虛擬演示實(shí)驗(yàn)中知識(shí)情境的構(gòu)建研究

萬(wàn)仁英　楊　雪　王洪旭

【摘要】完整地再現(xiàn)知識(shí)生成、存在或應(yīng)用的情境能夠改善虛擬演示實(shí)驗(yàn)中的“淺學(xué)習(xí)”現(xiàn)象，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的理解和遷移。虛擬演示實(shí)驗(yàn)的知識(shí)情境構(gòu)建主要從情節(jié)、環(huán)境和指導(dǎo)三個(gè)方面進(jìn)行，結(jié)合“核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)，分析了其具體的設(shè)計(jì)流程和實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵字】虛擬演示實(shí)驗(yàn)；知識(shí)情境；情節(jié)；環(huán)境；指導(dǎo)

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097（2007）01—0118—03

一 虛擬演示實(shí)驗(yàn)的困境——淺學(xué)習(xí)

虛擬演示實(shí)驗(yàn)是基于計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的表演性、示范性實(shí)驗(yàn)，它借助聲音、畫面、文字等媒介說(shuō)明現(xiàn)象、描述過(guò)程或論證原理，學(xué)習(xí)者通過(guò)觀察虛擬的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)獲得知識(shí)。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程僅僅通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕線性展示，所以虛擬演示實(shí)驗(yàn)有其天然的局限性，即學(xué)習(xí)者和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象沒(méi)有直接接觸，無(wú)法全方位多角度地進(jìn)行觀察從而構(gòu)建知識(shí)。這很容易造成 “淺學(xué)習(xí)（surface-level learning）”[1]現(xiàn)象，即學(xué)習(xí)者的認(rèn)知只停留在虛擬現(xiàn)象表面，沒(méi)有深入理解其背后所蘊(yùn)藏的知識(shí)，更難以向真實(shí)的生活遷移。特別是一些本身就非常抽象的實(shí)驗(yàn)，如果只是孤立的展示現(xiàn)象，缺乏相關(guān)的“生活背景”， 學(xué)習(xí)者只能得到一些“半”具體化的知識(shí)，仍無(wú)法解決具體生活中的問(wèn)題。例如物理學(xué)中的“核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明的是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及能量釋放原理，非常抽象，網(wǎng)上相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)大多都只是演示了“中子撞擊U核裂變，釋放能量并引起新U核裂變”這樣一個(gè)過(guò)程（如圖1所示）[2]，而沒(méi)有提供與之相關(guān)的現(xiàn)實(shí)情境，這導(dǎo)致學(xué)習(xí)者即使看到了現(xiàn)象、知道了原理，還是不能將這些知識(shí)與自己的生活聯(lián)系起來(lái)。

所以，在虛擬演示實(shí)驗(yàn)中單純的原理演示容易使學(xué)習(xí)者處于較淺層次的理解狀態(tài)，得到的是僵化、無(wú)生命力的知識(shí)。相反，如果能把這些抽象的原理置入生動(dòng)形象的“背景”中，為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供豐富的意義關(guān)聯(lián)，將能很好地促進(jìn)他們進(jìn)行“深學(xué)習(xí)（deep-level learning）”[3]，即多角度深入理解知識(shí)，從而順利實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移和應(yīng)用。這里的“背景”即指知識(shí)情境。

二 提高虛擬演示實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)深度的途徑——知識(shí)情境

深學(xué)習(xí)是一種以思維為核心，從意義層面去深入把握學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解性學(xué)習(xí)，它不僅能讓學(xué)習(xí)者深入理解知識(shí),而且還能順利的遷移和應(yīng)用。有效的知識(shí)情境能從以下三個(gè)層面提高學(xué)習(xí)深度：

1 認(rèn)知層面——知識(shí)情境有利于學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的多角度意義建構(gòu)

后現(xiàn)代知識(shí)觀認(rèn)為知識(shí)是依賴于情境或與環(huán)境情境相關(guān)的，任何知識(shí)都是在特定情境中創(chuàng)造和生成，且在特定情境下獲得其意義。豐富的情境不僅可以反映知識(shí)在真實(shí)生活中生成、存在及應(yīng)用的方式，再現(xiàn)真實(shí)生活情境的復(fù)雜性，而且能夠保持知識(shí)自身完整的邏輯意義和脈絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)習(xí)者從不同角度完整、全面的理解知識(shí)。

2 應(yīng)用層面——知識(shí)情境有利于學(xué)習(xí)者完成知識(shí)的個(gè)人化和遷移

情境一般都是與學(xué)習(xí)者的生活直接相關(guān)或他們能理解的生活現(xiàn)象，這很容易激活學(xué)習(xí)者相關(guān)的認(rèn)知圖式，便于其借助已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，以自己特有的方式對(duì)新知識(shí)進(jìn)行組織綜合，有機(jī)地納入自己原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中,真正成為“我的知識(shí)”[4]。另外，情境為學(xué)習(xí)者將知識(shí)向現(xiàn)實(shí)生活遷移提供了一個(gè)很好的范例，以供其舉一反三，進(jìn)行更廣范、更深入地遷移。

3 情感層面——知識(shí)情境有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的情感共鳴

知識(shí)情境是對(duì)現(xiàn)實(shí)生活的整理、提煉和安排，它將人的活動(dòng)與環(huán)境有機(jī)統(tǒng)一、知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活相統(tǒng)一，給學(xué)習(xí)者以身臨其境之感，“增強(qiáng)了學(xué)習(xí)過(guò)程中的情感體驗(yàn)，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的情感共鳴” [5]和認(rèn)知主動(dòng)性，從而保持持久和深入的學(xué)習(xí)。

可見(jiàn)，在虛擬演示實(shí)驗(yàn)中，生動(dòng)的知識(shí)情境不僅利于學(xué)習(xí)者對(duì)所學(xué)內(nèi)容深入理解、順利遷移，而且能激發(fā)學(xué)習(xí)者積極的學(xué)習(xí)意向，是提高學(xué)習(xí)深度的有效途徑。

三 虛擬演示實(shí)驗(yàn)知情境設(shè)計(jì)的流程和要素

虛擬演示實(shí)驗(yàn)的知識(shí)情境構(gòu)建一般包括前期分析、情境設(shè)計(jì)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化四個(gè)環(huán)節(jié)，其中情境設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵；借鑒影視節(jié)目中故事情節(jié)、人物、環(huán)境等情境要素[6]，虛擬演示實(shí)驗(yàn)的情境設(shè)計(jì)可以從情節(jié)、指導(dǎo)和環(huán)境三個(gè)方面進(jìn)行（如圖2所示）， “情節(jié)”是與知識(shí)生成、存在或應(yīng)用相關(guān)的事件，它發(fā)生于一定的“環(huán)境”中，在“指導(dǎo)”的協(xié)助下向?qū)W習(xí)者傳授知識(shí)。

下面結(jié)合前面提到的“核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”實(shí)驗(yàn)的情境構(gòu)建具體分析一下虛擬演示實(shí)驗(yàn)中知識(shí)情境構(gòu)建的主要流程、各要素的具體實(shí)現(xiàn)方法及注意事項(xiàng)。

1 前期分析

前期分析除了了解實(shí)驗(yàn)的本身目的、原理、過(guò)程及特點(diǎn)等，更重要的是分析實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，從而確定進(jìn)行知識(shí)情境設(shè)計(jì)所要解決的問(wèn)題和切入點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，較為抽象或與學(xué)習(xí)者的生活相距較遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)都有必要通過(guò)生動(dòng)的情境來(lái)加深其理解。

“核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”描述的是U-235原子核受中子轟擊分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，釋放能量、射線和2-3個(gè)中子，并引起新的U核裂變，如此不斷持續(xù)的過(guò)程。由于無(wú)法用肉眼直接看見(jiàn)，而且與學(xué)習(xí)者的生活相距甚遠(yuǎn)，所以理解起來(lái)很困難，因此其情境設(shè)計(jì)所要達(dá)到目標(biāo)的是：（1）將微觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示出來(lái)；（2）將這一原理與學(xué)習(xí)者所能理解的生活現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)。

2 情節(jié)設(shè)計(jì)

情節(jié)是關(guān)于知識(shí)（學(xué)習(xí)內(nèi)容）生成、存在或應(yīng)用的事件，也是知識(shí)與人們的真實(shí)生活相聯(lián)系的方式和過(guò)程，它整合了大量的相關(guān)信息，為學(xué)習(xí)者全面深入地理解知識(shí)發(fā)展脈絡(luò)或問(wèn)題解決過(guò)程提供一個(gè)完整、全面的意義結(jié)構(gòu)。與影視節(jié)目相似，虛擬演示實(shí)驗(yàn)中的情節(jié)也有其發(fā)生、發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程，另外還要全面考慮實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特征和已有生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。不同的知識(shí)其生成方式、存在的境域、應(yīng)用范圍都會(huì)有所不同，因此可以提取它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中生成、存在、應(yīng)用的相關(guān)故事或活動(dòng)，通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行整理、提煉和安排，再現(xiàn)具體的知識(shí)活動(dòng)過(guò)程同時(shí)，盡可能的與學(xué)習(xí)者已有的生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)結(jié)起來(lái)。

根據(jù)前期的分析，將“核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理”置于“核能發(fā)電”的情節(jié)中，通過(guò)“核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理——核能發(fā)電——房屋供電”這一情節(jié)將最微觀的粒子運(yùn)動(dòng)與最常見(jiàn)的房屋供電聯(lián)系起來(lái)。具體設(shè)計(jì)為：首先從宏觀上展示“核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”應(yīng)用的環(huán)境即壓水堆核電站，以及遠(yuǎn)處房屋（見(jiàn)圖3）；接著畫面向“核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”發(fā)生的場(chǎng)所——反應(yīng)堆推近，展示其內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)和整齊排列的U棒（見(jiàn)圖4）；再次向U棒推近，畫面轉(zhuǎn)為微觀，出現(xiàn)多個(gè)U-235原子核，然后一高速中子飛入，撞擊其中的一個(gè)原子核，引起該原子核裂變，并釋放能量、射線及2個(gè)中子，進(jìn)而引發(fā)其它U核裂變（過(guò)程如圖5所示），如此持續(xù)；畫面再依次拉遠(yuǎn)到核反應(yīng)堆和壓水堆核電站，展現(xiàn)絢麗的能量釋放過(guò)程，核裂變釋放的能量使水沸騰，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并給遠(yuǎn)處房屋供電，電燈亮（效果見(jiàn)圖6）。

這一系列宏觀、微觀場(chǎng)景，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)畫面的組合和切換共同構(gòu)成了本實(shí)驗(yàn)的情節(jié)，它向?qū)W習(xí)者展示了一個(gè)生動(dòng)、完整的知識(shí)應(yīng)用過(guò)程。

3 指導(dǎo)設(shè)計(jì)

指導(dǎo)主要是結(jié)合實(shí)驗(yàn)情節(jié)的推進(jìn)，針對(duì)重難點(diǎn)和學(xué)習(xí)者可能出現(xiàn)疑問(wèn)的地方提供適當(dāng)?shù)奶崾竞徒庹f(shuō)，從而能深化其對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。主要有兩種提供指導(dǎo)的方式：（1）提供接觸專家及對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行觀察和模仿的機(jī)會(huì)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)專家的學(xué)習(xí)活動(dòng)、工作過(guò)程，同時(shí)也可以讓學(xué)習(xí)者扮演某一角色，親自參與到情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)或活動(dòng)，并就某些問(wèn)題與專家交流探討；（2）通過(guò)字幕、聲音、圖標(biāo)等方式特別強(qiáng)化某些知識(shí)點(diǎn)。

該實(shí)驗(yàn)采用了第二種指導(dǎo)方式，即在實(shí)驗(yàn)情節(jié)演示至關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)字幕，詳細(xì)介紹該內(nèi)容（見(jiàn)圖4、圖6中①）。

4 環(huán)境設(shè)計(jì)

環(huán)境主要指學(xué)習(xí)內(nèi)容（知識(shí)）發(fā)生發(fā)展的背景、空間，包括自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境，以及通過(guò)界面和情節(jié)表現(xiàn)出來(lái)的情感環(huán)境。它不僅為學(xué)習(xí)的展開(kāi)提供一個(gè)“空間”，而且是促進(jìn)學(xué)習(xí)發(fā)生發(fā)展的要素和支持條件。環(huán)境要與情節(jié)的發(fā)展相一致，在虛擬演示實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)圖畫、圖像、三維模型，或調(diào)用拍錄的真實(shí)生活場(chǎng)景，來(lái)營(yíng)造逼真的知識(shí)環(huán)境。

該實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)情節(jié)發(fā)展和知識(shí)表現(xiàn)的需要設(shè)計(jì)了房屋、壓水堆發(fā)電站、核反應(yīng)堆以及U-235原子核等幾個(gè)主要場(chǎng)景（見(jiàn)圖3、圖4、圖5、圖6），來(lái)模擬情節(jié)發(fā)生的真實(shí)環(huán)境。

5 技術(shù)實(shí)現(xiàn)及學(xué)習(xí)效果分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用FLASH技術(shù)制作完成，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，根據(jù)需要對(duì)創(chuàng)設(shè)的情境進(jìn)行了一定的修改和優(yōu)化，最終從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了良好的學(xué)習(xí)效果：

首先，完整再現(xiàn)了“核裂變釋放能量——發(fā)電——家用電”這一知識(shí)過(guò)程，學(xué)習(xí)者不僅明白了核裂變?cè)恚抑懒似湓诂F(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，更重要的是可以借助這一線索完整、深入地領(lǐng)會(huì)相關(guān)知識(shí)；

其次，從常見(jiàn)的電燈照明到核發(fā)電再到微觀的核裂變，由學(xué)習(xí)者最熟悉的日常生活入手，逐步深入到最微觀的粒子運(yùn)動(dòng)，不僅能引發(fā)學(xué)習(xí)者深入探究的好奇心，而且促進(jìn)了知識(shí)向現(xiàn)實(shí)生活遷移；

最后，宏觀和微觀組合，打破了學(xué)習(xí)者認(rèn)知中的時(shí)空限制，很好地發(fā)揮了虛擬演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。

四 總結(jié)

創(chuàng)設(shè)情境已成為一種能提供意義學(xué)習(xí)和促進(jìn)知識(shí)向真實(shí)生活遷移的重要途徑。在虛擬演示實(shí)驗(yàn)中，充分發(fā)揮多媒體技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)設(shè)立體、生動(dòng)的知識(shí)情境，一方面可以回復(fù)知識(shí)與其生成、存在、應(yīng)用的真實(shí)世界之間的本然聯(lián)系，為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供意義關(guān)聯(lián)，從而循著知識(shí)的脈絡(luò)去深刻準(zhǔn)確地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容；同時(shí)，也能將知識(shí)與學(xué)習(xí)者已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)成的主體情境結(jié)合起來(lái)，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的同化、順應(yīng)和遷移，提高學(xué)習(xí)深度。

參考文獻(xiàn)

[1][3] 劉根平,劉道溶.目前國(guó)外關(guān)于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的研究動(dòng)態(tài)[J].外國(guó)教育研究,1990,02:20-36.

[2] 中國(guó)課件站 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)課件下載 [EB/OL].

[4] 李慶明.全國(guó)“情境教學(xué)——情境教育”學(xué)術(shù)研討會(huì)綜述[J].教育研究,1997,4:64-67.

[5] 肖映銘.信息技術(shù)課程教學(xué)中學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)初探[J].中國(guó)電化教育,2007,10:93-95.

[6] 呂貴香.虛擬演播室教育電視節(jié)目中學(xué)習(xí)情境要素分析[J].電化教育研究,2008,01:75-79.