抽象的

在当今的学校中，将虚拟现实 (VR) 与发展中的技术相结合已成为改变即时教学的关键。由于 VR，人们的观点发生了变化，教师除了传统课堂之外，还可以创造沉浸式学习体验。本文对沉浸式学习不断变化的环境进行了系统的文献综述，并深入分析了其优势和挑战，并指出了以前研究人员的成果。VR 通过让学生与数字结构协作、探索虚拟景观和参与模拟实验，促进了对复杂主题的更深层次的知识和记忆。开发 VR 设备（如薄型头显和触觉反馈机制）使沉浸式工程学习更加大众化，使其对更广泛的学生来说更加平易近人和自然。这项研究通过使用新的系统评价和荟萃分析的首选报告项目 (PRISMA) 研究当前趋势、讨论障碍和展望未来方向，揭示了 VR 与实时教育新技术相结合的沉浸式学习的革命性潜力。本研究使用了 Scopus、IEEE、Springer、Google Scholar 四个数据库，在评选过程中新增了 24 篇文章，最终选定了 53 篇研究，通过实证分析和案例研究明确了采用 VR 增强学习环境的最佳实践，并指出了沉浸式教学领域未来创新和发展的方向。

‍沉浸式虚拟现实（VR）；沉浸式学习；教育技术；新兴技术；增强现实（AR）；人工智能（AI）；自然语言处理（NLP）；实时教育；虚拟学习环境（VLE）；基于虚拟现实的培训系统（VRTS）‍

1. 简介

虚拟现实和传统技术各有优缺点。对于工程专业学生来说，混合学习策略将虚拟现实的互动、沉浸式优势与久经考验的传统教学方法相结合，可以提供全面而高效的教育。传统方法可以保证坚实的学术基础和有益的人际互动。

VR对高等教育的贡献包括但不限于以下内容：

  • 提高参与度、知识和实践能力。

  • 这是向学习者和学徒传授复杂思想的有效方法。

  • 它可以准确地模拟真实世界的场景并实现预期的结果。

  • 受训人员可以在虚拟环境中获得在传统教学和教育环境中难以学到的能力。

  • 虚拟环境还可以激发热情，提高学术和认知能力。

  • 实验可以虚拟地、重复地进行，从而强化知识。

目前，应用最为广泛的技术之一是虚拟现实。沉浸式模拟使用计算机生成的视觉效果来重现真实世界的场景。使用者将完全沉浸在这种模拟氛围中，从而让学习者受益匪浅。“学习工厂” (LF) 的概念最近受到关注，旨在实现教育现代化，创造更真实的教育环境。同样，虚拟现实已被证明是一种向学习者和学徒传授挑战性思想的有效方法。虚拟现实是一种增强的可视化方法，既有益又有效。

参与者需要帮助自行配置实验室设备、应对紧急情况或应对可能损坏设备的错误设置的影响。这些实践活动主要依赖于复杂的科学仪器，必须在有人监督的情况下完成。此外，只有在预定的实验室时间内才能练习和弥补失去的时间。指定数量的潜在客户和相关合作伙伴应该测试新建立的服务。有必要评估产品，考虑其优势、劣势、功效和功能。

实践设备设置在实践实验室内，参与者在现场进行探究技术（实验）。测试为学习者提供支持或反驳假设的数据。实验需要实验区域、昂贵的机器和仪器，这些都需要大量的前期和持续成本。因此，本研究精心收集、检查和评估了最近关于虚拟现实在培训中的优势、劣势和研究差距的论文。然后，它使用这些信息来支持其用于工程教学的适用性。结果值得注意，因为系统的文献综述研究表明VR技术实施存在缺陷，这大大降低了工程课程和教育对学生的教育效益。因此，为了弥合差距并充分发挥虚拟现实在工程教育中的潜力，本研究自信地提出了一种概念方法，该方法基于使用纳入和排除标准对最新出版物的分析。

  • 文章概要

  • 本文结构如下：

第 2 部分 是相关工作；包括文献综述和搜索策略，以及研究目标和问题。 第 3 部分 介绍了材料和方法、所用方法、系统文献综述技术、搜索策略、选择标准和数据分析程序。 第 4 部分 展示了结果和讨论，涵盖了学习环境或用途的类型、实施障碍和虚拟现实的教育优势，以及未来的方向和总结。最后， 第 5 部分 是结论和建议，供进一步研究和在工程领域实际实施沉浸式学习。

2.相关工作

2.1. 文献综述

为了解决社会经济、环境和健康问题，我们需要修改工程师职责和义务的传统观念。我们需要一名能够在其领域内外工作的专家。下一代工程师必须能够获取、理解、评估、整合和应用来自其他学科的信息和观点。这种能力将有助于专业人员在解决现代难题时考虑各种因素。我们建议实施跨学科工程教育 (IEE) 来满足此类需求，并在一个环境中培训来自多个领域的工程专业学生。根据早期研究，跨学科协作在工程领域至关重要，是一项应在教育环境中教授的特定技能。尽管虚拟现实的应用仍处于早期发展阶段，但平台正在提供更具创造性的方式来交互和可视化数据，以增强工程设计评估。传统的设计审查程序现在经常在 PC 上使用 CAD 软件程序（例如西门子 NX CAD 系统）进行。然而，对于复杂 3D 模型的功能和人体工程学验证，屏幕上的 CAD 有时只能满足所有需求。

根据最近的统计数据，STEM（科学、技术、工程和数学）教学正在全球许多国家迅速发展。为了让学习者掌握 STEM 学科的知识并获得学习体验，培训师必须有效地设计教学方法，以便在模拟以及体验式（动手）活动和作业中提供高水平的再现保真度和准确性。然而，许多培训师和讲师在实施实验室练习和实践作业时遇到了挑战，这些实验涉及各个领域，从小学和中学教育到高等教育（如大学）。导致学生沮丧和不满的因素有很多，例如前往研究机构的路途困难、各种实验要么过于昂贵要么危险、获取真实资料的过程繁琐、缺乏培训师或管理层的支持。高校可以创建一个虚拟环境，供众多学习者同时使用，而不是设置真实的模型或实地考察。

此外，技术可以为学生提供可控且安全的教育环境，尤其是在处理危险产品或复杂设备时。长期以来，研究都表明沉浸式环境可以提高学习效果。虚拟现实的沉浸式和额外的激励功能使人们能够在通常难以接近或具有挑战性的环境中进行学习。不妨考虑一下去月球、另一个千年或遥远的历史遗迹的实地考察。在VR中，导师可以创建逼真的场景，以安全且经济地执行化学测试、外科手术或科学研究等任务。导师和学习者还可以根据自己的喜好随时配置设置。通过引入消费者负担得起的头戴式显示器（HMD），如HTC的Vive和Oculus Rift，以及将智能手机用作VR活动设备的能力，VR已经获得了惊人的普及。

沉浸式和非沉浸式是常用的两种主要 VR 模拟类别。非沉浸式虚拟现实模拟器通常具有多个显示器和一个复制现实世界活动的平台。IVR 模拟器的不同之处在于它们使用头戴式显示器而不是显示器。它们也可以封闭在虚拟设置中，从而无需单独的设置或系统，或者它们可以使用非沉浸式模拟器中使用的控制机制。无论选择沉浸式还是非沉浸式虚拟现实模拟，性能基本相同，结果也相当。让参与者完全沉浸在虚拟环境中的能力是使用 HMD 进行虚拟现实模拟的一个小好处，为他们提供了更全面的体验。近年来，以学习者为中心的教育实践在培训师中越来越受欢迎，以提高学业成绩、灵感和参与度。它引起了人们对建构主义思想的关注，尤其是皮亚杰的思想，该思想强调学生通过感觉主动发展理解，而不是被动地吸收数据。关注参与者的才能和热情对于促进这种实践培训至关重要。

此外，新技术（尤其是 IVR）的出现为协作教学提供了创造性的机会，使学习者能够更充分地参与各种学术任务。消费级 VR 设备的最新进展使 VR 更加普及且价格合理。得益于 VR 技术的最新进展，协作式 VR 应用程序的开发、使用、测试和分发现在可以更经济地进行。为了培养技能、巩固专业知识并让受训人员为终身教育做好准备，实地考察是 STEM 教育的重要组成部分。虚拟实地考察 (VFT) 可以替代或补充实际实地考察 (AFT)，由于技术驱动的教育活动取得的成功以及新兴技术（尤其是 IVR）的广泛使用，它正变得越来越受欢迎。远程机器人控制或机器人遥操作在多个领域越来越受欢迎，但建筑业采用它最多。人机界面 (HURI) 设计通过提高操作员的态势感知在这些系统中起着至关重要的作用。传统平台通常依赖于视频流等视觉数据，这可能会限制操作员的视野并增加他们的脑力负担。

教育质量的提高应集中在各个层面上的重大变革，以适应不同的学习偏好和个人要求。特别是在高等教育领域，新冠疫情等外部影响和社会经济格局的变化可能会带来快速或缓慢的变化。这些修改需要学习模式和重新思考教育目标。短期和长期目标对于取得成功的结果和实践教学至关重要。他们正在重新评估和重新设计学习程序，以满足不断变化的社会文化、教育和财务需求。研究表明，在远程高等教育 (HE) 中采用社交虚拟现实环境 (SVRE) 的同时，可以结合导致深度和有意义的学习 (DML) 的要素和环境来开展电子学习。几十年来，教育领域的虚拟现实 (VR) 研究最初侧重于桌面 VR。Winn 首先说明了虚拟世界如何帮助学生具体地形象化复杂和亚原子的事物。随后，Daworld 和 Lee 在此基础上进一步发现了 3D 环境“获取知识”的重要性，包括增强空间理解能力、促进现实世界中无法完成的任务以及鼓励团队合作。在最近的虚拟实验室评估中，虚拟现实的优势得到了强调，例如系统重构、抗损坏以及可视化深度学习底层机制的能力。

VR 已逐步融入高等教育机构，因其能够维持学生的学习和参与，同时节省资源并提高实验效果，因此获得了不同程度的满意。不同类型的受训者喜欢多种教学方法。因此，教学风格范式已被教师纳入自适应教学中，使用最多的是 Felder 和 Silverman 于 1988 年建立的 Felder 和 Silverman 学习类型框架。工程学习者使用的教学风格体系有四类：感觉和直觉、视觉和语言、反思和参与、顺序和普遍。教师随后使用学习风格指数 (ILS) 确定学生的学习风格后，制定教学策略。自 1990 年代导师在医学研究中开始使用最初的虚拟现实膝关节镜模拟以来，骨科模拟和活动训练器已大量推出并进行检验。如今，模拟技术可以让学生练习关节镜、锯切、钻孔和减少骨折的技术。通过虚拟现实模拟，外科医生可以在手术室外练习手术方法、术中决策、准备安排和诊断能力。可以说，虚拟现实模拟相对于现实世界模拟的主要优势在于，初学者可以快速、有效地获得对其能力的批评，而无需亲自咨询专家 。

多种教学媒介的理念包括使用各种参与方式来增强学习和教学，包括印刷、视觉图像和数字资源。这种从使用纸张的传统方法转向混合替代方法的转变推动了教学技术的改革。它强调了现代技术如何帮助创造以学习者为中心、引人入胜的教育环境。不过，它还指出，教育工作者必须在学术机构中使用这些工具作为传统教学策略的补充，而不是替代传统教学策略。另一种潜在的教学技术工具是虚拟现实，它提供了沉浸式学习环境，可以增强记忆力、互动和团队合作。人们强调这些工具的教育意义，而不仅仅是技术特性[ 22 ]。由于实验室设备不足、其他学习者和实验室培训师的干扰以及标准化的实验设施，学生需要帮助才能掌握材料和方向。尽管 IVR 技术有可能改善教育和教学条件，但它们的应用往往是技术驱动的，缺乏教育原则。除了 IVR 独有的特点外，IVR 技术支持的教学环境的开发还需要基于证据的教学方法。

此外，在传统实验室中，学生在进行测试或进行深度学习时很少表现出批判性思维。使用最新的实验室用品将鼓励学生学习，因为这使他们能够亲眼看到最新的创新。为了激励学生并让他们参与实验室任务，导师必须推荐有创意的、以设计为中心的实验室。为了解决挑战、促进更大的协作并帮助创建新的测试，有必要以新颖的方式将信息和学习过程结合起来。通过使用虚拟实验室，这些问题可以得到解决。

专业交流外语系的研究人员研究了虚拟现实头显在工科学生外语教学中的应用。在虚拟场景模拟中，VR技术为工科学生提供了深刻的教育体验。模拟包括练习语言技能、使用谷歌地球VR探索英语世界、参观工程实验室、学习描述和制作360°视频、参观虚拟科学博物馆。一项调查显示，虚拟现实系统有望改善语言教学，激发工科学生的学习热情。虚拟现实是一项可以追溯到20世纪70年代的创新，在过去几年中越来越受欢迎。“虚拟”和“现实”是“虚拟现实”一词的两个独立部分。“虚拟”描述的是在线或技术领域发生的场景或情况，而“现实”描述的是真实的、实际发生的情况。创建在线空间的目的是模拟一种氛围，让人们可以进入其中，体验身处一个几乎不存在的世界的感觉。场景组成部分的呈现越准确，对真实场景的保真度越高，虚拟场景的感觉就越精确，沉浸感就越强。

虚拟现实可以模拟物品、周围环境和物理原理。VR 有可能在合成环境中提供更高程度的沉浸感，这是工作场所虚拟培训的一个基本特征。此外，虚拟现实中的移动性不仅限于精确复制实际动作，因此适用于广阔的虚拟环境（包括大型虚拟办公室等变量）。制造商使用虚拟现实和计算机建模来设计商品和评估用户。许多研究工作正在探讨虚拟现实对技术培训背景下的灵感、协作、参与和保留的影响。在这项研究中，VR 和基于问题的学习 (PBL) 相结合，让学生能够独立规划和创建对象，利用 3D 建模程序和沉浸式虚拟现实洞穴自动虚拟环境 (CAVE) 屏幕来评估他们的工作。这种能力通过将抽象理论转化为更具体、更易理解的形式，让学生更深入地学习。在这些系统中，流体动力学和应力分布等与时间相关的现象的动态演示变得更加容易理解和接近。通过将虚拟现实技术与基于项目的教学相结合，工程设计作业对于学员来说将更容易完成，使学习者和教育者能够更轻松地实现教育目标，从而更成功地实现目标，并鼓励良好的合作。下图 1显示了 Cave 系统。

图1.沉浸式CAVE体验：虚拟现实交互。

研究结果表明，VR 技术对项目累计成绩的分布产生了很大影响。CAVE 系统提供安全、无风险的环境，促进实践学习。CAVE 允许学生进行虚拟实验和探索场景，而不受传统实验室环境的限制和危险。CAVE 系统提高了解决问题和实践技能，并巩固了学术知识。CAVE 系统提供全面的绩效指标和实时监控以进行评估，使教师能够准确衡量学生的实践技能和解决问题的方法。除了改善整体教育体验之外，CAVE 系统的协作特性还可以培养团队合作和沟通技巧，让学生更好地应对现实世界的工程难题。

为了解决系统评价报告不足的问题，2009 年发布了《系统评价和荟萃分析的首选报告项目》（PRISMA）（以下称为 PRISMA 2009）。PRISMA 2009 声明包括研究中应执行的 27 个要素，以及一篇“解释和阐述”文章，其中包含示例报告和每个项目的进一步报告指南。这些指南得到了广泛的支持和认可，正如它们在多份出版物中的联合发表、在 60,000 多份报告中被引用（Scopus，2020 年 8 月）、得到大约 200 家进行系统评价的期刊和团体的支持以及在各个领域的实施所证明的那样。为了保证广泛的覆盖范围和科学的勤勉，我们在这篇详尽的文献综述中遵循了《系统评价和荟萃分析的首选报告项目》（PRISMA）标准。PRISMA 范式为我们的评估提供了坚实的基础，使我们更容易找到、评估和纳入适用的研究。本综述旨在总结虚拟现实在工程教育中的影响的最新研究，强调重大发现，并提出进一步研究的方向。

在一个案例研究中，麦考瑞大学工程学院的流体力学系设计了虚拟现实体验。这个 VR 组件是一个实验室课程，学习者利用风洞设施了解物体周围的运动特征。研究人员在虚拟现实结构中使用了 SteamVR、Oculus 和 Ansys/EnSight 的机翼三维计算流体动力学建模数据集。传统实验室有助于改善学习者的学习体验，但它们成本高昂，需要大房间。虚拟现实等新兴技术可以使学习者受益，而不会减少入学人数或实验室可访问性。一项调查旨在了解学习者对 VR 体验的看法：根据初步调查结果，大多数学习者（>86%）表示虚拟现实组件有趣、引人入胜且互动性强。同时，37% 的人同意虚拟现实培训直接提高了他们在流体力学单元的学业成绩，许多学习者（>93%）希望看到更多流体力学方面的 VR 课程。

工程教育中一种众所周知的方法是让学习者观察实际的实验室和车间演示，以提高他们的实践技能。实验室和车间可以帮助学员成为具有适当思维、想象力和科学表达能力的有效问题解决者。工业界对这些人才的需求很大，但这些物理设施成本高昂、占用空间且受限。此外，由于入学人数的快速增加，本科理工学者现在更难在实验室获得适当的实践知识。教科书和研讨会经常使用概念性论证，但将现实付诸实践可能很困难。

榫卯是中国古代建筑中常见的木质设计。然而，由于无法拆除历史建筑，理解其基本概念和设计颇具挑战性。利用沉浸式虚拟现实技术构建的虚拟实验室，学生可以全神贯注于学习，享受完整的教育体验。参与者戴上 HCT 头盔并点击 Unreal 平台即可进入模拟组装区。从第一人称视角看，人们可以在三维空间中轰鸣。就像在日常生活中一样，他们可以立即掌握不同榫卯结构的复杂细节，并体验其动作的视觉背景。

VR游戏教育创造了一种沉浸式的教育环境，让学生能够充分表达自己的决心，增加他们获取知识的兴奋感和兴趣，对众多领域的专业知识有更直接、更直观的理解。VR游戏教学可以通过逼真的环境场景布局提高用户的沉浸感。极其灵活的人机交互系统使情感表达更加丰富，也让VR游戏的参与度更高。通过VR情境教学，学生可以保持对游戏的高度参与、热情和积极的心态，解决学习困难，发展他们的理解体系。用户可以使用虚拟现实技术构建3D虚拟环境，就像计算机的虚拟模拟一样。参与者可以通过模拟在线环境并创建包含多条数据的新型参与式探究，在三维空间中体验虚拟空间。借助虚拟现实，学生可以在在线环境中积极地建立理解。学生依靠他们的累积经验来选择和分析广泛的教学材料，自然地结合新数据和先前知识，并建立更深刻的理解体系。

使用虚拟现实来加强体验式教育已成为工程教育的流行趋势。沉浸式虚拟现实教室可以降低计算流体力学模拟 (CFD) 等具有挑战性的课程的入门门槛。这些环境可以通过复杂的参与和易于获取的技术知识来提高智力。它们还可以显著影响学习的行为要素，例如吸引和激励学生。VR 教室可以为由 CFD 模拟支持的易于使用且质量卓越的复杂学习环境铺平道路。4C/ID 概念是几种有趣的教育设计方法之一，它作为一种支持众多领域复杂课堂的工具而广受欢迎。在促进复杂教学方面，4C/ID 方法提供了四个主要元素：学习任务、即时信息、支持性信息和部分任务练习。通过结合创建工具和 4C/ID 组件所强调的教育设计概念，虚拟车库的教育环境基本上是井然有序的。虚拟车库如下图 2所示。

图 2.虚拟车库。

VR 的智力和行为优势可以帮助教师降低学生认为困难的科目的难度。计算流体力学 (CFD) 模型是创建和研究化学工程问题的重要技术。虽然工程教育中的教师和学生可以直接使用 CFD 模拟技术，但学习者和教师必须克服一些实施和操作相关的问题。

与基于桌面的模拟空间相比，头戴式设备给消费者的印象是，它们是这种沉浸式虚拟空间不可或缺的组成部分。职业培训和教育场景的参与者应该使用 IVR。例如，职业教育可以在没有设备和机械的情况下进行，或者避免因错误而造成损失的风险。尽管如此，组织仍需要采用 IVR 来有效利用这些机会。考虑到创新的可及性很少转化为其使用，因此可能需要调查目标群体接受或拒绝技术的原因，以改进预测并鼓励技术采用。由于参与者在实验中看不到大量的数学公式，因此现实世界的测试通常不适合解释。教师可以通过数学计算向学习者展示；但是，学习者需要帮助才能独立完成这些任务。因此，UNREAL ENGINE 4 可以为流体力学构建一个虚拟环境。然后，虚拟环境允许学生通过修改流动来探索和感受基本的物理后果。

在一项研究中，研究人员实施了与流体力学课程相关的作业和讲座结果，并对结果进行了评估。然后，研究人员使用结果来确定虚拟现实在课堂上的优势。在虚拟实践课程中，通过虚拟实验室的扇区跳跃展示流动，学生可以在其中使用商业程序 UNREAL ENGINE 4。由于该应用程序的图像绘制速度快、效果好，许多现代计算机游戏（如虚幻竞技场、堡垒之夜、质量效应等）都使用它。它们在游戏控制方面也表现出相似性。制造商的定价策略是引擎的另一个好处，因为运行引擎的程序出于教育原因是免费的。

研究人员在一项研究中监测了大量使用基于 VR 的飞行模拟器作为持续评估组成部分的学生样本，结果得出了深刻的信息。根据初步调查结果，70% 的学习者表示，使用虚拟现实设备提高了他们在模块中的学习成绩，每个学习者都表示虚拟现实为学习提供了额外的沉浸式环境。这项研究的结果强调了将虚拟现实眼镜纳入技术课程可能带来的潜在优势，可以提高学习者的参与度并促进沉浸式模拟实践能力的发展。两名学生因此扮演了飞行员和副驾驶员的角色，以复制逼真的驾驶舱情况。实验室使用高端控制装置（由鼠标表示的操纵杆、油门和方向舵踏板）为飞行员提供真实的触觉。人类飞行员可以使用控制装置操纵飞机、改变推力、打开襟翼调整飞机以及打开自动驾驶仪。他们观看一个单独的屏幕，该屏幕显示飞行员在没有虚拟现实的传统飞行模拟器中看到的周围环境和机舱的景象。由于场景是固定的，飞行员只能用鼠标环顾四周。副驾驶区域有一个单独的显示屏，上面复制了驾驶舱监控面板，如下图 3所示。

图3.基于VR的飞行模拟框架。

工程教育的核心原则之一是现实世界的应用。因此，每门工程课程都必须包含现实世界的实践知识。基于项目的学习 (PBL) 可以帮助学习者更好地理解现实世界。PBL 鼓励学业成就，因为它是一种以学生为中心的培训方法，学生可以相互交流，探索现实世界的问题或挑战。研究表明，PBL 与工程师的专业实践非常相似，非常适合工程培训。

近几年，虚拟现实在技术和设计方面都越来越普及。各种录音设备、编辑软件和虚拟现实头显都可用于使用 VR 构建和查看环境。基于 VR 的模拟长期以来一直用于飞行员和医学培训，为在风险更高的情况下获得经验提供了一种安全的方法。Singh 等人在一项调查中比较了沉迷于 3D VR 课程的学生的反应及其学习目标与观看 2D 电影的学生的反应。由于 3D VR 课程改善了实践教学，因此学生更喜欢它们而不是 2D 电影。根据调查，2D 电影在精确再现场景方面可能比 3D VR 组件更好。

然而，研究也表明，2D 电影和 3D VR 软件包的教育效果不相上下。必须对其设计进行深思熟虑，以充分利用 VR 体验。沉浸式 VR 课程可能会改善学习者的教育，因为学习者会受到过多无关内容或与主题无关的干扰。所呈现的内容需要成为虚拟环境的焦点。蔡建议在 VR 教育目的的教学方法中使用“深度学习”一词来描述 VR 等教育技术的目标。可视化通常基于 2D，无论是在教科书还是投影屏幕上，因此蔡展示了 3D 可视化如何帮助学习者有效掌握学习对象、原理和程序。他说，虚拟世界中用户与模拟项目之间的交互（例如，虚拟细胞内的人观察细胞器，或以三维方式可视化飞机发动机或河流创造）将产生令人兴奋且真实的方法来促进教学。学习者可以提高技术意识并理解具有挑战性的想法。

与面对面 (FtF) 授课相比，本研究考察了基于 IVR 的互动在构建任务方面的优缺点。作者比较了虚拟环境中基于 IVR 的讨论与现实生活中传统的面对面交谈的效果。实验结果表明，面对面和基于 IVR 的协作在对话的卓越性、深度和透明度方面促进了有效的互动。

研究表明，基于 IVR 的交互可以提供大量数据，同时可以作为地理位置遥远的组织或班级的备用交互方式。为了帮助建筑教育项目的参与者更有效地沟通，需要提高基于 IVR 的对话的相关性和正确性。根据研究结果，改善 IVR 系统中的人与人之间的联系对于提高沟通效率至关重要。Riverside 的 5E 探索性教育模型如下图 4所示。

图4.使用VR教学，Riverside的5E探索性教育模式。

具体而言，建立基于 IVR 的交互方法至关重要，这种方法可以促进非语言信号的交换，例如身体姿势、动作和目光。对于地理上分散的参与者，基于 IVR 的方法可以减少沟通不畅，提高项目参与者之间互动的适用性和准确性。它可以帮助学生在 IVR 环境中感受到更紧密的联系。基于 IVR 的交互可以作为替代沟通方式提供很多功能，可以补充或取代现有的沟通渠道，尽管它可能仍需要技术进步。基于 IVR 的协作将有助于改善大型全球项目的管理，通过实时连接远距离参与者。图 5显示了带有虚拟形象的 IVR 环境

图 5.带有化身的 IVR 环境。

由于成本下降，虚拟现实正变得越来越普及，超出了它最理想的业务范围。改进的学习设计和深思熟虑的教育标准加速了虚拟现实在教育领域的应用，特别是在 STEM（科学、技术、工程和数学）学科领域。降低成本使研究人员能够使用微妙的过程进行交互并产生可见的教育成果；研究人员的参与和可用性带来了巨大的希望。这项研究提出了一种新方法，通过使用 VR 程序绘制个人图表来提高用户对任何数学方程式的理解。建议的方法使用 Unity 工具和 C# 编程语言。学生可以在虚拟现实环境中使用所提出的技术查看和使用数学方程式图表。

在一项针对正在进行的工作的沉浸式 VR 模拟的调查中，其目标是改进和简化移动通信技术人员的实践培训。根据初步试验结果，用户认为界面简单易懂、令人愉快。大多数人表示，与之前的教学体验相比，他们对材料的参与度更高。学员们对跟踪他们的手部表示不满，包括系统如何让参与者在 3D 环境中控制事物；然而，一项调查预计 Oculus Integrating 套件的手部跟踪技术仍在测试中。虽然该应用程序依靠捏和握等手部动作来移动物体，但所有参与者都预计手部会像在日常生活中一样发挥作用。在课程开始时，学员们对这种差异感到困惑，但通过练习，每个人都有所进步。此外，手部跟踪依赖于 Oculus Quest 头戴式设备前面板上的摄像头。对于未来的实验，供应商必须明确说明设备的工作原理，因为许多参与者对这种行为感到困惑。

一项研究确定了影响高等教育沉浸式教学效果的六个基本组别和变量：学习设计、技术、沉浸感、参与度、互动性和功能性。另一篇文章中的一项调查寻找了基本变量的新视角。然而，由于虚拟现实和沉浸式教育的词汇量不断扩大，包括增强现实、360 度电影、CAVE 和直接 3D 屏幕，该研究仍然存在局限性。需要更多地讨论学习理论，这是沉浸式教育体验的基石，需要改进，正如早期文献综述中所见。后续研究表明，研究人员应根据上述要素的联系和相互依赖性，制定适合沉浸式教学设计的框架。沉浸式学习认知情感模型 (CAMIL) 的机构可能会采用这种模型。沉浸式培训继续主要使用 Unity3D 进行软件开发。每次采用新技术时，用户都必须调查其对教育结果的性价比影响。为了确保高校的教学和学习在工业革命 4.0 的背景下仍然具有适用性，研究人员建立了面向未来的课程 (FRC)。交互式网站 FLUID-LABVIR 为研究工程和流体力学的学者提供了沉浸式学习环境。研究文章广泛讨论了沉浸式学习的应用、发展和困难。然而，关于沉浸式学习的当前应用，特别是在工程领域的应用，缺乏可供审查的信息。使用 VR 技术的问题之一是许多学习者在观看虚拟现实电影时感到不安。

该平台提供多个平台和一个利用多媒体内容和模拟施工模拟的在线结构，方便参与者在实验室中练习实验。该网站包含解释概念的电影、测试、插图和图形。在 2020-2021 学年，研究人员在模拟实验室任务中使用了三种技术：管道水头损失 (FM-HLP)、明渠流动 (FM-OC) 和风洞 (FM-WT)。参与者认为模拟器比传统技术更具吸引力，是面对面实验的合适替代品。根据文献综述，在学术机构实施沉浸式学习需要采取全面的战略，包括开发沉浸式教学的软件和硬件解决方案、建立配备必要技术资源的专用虚拟和增强现实实验室、将沉浸式学习技术纳入学术课程，并开展研究以探究沉浸式教育的功效。

他们的目的是定量评估沉浸式虚拟学习环境在机械和工厂工程机械操作员教育中的应用。调查的数值结果表明，人们对现代技术的实用性、简单性和受训人员的使用意愿非常热情，对教育成就和学习过程中的动力也给予了积极评价。所有的用户体验指标都在非常合适的范围内。VR 培训中认知评估所需的努力是积极的，处于中间水平；进行了一项调查，比较了面对面和虚拟实验室的有效性。对这种教学策略有效性的审查依赖于三个因素：（i）通过开放式询问问卷收集的学习者的回答和李克特量表的评论，（ii）受训者对虚拟实验室的参与程度，以及（iii）其对学生学业成绩的影响，以课堂测试结果来衡量。与实际实验室相比，学习者对虚拟实验室材料的了解表现出更大的信任。这很有意思，因为只有一项研究的虚拟实验室和面对面实验室的课程是相同的。参与者还对虚拟实验室的灵活性表示感谢，强调它可以在任何时间、任何地点使用，并且完成一项任务所需的时间也短。

建筑和施工领域的虚拟现实是一种新兴趋势，它为专业人士和学者带来了各种好处，而不仅仅是 BIM 技术集成。在莱里达大学，技术建筑和建筑学位课程进行了一系列沉浸式练习，以量化这项技术的潜在好处。研究结果表明，学员掌握虚拟现实工具非常简单，这些选项作为专业操作工具非常有用，特别是对于设计阶段，并且是教授建筑和施工的绝佳方式。

在对旨在改善和简化现场服务通信工程师实践培训的虚拟现实模拟器进行评估时，研究的初步测试结果显示，所有受访者都认为该系统非常有趣，大多数受访者喜欢这个过程，并认为它通常操作简单。然而，那些没有玩过电子游戏的人发现界面很难适应，可能会影响他们对完成特定任务的满意度和挑战的报告。与会者表示，在 2D 显示器上的 3D 设置中操作时，更难熟悉和感知深度。他们觉得自己过度依赖键盘和鼠标的协作。因此，许多人表示，类似的应用程序可以更有效地与沉浸式虚拟现实头显配合使用。然而，利益相关者需要综合更多有关 VR 和 AR 在学习中的管理和链接的信息，例如其他领域的发展和研究进程。调查表明，培训师在将技术进步融入学生之前，应彻底评估技术进步的可持续性及其在教育环境中采用的潜力。

Unity 推出了一款名为“埃因霍温声学虚拟现实 (EAVR)”系统的程序，用户可以摆弄各种声学材料和房间大小的组合，同时实时听到这些变化。导师和学生可以将 EAVR 程序与头戴式显示器 (HMD) 或计算机显示器一起使用。可以通过检查当前状态来修改或保存场景的听觉特性，然后当用户身处空间中时，可以检索和对比这些特性。该程序使用增强版的共振声音，该版本已针对教学目的进行了调整，以便显示声学物质的吸收系数和预估混响时间。为了向用户呈现完全沉浸感，虚拟现实平台也必不可少。控制器可以是完整的控制面板，用户必须手动执行活动，也可以是便携式控制器，其中操作分配给按钮。

本研究展示了可能使学生、教育工作者、组织和教育机构受益的有益结果，其动机是需要系统地研究虚拟现实和教学分析对不同学校内不同类型的学生和教师的影响。在互联网上，学员可以虚拟地进行模拟实验室测试。此外，随着访问的改善，学员可以随时随地进行实验。

物联网将虚拟世界和现实世界融为一体。联网智能设备可以收集、处理并偶尔分发关键数据。这有助于远程学习虚拟现实教育环境。研究 VR 和 AR 技术对教育机构在线教学的适用性和影响至关重要。研究应关注这些工具如何影响教育成果，例如从课程准备到学生评估和评分等各级高等教育的成就和参与度。价格合理的设备和软件的广泛普及，加上技术的进步，提高了 VR 在许多领域，尤其是教育领域的可行性和吸引力。当将 VR 作为头戴式设备 (HMD) 实现时，可能会带来在资源有限的情况下教授医学信息的新方法。其好处包括，HMD 允许在许多类型的医疗专业领域进行重复练习，而不会对患者产生负面影响。

与此同时，这还是一项新研究。此类研究方法仍需要在新的长期研究中加以改进，以确认机构是否能够随着时间的推移不断改进教学。必须认识到教学方法方面的差异，例如环境、样本、时间框架、社会经济地位或具有不同内容的教育计划。在现实生活中进行训练通常是困难或不可能的，但 VR 让学生有机会安全地体验现实情况，在这种情况下，做出正确的判断至关重要。

当今和未来的课堂将受到技术进步的重大影响。这些技术发展包括高速网络、虚拟现实和人工智能的新时代。即将到来的 6G 网络传输的速率将足以满足远程呈现和远程操作等虚拟现实应用的真实场景需求。一种名为“教育 4.0”的新型教育方式试图培养学者和下一代学员，让他们为即将到来的技术变革做好准备，这种变革需要新技能和技术，如 3D 打印、尖端机器人技术和工业物联网 (IIoT)。从传统的学校教育转变为无处不在的个性化培训，这是互联虚拟环境的一个要素，而新冠肺炎疫情的爆发也使得这种转变成为必然。借助 5G 移动网络出色的延迟和可靠性能力，学习者可以虚拟地体验和操作有形物品。

5G 网络通信的商业部署极大地促进了技术先进的新型虚拟现实教育选项的发展。虚拟现实教育是高带宽应用的一个例子，它给传统网络结构带来了很大的压力。除了满足实时演示、超低延迟和短循环 VR 流传输的需求外，多路访问边缘计算 (MEC) 还可以将用户面板移近界面。受 5G 的启发，6G 不仅帮助个人和物体促进智能设备之间的高效交互，从万物互联过渡到万物智能，还助力打造智能万物互联和数字孪生的美好未来。教育元宇宙中的虚拟现实融合环境采用了最新的创新技术，包括区块链、AI、5G+、6G、VR、AR、MR、数字孪生等。它融合了虚拟世界和现实世界，将虚拟与客观现实联系起来，是一个促进关系和培训的复杂而智能的教育环境。物联网和 5G 刚刚开始发展其独特的时刻，并正在扩展到更令人兴奋的技术，如自动驾驶汽车、智能工厂和远程手术。6G 的要求将涉及用例和重新发明灵活的框架工程。除了可用性之外，6G 将引领未来的技术进步，重新定义围绕信息利用的商业模式，因为它将既是物理规范，也是虚拟规范，为创新组织机构开辟新的机会。下表 1显示了 10 篇选定评论文章的 VR 方法、优势和挑战。

表 1.2019 年至 2023 年间 10 篇评论文章的 VR 方法、优势和挑战。

方法 优势 挑战
调查与案例研究 沉浸式体验的刺激。
全方位的感觉，包括触觉、听觉和芳香的沉浸。 成本高
缺乏资金和管理支持
教师对在学习环境中使用XR技术的接受度低且缺乏热情
创建具有大量场景供测试和细节的虚拟环境，需要大量的后台工作。
降低用户的情感体验。
定性和定量或混合方法 感知易用性的增强、对用户体验的良好评价以及教育成果或成就。 尽管 VR 模拟越来越受欢迎，但可用于教育教师和培训师有关 VR 在 STEM 领域的应用的分析仍然很少。
PRISMA 说明 在各类学校中，最大的好处是提高了学生的积极性和专注度。
有趣的练习激发学生的参与度
，努力提高大学生对信息的记忆力。
培养学生的自信心，
帮助教学”是对教师的影响。
教师将成为内容促进者，而不是内容提供者。 与技术实施和维护相关的费用
软件的价格和可访问性
需要具备 3D 建模、计算和对主题有透彻理解的必要能力和知识的专家来创建此类内容。
发现的另一个障碍是缺乏现实性。
沉浸式技术通常很复杂且难以使用，尤其是对于新手或需要提高技术技能的人来说。
技术的不利体验
长时间使用沉浸式技术可能产生的负面影响，如眼睛疲劳或晕动症
系统文献综述 您可以随时随地使用虚拟实验室。
学生可以不受时间、金钱或空间限制地进行实验。 本文只关注效益。
民意调查 HMD 通过模拟现实的 3D 虚拟环境提供完全沉浸感，是目前使用的大多数现代 VR 解决方案的基础。 它没有额外的广泛研究。
系统性综合评价 对学生的参与度和表现产生积极影响 还需要记住的是，尽管成本下降，但虚拟现实仍然是一种有点复杂且昂贵的产品。
比较 一种教育形式，可以更有效地满足当今世界学习者寻求乐趣、互动、参与和操纵物品的需求。 除非解决某些技术和社会问题，并修改教育课程以充分利用该技术的功能，否则不可能有效地将 VR 融入课堂教学。
根据 PRISMA 进行系统评价 头戴式设备 (HMD) 可能为资源匮乏的环境开辟教授医疗内容的新方法。在许多医疗保健专业中，HMD 允许重复教学而不会对患者造成伤害。
它们还可能开辟研究复杂医疗保健内容的新途径，并消除使用尸体和其他技能实验室设备（传统医疗保健教学工具）的道德、资金和监管限制。 许多基于 HMD 的治疗都是试验项目，范围有限。HMD
在外科和解剖学中的应用非常普遍，但尚不清楚其他医学专业是否以及如何从中受益。
通过文献计量研究进行定量探索 虚拟平台可以为测试可能存在风险的事物提供安全的环境，并且经常模仿学校环境。
各个学习阶段的技术工具使用率都在上升，教师们正在使用这些工具来增强学生的教育体验。 与各种传统方法相比，这些教学工具的教学效率提高能力是其主要局限性之一。所有学生的平等机会和用户保密性是需要考虑的其他因素。
参与者和设计 多项研究结果表明，桌面虚拟现实比传统教学具有更高的激励效果。将
完全沉浸式虚拟现实（即头戴式显示器）与传统培训方法的成功率进行比较的调查反复表明，沉浸式虚拟现实在激励效果方面更有效，例如自我报告衡量的愉悦感、灵感和信心。 之前的研究比较了虚拟现实安全指导与传统技术之间的效果，但结果并不一致。
由于交互方式新颖，且缺乏控制设备的经验，技术经验不足可能会对培训产生负面影响。 2.2. 搜索策略

我们彻底搜索了几个学术数据库，特别是 Springer、IEEE Xplore、Scopus 和 Google Scholar，以查找相关研究。搜索使用了有关沉浸式学习、工程教育、虚拟现实、教育中的 VR 和其他主题的各种短语和关键词。分析仅限于 2019 年至 2023 年期间发表的论文，以涵盖该领域的最新进展。我们排除了 2024 年，因为它仍在进行中。表 2显示了使用的纳入和排除标准。

  • 纳入和排除标准

表 2.使用的纳入和排除标准。

纳入标准 排除标准 已在会议论文集或同行评审期刊上发表的研究。 未经同行评审的文章，包括社论、评论文章和杂志文章。 研究集中于虚拟现实在工程教学中的应用。 研究与工程教学并没有特别的联系。 英文文章。 2019 年之前发布的文章。 使用案例研究、准实验或实验方法进行的研究。 缺乏重要定性分析或实证数据的研究。 书籍章节的研究。
2019 年至 2023 年期间发布的经过同行评审的研究。 不讨论提高技能或教育成果的研究。 虚拟现实（VR）在本科和研究生工程教育中应用的实证研究。 不集中于工程教育或虚拟现实的研究。 衡量技能提高、学生参与度或教育成果的研究。

  • 数据提取与合成

为了便于消除重复，第一次扫描发现的所有研究论文都被导入参考文献管理程序。筛选过程分为两个阶段：标题和摘要筛选之后是全文评估。

  • 标题和摘要筛选

所有已确定的文章均由两名独立的审阅者根据纳入和排除要求评估其相关性，他们分别审阅各自的摘要和标题。解决审阅者之间的分歧需要讨论或咨询其他审阅者。

  • 全文筛选

我们选择了出版物的全文，并评估了它们的合格性。然后，我们收集了相关数据，仔细检查了每项调查，以确定其设计、样本量、VR 应用、教育成果和主要结论。

  • 数据合成

我们采用叙述方法，收集和综合信息，并根据流行主题和结果对论文进行分类。综合的目的是发现趋势，评估 VR 在工程教育中的实用性，并指出现有研究中的差距。

  • 质量评估

我们采用了根据 PRISMA 修改的标准化检查表来评估纳入研究的质量。我们根据研究目标的清晰程度、技术的适用性、研究结果的可靠性以及对该领域的总体贡献等标准对每一项研究进行评估。

  • 限制

尽管本分析旨在提供全面概述，但认识到任何潜在的缺点至关重要。这些因素，例如出版偏见、排除非英语研究、研究方法的差异以及 VR 的使用，可能会影响结果的普遍性。尽管存在这些缺点，但系统评价提供了有关虚拟现实在工程教育中的应用的深刻信息，并为进一步研究指明了方向。

  • 目标和研究问题

本系统文献综述的主要目的是系统地评估虚拟现实应用在工程教育中的实用性和影响，强调与实施、学习成果、学习者参与和提高技能相关的困难。

  • 研究目标

主要目标是评估虚拟现实工具的效果如何、使用起来是否方便以及它们如何影响各个领域的工程教育。

  • 次要目标：

  • 列出将虚拟现实应用于复杂工程理念的好处和困难。

  • 检查 VR 对学习者参与度、实践能力和知识回忆的长期影响。

  • 检查虚拟现实与当前工程计划的成功且可持续的整合。

  • 研究问题

  • 虚拟现实工具如何提高工程教育的学生成绩、信息回忆和专业技能的获取？

  • 虚拟现实在工程师教育中应用存在哪些困难和技术障碍，如何克服？

  • 与传统的教学方法相比，虚拟现实如何影响学生的灵感和参与度？

  • 教育工作者和学生对于课程中融入 VR 有何看法。

图 6.目标和研究问题。

3.材料和方法

方法论

  • 研究设计

本系统文献综述遵循了系统综述和荟萃分析的首选报告项目 (PRISMA) 标准。PRISMA 通过提供进行系统综述的有组织的方法来确保研究过程的透明度和彻底性。这项研究仅涵盖了五年，主要是因为技术瞬息万变，需要研究当前和最新的趋势。我们使用 ChatGPT 进行内容创作，使用 QuillBot 进行语言改进。

我们使用 PRISMA 框架进行了系统评价，进行了彻底的文献检索，以查找和选择有关工程教育中虚拟现实的研究，

元分析：将合并和检查选定研究出版物中的定量数据，以适当评估 VR 的整体功效。

  • 搜索策略

我们选择了符合 MDPI 期刊严格要求的目标和研究问题，保证使用 PRISMA 方法对工程教育中的虚拟现实进行全面而稳健的方法论分析。

  • 系统文献综述过程

我们最初在 2024 年 6 月检索了这项研究的数据。然后，我们在 2024 年 9 月的第一次修订中添加了另一个参考文献。规定的年份范围是从 2019 年到 2023 年，共五年，我们排除了 2024 年，因为这一年尚未完成。但是，我们在 2024 年 10 月添加了 2023 年和 2024 年的研究。以涵盖多年来关于这个主题的所有内容。在关于最新技术的科学文献中，我们报告了使用相关且全面的搜索公式，涵盖任何教育水平和学科。正因为如此，也因为这个主题是多学科的，我们采用了“布尔运算符技术”进行以下搜索：“('沉浸式学习') AND ('gamif*') AND ('虚拟现实') AND '(工程教育') 在 SCOPUS 中搜索标准；对于 IEEE 数据库，布尔运算符使用了关键字“All Metal data”；工程教育”。对于 Springer，我们使用“沉浸式学习” AND “虚拟现实” AND “工程教育”。最后，对于 Google Scholar，我们使用“allintitle”运算符，以及精确的关键字 IEEE。

如图 7所示，该程序遵守并遵循了 PRISMA 声明的每个步骤和规范。67 篇文章首先出现在三个数据库中：SCOPUS（87）、IEEE 7、Springer 464 和 Google Scholar 21。我们排除了 354 条记录，因为它们被认为是重复的。然后，我们筛选了 144 篇文章。纳入标准是虚拟现实在工程教育和研究中的应用，包括在同行评审出版物上发表的教育应用。我们取消了 433 篇文献的调查资格，因为我们意识到它们不符合研究的资格标准。我们要求检索的 144 篇论文全部被找到。我们还手动筛选了 121 篇文章。

图 7.PRISMA 2020 数据库和注册表流程图搜索。

因此，23 篇文章符合我们的审查条件。此外，我们没有考虑另一篇论文，因为它包含一篇不完整的文章。我们手动纳入了 43 份报告。因此，审查纳入并审查了 66 篇出版物。

4.结果与讨论

4.1.虚拟现实在工程教育中的优势

  • 提高对复杂概念的理解：VR使复杂的工程结构和系统在视觉上更具吸引力，这有助于受训人员理解使用传统技术通常难以理解的空间连接和功能。

  • 互动教育：通过允许参与者使用模拟设计、调整零件并即时查看修改结果，互动教学可以帮助参与者更好地理解材料。

  • 安全的实验环境：虚拟现实为受训人员提供了一个无风险的平台，可以开展学习和磨练技能，而无需担心受伤或支付实际测试所需的材料费用。

  • 增强参与度：沉浸式虚拟现实可以提高学习者的积极性和投入度，从而使学习变得更加愉快和有趣。

  • 适应性和可访问性：由于 VR 可以远程访问，它提供了大量的教育可能性，并允许不同地区的教育工作者和学习者进行合作。

4.2. 虚拟现实在工程教育中的应用

下图 8显示了虚拟现实在工程教育中的应用。其中有五种已确定的用途，每种用途都有简要说明。

图 8.虚拟现实在工程教育中的应用。

  • 学习工程学的学生可以构建和使用机器、系统和结构的三维模型。三维模型有助于深入研究和理解创造性概念。

  • 通过将学习者带到世界各地的工厂、建筑工地和技术现场，虚拟现实可以让他们了解实际用途和工业流程。

  • 在技术教育中，培训师和受训者可以使用 VR 技术进行认证和评估，并为焊接、电路设计、操作机器和电信等专业技能提供实践指导。

  • 多用户虚拟现实设置支持合作任务，允许参与者无论身在何处都可以就技术问题进行合作。

  • VR 实验室复制了真实的实验室条件，受训人员可以在其中练习技术、进行测试并学习如何使用设备，而不受身体限制。

4.3. 虚拟现实在工程教育中的应用挑战

下图 9显示了工程教育中的虚拟现实挑战。它们有五种已确定的用途，并对每种用途进行了简要说明。

图 9.在工程教育中使用虚拟现实所面临的挑战。

  • 高端虚拟现实设备和程序的成本可能会让许多教育机构望而却步。

  • 由于虚拟现实技术仍在发展中，分辨率、延迟和视野等问题可能会影响用户的交互方式。

  • 制作教学用虚拟现实内容需要时间、经验和金钱。教师可能需要帮助来创建和实施基于虚拟现实的课程。

  • 确保所有受训人员，特别是残障人士能够使用 VR，这可能很困难，但却是必要的

  • 某些教育机构和专业人士可能不愿意接受技术进步，而倾向于采用更传统的教学方法。

由于虚拟现实设置的限制，即其运动程度受限，典型的运动范围仅为 3×2 平方米，这使得复制需要广泛活动范围的练习具有挑战性。例如，无法进行长距离追逐练习。由于缺乏表现反馈，它在需要精确活动的练习中表现不佳。例如，如果医护人员没有适当包扎伤口，患者的痛苦可能会加剧。在基于 VR 的护理教育中模拟患者的反应可能很困难。地球科学实地教育面临的困难包括责任问题、残疾学习者的可及性和安全隐患。由于预算限制，在小型大学工作的地球科学家可能会使用不充分的露头，偶尔会在周末前往更好的地区。即使在机构解决了后勤问题的情况下，教学缺陷仍然会影响实地考察。指导老师通常会带领学生观察某些地质事件，但拥挤的空间、崎岖的地形和极少的知识可能会让学习者难以完全参与其中。恶劣天气和巨大噪音等环境干扰会进一步扰乱学习过程，可能会阻止一些学习者参与学习或降低学习效果。开发硬件和软件所需的时间和金钱、对安全和健康的潜在影响、佩戴头饰的不适、潜在的使用意愿以及将其融入教育环境，都是使用 IVR 的一些缺点。此外，在激烈的 VR 环境中，参与者容易超负荷和分心，从而影响他们的学习能力。使用 IVR 可能会通过降低记忆能力来干扰教学过程，这取决于教学目标。

4.4. 未来方向

  • 虚拟现实技术的发展：随着虚拟现实硬件和软件的不断发展，虚拟现实体验的质量和可用性将会提高，使其更加广泛地普及并且价格更加合理。

  • 与不同技术的融合：通过将虚拟现实与触觉反馈、增强现实和机器智能相融合，可以创造出极具沉浸感和吸引力的教育环境。

  • VR 材料的增长：随着越来越多的组织和大学进行 VR 投资，优质、多样化的 VR 教学材料的数量将会增加。

  • 创新与研究：当前关于虚拟现实在教学中的实用性的研究将揭示当前的标准，并有助于推动基于虚拟现实的教学策略的创建。

  • 更广泛的接受度：随着 VR 的教育优势愈发明显，它在全球工程项目中的应用越来越广泛，彻底改变了未来工程师的教学方式。

  • 研究表明，教育工作者和科学家应该考虑将 360 度视频与课堂上未使用的各种沉浸式技术结合使用。这些电影在智能手机和白板上观看，或直接传输到头戴式显示器时效果最佳。360° 视频在学习环境中大有裨益。360° 视频普及的第一个因素是观看这些视频所需的基本设备成本低廉，包括智能手机和纸箱——学习者通常会拿着这种设备。其次，观众可以使用他们预期的感觉运动偶发性——比如头部运动——从自私的角度探索所呈现的环境。观众会感到受到鼓舞，开始与沉浸式体验相关的过程，从而促进教育。尽管非常简单直接，但它们仍然提供了一种沉浸式的体验 。

  • 实地考察对于培养技能、整合信息和为继续教育做好准备至关重要，例如地球科学。随着新技术的普及和 IVR 的普及，鉴于教育技术的有效性，虚拟实地考察 (VFT) 越来越被认为是一种可行的教学工具，可以增强或取代真实的实地考察 (AFT)。然而，VFT 在基于地点的 STEM 教育中的应用很少受到研究人员的关注，目前需要更多的实证信息来比较学习者在虚拟现实中的实地考察与在计算机上观看的 VFT 中获得的教育体验和结果。

  • 我们在研究中使用 3D 场景重建方法获得了更高的沉浸感，该方法使用来自 iDAR 和深度相机等技术的点云模型来克服这些限制。但仍存在困难。大量数据阻碍了机器人和控制器之间的分析和交换，使得实时模型渲染对于许多依赖原始点云数据的三维重建方法来说具有挑战性。此外，这些点云模型缺乏重量和碰撞检测等物理特征，这使得开发基于物理模型的更复杂的控制系统更具挑战性。我们建议在这一领域开展更多研究。

  • 机构和教育工作者应该研究技术在教育中的应用，因为技术会直接影响自然界。应该强调协作方法对研究的重要性，因为这种方法可以召集专业学术界来处理和解决在教育环境中使用新技术时不可避免的问题。它还可以提高当前研究环境之外的研究结果的可信度和有效性。

  • 概括

虚拟现实在工程教育中的实施和效果是我们纳入系统文献综述的 2019 年和 2023 年发表的论文的主题。我们将研究结果分为四个主要类别：学习者的参与、技能的实际提升、学习成果的效率和实施关注点。

因此，任务可供性对于确保任何学习设计超越记忆并鼓励学生从社会情感角度学习至关重要。此外，VR 学习环境需要一些时间来调整。使用 VR 时曾出现过晕动症的情况，VR 控制非常规，需要一段时间才能适应。用户对虚拟环境的接受程度各不相同，这对学习和研究造成了障碍。

虚拟现实在教育领域可以改善学习效果、提高理解力并促进实践技能的发展，尤其是在工程教育领域。然而，在教育领域的学习者和教师能够更大规模地使用虚拟现实之前，用户必须解决我们上面提到的挑战。作者选择的时间跨度为过去五年，而不是更长，因为虚拟现实是一种不断变化的新兴技术；因此，大多数较旧的参考资料可能需要更新。

  • 有效的学习成果：

多项研究调查表明，虚拟现实显著提高了学习者对复杂工程概念的理解。

麦考瑞大学工程学院的一个案例研究将虚拟现实纳入了流体力学课程。该虚拟现实实验室使用 3D 数字流体动力学数据和 Ansys/EnSight、Oculus 和 SteamVR 等平台模拟了风洞设备。虽然传统实验室可以提高理解力，但它们价格昂贵，需要很大的空间；虚拟现实提供了类似的优势，却没有这些缺点。调查显示，超过 86% 的参与者表示 VR 元素既有趣又令人兴奋，但只有 37% 的人表示这对他们的成绩有积极影响。尽管如此，超过 93% 的人表示需要额外的 VR 流体力学课程，这表明他们对 VR 作为教学媒介有很高的好奇心。

  • 工程教育中的虚拟实验室对学生的学习效果有重大影响。大多数机构在新冠疫情期间关闭；因此，学习者通过虚拟方式上课完成学业。不过，许多人在完成实验室测试时遇到了困难。在不降低教学标准的情况下，虚拟实验室将帮助学员完成实验作业。

  • 技术能否有效地融入课堂，取决于那些天生抗拒变革的教师的积极参与和奉献精神。

  • 保留和回忆：

  • 这项研究发现，虚拟现实可以提高这些技能。参与 VR 教学的参与者比使用传统教育工具的参与者回忆材料更有效，记忆力也更好。

  • 从教育角度来看，我们建议科学家考虑所建议的教学方法与所采用的评估方法的匹配程度。尽管大多数研究都使用测试来衡量 IVR 后的熟练程度，但纳入额外的教学指标可能更为合适。一项研究建议将学习指标（例如要求学者参与解决挑战并展示他们在环境中的能力）与保留计划相结合。要求他们记录他们所经历的主题的所有内容将更准确地确定培训的有效性。

5. 结论

虚拟现实 (VR) 是机构可以用来改善工程教育的有力工具。它在学习成果、参与度和技能发展方面提供了显著的好处。然而，要充分发挥其潜力，机构需要解决成本、可访问性和内容制作的问题。后续调查应集中于定制教育、持久影响、与其他技术的融合以及可扩展的执行方法。通过这样做，将有可能改变教育体系，为毕业生提供更多重要机会，使他们更好地应对当代工程的挑战。

360 度摄像头、Google VR Tour Creator、ThingLink 和 CoSpaces Edu 等廉价解决方案使教育工作者可以轻松制作包括参与式游览和 3D 环境的 VR 材料。已设计好的讲座可在 The Nearpod 和 ClassVR 等网站上找到，使用智能手机和基本应用程序（如 Google Cardboard 等 VR 查看器）很容易让学生对 VR 产生兴趣，而无需特定的专业知识。通过沉浸式模拟和虚拟实验室，VR 有可能通过提高学生的参与度、知识保留和实践技能来彻底改变工程教育。然而，成功整合的必要条件是获得 VR 基础设施、教师和学生培训以及与学习目标保持一致。VR 可以培养批判性思维和团队合作精神，但也有缺点，例如昂贵的费用、技术困难以及需要更好的评估工具。此外，我们应该对 VR 的影响进行一些长期研究。尽管存在这些障碍，但虚拟现实为改变工程教育提供了巨大的前景，但可持续性和可及性对于进一步研究仍然至关重要。

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