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摘要：虚拟现实与增强现实技术是近年来教育领域应用的新兴技术，游戏化元素则丰富了虚拟现实与增强现实的应用设计。该文对虚拟现实和增强现实的教育游戏应用研究进行了梳理和分析。首先，介绍了基于桌面、头戴式设配和激光控制的虚拟现实教育游戏应用案例及研究，以及强调角色、位置和任务的增强现实教育游戏应用案例及研究，并对传统面对面学习方式、传统在线学习方式、虚拟现实和增强现实学习方式进行了对比分析。接下来，从情境学习、具身认知、心流理论、合作学习理论出发，对基于虚拟现实和增强现实的教育游戏的理论基础进行了探讨。最后，本研究提出基于VR和AR的教育游戏教学应用模式，并得出该领域教学设计及实验设计的研究启示，并提出基于虚拟现实和增强现实的教育游戏发展前景。
关键词：教育游戏；虚拟现实（VR）；增强现实（AR）；学习科学；具身认知
中图分类号：G434 文献标识码：A
一、引言
近年来，教育游戏成为技术促进教学的研究热点之一。教育游戏利用网络技术或智能工具作为交互媒介来辅助学习、提高学习参与度和持续性，提升了学习方法的多样性及学习过程的交互性。研究者致力于从教学原则、学习活动设计和技术应用等角度研究教育游戏对学习的促进作用。如何维持学习者的学习兴趣、提升学习者的学习效果，是教育游戏研究领域所面临的挑战之一。2016年被媒体称为“VR元年”，随着智能信息技术的发展，智能设备能够为教育领域提供新的研究视角，研究者逐渐探索起虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术在教育领域中的应用。《国家教育事业发展“十三五”规划》中提到“要全力推动信息技术与教育教学深度融合。综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”。单纯地应用智能技术，较难维持学习者的学习兴趣与持续性，为智能技术增加游戏化元素，能够在提升趣味性的同时，保持学习者的学习动机。虚拟现实和增强现实技术如何更好地应用在教学之中，智能技术与传统教学方式如何优势互补，是教育研究者和一线教育实践工作者需要探索的问题。
本研究选取Web of Science数据库的核心合集为主要文献样本来源，同时兼顾国内学者的突出研究贡献。使用WOS数据库高级检索功能，即使用字段标识、布尔运算符、括号和检索结果集来创建检索式，所用到的字段标识TS代表主题。本研究最终确定检索式为：TS=（“Educational Game*” OR “Game-based Learning*” OR“Computer Game*” OR “Video Game*” OR“Serious Game*”OR “Digital Game*”OR“Online Game*” OR “Eleetronic Game*”OR “Simulation Game*”）AND TS=（Learn*OR Education*OR Teach*）AND TS=（“VirtualReality*” OR“Augmented Reality*” OR“VR”OR“AR” OR“Mixed Realitv”）。設置时间跨度为2000-2017年。通过对研究内容相关的文献进行筛选与内容分析，试图从教育游戏视角探析VR和AR智能技术在教学中的应用及发展前景，为其在教育游戏领域的实践与研究提供参考。
二、基于虚拟现实和增强现实教育游戏应用及对比
将虚拟现实和增强现实内容游戏化（Gamification）不仅仅是通过游戏化元素来提升学习或培训过程的趣味性，更是为了提高学习者的参与程度，使虚拟现实和增强现实内容的呈现形式不再单一而具有多样化形式。以游戏的方式还能减轻学习者面对某些特定内容的心理恐惧，如昆虫学习等。通过对相关文献分析，本文将分别介绍基于虚拟现实的教育游戏及基于增强现实教育游戏的研究案例，并进行传统面对面学习方式、传统在线学习方式、虚拟现实和增强现实学习方式的对比分析。
（一）基于虚拟现实的教育游戏
虚拟现实（Virtual Reality，VR）即采用三维图形、音频及特殊的外围设备，利用计算机生成交互式虚拟环境。虚拟现实环境中使用的显示设备是沉浸式体验式的，技术的沉浸式特点可以增加用户的参与度。虚拟现实技术的类型有三种：第一种是基于桌面的虚拟现实，这种形式的虚拟环境在显示器中设置，通过传统的输入设备，如鼠标、键盘来进行交互；第二种是基于头戴式设备的立体虚拟现实，这种形式向用户提供—个对象两个角度的不同图像，从而实现一种沉浸式3D体验效果；第三种是激光控制的虚拟现实，学习者可以通过外部工具产生的激光束来进行操作，从而达到交互的效果。虚拟现实技术类型的多样性为不同类型教学内容提供了多种选择，同时也丰富了教育游戏的设计形式。
1.基于桌面的虚拟现实教育游戏
基于桌面的虚拟现实技术无法做到完全的沉浸体验，但是其成本比3D立体化虚拟现实显示低得多。Rosenthal和Geuss等人设计的医学外科手术学习系统是典型的基于桌面的虚拟现实教育游戏，通过游戏任务促使学习者学习和训练精细操作技能。该研究将可操作、虚拟现实界面归类为视频游戏，学习者无需佩戴头戴式设置，而是通过控制实体操作杆对电脑桌面演示的腹腔镜虚拟对象进行外科手术。研究发现，具有较多视频游戏经验的儿童在VR教育游戏中表现要比具有较少视频游戏经验的儿童要好，成人学习者也是如此。基于虚拟现实的教育游戏不但能够提升教学的趣味性，在实验真实性上，能够帮助学习者从空间立体角度来进行操作和实验，在技能训练方面，借助于操作杆，学习者可以反复练习程序性技能，提高了实验工具的可重复实用性。
类似地，Roitberg和Banerjee等人也将虚拟现实系统中的操作环境设计成游戏环节。尽管这类系统在游戏化元素设计上略显单薄，但该形式也是VR技术在教育游戏领用中进行突破性尝试的发展人口。也有学者认为基于桌面的虚拟现实技术对学生的吸引力并不大，因为缺少真实的3D体验和声音情境交互，而基于头戴式设备的虚拟现实教育游戏更易使学习者产生沉浸体验。 Ib á nez等人设计的虚拟现实教育游戏，以电磁学基本概念为教学内容，实验分为两组：在线学习组和AR学习组。该游戏向学习者提供基本的电磁学概念，并设置了五关需要学习者完成的电磁学回路相关任务，通过游戏任务，学习者对电磁学概念进行了回顾和应用。研究发现，AR学习组的学习效果好于在线学习组，AR学习组能够帮助学习者更好地理解和专注于学习内容。陈向东也设计并开发了基于任务的AR电路元件学习工具，通过任务驱动，引导学生进行自主探究学习。
强调任务的增强现实教育游戏可以设置为个人任务挑战和小组合作任务挑战的不同类型游戏环节。Chen等人设计了基于AR的科学教育游戏EARLS，该系统包含两个部分，第一部分是传统多媒体在线学习内容，第二部分任务类教育游戏，学习者以小组的方式共同完成选择题组的任务，充分带动了学生参与积极性。强调任务的增强现实教育游戏，能够为学习者构建积极的合作学习条件，为探索技术应用下合作学习提供了新思路。
（三）教育游戏相关应用对比分析
1.虚拟现实与增强现实技术在教育游戏中的应用优势
教育游戏不仅是为了提升教学的趣味性，而是更好地提升教学效果。教育游戏的技术应用有多种，如传统学习方式中的媒体应用和单击软件应用，普通在线学习方式中的网络游戏、移动应用等，再如本文探究的VR和AR的教育游戏技术应用。传统技术可以丰富课堂及学习活动，在一定程度上提升学生的学习动机和学习效果，相比于这些技术，VR和AR的应用优势体现在哪里呢？前人研究发现，将VR和AR智能技术游戏化的教学方式普遍好于或等同于传统学习方式和普通在线学习方式，使用基于VR和AR的学习材料的学习动机和学习效果也要高于2D学习材料。应用VR和AR技术的教育游戏可以帮助学生体验日常生活中难以接触或具有一定危险性的情境，如生态环境教学、化学物理实验教学等。总的来说，VR和AR智能技术应用于教育游戏相比于其他技术有以下四个优点：能够构建沉浸式情境提高学习者的学习动机和参与积极性；能够更好地通过多维度立体展示，促进学习者对知识的理解，从而提升教学效果；类似于可以重复观看多次的MOOC课程，能够弥补实地培训实验或学习成本较高的不足，VR和AR技术能够帮助学习者在不用增加成本的情况下，重复体验虚拟情境、多次进行实验探究。
2.虚拟现实与增强现实的应用优势对比
对于VR和AR技术，它们有着共同的特征，包括沉浸性、交互性和共享性。VR在一定程度上能够产生完全沉浸的体验帮助学习者更全面地理解知识内容，而AR相比于VR有三个主要的优势：首先，AR支持学生在真实情境下进行合作学习，与真实环境中的物体进行交互；其次，AR可提供可触摸的交互，学习者可以改变与真实环境叠加的物体的大小、位置，促进学习者积极参与知识建构；再者，AR在真实实验室的应用还可以弥补VR在实验操作上缺乏真实感的缺陷。
3.相关教学媒体选择的参考因素
在教学中选择不同的媒体技術需要综合考虑教学内容和媒体选择的多种条件，对不同技术应用下的教育游戏进行对比分析，能够为研究者和教育实践者在技术选择上提供参考。Chen和Tsai从学习环境方式、成本考虑及交互效果三个方面对传统教学方式、在线学习方式、虚拟现实、增强现实四类学习方式进行对比分析。本文在此基础上，结合教育游戏中交互特征、沉浸式体验的文献分析，对传统教学方式、在线学习方式、虚拟现实、增强现实四类技术应用下的教育游戏进行了对比分析，共有4个一级指标和14个二级指标（如下表所示）。
三、基于虚拟现实和增强现实教育游戏应用的理论探讨
通过对相关研究案例的分析，可以得出基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用主要有以下理论基础：情境学习理论、具身认知理论、心流理论和合作学习理论。虚拟现实和增强现实技术能够为学习者搭建虚拟学习情境，提供了结合身体运动的学习条件，游戏化设计能够使学习者产生心流体验，而虚拟环境或增强现实环境则为合作学习提供了新的实践场所。其中情境学习和合作学习在先前相关研究中体现较多，而具身认知理论和心流理论则是提及较少但十分重要的理论。
（一）情境学习
情境学习（Situated Learning）强调真实情境对学生在学习过程中的重要作用，强调学生与环境的交互和实践。虚拟现实技术为学习者提供了沉浸式学习情境，在大量研究中具有体现，如前面提到的Rosenthal和Geuss等人的医学外科手术学习系统为学习者提供了临床医疗的虚拟情境，Bhagat和Liou等人的军事射击系统则设计了丰富抗敌游戏环节，Chan和Leung等人的舞蹈练习系统也为学习者设计了动感的练习情境。增强现实技术则结合真实环境，为学习者提供了虚拟空间与真实环境叠加的学习情境，促进移动学习和泛在学习的发展，如前面提到的Chiang和Yang等人设计的生物知识学习系统，则是在真实生态情境下，促进学习者对生物知识的学习。
情境学习理论认为，有意义的知识建构只有在结合了真实情境的学习过程中才能够发生。体验式学习注重为学生提供真实的模拟环境，使学生参与到活动中的实践中。Oblinger等人提出虚拟现实技术在教育培训中的五个特征：问题解决、学习迁移、社群化、研究、实验。其中学习迁移指学习者在虚拟现实环境中习得的技能能够在真实环境中进行应用。虚拟现实和增强现实技术能够帮助学习者建构真实的学习情境，使学习者具有“临场感”，提升其学习兴趣的同时降低可能风险。
基于情境理论，研究者进行了丰富的实践研究。Shih和Yang设计了基于桌面的虚拟现实英语学习系统VEC3D，学习者通过游戏角色扮演、任务合作来进行真实情境下的口语练习。对于实践性知识，虚拟现实技术能够为学习者提供虚拟的实践情境。如Chen和Tsai设计了基于增强现实的图书馆学知识教育游戏ARLIS，帮助学习者通过完整真实情境下的图书分类任务来学习相关知识。该研究还创新性地探索了不同认知风格对基于增强现实教育游戏的学习效果，研究发现学习风格为场依存的学习者要比场独立的学习者更好。 （二）具身认知
具身认知理论（Embodied Cognition）强调身体运动能够促进学习者从外在感知方面更好地进行知识建构，该理论还认为认知是情境化的、环境也是认知系统的一部分、人们可以通过外在环境来降低认知负荷。相比于使用鼠标或键盘进行控制的虚拟现实软件操作，使用基于动作智能技术来操作能够探究身体运动对学习的影响研究。
前面介绍的Rosenthal和Geuss等人的医学外科手术学习系统，Chan和Leung等人的虚拟现实舞蹈动作学习游戏等研究均为通过身体动作来进行操作控制的案例。不少研究者对身体运动与键盘鼠标输入的学习效果进行了对比研究，如Hung等人对51位五年级小学生进行了教学内容为光学的模拟仿真虚拟实验，研究表明动作感知技术组要比鼠標或键盘输入组的学习效果更好，并且两组的认知负荷没有显著差异。调动学习者具身运动的智能技术能够提高学习者的动机和学习效果，为基于游戏的学习活动提供了真实情境。
台湾陈年兴教授团队设计了基于AR的科学教育游戏EARLS，进行了该领域较为完善的基于具身认知理论的实证研究。EARLS系统包含学习和练习部分，学习部分采用传统多媒体在线学习方式，练习部分结合AR技术来增强学生的身体运动，练习部分设置了拳击类和跳跃类两种教育游戏，学习者通过身体运动来进行答案的选择。实验设计了五个组，分别是AR学习组、AR游戏组、AR完全组、KMCAI组和传统学习组，其中AR完全组使用EARLS系统进行学习和练习，AR学习组使用EARLS系统进行学习但使用纸笔练习，AR游戏组使用课本进行学习但使用EARLS系统进行练习，KMCAI组使用传统在线学习系统进行学习和练习，传统学习组则是面对面教师授课和使用纸笔练习。研究结果发现，学习效果由高到低依次是传统学习组、AR完全组、KMCAI组、AR游戏组、AR学习组。完成同样内容的学习和练习，传统学习组使用的时间更少，为了保证教学时间相同，传统学习组进行了多次练习，使得学习效果更好。而研究中的态度调查发现学生对EARLS有更积极的态度，并且使用EARLS系统的学习和游戏练习的学习效果要比使用传统在线学习平台更好。
学习科学强调脑与认知神经系统在学习过程中的变化，而人体动作系统与大脑语言和知觉区域有一定的联系。在虚拟现实或增强现实环境中，学习者的肢体动作主要用于控制虚拟人物或对象来完成任务，这样的肢体运动如何引起学习者大脑内在反应，对最终促进学习者对知识的理解和掌握是否有帮助，是研究者需要探索的问题。
（三）心流理论
心流理论是教育游戏研究领域的重要理论之一。心流指人们在参与日常活动如工作、运动、学习所产生的完全沉浸式的参与体验。产生心流体验有九个前提：清晰的目标、即时的反馈、通过挑战能够习得的技能、行动与意识的融合、对任务的集中、控制、自我意识的暂时消失、对时间变化的意识和变为自觉行为的体验。
前面介绍的Ib ániez等人的增强现实教育游戏研究便使用了两种方式调查学习者的心流体验水平，分别是整体性和过程性，整体心流状态采用Jackson
关键词：教育游戏；虚拟现实（VR）；增强现实（AR）；学习科学；具身认知
中图分类号：G434 文献标识码：A
一、引言
近年来，教育游戏成为技术促进教学的研究热点之一。教育游戏利用网络技术或智能工具作为交互媒介来辅助学习、提高学习参与度和持续性，提升了学习方法的多样性及学习过程的交互性。研究者致力于从教学原则、学习活动设计和技术应用等角度研究教育游戏对学习的促进作用。如何维持学习者的学习兴趣、提升学习者的学习效果，是教育游戏研究领域所面临的挑战之一。2016年被媒体称为“VR元年”，随着智能信息技术的发展，智能设备能够为教育领域提供新的研究视角，研究者逐渐探索起虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术在教育领域中的应用。《国家教育事业发展“十三五”规划》中提到“要全力推动信息技术与教育教学深度融合。综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”。单纯地应用智能技术，较难维持学习者的学习兴趣与持续性，为智能技术增加游戏化元素，能够在提升趣味性的同时，保持学习者的学习动机。虚拟现实和增强现实技术如何更好地应用在教学之中，智能技术与传统教学方式如何优势互补，是教育研究者和一线教育实践工作者需要探索的问题。
本研究选取Web of Science数据库的核心合集为主要文献样本来源，同时兼顾国内学者的突出研究贡献。使用WOS数据库高级检索功能，即使用字段标识、布尔运算符、括号和检索结果集来创建检索式，所用到的字段标识TS代表主题。本研究最终确定检索式为：TS=（“Educational Game*” OR “Game-based Learning*” OR“Computer Game*” OR “Video Game*” OR“Serious Game*”OR “Digital Game*”OR“Online Game*” OR “Eleetronic Game*”OR “Simulation Game*”）AND TS=（Learn*OR Education*OR Teach*）AND TS=（“VirtualReality*” OR“Augmented Reality*” OR“VR”OR“AR” OR“Mixed Realitv”）。設置时间跨度为2000-2017年。通过对研究内容相关的文献进行筛选与内容分析，试图从教育游戏视角探析VR和AR智能技术在教学中的应用及发展前景，为其在教育游戏领域的实践与研究提供参考。
二、基于虚拟现实和增强现实教育游戏应用及对比
将虚拟现实和增强现实内容游戏化（Gamification）不仅仅是通过游戏化元素来提升学习或培训过程的趣味性，更是为了提高学习者的参与程度，使虚拟现实和增强现实内容的呈现形式不再单一而具有多样化形式。以游戏的方式还能减轻学习者面对某些特定内容的心理恐惧，如昆虫学习等。通过对相关文献分析，本文将分别介绍基于虚拟现实的教育游戏及基于增强现实教育游戏的研究案例，并进行传统面对面学习方式、传统在线学习方式、虚拟现实和增强现实学习方式的对比分析。
（一）基于虚拟现实的教育游戏
虚拟现实（Virtual Reality，VR）即采用三维图形、音频及特殊的外围设备，利用计算机生成交互式虚拟环境。虚拟现实环境中使用的显示设备是沉浸式体验式的，技术的沉浸式特点可以增加用户的参与度。虚拟现实技术的类型有三种：第一种是基于桌面的虚拟现实，这种形式的虚拟环境在显示器中设置，通过传统的输入设备，如鼠标、键盘来进行交互；第二种是基于头戴式设备的立体虚拟现实，这种形式向用户提供—个对象两个角度的不同图像，从而实现一种沉浸式3D体验效果；第三种是激光控制的虚拟现实，学习者可以通过外部工具产生的激光束来进行操作，从而达到交互的效果。虚拟现实技术类型的多样性为不同类型教学内容提供了多种选择，同时也丰富了教育游戏的设计形式。
1.基于桌面的虚拟现实教育游戏
基于桌面的虚拟现实技术无法做到完全的沉浸体验，但是其成本比3D立体化虚拟现实显示低得多。Rosenthal和Geuss等人设计的医学外科手术学习系统是典型的基于桌面的虚拟现实教育游戏，通过游戏任务促使学习者学习和训练精细操作技能。该研究将可操作、虚拟现实界面归类为视频游戏，学习者无需佩戴头戴式设置，而是通过控制实体操作杆对电脑桌面演示的腹腔镜虚拟对象进行外科手术。研究发现，具有较多视频游戏经验的儿童在VR教育游戏中表现要比具有较少视频游戏经验的儿童要好，成人学习者也是如此。基于虚拟现实的教育游戏不但能够提升教学的趣味性，在实验真实性上，能够帮助学习者从空间立体角度来进行操作和实验，在技能训练方面，借助于操作杆，学习者可以反复练习程序性技能，提高了实验工具的可重复实用性。
类似地，Roitberg和Banerjee等人也将虚拟现实系统中的操作环境设计成游戏环节。尽管这类系统在游戏化元素设计上略显单薄，但该形式也是VR技术在教育游戏领用中进行突破性尝试的发展人口。也有学者认为基于桌面的虚拟现实技术对学生的吸引力并不大，因为缺少真实的3D体验和声音情境交互，而基于头戴式设备的虚拟现实教育游戏更易使学习者产生沉浸体验。 Ib á nez等人设计的虚拟现实教育游戏，以电磁学基本概念为教学内容，实验分为两组：在线学习组和AR学习组。该游戏向学习者提供基本的电磁学概念，并设置了五关需要学习者完成的电磁学回路相关任务，通过游戏任务，学习者对电磁学概念进行了回顾和应用。研究发现，AR学习组的学习效果好于在线学习组，AR学习组能够帮助学习者更好地理解和专注于学习内容。陈向东也设计并开发了基于任务的AR电路元件学习工具，通过任务驱动，引导学生进行自主探究学习。
强调任务的增强现实教育游戏可以设置为个人任务挑战和小组合作任务挑战的不同类型游戏环节。Chen等人设计了基于AR的科学教育游戏EARLS，该系统包含两个部分，第一部分是传统多媒体在线学习内容，第二部分任务类教育游戏，学习者以小组的方式共同完成选择题组的任务，充分带动了学生参与积极性。强调任务的增强现实教育游戏，能够为学习者构建积极的合作学习条件，为探索技术应用下合作学习提供了新思路。
（三）教育游戏相关应用对比分析
1.虚拟现实与增强现实技术在教育游戏中的应用优势
教育游戏不仅是为了提升教学的趣味性，而是更好地提升教学效果。教育游戏的技术应用有多种，如传统学习方式中的媒体应用和单击软件应用，普通在线学习方式中的网络游戏、移动应用等，再如本文探究的VR和AR的教育游戏技术应用。传统技术可以丰富课堂及学习活动，在一定程度上提升学生的学习动机和学习效果，相比于这些技术，VR和AR的应用优势体现在哪里呢？前人研究发现，将VR和AR智能技术游戏化的教学方式普遍好于或等同于传统学习方式和普通在线学习方式，使用基于VR和AR的学习材料的学习动机和学习效果也要高于2D学习材料。应用VR和AR技术的教育游戏可以帮助学生体验日常生活中难以接触或具有一定危险性的情境，如生态环境教学、化学物理实验教学等。总的来说，VR和AR智能技术应用于教育游戏相比于其他技术有以下四个优点：能够构建沉浸式情境提高学习者的学习动机和参与积极性；能够更好地通过多维度立体展示，促进学习者对知识的理解，从而提升教学效果；类似于可以重复观看多次的MOOC课程，能够弥补实地培训实验或学习成本较高的不足，VR和AR技术能够帮助学习者在不用增加成本的情况下，重复体验虚拟情境、多次进行实验探究。
2.虚拟现实与增强现实的应用优势对比
对于VR和AR技术，它们有着共同的特征，包括沉浸性、交互性和共享性。VR在一定程度上能够产生完全沉浸的体验帮助学习者更全面地理解知识内容，而AR相比于VR有三个主要的优势：首先，AR支持学生在真实情境下进行合作学习，与真实环境中的物体进行交互；其次，AR可提供可触摸的交互，学习者可以改变与真实环境叠加的物体的大小、位置，促进学习者积极参与知识建构；再者，AR在真实实验室的应用还可以弥补VR在实验操作上缺乏真实感的缺陷。
3.相关教学媒体选择的参考因素
在教学中选择不同的媒体技術需要综合考虑教学内容和媒体选择的多种条件，对不同技术应用下的教育游戏进行对比分析，能够为研究者和教育实践者在技术选择上提供参考。Chen和Tsai从学习环境方式、成本考虑及交互效果三个方面对传统教学方式、在线学习方式、虚拟现实、增强现实四类学习方式进行对比分析。本文在此基础上，结合教育游戏中交互特征、沉浸式体验的文献分析，对传统教学方式、在线学习方式、虚拟现实、增强现实四类技术应用下的教育游戏进行了对比分析，共有4个一级指标和14个二级指标（如下表所示）。
三、基于虚拟现实和增强现实教育游戏应用的理论探讨
通过对相关研究案例的分析，可以得出基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用主要有以下理论基础：情境学习理论、具身认知理论、心流理论和合作学习理论。虚拟现实和增强现实技术能够为学习者搭建虚拟学习情境，提供了结合身体运动的学习条件，游戏化设计能够使学习者产生心流体验，而虚拟环境或增强现实环境则为合作学习提供了新的实践场所。其中情境学习和合作学习在先前相关研究中体现较多，而具身认知理论和心流理论则是提及较少但十分重要的理论。
（一）情境学习
情境学习（Situated Learning）强调真实情境对学生在学习过程中的重要作用，强调学生与环境的交互和实践。虚拟现实技术为学习者提供了沉浸式学习情境，在大量研究中具有体现，如前面提到的Rosenthal和Geuss等人的医学外科手术学习系统为学习者提供了临床医疗的虚拟情境，Bhagat和Liou等人的军事射击系统则设计了丰富抗敌游戏环节，Chan和Leung等人的舞蹈练习系统也为学习者设计了动感的练习情境。增强现实技术则结合真实环境，为学习者提供了虚拟空间与真实环境叠加的学习情境，促进移动学习和泛在学习的发展，如前面提到的Chiang和Yang等人设计的生物知识学习系统，则是在真实生态情境下，促进学习者对生物知识的学习。
情境学习理论认为，有意义的知识建构只有在结合了真实情境的学习过程中才能够发生。体验式学习注重为学生提供真实的模拟环境，使学生参与到活动中的实践中。Oblinger等人提出虚拟现实技术在教育培训中的五个特征：问题解决、学习迁移、社群化、研究、实验。其中学习迁移指学习者在虚拟现实环境中习得的技能能够在真实环境中进行应用。虚拟现实和增强现实技术能够帮助学习者建构真实的学习情境，使学习者具有“临场感”，提升其学习兴趣的同时降低可能风险。
基于情境理论，研究者进行了丰富的实践研究。Shih和Yang设计了基于桌面的虚拟现实英语学习系统VEC3D，学习者通过游戏角色扮演、任务合作来进行真实情境下的口语练习。对于实践性知识，虚拟现实技术能够为学习者提供虚拟的实践情境。如Chen和Tsai设计了基于增强现实的图书馆学知识教育游戏ARLIS，帮助学习者通过完整真实情境下的图书分类任务来学习相关知识。该研究还创新性地探索了不同认知风格对基于增强现实教育游戏的学习效果，研究发现学习风格为场依存的学习者要比场独立的学习者更好。 （二）具身认知
具身认知理论（Embodied Cognition）强调身体运动能够促进学习者从外在感知方面更好地进行知识建构，该理论还认为认知是情境化的、环境也是认知系统的一部分、人们可以通过外在环境来降低认知负荷。相比于使用鼠标或键盘进行控制的虚拟现实软件操作，使用基于动作智能技术来操作能够探究身体运动对学习的影响研究。
前面介绍的Rosenthal和Geuss等人的医学外科手术学习系统，Chan和Leung等人的虚拟现实舞蹈动作学习游戏等研究均为通过身体动作来进行操作控制的案例。不少研究者对身体运动与键盘鼠标输入的学习效果进行了对比研究，如Hung等人对51位五年级小学生进行了教学内容为光学的模拟仿真虚拟实验，研究表明动作感知技术组要比鼠標或键盘输入组的学习效果更好，并且两组的认知负荷没有显著差异。调动学习者具身运动的智能技术能够提高学习者的动机和学习效果，为基于游戏的学习活动提供了真实情境。
台湾陈年兴教授团队设计了基于AR的科学教育游戏EARLS，进行了该领域较为完善的基于具身认知理论的实证研究。EARLS系统包含学习和练习部分，学习部分采用传统多媒体在线学习方式，练习部分结合AR技术来增强学生的身体运动，练习部分设置了拳击类和跳跃类两种教育游戏，学习者通过身体运动来进行答案的选择。实验设计了五个组，分别是AR学习组、AR游戏组、AR完全组、KMCAI组和传统学习组，其中AR完全组使用EARLS系统进行学习和练习，AR学习组使用EARLS系统进行学习但使用纸笔练习，AR游戏组使用课本进行学习但使用EARLS系统进行练习，KMCAI组使用传统在线学习系统进行学习和练习，传统学习组则是面对面教师授课和使用纸笔练习。研究结果发现，学习效果由高到低依次是传统学习组、AR完全组、KMCAI组、AR游戏组、AR学习组。完成同样内容的学习和练习，传统学习组使用的时间更少，为了保证教学时间相同，传统学习组进行了多次练习，使得学习效果更好。而研究中的态度调查发现学生对EARLS有更积极的态度，并且使用EARLS系统的学习和游戏练习的学习效果要比使用传统在线学习平台更好。
学习科学强调脑与认知神经系统在学习过程中的变化，而人体动作系统与大脑语言和知觉区域有一定的联系。在虚拟现实或增强现实环境中，学习者的肢体动作主要用于控制虚拟人物或对象来完成任务，这样的肢体运动如何引起学习者大脑内在反应，对最终促进学习者对知识的理解和掌握是否有帮助，是研究者需要探索的问题。
（三）心流理论
心流理论是教育游戏研究领域的重要理论之一。心流指人们在参与日常活动如工作、运动、学习所产生的完全沉浸式的参与体验。产生心流体验有九个前提：清晰的目标、即时的反馈、通过挑战能够习得的技能、行动与意识的融合、对任务的集中、控制、自我意识的暂时消失、对时间变化的意识和变为自觉行为的体验。
前面介绍的Ib ániez等人的增强现实教育游戏研究便使用了两种方式调查学习者的心流体验水平，分别是整体性和过程性，整体心流状态采用Jackson