沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境中具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)框架

楊彥軍 張佳慧

摘要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等各種現(xiàn)代信息技術(shù)在學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，基于沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的學(xué)習(xí)原理及學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)成為亟待深入研究的前瞻性問題。從生態(tài)學(xué)和場域論視角來看，沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境是由物理空間、信息空間和虛擬空間三元空間整合而成的學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境，其中不同空間帶來的多樣化體驗(yàn)，為學(xué)習(xí)者獲得由具體到抽象的各種學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)提供了條件。虛實(shí)融合環(huán)境中的學(xué)習(xí)，在信息獲取方式上是多模態(tài)感知學(xué)習(xí)的過程，在學(xué)習(xí)者參與學(xué)習(xí)互動的方式上是具身認(rèn)知學(xué)習(xí)的過程，在學(xué)習(xí)者和經(jīng)驗(yàn)世界的關(guān)系上是聯(lián)通主義學(xué)習(xí)的過程。面向沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)框架包括確定期望結(jié)果和評估證據(jù)、分析學(xué)習(xí)者特征和學(xué)習(xí)內(nèi)容、設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動和指導(dǎo)、基于虛實(shí)融合環(huán)境的課程開發(fā)、課程評價及修正6個部分共計(jì)10個步驟。以此具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)框架為依據(jù)，詳細(xì)分析SMALLab沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境中“疾病傳播”課例的學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)的結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)框架能夠較好地支持虛實(shí)融合環(huán)境中的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)與實(shí)踐，有助于提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)其認(rèn)知發(fā)展，提升其核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：虛實(shí)融合;具身認(rèn)知;學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì);學(xué)習(xí)機(jī)制;學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：G434? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1009-5195（2021）04-0063-11? ?doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.04.007

基金項(xiàng)目：江西省教育科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)研究課題“基于知識地圖的跨學(xué)科整合型STEM課程原理與開發(fā)研究”（21ZD008）。

作者簡介：楊彥軍，博士，副教授，南昌大學(xué)教育發(fā)展研究院（江西南昌 330031）;張佳慧，碩士研究生，南昌大學(xué)教育發(fā)展研究院（江西南昌 330031）。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G等新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人類的學(xué)習(xí)環(huán)境由以計(jì)算機(jī)投影為基礎(chǔ)的多媒體學(xué)習(xí)環(huán)境逐漸發(fā)展為以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境（童慧等，2013）。由于虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境能夠提供更加逼真的體驗(yàn)、豐富的資源和有效的交互，因而被視為破解當(dāng)前教育教學(xué)難題、促進(jìn)高效學(xué)習(xí)發(fā)生的突破點(diǎn)（張劍平等，2013;范文翔等，2019）。當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于虛實(shí)融合環(huán)境下教與學(xué)的研究主要集中在兩個方面：一是關(guān)注線上虛擬環(huán)境與線下課堂環(huán)境相融合的混合學(xué)習(xí)環(huán)境下的教與學(xué)活動（李紅美等，2013;張劍平等，2013;楊進(jìn)中等，2014）;二是關(guān)注基于VR和AR的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境與物理教學(xué)環(huán)境相融合的混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的教與學(xué)活動（黃紅濤等，2018;孔璽等，2019;范文翔等，2019;華子荀，2019;田陽等，2020;華子荀等，2021;劉革平等，2021）。目前鮮有關(guān)于線上線下混合、虛擬環(huán)境與物理環(huán)境相融合的沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境下的教與學(xué)研究。隨著基于VR、AR和全息投影技術(shù)的智慧教室的建成，沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境將成為學(xué)校課程教學(xué)的重要新型場所。如何充分發(fā)揮這種虛實(shí)融合環(huán)境下各種技術(shù)的優(yōu)勢、創(chuàng)設(shè)高質(zhì)量學(xué)習(xí)活動、優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)成為亟待深入探索的前瞻性問題。

一、沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境的構(gòu)成

學(xué)習(xí)環(huán)境是指促進(jìn)學(xué)習(xí)發(fā)生的各種支持性條件的統(tǒng)合（鐘志賢，2005）。沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境是由線上學(xué)習(xí)環(huán)境、線下教學(xué)環(huán)境和基于VR/AR的虛擬環(huán)境整合構(gòu)成的促進(jìn)學(xué)習(xí)發(fā)生的各種支持性條件的統(tǒng)合。技術(shù)哲學(xué)家卡爾·波普爾（Karl Popper）提出的“三個世界”理論對沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境結(jié)構(gòu)的確立，具有基礎(chǔ)性啟發(fā)意義。波普爾指出人類世界從本體論上最少含有物理世界、精神世界和概念世界三個相互關(guān)聯(lián)而又有明顯區(qū)別的次世界（卡爾·波普爾，1987）。這三個次世界的關(guān)系表現(xiàn)為：物理世界是學(xué)習(xí)者精神世界產(chǎn)生的基礎(chǔ)，精神世界又可以主觀能動地改造現(xiàn)有的物理世界，經(jīng)學(xué)習(xí)者精神世界活動最終生成的各種外顯化的客觀知識又構(gòu)成了概念世界，概念世界的客觀知識又可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者精神世界的發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，人類的信息空間極速擴(kuò)大，曾經(jīng)主要以文字形式存儲于概念世界的客觀知識逐漸以多種形態(tài)存儲于信息空間。我國學(xué)者潘云鶴（2018）提出人類社會結(jié)構(gòu)正由“物理空間—社會空間”的二元結(jié)構(gòu)向“物理空間—社會空間—信息空間”的三元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，更加強(qiáng)調(diào)了信息空間成為人類社會賴以發(fā)展的重要組成部分。近年來，虛實(shí)融合技術(shù)的快速發(fā)展促使以VR、AR等技術(shù)為支撐的虛擬空間逐漸發(fā)展起來，這類空間有助于將優(yōu)化設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)情境全息呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者或?qū)⒊橄蟮母拍钚畔⒅庇^化演示出來幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)行意義建構(gòu)，這不僅能彌補(bǔ)物理空間學(xué)習(xí)的局限性，也進(jìn)一步聯(lián)通了物理世界和概念信息世界。張之滄（2001）將由AR、VR創(chuàng)設(shè)的虛擬世界稱為“第四世界”，虛擬世界既可以模擬現(xiàn)實(shí)，也可以在現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行理論虛構(gòu)?？梢?，虛擬世界作為現(xiàn)實(shí)世界的補(bǔ)充、升級或替代也開始成為學(xué)習(xí)空間的重要組成部分。綜上分析，物理空間（世界1）、精神世界（世界2）、信息空間（世界3）和虛擬世界（世界4）已經(jīng)成為當(dāng)前人類世界相關(guān)聯(lián)系而又各具特色的重要組成部分。羅伯特·加涅（Robert M. Gagné）認(rèn)為人類學(xué)習(xí)條件可分為內(nèi)部條件和外部條件，內(nèi)部條件和外部條件相適應(yīng)是有效學(xué)習(xí)發(fā)生的關(guān)鍵，教學(xué)就是要通過組織安排外部條件來激發(fā)并維持學(xué)習(xí)者的內(nèi)部活動（R.M. 加涅，1999）。以學(xué)習(xí)者為主體，內(nèi)部條件就是學(xué)習(xí)者的精神世界狀態(tài)，外部條件就是精神世界之外的物理空間、信息空間和虛擬空間形成的綜合條件。為促進(jìn)學(xué)習(xí)者內(nèi)在精神世界的發(fā)展，需要充分發(fā)揮物理空間、虛擬空間、信息空間各自的優(yōu)勢以創(chuàng)設(shè)利于學(xué)習(xí)發(fā)生的外部條件，即創(chuàng)建沉浸式虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境。正是外在的三元學(xué)習(xí)空間互聯(lián)互通形成的沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境作用于學(xué)習(xí)者的內(nèi)在精神世界，才能更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知發(fā)展。

隨著教育領(lǐng)域技術(shù)和資源的極大豐富，許多研究者主張從生態(tài)學(xué)視角探究學(xué)習(xí)環(huán)境。陳琦等（2003）從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)建立了整合型學(xué)習(xí)模型;張立新等（2008）闡述了生態(tài)化虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的內(nèi)涵和特點(diǎn)，并提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和功能模型;美國教育部在《國家教育技術(shù)規(guī)劃2010》文件中提出了“技術(shù)賦能的學(xué)習(xí)模型”（Learning Model Empowered by Technology）。根據(jù)保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）等定義的真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境的連接關(guān)系，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)環(huán)境并不是虛實(shí)分離的兩個極端，而是由真實(shí)到虛擬的整個連續(xù)統(tǒng)（Milgram et al.，1994）。本研究所指的“沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境”是基于VR/AR等技術(shù)建立的虛擬世界與信息世界、物理世界互通融合的學(xué)習(xí)環(huán)境。從生態(tài)學(xué)視角來看，沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境是以學(xué)習(xí)者為中心從學(xué)校向社會延伸的廣義學(xué)習(xí)環(huán)境，涵蓋了物理空間、虛擬空間、信息空間（主要指網(wǎng)絡(luò)空間）三元學(xué)習(xí)空間中的各種資源與學(xué)習(xí)支持（見圖1）。其中，在學(xué)校中，學(xué)習(xí)者通過參與課堂系統(tǒng)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)或虛擬實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目實(shí)踐等學(xué)習(xí)活動，利用三元學(xué)習(xí)空間的資源來發(fā)展認(rèn)知，進(jìn)而提升綜合能力。在社會中，學(xué)習(xí)者通過接收信息、參觀展覽、觀察自然、查詢網(wǎng)絡(luò)、閱讀圖書等過程與社會資源進(jìn)行交互，并通過知識建構(gòu)不斷加深對社會文化和知識的理解?？偟膩碚f，在沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者可以通過虛擬課程、虛擬實(shí)驗(yàn)、全息投影授課、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源、遠(yuǎn)程互動指導(dǎo)、實(shí)地互動指導(dǎo)和傳統(tǒng)學(xué)校教育等方式獲得學(xué)習(xí)支持。在沉浸式虛實(shí)融合生態(tài)環(huán)境中進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時，三元學(xué)習(xí)空間中活動、資源和環(huán)境的具體安排需要根據(jù)實(shí)際學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)者特征、學(xué)習(xí)活動等因素綜合考量。

二、沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境中的學(xué)習(xí)發(fā)生機(jī)制

學(xué)習(xí)機(jī)制是建立在學(xué)習(xí)者元認(rèn)知水平基礎(chǔ)上的認(rèn)知發(fā)展過程（郭炯等，2019）。理解沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境下學(xué)習(xí)的發(fā)生機(jī)制需要分析該環(huán)境所能提供的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)及其學(xué)習(xí)發(fā)生的過程。

1.沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境中的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)框架

教學(xué)活動的本質(zhì)是創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)習(xí)發(fā)生的學(xué)習(xí)情境。情境具有兩大作用，即建立與學(xué)習(xí)者現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生有意義聯(lián)系的學(xué)習(xí)任務(wù);幫助學(xué)習(xí)者形成知識、技能和經(jīng)驗(yàn)之間的連接（Choi et al.，1995）。約翰·杜威（John Dewey）在威廉·詹姆斯（William James）“意識流”理論的影響下將“情境”定義為“由主體及客體所構(gòu)成的整體范圍”。當(dāng)主客體處于懷疑狀態(tài)時，即構(gòu)成了一種問題情境。隨著適應(yīng)環(huán)境的行為不斷進(jìn)行，“意識流”的焦點(diǎn)和區(qū)域轉(zhuǎn)化會推動問題情境持續(xù)衍變，從不確定性轉(zhuǎn)向確定性。情境一方面使學(xué)習(xí)者獲得新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓其中印象深刻或經(jīng)過反復(fù)鞏固的部分發(fā)展成為其自身經(jīng)驗(yàn)，為認(rèn)知發(fā)展提供儲備;另一方面也為其與已有經(jīng)驗(yàn)建立聯(lián)系提供了條件。約翰·杜威（2005）認(rèn)為“經(jīng)驗(yàn)是揭示自然的真實(shí)面貌的工具”。由于沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境打通了物理空間、虛擬空間、信息空間的三元學(xué)習(xí)空間，為學(xué)習(xí)者帶來極為豐富的學(xué)習(xí)情境、多渠道的交互方式、全方位的學(xué)習(xí)資源，因而更有利于鞏固發(fā)展多層次的知識經(jīng)驗(yàn)。

沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境中不同空間帶來的多樣化體驗(yàn)，為學(xué)習(xí)者獲得由具體到抽象的各種學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)提供了條件。根據(jù)埃德加·戴爾（Edgar Dale）的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論（埃德加·戴爾，1949），沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)框架見圖2。首先，在物理空間，現(xiàn)實(shí)存在的一切人、事、物都可能成為學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗(yàn)來源。針對具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)者可以通過課堂觀察、實(shí)驗(yàn)探究、參觀展覽、實(shí)地考察、現(xiàn)場項(xiàng)目實(shí)踐等方式獲得一手學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，包括做的經(jīng)驗(yàn)和觀察的經(jīng)驗(yàn)。在物理空間不能直接觀察或在課堂教學(xué)中難以現(xiàn)場呈現(xiàn)的內(nèi)容，則可以通過語言、文字的方式傳遞間接的抽象經(jīng)驗(yàn)，也可以采用虛擬空間的全息投影、虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬課程、虛擬會議等方式進(jìn)行補(bǔ)充。已有研究表明，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的提升具有促進(jìn)作用（王雪等，2019）。在基于AR和全息投影的虛擬學(xué)習(xí)空間，學(xué)習(xí)者在擬真化的體驗(yàn)中同樣可以保留許多有效信息，積累做的經(jīng)驗(yàn)和觀察的經(jīng)驗(yàn)。在由電子媒體和網(wǎng)絡(luò)資源信息構(gòu)成的信息空間（或網(wǎng)絡(luò)信息空間），學(xué)習(xí)者通過查詢、瀏覽可獲取大量間接經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過觀察、歸納、演繹、反思形成抽象概括，進(jìn)而可為有意義學(xué)習(xí)的發(fā)生提供觀察的經(jīng)驗(yàn)和抽象的經(jīng)驗(yàn)。由于學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展的過程需要經(jīng)歷由具體到抽象的演變，不同抽象程度的經(jīng)驗(yàn)都可以作為學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展的基礎(chǔ)，因此經(jīng)驗(yàn)之間沒有優(yōu)劣之分，不同空間及其資源也各有所長。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)情況選擇適當(dāng)?shù)目臻g和資源，以調(diào)動相關(guān)經(jīng)驗(yàn)促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展。在沉浸式虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境中，三元學(xué)習(xí)空間相互融合，空間的各要素之間需形成有效聯(lián)系和互動機(jī)制，圍繞教學(xué)目標(biāo)發(fā)揮協(xié)同作用。如英特爾公司發(fā)布的《英特爾未來教室——橋項(xiàng)目（Intel Project Bridge）》通過連線遠(yuǎn)程專家、虛擬實(shí)驗(yàn)、3D打印模型、視頻資源學(xué)習(xí)等方式聯(lián)動各空間資源，構(gòu)建出虛實(shí)融合環(huán)境下的未來課堂（楊彥軍等，2019）。

2.虛實(shí)融合環(huán)境中的具身學(xué)習(xí)原理

20世紀(jì)以來，許多學(xué)者開始重新思考笛卡爾（René Descartes）“身心二元論”的合理性。胡塞爾（Edmund Husserl）重視肉體（身體）在意識形成中的作用（羅克汀，1990），馬丁·海德格爾（Martin Heidegger）從存在論視角提出人對世界的認(rèn)識是通過“存在”的身體與世界中其他事物互動實(shí)現(xiàn)的（馬丁·海德格爾，1999），莫里斯·梅洛-龐蒂（Maurice Merleau-Ponty）提出身體與意識統(tǒng)一的“一元論”，認(rèn)為正是身體的知覺連接了經(jīng)驗(yàn)世界與自我，并將具身認(rèn)知發(fā)展為知覺現(xiàn)象學(xué)（徐獻(xiàn)軍，2009）。具身認(rèn)知理論主張認(rèn)知是具身的、情境的，認(rèn)知發(fā)展依靠經(jīng)驗(yàn)積累，經(jīng)驗(yàn)來自身體，身體處于生物、心理和文化的環(huán)境中（Varela et al.，1991），認(rèn)知、身體和環(huán)境構(gòu)成動態(tài)的統(tǒng)一體。這里的統(tǒng)一包含了生理諸官能的統(tǒng)一、心身統(tǒng)一以及與世界的統(tǒng)一等三個不同層面（范文翔等，2020）。與此對應(yīng)，虛實(shí)融合環(huán)境也為學(xué)習(xí)者提供了多模態(tài)感知學(xué)習(xí)、狹義具身認(rèn)知學(xué)習(xí)和聯(lián)通主義學(xué)習(xí)的條件。

虛實(shí)融合環(huán)境下的學(xué)習(xí)在信息獲取方式上是一種多模態(tài)感知學(xué)習(xí)的過程，這正是具身認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)的“生理諸官能的統(tǒng)一”。多模態(tài)是指采取多種方式獲取關(guān)于同一現(xiàn)象、過程或環(huán)境的信息（鐘薇等，2018）。在傳統(tǒng)課堂環(huán)境中，由于資源和空間限制，學(xué)習(xí)者獲取學(xué)習(xí)信息的方式比較單一，主要依賴于實(shí)物展示、觀看圖片、視頻和教師口述等方式。而在虛實(shí)融合環(huán)境中，豐富的媒體和資源可以打造擬真化的學(xué)習(xí)情境，立體地呈現(xiàn)學(xué)習(xí)對象，使學(xué)習(xí)者通過多模態(tài)感知信息，達(dá)到對所學(xué)內(nèi)容的全面理解。如在“巖石的認(rèn)識”學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者可以通過實(shí)物、圖片或VR技術(shù)觀察掌握巖石的外形，如實(shí)物觸摸可了解其質(zhì)感，觀看視頻可掌握其形成過程，實(shí)驗(yàn)或虛擬實(shí)驗(yàn)可得知其特性和成分等。

虛實(shí)融合環(huán)境下的學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)者參與互動方面體現(xiàn)為一種具身認(rèn)知學(xué)習(xí)的過程，這正是具身認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)的“心身統(tǒng)一”。具身認(rèn)知理論認(rèn)為生理體驗(yàn)與心理狀態(tài)之間有著緊密的聯(lián)系，主張通過外在知覺促進(jìn)意識發(fā)展。在虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者參與活動交互時可以通過多種途徑感知獲取大量知覺經(jīng)驗(yàn)，初步形成基本概念，在經(jīng)過分析加工轉(zhuǎn)化為抽象概念后實(shí)現(xiàn)認(rèn)知發(fā)展。約翰·布萊克（John Black）提出具身學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建應(yīng)先從物理具身展開，即通過直接的身體接觸（直接具身）或借助工具（代理具身與增強(qiáng)具身）的方式使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生感官經(jīng)驗(yàn)，再利用意向具身保持經(jīng)驗(yàn)，通過總結(jié)反思與回顧鞏固相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，最終在完成任務(wù)的過程中實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)（Black，2010）。由于虛實(shí)融合學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境既能為學(xué)習(xí)者提供充分的物理具身?xiàng)l件，提供適當(dāng)?shù)摹肮┙o量”，也能通過活動實(shí)踐鞏固學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)提供意向具身的“土壤”，因而有助于具身認(rèn)知學(xué)習(xí)的發(fā)生。

虛實(shí)融合環(huán)境下的學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)者和經(jīng)驗(yàn)世界的關(guān)系方面體現(xiàn)為一種聯(lián)通主義學(xué)習(xí)，這正是具身認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)的“與世界的統(tǒng)一”。聯(lián)通主義理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是在人類內(nèi)部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人類社會的概念網(wǎng)絡(luò)和外部社會網(wǎng)絡(luò)之間搭建聯(lián)系的過程（Siemens，2005）。在虛實(shí)融合環(huán)境中，三元學(xué)習(xí)空間通過呈現(xiàn)直觀的學(xué)習(xí)對象和學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)習(xí)者激活內(nèi)部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接，形成新知識與原有知識之間的聯(lián)系，構(gòu)建起認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。認(rèn)知聯(lián)通旨在完成個體潛能的開發(fā)，個體的聯(lián)通則將達(dá)到集體智慧的共享（王志軍等，2019）。根據(jù)聯(lián)通主義理論，虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境通過聯(lián)通線上與線下、真實(shí)與虛擬、認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)與概念網(wǎng)絡(luò)搭建起個人與世界的橋梁，使學(xué)習(xí)者能夠在參與知識建構(gòu)、知識共享、知識創(chuàng)生的過程中更好地完成個體與外界的信息和能量交互，從而達(dá)到人與世界的聯(lián)通。

三、沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境中的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)

為了更好地發(fā)揮沉浸式虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方面的優(yōu)勢和潛力，有必要對該環(huán)境下的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)做深入研究。具身學(xué)習(xí)活動是基于具身認(rèn)知理論設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動，其目的是激發(fā)學(xué)習(xí)者的全面參與，具有情境化、做中學(xué)、身心協(xié)同等特征（李青等，2016）。

根據(jù)具身認(rèn)知理論，學(xué)習(xí)是需要學(xué)習(xí)者身心共同參與學(xué)習(xí)活動，以行為促認(rèn)知，以認(rèn)知促行動的有意義加工的過程。它不是簡單機(jī)械的動手操作，也不是純粹的頭腦想象，而是“理解性”學(xué)習(xí)的過程。理解性學(xué)習(xí)（Learning with Understanding）是指“學(xué)生通過學(xué)習(xí)獲得深刻的概念性理解和適當(dāng)應(yīng)用知識的能力”（Gollub et al.，2002）。理解性學(xué)習(xí)需要認(rèn)知、感情和行為發(fā)展相統(tǒng)一（郭曉娜，2016）。有研究者指出，在教學(xué)時將知識和學(xué)習(xí)置于多元情境中，有助于使學(xué)習(xí)者對概念達(dá)到深度理解和遷移應(yīng)用，也有利于理解性學(xué)習(xí)的發(fā)生（陳家剛，2013）。由此可見，具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)的目標(biāo)與理解性學(xué)習(xí)的內(nèi)涵不謀而合。杰伊·麥克蒂格（Jay Mctiche）和格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）的理解設(shè)計(jì)框架（The Understanding by Design?? Framework，UbD Framework）聚焦于學(xué)習(xí)者理解和學(xué)習(xí)遷移的教學(xué)和評估，采用反向設(shè)計(jì)提高課程的質(zhì)量和有效性（Wiggins et al.，1998）。由于UbD的設(shè)計(jì)理念與我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)存在共通之處，因此我們將以UbD框架為基礎(chǔ)來構(gòu)建面向沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)框架。UbD教學(xué)設(shè)計(jì)框架包括確定所需結(jié)果、確定評估證據(jù)、設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動和指導(dǎo)三個反向設(shè)計(jì)階段。這三個階段的內(nèi)在一貫性有助于避免以活動為導(dǎo)向和以知識覆蓋為導(dǎo)向的課程計(jì)劃的雙重弊端。該框架不僅重視對基礎(chǔ)知識的理解和運(yùn)用，更強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者對概念和過程的理解，這與我國當(dāng)前學(xué)校教育所強(qiáng)調(diào)的核心素養(yǎng)和學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)相符合。沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的建立主要是為學(xué)習(xí)者提供具身學(xué)習(xí)環(huán)境，使其獲得豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，以彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)環(huán)境不足、學(xué)習(xí)者身體條件不足而帶來的學(xué)習(xí)體驗(yàn)不佳等問題。本研究在借鑒UbD教學(xué)設(shè)計(jì)框架的基礎(chǔ)上，綜合杰羅姆·范梅里恩伯爾（Jeroen J. G. Van Merri?nboer）等提出的四要素教學(xué)設(shè)計(jì)（Four-Component Instructional Design，簡稱4C/ID）模型（Van Merri?nboer et al.，2002）在部分任務(wù)練習(xí)方面的優(yōu)點(diǎn)和美國生物學(xué)課程研究所提出的5E模式（吳成軍等，2010）的探究性特征，提出面向沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)框架。該框架包括確定期望結(jié)果和評估證據(jù)、分析學(xué)習(xí)者特征和學(xué)習(xí)內(nèi)容、設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動和指導(dǎo)、基于沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的課程開發(fā)、課程評價及修正6個部分共計(jì)10個步驟，見圖3。此框架以提升學(xué)習(xí)者的“核心素養(yǎng)”為目標(biāo)，通過目標(biāo)、評估、活動三者的內(nèi)在一致，以保證教學(xué)方向的正確性。

1.確定期望結(jié)果和評估證據(jù)

根據(jù)UbD教學(xué)設(shè)計(jì)框架，在設(shè)計(jì)具身學(xué)習(xí)活動時應(yīng)首先確定期望的結(jié)果，也就是教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)目標(biāo)的確定要以學(xué)習(xí)者的“理解”為核心，這里的“理解”是建立在具身基礎(chǔ)上的意義建構(gòu)的過程。在以“理解”為核心的基礎(chǔ)上，再結(jié)合國家課程標(biāo)準(zhǔn)、人才培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)科特點(diǎn)和學(xué)習(xí)者特點(diǎn)，制定切實(shí)可行的具體目標(biāo)。

明確期望結(jié)果之后，再確定相應(yīng)的評估證據(jù)，評估證據(jù)要能反映預(yù)期結(jié)果。評估證據(jù)以績效任務(wù)為主，從解釋、說明、運(yùn)用、轉(zhuǎn)換觀點(diǎn)、同理心、自我評估6個方面評估“理解”，即可以用自己的語言來解釋概念、原則和過程;能夠通過圖像、類比、故事和模型來說明數(shù)據(jù)、文本和經(jīng)驗(yàn);在新的復(fù)雜環(huán)境中能有效運(yùn)用和調(diào)整已有知識;通過觀察大局和認(rèn)識不同的觀點(diǎn)來展現(xiàn)視角;通過敏感地感知和換位思考來表現(xiàn)共情;通過表現(xiàn)出元認(rèn)知意識、反思學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)的意義來獲得自我認(rèn)識。這6個方面沒有等級區(qū)分，且具有具身性的特點(diǎn)。在實(shí)際確定評估證據(jù)時，需要根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)和內(nèi)容性質(zhì)選擇其中相應(yīng)的方面。除此以外，其他任務(wù)也可以提供佐證，如傳統(tǒng)的測驗(yàn)、測試、觀察和工作樣本等，亦可以通過多方面立體化的評價來更準(zhǔn)確地評估學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。

2.分析學(xué)習(xí)者特征和學(xué)習(xí)內(nèi)容

由于虛實(shí)融合環(huán)境下的學(xué)習(xí)需要學(xué)習(xí)者參與密切交互，獲得具身學(xué)習(xí)體驗(yàn)，為此需要根據(jù)學(xué)習(xí)者特征進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)者特征分析主要從認(rèn)知能力、知識基礎(chǔ)、共同特點(diǎn)和個體差別等方面展開，是后續(xù)學(xué)習(xí)任務(wù)和活動安排、學(xué)習(xí)媒體和策略選擇的依據(jù)。根據(jù)皮亞杰（Piaget）的認(rèn)知發(fā)展觀，各年齡段學(xué)習(xí)者的認(rèn)知發(fā)展水平存在差異。因此，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時需要針對不同認(rèn)知發(fā)展水平的學(xué)生安排適當(dāng)難度和復(fù)雜性的具身學(xué)習(xí)活動。除此以外，還要考慮學(xué)習(xí)者的知識基礎(chǔ)、共同特征、個體差異等因素，如針對體育生的教學(xué)可以設(shè)計(jì)較高身體參與程度的活動，針對殘疾人群的教學(xué)要設(shè)計(jì)符合學(xué)習(xí)者條件且能彌補(bǔ)其身體不足的學(xué)習(xí)活動。不同學(xué)科或主題的教學(xué)也需要考慮對應(yīng)的具身設(shè)計(jì)要求。例如，表演類課程可以通過觀察模仿、沉浸式情境的營造來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的表演能力;創(chuàng)客類課程可以通過實(shí)際觀察、實(shí)踐操作來培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

3.設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動和指導(dǎo)

為了達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，還需要根據(jù)期望結(jié)果和學(xué)習(xí)內(nèi)容細(xì)化學(xué)習(xí)任務(wù)、活動和資源。由于以“理解”為核心的教學(xué)需要給學(xué)習(xí)者更多主動建構(gòu)的機(jī)會，因此，教師在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動和指導(dǎo)時應(yīng)適當(dāng)留白，并盡可能地提供知識遷移所需的支持。

（1）根據(jù)學(xué)習(xí)主題設(shè)計(jì)系列學(xué)習(xí)任務(wù)

學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)應(yīng)注重真實(shí)性、目的性、活動性和教學(xué)性（鐘志賢等，2006）。在根據(jù)主題安排系列學(xué)習(xí)任務(wù)方面，可參考杰羅姆·范梅里恩伯爾等人構(gòu)建的4C/ID模型。該模型將復(fù)雜的學(xué)習(xí)項(xiàng)目分解為四個相互關(guān)聯(lián)的基本要素，包括簡單學(xué)習(xí)任務(wù)、支持性信息、程序性信息和部分任務(wù)練習(xí)。以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)虛實(shí)融合環(huán)境中系列學(xué)習(xí)任務(wù)時，可以先根據(jù)學(xué)習(xí)主題將復(fù)雜任務(wù)細(xì)化為一系列難度遞增的具體任務(wù)，再設(shè)計(jì)相應(yīng)的支持性信息和程序性信息，以為學(xué)習(xí)者提供合適的腳手架。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成完整的學(xué)習(xí)任務(wù)后，可根據(jù)學(xué)習(xí)情況為其安排不同類型、不同程度的部分任務(wù)練習(xí)，以加強(qiáng)學(xué)習(xí)者對部分技能的掌握和運(yùn)用。整個設(shè)計(jì)過程中，需要注意任務(wù)的連貫性和難易度。

（2）根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動序列

根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)選擇學(xué)習(xí)活動時不僅要考慮學(xué)習(xí)者特征、具體的學(xué)習(xí)任務(wù)和媒體的特性等因素，也要考慮該學(xué)習(xí)活動是否有助于學(xué)習(xí)者建立社會聯(lián)系和認(rèn)知聯(lián)系。社會聯(lián)系的建立可通過小組合作、集體探究等方式進(jìn)行，既能使學(xué)習(xí)者在觀察模仿中獲得認(rèn)知的發(fā)展，也鍛煉了學(xué)習(xí)者的表達(dá)能力、溝通能力等社交能力。認(rèn)知聯(lián)系的建立需要將知識放在更廣泛的環(huán)境中來理解，通過與學(xué)習(xí)者過去已有經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)實(shí)世界建立聯(lián)系，使學(xué)習(xí)者的認(rèn)知圖式更加完整和立體。但無論是社會聯(lián)系還是認(rèn)知聯(lián)系的建立，都需要與所要學(xué)習(xí)的知識密切關(guān)聯(lián)，并以知識邏輯來建立內(nèi)在聯(lián)系。學(xué)習(xí)活動的組織可按照5E模式，即先將學(xué)習(xí)者已有的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)引入（Engage）新知識，然后在虛實(shí)融合環(huán)境下組織學(xué)習(xí)者參與活動探究（Explore）新知識，接著展示討論（Explain）學(xué)習(xí)結(jié)果，教師引導(dǎo)學(xué)生促進(jìn)知識遷移（Elaborate），并將評價（Evaluate）貫穿于活動過程中。

4.媒體和環(huán)境設(shè)計(jì)

根據(jù)約翰·布萊克的具身教學(xué)框架（Black，2010），學(xué)習(xí)者的具身認(rèn)知發(fā)生必須首先通過物理方式（直接、替代或增強(qiáng)實(shí)施方式）作為一種完整的感知體驗(yàn)，然后通過想象的實(shí)施方式維持學(xué)習(xí)活動，最終促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移發(fā)生。因此在傳授新知識時，除了要聯(lián)系學(xué)習(xí)者已有的知識經(jīng)驗(yàn)，也要適當(dāng)利用物理、虛擬或信息空間的媒體和資源為學(xué)習(xí)者具身經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)生營造條件，然后通過想象具身實(shí)現(xiàn)認(rèn)知建構(gòu)。

（1）學(xué)習(xí)媒體的設(shè)計(jì)

在選擇和設(shè)計(jì)各類學(xué)習(xí)媒體時，主要需要考慮學(xué)習(xí)活動的特征與性質(zhì)，如自然觀察類活動可以通過物理空間直接觀察或虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬觀察以獲取經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)操作類活動可以物理實(shí)驗(yàn)室動手操作或虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬操作為主。除此以外，還要綜合考慮空間限制、學(xué)習(xí)效果、價格、危險性、操作難易等多種因素。由于在物理、虛擬和信息三元學(xué)習(xí)空間中，各類教學(xué)媒體導(dǎo)致的學(xué)習(xí)者身體投入程度有所不同，其具身程度也不同，這就為各類媒體的選擇提供了更多依據(jù)。有研究者根據(jù)身體的投入程度將交互方式分為頭部交互、上肢肢體動作交互、全身參與（場景固定、位置變動?。┙换?、場景式交互（全身參與、場景豐富）四類（李青等，2016）。物理空間的媒體交互涉及身體的不同投入程度，包括學(xué)習(xí)者頭部的五官和大腦感知、上肢的手部動作、全身運(yùn)動或?qū)嶒?yàn)以及研學(xué)旅行、多媒體環(huán)境下的活動等多種交互。信息空間的媒體交互主要通過學(xué)習(xí)者的頭部和上肢完成，如信息獲取通過頭部的大腦、視聽感官參與交互，信息查詢通過上肢操作鼠標(biāo)或觸屏交互。虛擬空間的交互同樣需要身體不同程度的參與，只是利用虛實(shí)融合技術(shù)替代了現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備或環(huán)境，如用體感游戲代替真實(shí)操作。

在相同的身體投入程度下，對于一些簡單常見知識的學(xué)習(xí)，物理空間的媒體和資源相較于虛擬空間通常價格較低、操作方便，但對于一些復(fù)雜知識的學(xué)習(xí)，如人體解剖、爆破試驗(yàn)、DNA結(jié)構(gòu)觀察等，物理空間的媒體和資源就存在代價大、成本高的弊端。此時，采用虛擬空間技術(shù)彌補(bǔ)或替代的方式能夠降低實(shí)際操作的危險性和代價、突破時空限制甚至模擬現(xiàn)實(shí)難以體驗(yàn)的場景，其缺點(diǎn)是儀器價格一般較為昂貴。當(dāng)學(xué)習(xí)者在物理空間或虛擬空間中直接接觸或模擬操作時，有助于激活其身體圖式，喚起已有經(jīng)驗(yàn)，生成新的具身經(jīng)驗(yàn)，其學(xué)習(xí)效果通常會好于信息空間觀察的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)（沈夏林等，2019）。米蘭大學(xué)神經(jīng)科學(xué)博士克勞迪婭·雷佩托（Claudia Repetto）證明了在虛擬環(huán)境中運(yùn)動四肢有助于對相應(yīng)動作的理解（Repetto et al.，2015）。網(wǎng)絡(luò)信息資源豐富，獲取便捷，但由于內(nèi)容質(zhì)量難以保證，學(xué)習(xí)者在查詢并獲取信息時，也會面臨一定的困難。同時，不同身體投入水平也會產(chǎn)生不同的效果。僅通過視聽感官獲取的語言、文字信息效率較高，但產(chǎn)生的“理解”水平有限。有研究表明，手勢有助于知識的表達(dá)，尤其是用語言難以表述的時候（Clements et al.，1999）。因此，手勢在教學(xué)中的應(yīng)用也較為廣泛。全身交互和場景式交互能使學(xué)習(xí)者獲得更為深刻的體驗(yàn)，如體育運(yùn)動、研學(xué)旅行、虛擬實(shí)驗(yàn)等。在具體設(shè)計(jì)過程中，可以先結(jié)合學(xué)習(xí)者特征和學(xué)習(xí)內(nèi)容初步確定系列學(xué)習(xí)活動的內(nèi)容與形式，再根據(jù)各學(xué)習(xí)活動確定備選媒體資源的優(yōu)先級別，在綜合考慮不同媒體的效果、價格、危險性、操作難易等因素之后再進(jìn)行綜合選擇，然后再對學(xué)習(xí)活動進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過反復(fù)比較，選定最佳的活動和相對應(yīng)的媒體資源，進(jìn)而完成媒體資源的開發(fā)。

（2）具身學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)建

具身學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)建主要包括適當(dāng)?shù)恼n堂布局和智慧化的人機(jī)交互資源布置。有研究表明，無序的物理環(huán)境會降低人們的自控力，影響人的認(rèn)知（Chae et al.，2014;路紅等，2018）。因此，課堂環(huán)境方面，教室要簡潔寬敞，課桌椅布置要靈活，便于開展多樣化的教學(xué)活動（葉新東等，2014）。智慧化的人機(jī)交互資源包含捕捉系統(tǒng)、計(jì)算系統(tǒng)、展示系統(tǒng)和線上系統(tǒng)（陳忞，2020）。捕捉系統(tǒng)利用運(yùn)動追蹤、頭部追蹤、眼動追蹤、腦電、人臉識別、心率監(jiān)測等追蹤設(shè)備實(shí)時獲取學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動態(tài);計(jì)算系統(tǒng)實(shí)時計(jì)算、分析和反饋學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù);展示系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等虛實(shí)融合設(shè)備與傳統(tǒng)紙筆、圖片等媒體進(jìn)行資源和成果展示;線上系統(tǒng)提供大量的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源。

5.基于沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的課程開發(fā)、評價與修正

最后開發(fā)基于沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的課程，綜合學(xué)習(xí)過程中的數(shù)據(jù)反饋和測評結(jié)果完成形成性評價和總結(jié)性評價，分析教學(xué)設(shè)計(jì)效果，修正設(shè)計(jì)過程，經(jīng)過幾輪反復(fù)迭代完成最終設(shè)計(jì)，并對學(xué)習(xí)者進(jìn)行針對性的輔導(dǎo)。由于基于虛實(shí)融合環(huán)境的課程開發(fā)、課程試用評價及課程修正完善等過程與傳統(tǒng)課程開發(fā)流程類似，在此不再贅述。

四、沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境中具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)案例分析

在基于沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)實(shí)踐中，美國亞利桑那州的多媒體情景藝術(shù)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室（Situated Multimedia Arts Learning Lab，SMALLab）開展的工作具有代表性。SMALLab是融合視、聽、動覺為一體的學(xué)習(xí)環(huán)境，也是一個以實(shí)體教室為主，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及紅外傳感技術(shù)為輔的虛實(shí)融合環(huán)境（Kelliher et al.，2009），如圖4所示。SMALLab物理空間較為開放，學(xué)生們出入互動區(qū)域不受限制?；訁^(qū)域內(nèi)外的學(xué)習(xí)者均可裸眼直接觀察學(xué)習(xí)場景中的情況，并參與交流協(xié)作。環(huán)境中裝有多種傳感和反饋設(shè)備，如多模態(tài)感知、場景建構(gòu)、動作捕捉技術(shù)、聲音和視覺反饋等，學(xué)習(xí)者在技術(shù)支持下通過和區(qū)域內(nèi)的虛擬物進(jìn)行互動，便可獲得具身的學(xué)習(xí)體驗(yàn);同時學(xué)習(xí)者的位置、動作等學(xué)習(xí)相關(guān)數(shù)據(jù)被傳感器感知記錄下來，以為其提供實(shí)時反饋和過程性評價。SMALLab有情景各異且不斷更新的場景庫，教師可根據(jù)需要提供多個學(xué)科的不同活動場景，如生物、化學(xué)、物理、地理、語言、藝術(shù)等活動場景。

Johnson-Glenberg等人（2014）曾在虛實(shí)融合環(huán)境（SMALLab）和常規(guī)教學(xué)環(huán)境下進(jìn)行生物“疾病傳播”教學(xué)的對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作步驟和過程與上述研究提出的面向沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)框架基本相符。

第一步，確定期望結(jié)果和評估證據(jù)。根據(jù)美國《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》和《21世紀(jì)技能框架》的要求，對學(xué)習(xí)者的培養(yǎng)應(yīng)注重通過實(shí)踐提升其綜合能力。同時根據(jù)生物學(xué)科特點(diǎn)和學(xué)習(xí)者特征，在“疾病傳播”課例設(shè)計(jì)中，確定了學(xué)習(xí)者理解并掌握疾病傳播的過程和不同類型藥物治療對疾病作用的期望結(jié)果，并將其具體分為三個小目標(biāo)：在封閉系統(tǒng)中模擬疾病傳播的變化，推導(dǎo)其傳播原因;逐步引入細(xì)菌感染和病毒的區(qū)別、抗生素和疫苗的區(qū)別以及抗生素耐藥性、有癥狀和無癥狀攜帶者、資源有限的概念;了解疾病如何在封閉系統(tǒng)中傳播，并將他們的新見解推廣到其他系統(tǒng)。然后明確前測、中測和后測三次評估點(diǎn)，教師根據(jù)期望結(jié)果制定出一系列試題作為評估工具，如解釋疫苗和抗生素的區(qū)別、說明如何繪制感染情況線型圖等檢驗(yàn)“理解”的題目。

第二步，分析學(xué)習(xí)者特征和學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)習(xí)者是一所高中10年級和11年級的學(xué)生，具有一定的邏輯思維能力，他們來自不同種族，此前未系統(tǒng)學(xué)習(xí)過疾病傳播的知識，但多數(shù)曾在SMALLab環(huán)境中學(xué)習(xí)過，能夠接受SMALLab環(huán)境。學(xué)習(xí)內(nèi)容包括疾病傳播的概念、過程和治療方法，根據(jù)內(nèi)容可采用常規(guī)教學(xué)或虛實(shí)融合環(huán)境下的具身教學(xué)。

第三步，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動和指導(dǎo)。教師先根據(jù)學(xué)習(xí)主題設(shè)計(jì)創(chuàng)建化身、模擬疾病傳播和藥物治療等難度遞增的學(xué)習(xí)任務(wù)，再結(jié)合學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)者特征細(xì)化為一系列的學(xué)習(xí)活動（見表1）。整個教學(xué)活動過程采用探究式教學(xué)方法，有助于學(xué)習(xí)者建立認(rèn)知聯(lián)系和社會聯(lián)系。教師根據(jù)具體活動特點(diǎn)適當(dāng)調(diào)用不同空間的媒體和資源，充分發(fā)揮虛實(shí)融合環(huán)境的優(yōu)勢，促進(jìn)學(xué)習(xí)者具身認(rèn)知發(fā)展?；顒忧?，教師利用物理空間的語言、手勢等方式快速簡單地介紹，使學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境及其操作方法。在SMALLab環(huán)境中，地板屏幕中間的方框代表水和營養(yǎng)（見圖5），中間十字形圓框代表藥品（見圖6）。屏幕周圍有一圈學(xué)生創(chuàng)建的化身（見圖7）。每個化身外有兩個環(huán)，外環(huán)表示健康計(jì)，會隨著感染情況減少時間;內(nèi)環(huán)顏色表示健康狀況，紅色是有癥狀患者，黃色是無癥狀患者，白色是健康人群。學(xué)生可以通過補(bǔ)充水和營養(yǎng)或藥品治療延長健康計(jì)時長，當(dāng)時長耗盡，化身就會變成“骷髏”，則宣告該生游戲結(jié)束（見圖8）。教師可以通過設(shè)置菜單選項(xiàng)控制健康下降率、治療效率、最大水量、無癥狀的潛伏時間、抗生素的耐受閾值和抗生素耐受開關(guān)，可以選擇病毒模式或細(xì)菌模式。接著學(xué)生通過信息空間查詢大量資料，對疾病傳播相關(guān)概念形成基本認(rèn)識。然后利用虛實(shí)融合環(huán)境進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，通過操縱虛擬化身參與活動產(chǎn)生較高的參與度和沉浸感（Mennecke et al.，2011），降低了危險性，更直觀且更具可行性。學(xué)生在虛實(shí)融合環(huán)境中創(chuàng)建自己的虛擬化身，代表自身參與虛擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時，學(xué)生緊挨頭像圍成一圈，通過跟蹤棒控制化身（見圖6）。由于化身需要補(bǔ)充水和營養(yǎng)，學(xué)生需要不時進(jìn)入活動區(qū)域，在此過程中，疾病患者將疾病傳染給其他人。學(xué)生開始有意識地減少與潛在患者的接觸，并討論分析感染者，推導(dǎo)傳播原因。教師通過加快健康消耗率使學(xué)生更多地出現(xiàn)在活動空間，增加感染人數(shù)，提升活動難度。此時學(xué)生凝聚力增強(qiáng)，開始組織討論需要隔離的患者。教師再通過藥品限制，迫使學(xué)生思考如何充分利用藥物改善現(xiàn)狀，學(xué)生嘗試對細(xì)菌感染和病毒感染進(jìn)行區(qū)分。教師介紹抗生素耐藥性的概念和形成原理，然后改變其閾值。學(xué)生以建模的方式分析用藥的最佳時機(jī)。之后，教師引入疫苗，學(xué)生探索疫苗和抗生素的效果差異。最后全班總結(jié)分享經(jīng)驗(yàn)，嘗試將思維過程推廣到其他系統(tǒng)。教師評價整個學(xué)習(xí)過程，并且澄清一些誤解。

在系列難度遞增的活動任務(wù)中，學(xué)生通過觀察活動空間的情況變化并及時調(diào)整策略，獲得具身學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，同時發(fā)展合作交流、自主探究和問題解決等高階思維能力。在此過程中，教師主要負(fù)責(zé)提供學(xué)習(xí)支持，包括必要的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)和流程把控。SMALLab沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境為學(xué)習(xí)者提供了技術(shù)支撐。

可見，在此課例設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者非常注重對學(xué)習(xí)活動的安排和相應(yīng)媒體的選擇，在明確期望結(jié)果和評估證據(jù)、分析學(xué)習(xí)者特征和學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，確定學(xué)習(xí)任務(wù)，再將其分為一系列不同難度不同操作方式的活動。在此過程中，設(shè)計(jì)者充分發(fā)揮不同空間的資源優(yōu)勢，如在熟悉活動空間和基本概念澄清部分利用物理空間通過教師面對面的語言講解完成，效率較高;在背景資料的掌握部分以學(xué)生的自主查詢?yōu)橹?，利用信息空間的海量資源鍛煉學(xué)生的信息搜集和篩選能力，培養(yǎng)探究意識;在試驗(yàn)探究部分利用虛實(shí)融合環(huán)境危險性小、投入度高、直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)開展探究活動，使學(xué)生在活動中不斷提升認(rèn)知建構(gòu)和問題解決能力、合作交流能力等綜合能力。

該案例表明，沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境中學(xué)生的學(xué)習(xí)效果明顯好于傳統(tǒng)課堂環(huán)境中學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。學(xué)習(xí)者互換學(xué)習(xí)條件后，最終效果無明顯差異。因此可以認(rèn)為，學(xué)習(xí)效果差異來源于沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境下的具身活動設(shè)計(jì)與實(shí)踐。總之，面向沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)由于充分利用環(huán)境優(yōu)勢，以學(xué)習(xí)者為中心調(diào)動各類資源，促進(jìn)了學(xué)習(xí)者的認(rèn)知發(fā)展，調(diào)動了學(xué)習(xí)積極性并提升了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

五、結(jié)語

混合現(xiàn)實(shí)、全息投影、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和5G通信等新興信息技術(shù)的發(fā)展為虛實(shí)融合的新型學(xué)習(xí)環(huán)境的營建打下了技術(shù)基礎(chǔ)，基于此環(huán)境的教學(xué)實(shí)踐正在生物、地理、化學(xué)和職業(yè)教育等學(xué)習(xí)領(lǐng)域逐步展開。然而，虛實(shí)融合新型學(xué)習(xí)環(huán)境下的教學(xué)發(fā)生機(jī)制及具身學(xué)習(xí)活動、學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)等理論研究則相對滯后，以至于教學(xué)實(shí)踐常停留在表面而缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為此，本研究以具身認(rèn)知理論為基礎(chǔ)對虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)成及學(xué)習(xí)發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了分析，并通過構(gòu)建沉浸式虛實(shí)融合環(huán)境下的具身學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)框架，分析了現(xiàn)有虛實(shí)融合教學(xué)典型案例，期望為基于虛實(shí)融合環(huán)境的教學(xué)活動設(shè)計(jì)和教學(xué)改革提供參考借鑒。同時，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)在教育領(lǐng)域的深入應(yīng)用，大量的生物信息數(shù)據(jù)正在產(chǎn)生并被獲取、篩選、分析，這為未來課堂的研究和設(shè)計(jì)提供了更多佐證和思路，最終將使課堂教學(xué)在理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐驗(yàn)證的相輔相成中逐漸趨于完善。

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收稿日期 2021-04-09責(zé)任編輯 劉選

The Design Framework of Embodied Learning Activity in Immersive Virtual-Reality

Fusion Environment

YANG Yanjun， ZHANG Jiahui

Abstract： With the wide application of virtual reality， augmented reality and other modern information technologies in the construction of learning environment， the learning principle and learning activity design based on the immersive virtual-reality fusion environment has become a prospective problem that needs further study. From the perspective of ecology and field theory， immersive virtual-reality fusion learning environment is a learning ecological environment composed of physical space， information space and virtual space， in which diverse experiences brought by different spaces provide conditions for learners to acquire various learning experience ranging from concrete to abstract. Learning in a virtual-reality environment is a process of multi-modal perception learning in the way of information acquisition， a process of embodied cognitive learning in the way that learners participate in learning interaction， and a process of connectivism learning in the relationship between learners and the experience world. The design framework of embodied learning activities oriented to the immersive virtual-reality fusion environment includes six parts， a total of ten steps， that is， determining expected results and evaluating evidence， analyzing learners characteristics and learning content， planning learning experience and guidance， curriculum development based on the virtual-reality fusion environment， and curriculum evaluation and correction. Based on this embodied learning activity design framework， the results of a detailed analysis of the learning activity design of the “Disease Transmission” Lesson in SMALLabs immersive virtual-reality fusion environment show that the design framework can better support the activity design and practice of embodied learning in the virtual-reality fusion environment. It helps to improve learners learning efficiency， promotes their cognitive development， and enhances their core literacy.

Keywords： Virtual-Reality Fusion; Embodied Cognition; Learning Activity Design; Learning Mechanism; Learning Ecological Environment