用手势交互虚拟实验的意愿却相对较低，其原因可能在于将手势交互技术应用于虚拟实验虽然改善了交互体验，但并未满足学习者最核心的知识学习需求。

4.学习动机作为中间因素会影响学习者在手势交互虚拟实验中的学习体验

尽管已有大量研究探索过虚拟学习环境中沉浸感与学习动机之间的关系（Salzman et al.，1999;Makransky et al.，2019），但大多数研究仅从变量外部探索两者之间的关系，并未从变量内部研究各因素之间的关系。本研究发现，在手势交互虚拟实验中，空间临场感和真实感相较于参与度而言对提高学习者的学习动机扮演着更重要的角色。换句话说，物理沉浸是影响学习者学习动机的重要因素。手势交互虚拟实验具有的三维动态显示、自然交互方式等特征能够提供逼真的学习情境、真实的实验操作，学习者可以利用抓握、漫游等手势与虚拟环境中的物体进行交互，自然状态下手势和身体运动会显著增强空间临场感和真实感，使得学习者沉浸在手势交互虚拟实验之中。当学习者在虚拟学习环境中获得与现实类似的实验体验时，学习者的心理状态会发生改变，物理沉浸会极大提高学习者对虚拟实验的认同感，进而增强学习动机。

另外，研究人员发现在沉浸式虚拟学习环境中，学习动机对学习者的态度起主导作用（Cheng et al.，2020）。本研究在此基础上进一步发现，在手势交互虚拟实验中学习动机强的学习者，他们在虚拟实验中的情感体验会更好，并且对利用手势交互虚拟实验帮助自己学习表现出更加强烈的行为意愿。Liao等人在研究动机与态度之间的关系时发现，影响态度的动机因素主要分为实用性动机和享乐性动机（Liao et al.，2013）。在本研究中，学习者参与手势交互虚拟实验的实用性动机和享乐性动机分别指获取计算机原理相关知识以及在这个过程中获得快乐的实验体验。手势交互虚拟实验可以帮助学习者实现更加直观的实际动手组装计算机，促进具身认知，实现对科学概念的深入理解，因此学习者的实用性动机得到显著增强，使用意愿也更强。而且手势交互虚拟实验能够激发学习者的学习兴趣和参与热情，尤其是自然交互方式能够为学习者提供心理上和精神上的愉悦体验（廖宏建等，2013），其享乐性动机亦得到增强。实用性动机和享乐性动机的增强使得学习者对手势交互虚拟实验的态度更加积极。

综上所述，本研究发现，在手势交互虚拟实验中，物理沉浸能够有效提高学习者的学习动机，而学习动机越强，学习者的情感体验越好、使用意愿也更强;而且学习动机在沉浸感和态度之间扮演着中间者的角色，即手势交互虚拟实验能够有效增强学习者的沉浸感，从而提高学习者的学习动机，进而改善学习者的态度，最终提升学习者的学习体验。

六、总结与展望

本研究从沉浸感、学习动机和态度三个方面探讨了基于手势交互技术的虚拟实验对学习者学习体验的影响，发现基于手势交互技术的虚拟实验能够有效增强学习者的沉浸感，从而提高学习者的学习动机，进而改善学习者的态度，最终提升学习者的学习体验。但本研究也发现，在手势交互虚拟实验中，仅仅依靠虚拟现实技术以及手势交互技术的特性无法实现预期的学习体验。结合本次研究成果、案例分析及开发实践，笔者提出手势交互虚拟实验设计需考虑以下问题：

第一，合理设计交互手势改善交互体验，创设高度沉浸的实验环境。在本研究中，虽然身临其境的感受和自然丰富的交互体验极大地促进了学习者的物理沉浸，但并未满足学习者的心理沉浸。针对这个问题，在进行手势交互虚拟实验设计时，可以从以下三个方面着手：其一，提高手势识别的准确率，如可将Leap Motion与Kinect结合使用（Kumar et al.，2017），避免学习者多次重复同一手势，使得学习者能够完全沉浸在虚拟实验中。其二，手势交互设计要遵循可靠性、容错性、连贯性和继承性原则（孙效华等，2015），保证与学习者的心智模型和日常行为习惯相符，实现物理空间与虚拟空间之间的平滑过渡，改善人机交互体验。其三，在设计虚拟实验环境时，注重增加多通道的感官體验，以使学习者获得“身临其境”的实验体验。但是，在这一过程中应尽量减少与学习目标无关的要素干扰，避免引起学习者无关的认知加工，从而提高学习者的参与度。

第二，优化虚拟实验任务设计，注重对学习反思的引导。手势交互虚拟实验的最终目的是帮助学习者掌握实验内容，其主要是通过对实验任务的设计来实现的。实验任务的设计需以学习者为中心，以模拟性实验、探究性实验和实证性实验等为主，尽量为学习者提供大量亲身参与、实践以及与他人合作学习的机会。实验过程中需要提供适当的任务支持，确保学习者在探索和与虚拟学习环境互动的过程中促进知识、技能与体验三者之间的连接，从而培养学习者灵活运用所学知识去解决实际问题的能力。另外，依据体验的发生要经过感官、行为、反思三个层次（Donald A. Norman，2005）的理论，手势交互虚拟实验应在为学习者提供逼真的感官沉浸和自然的人机交互基础之上更加强调对学习反思的引导，通过对虚拟实验任务的优化和真实问题情境的设计引发学习者的探索与思考，形成抽象思维，促进学习者的认知加工过程及知识建构过程，进而切实提高学习效果。

本研究也存在一定的局限性。首先，受虚拟现实设备以及手势交互设备的限制，本研究的样本量较小。未来需扩大样本量以更广泛地了解手势交互虚拟实验对学习者学习体验的影响。其次，在沉浸式虚拟环境中也可能存在性别差异（Grassini et al.，2020），例如，女生在虚拟环境中有着更高的沉浸感，但眩晕问题也更严重。本研究中的样本性别比例失衡也可能会对实验结果产生影响。最后，由于本研究仅从沉浸感、学习动机和态度三个方面探究了手势交互虚拟实验对学习者学习体验的影响，未来还需从其他方面研究学习者的学习体验，例如，社会临场感、自我效能感以及心流体验等。

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收稿日期 2021-01-05責任编辑 刘选