基于VR的論證教學(xué)對初中生科學(xué)學(xué)習(xí)的影響研究

管玨琪 張悅 吳哲 陳宇峰 張堅勇

[摘? ?要] 論證教學(xué)可以促進學(xué)生對科學(xué)概念的學(xué)習(xí)，論證教學(xué)的充分開展有待于優(yōu)化教學(xué)設(shè)計和實施。研究者已指出，適宜的教學(xué)策略和互動技術(shù)能進一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。研究將VR整合于科學(xué)論證教學(xué)，并應(yīng)用于七年級“科學(xué)”課中“地球與宇宙”單元，開展準實驗研究以探究該方法對初中生科學(xué)學(xué)習(xí)的影響。兩個班80名七年級學(xué)生參與本次實驗，其中，一個班級的40名學(xué)生為實驗組，使用基于VR的方式展開學(xué)習(xí);另一個班的40名學(xué)生為控制組，在一般教室環(huán)境下開展論證式學(xué)習(xí)。實驗結(jié)果表明，整合VR的科學(xué)論證教學(xué)更能促進學(xué)生對科學(xué)概念的理解，有助于學(xué)生在論證過程中提供證據(jù)和反證，提升學(xué)生在論證學(xué)習(xí)過程中的集體效能、批判性思維傾向，而論證教學(xué)過程中使用VR并未顯著影響學(xué)生的認知負荷。研究將為VR應(yīng)用于科學(xué)教學(xué)提供參考和更多實踐證據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實; 論證教學(xué); 科學(xué)概念學(xué)習(xí); 集體效能; 批判性思維傾向

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 管玨琪（1986—），女，江蘇常州人。講師，博士，主要從事信息化教學(xué)創(chuàng)新研究。E-mail：guanjueqi2008@126.com。

一、引? ?言

概念學(xué)習(xí)是科學(xué)教育研究的核心內(nèi)容，初中科學(xué)教學(xué)內(nèi)容涉及物理、化學(xué)、生物、地理多個領(lǐng)域，其中，與地理相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容包羅萬象、概念抽象。如何促進學(xué)生獲得和掌握科學(xué)知識，不斷重構(gòu)和發(fā)展對科學(xué)概念的理解是科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容之一。論證是學(xué)習(xí)科學(xué)概念的重要工具[1];已有研究一致表明，論證教學(xué)可以促進學(xué)生對科學(xué)概念的學(xué)習(xí)。有效參與論證是表達概念理解的途徑，證實或證偽觀點的能力是建構(gòu)知識的基礎(chǔ)[2]。然而，科學(xué)論證教學(xué)并未得到充分開展[3]，如何優(yōu)化教學(xué)設(shè)計和實施以促進學(xué)生有效參與論證是科學(xué)論證教學(xué)關(guān)注的重要內(nèi)容[4]。

學(xué)者們指出，不同的互動技術(shù)可以應(yīng)用于不同的教育活動[5]。在眾多新興技術(shù)中，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)為獨特而有效的教學(xué)實施提供了契機。VR技術(shù)最早于20世紀90年代早期引入K-12和高等教育，近期VR已應(yīng)用于K-12中的英語、數(shù)學(xué)、科學(xué)等學(xué)科的教學(xué)。VR的應(yīng)用將為學(xué)習(xí)者提供主動參與學(xué)習(xí)的機會，促進主動學(xué)習(xí)、項目化學(xué)習(xí)等的開展[6]。如Chen等在STEM教育中實踐基于VR的主動學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)10年級學(xué)生對抽象科學(xué)概念的理解和其他學(xué)習(xí)表現(xiàn)有所提升[7]。

VR技術(shù)為學(xué)習(xí)者擬真難以達到或體驗的場景/活動，增強學(xué)習(xí)者的直觀體驗;提供“沉浸、交互、構(gòu)想”的學(xué)習(xí)空間，實現(xiàn)與自然對象交互?？茖W(xué)教育中，這將促使學(xué)生更好地觀察科學(xué)現(xiàn)象，通過多維感知和身心參與，在實踐體驗和互動交流中提升對科學(xué)知識的理解以及基于此經(jīng)驗的反思，幫助學(xué)生深入開展論證。在此背景下，本研究將VR整合于科學(xué)論證教學(xué)，并在“科學(xué)”（七年級下冊）課中“地球與宇宙”單元展開應(yīng)用實踐，探討其對初中生科學(xué)學(xué)習(xí)的影響。具體研究問題包括：

（1）基于VR的科學(xué)論證教學(xué)是否有助于提高學(xué)生的科學(xué)概念學(xué)習(xí)效果？

（2）基于VR的科學(xué)論證教學(xué)是否有助于改善學(xué)生的科學(xué)論證表現(xiàn)？

（3）基于VR的科學(xué)論證教學(xué)是否對學(xué)生的認知負荷、集體效能、批判性思維有積極影響？

二、文獻綜述

（一）科學(xué)論證教學(xué)

庫恩（Kuhn）于1933年首次提出“科學(xué)即論證”的觀點。2011年，美國頒布的科學(xué)教育文件《K-12科學(xué)教育框架：實踐、跨領(lǐng)域概念和核心概念》和課程標準《下一代科學(xué)教育標準》都傳遞了論證服務(wù)并促進探究的教學(xué)構(gòu)想[8]。論證的本質(zhì)是一個利用資料和根據(jù)等證據(jù)以不斷消除主張的不確定性的、言語上的邏輯與推理過程[9]。科學(xué)論證教學(xué)主要是指在科學(xué)教學(xué)中突出“論證”特征的教學(xué)[3]，使學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家的論證過程來理解科學(xué)概念和科學(xué)本質(zhì)，并促進其思維發(fā)展[10]。從表達形式上看，科學(xué)論證可以分為書面科學(xué)論證和口頭科學(xué)論證。

國際科學(xué)論證研究形成了多個具有指導(dǎo)性的科學(xué)論證實踐模式，如用于實驗探究教學(xué)的ADI（Argument-Driven Inquiry，論證驅(qū)動的探究）模式，適用于核心概念教學(xué)的PCRR（Present-Critique-Reflect-Refine，呈現(xiàn)—批判—反思—提煉）模式。這些實踐模式共有的顯著特征是促進生生合作，引發(fā)多樣觀點[11]。國內(nèi)學(xué)者在實踐已有的科學(xué)論證模式基礎(chǔ)上，也探索形成了比較典型的論證式教學(xué)操作程序，如王星喬等基于圖爾敏論證模型，整合社會建構(gòu)主義理論、論證理論和學(xué)習(xí)監(jiān)控理論提出的論證式教學(xué)模式的操作程序[10]。

論證教學(xué)已應(yīng)用于科學(xué)概念學(xué)習(xí)、實驗探究教學(xué)，并產(chǎn)生了積極影響。研究者提出科學(xué)論證教學(xué)能促進科學(xué)概念的理解，提升探究學(xué)習(xí)的質(zhì)量和成效[11]?？茖W(xué)論證教學(xué)也將發(fā)展學(xué)生的批判性思維，提升學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)過程中的主體性。宋歌開展的一項元分析結(jié)果顯示，論證教學(xué)對學(xué)生科學(xué)概念學(xué)習(xí)具有高度的正向影響（效應(yīng)量為0.934），但論證教學(xué)對科學(xué)概念學(xué)習(xí)的影響效應(yīng)受教學(xué)時長、教學(xué)模式、論證形式和學(xué)習(xí)環(huán)境等調(diào)節(jié)變量的影響[12]。在實際科學(xué)課堂中，科學(xué)論證教學(xué)還未能得到充分開展。而技術(shù)的發(fā)展為在課堂教學(xué)中開展論證教學(xué)提供了新的機會。

（二）VR與科學(xué)教學(xué)

VR是幫助用戶創(chuàng)建虛擬世界并獲得仿真體驗的計算機環(huán)境，給予用戶沉浸式的交互體驗。通過沉浸獲取的臨場感是教育中應(yīng)用VR的一項主要推動力[13]。

科學(xué)教學(xué)中，VR可以擬真現(xiàn)實世界中無法抵達的場景，使得學(xué)習(xí)者參與抽象概念的虛擬觀察和自然交互，提升學(xué)習(xí)者對抽象事物的認知與理解。已有研究提出，VR對教學(xué)形式創(chuàng)新有著較好的應(yīng)用前景;VR環(huán)境下的學(xué)習(xí)者被寄希望于轉(zhuǎn)變其學(xué)習(xí)方式[14]。例如：張影在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中應(yīng)用VR實踐游戲化教學(xué)[15];Southgate應(yīng)用深度學(xué)習(xí)概念框架，架構(gòu)基于VR的高中科學(xué)學(xué)習(xí)[16]。

已有研究表明，VR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用有著較好的效果[17]。Merchant等的一項元分析顯示，VR在K-12或高等教育領(lǐng)域的應(yīng)用對提升學(xué)習(xí)效果有著積極作用[18]。研究發(fā)現(xiàn)，科學(xué)教學(xué)中VR環(huán)境可以促進學(xué)習(xí)者對科學(xué)概念的理解，例如：在Hansen等人的研究中，三維計算模型支持學(xué)生發(fā)展對動態(tài)天文現(xiàn)象的科學(xué)合理的理解[19];在Sun等人的研究中，三維虛擬現(xiàn)實模型提高了小學(xué)生抽象科學(xué)概念的成績[20];在Kozhevnikov等人的研究中，沉浸式環(huán)境下的學(xué)生對相對運動本質(zhì)的概念理解較為深刻[21];代依伶[22]、柳瑞雪[23]的研究也發(fā)現(xiàn)，沉浸式虛擬現(xiàn)實課堂能夠幫助學(xué)生更好地掌握科學(xué)知識。同時，科學(xué)教學(xué)中沉浸式虛擬環(huán)境能夠顯著增強學(xué)生的自我效能和集體效能[24]，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更積極地參與學(xué)習(xí)[25]。但VR應(yīng)用的積極影響也強調(diào)學(xué)習(xí)策略的整合，正如Parong等的研究發(fā)現(xiàn)，添加生成性學(xué)習(xí)策略后，沉浸式虛擬環(huán)境才顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[25]。

三、基于VR的科學(xué)論證教學(xué)設(shè)計

圖爾敏論證模型的六個要素（主張、資料、根據(jù)、支援、限定詞和反駁）為論證過程提供了腳手架;王星喬等基于該論證模型構(gòu)建的論證式教學(xué)模式的操作程序包括：引入論題、獲取證據(jù)、闡釋主張、辯證主張、獲得結(jié)論，并將學(xué)習(xí)共同體的反思與評價（內(nèi)部監(jiān)控）放置在內(nèi)部中心，將教師的組織、引導(dǎo)（外部監(jiān)控）置于外圍[10]。而適用于概念教學(xué)的PCRR模式，主要有創(chuàng)建并呈現(xiàn)論點與論證過程、批判性討論、反思同伴建議和提煉四個環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了持續(xù)論證氛圍的營造和學(xué)習(xí)者概念理解過程的迭代提煉。本研究以上述操作程序為框架，整合PCRR模式在概念教學(xué)中闡述與辯論主張階段的環(huán)節(jié)設(shè)計，結(jié)合VR學(xué)習(xí)環(huán)境對獲取證據(jù)和闡述、辯論主張的支持，融合書面和口頭科學(xué)論證，形成如圖1所示的基于VR的科學(xué)論證教學(xué)過程。

教師“教”的活動主要包括設(shè)計論證任務(wù)、課堂知識講解以及組織和引導(dǎo)論證活動。論證任務(wù)指向科學(xué)概念學(xué)習(xí)過程中學(xué)生需完成的論證內(nèi)容，由教師基于科學(xué)現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)問題情境;組織和引導(dǎo)論證活動是教師對學(xué)生整個學(xué)習(xí)活動的外部監(jiān)控，包括調(diào)控課堂對話、反饋和延伸學(xué)生觀點、引導(dǎo)論證圍繞有意義的知識建構(gòu)持續(xù)進行。

學(xué)生“學(xué)”的活動主要包括科學(xué)論題引入、獲取證據(jù)、學(xué)生闡述主張、學(xué)生辯證主張和獲得結(jié)論。其中科學(xué)論題的引入主要是來自教師的論證任務(wù)。獲取證據(jù)中的“證據(jù)”主要來自基于沉浸式環(huán)境的觀察體驗和自然交互，基于此經(jīng)驗或理論的小組討論、自我反思，以及學(xué)生已有的科學(xué)知識等;同時，學(xué)生在此階段基于小組討論填寫任務(wù)單完成書面論證。在闡述主張、辯證主張階段，強調(diào)圖爾敏論證模型的六個要素，并凸顯PCRR模式中的前三個環(huán)節(jié)，即通過小組討論，班級討論的參與結(jié)構(gòu)，學(xué)生使用上述證據(jù)闡釋自己的觀點及其理由和反證，質(zhì)疑和評估他人的觀點。在該學(xué)習(xí)過程中，如果各小組在闡述主張階段已經(jīng)達成一致意見，并且教師也認為達到預(yù)期的學(xué)習(xí)目標，可以直接進入獲得結(jié)論階段[10]。

VR學(xué)習(xí)環(huán)境支持學(xué)習(xí)者獲取觀察體驗、參與小組討論（如圖2所示）。硬件方面，為每一組學(xué)生至少提供兩個VR頭顯設(shè)備（Pico VR一體機）和支持與學(xué)習(xí)場景互動的VR操作手柄。以“地球與宇宙”單元中的部分資源為例，借助頭顯設(shè)備，學(xué)生通過視角的選?。ǖ厍蛞暯恰⑻諅?cè)方視角）可以在太空中觀察發(fā)生日食時日、地、月三者之間的位置關(guān)系，了解發(fā)生不同類型日食時日、地、月三者之間的距離關(guān)系;可以使用VR操作手柄，觀察星球表面的信息點、探索星球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

四、實驗設(shè)計

（一）研究樣本

實驗的參與者是80名來自浙江某中學(xué)七年級兩個班的學(xué)生。研究中兩個班級隨機分為兩組：實驗組中40名學(xué)生采用基于VR的科學(xué)論證方式進行學(xué)習(xí)，控制組中40名學(xué)生未借助VR，而是基于文本資料完成書面論證。兩個組中的學(xué)生隨機分成由4～5名學(xué)生組成的學(xué)習(xí)小組。為了避免授課教師對實驗結(jié)果的影響，兩個組由同一位科學(xué)教師組織學(xué)習(xí)過程，而實驗組有1位技術(shù)人員幫助學(xué)生使用VR系統(tǒng)。

（二）實驗過程

“地球與宇宙”單元包括“太陽和月球”“月相”“日食和月食”“太陽系”等教學(xué)主題。這部分知識內(nèi)容抽象，教學(xué)過程中存在學(xué)生認知阻礙大、教學(xué)手段單一、教學(xué)延伸困難等問題。根據(jù)教學(xué)實際，確定了實驗教學(xué)安排，見表1，教學(xué)主題實踐如圖1所示的設(shè)計。以“太陽系”一課為例，課堂教學(xué)實施過程為：教師導(dǎo)入課堂教學(xué)，并引入論題;學(xué)生基于教師提供的框架，借助VR收集資料以了解八大行星的特征，并小組討論形成主張，填寫書面論證任務(wù)單，同時對書面論證進行評價;隨后，在教師的組織、引導(dǎo)下，學(xué)生結(jié)合VR體驗闡述、辯論主張，從而獲得結(jié)論、修改書面論證任務(wù)單;最后進行課堂拓展與總結(jié)。

為期兩周的實驗過程（每周三次課），如圖3所示。實驗開始前，對學(xué)生進行了知識前測，并讓學(xué)生填寫了有關(guān)集體效能、批判性思維傾向的前測問卷。實驗過程中，實驗組在基于VR的科學(xué)論證教學(xué)方式中學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識。教學(xué)開始時，研究團隊成員首先向?qū)W生介紹VR設(shè)備的功能與基本使用方法，并示范操作。在“獲取證據(jù)”階段，實驗組中每位小組成員都有機會體驗沉浸式虛擬場景，并協(xié)作填寫學(xué)習(xí)任務(wù)單完成書面論證;控制組學(xué)生則基于文本資料完成書面論證。兩組學(xué)生每次課中的學(xué)習(xí)內(nèi)容均相同。

學(xué)習(xí)活動結(jié)束后，學(xué)生完成“地球與宇宙”知識后測，并完成認知負荷、集體效能、批判性思維傾向的后測問卷。

（三）研究工具

1. 問卷

本研究的研究工具包括測量兩組學(xué)生的認知負荷、集體效能和批判性思維傾向的問卷。認知負荷問卷參考Hwang等人制定的量表[26]，共有8個題項。集體效能問卷源于Wang等開發(fā)的問卷[27]，柳瑞雪的研究中將其譯為中文[24]，包含8個題項。批判性思維傾向的測量使用了Chai等開發(fā)的批判性思維子量表[28]，由3個題項組成。上述問卷采用的均為較成熟的量表，已應(yīng)用于不同研究情境;各題項在施測時都為中文表述，語句表達在英文表述基礎(chǔ)上由研究者根據(jù)研究需求進行了改動。問卷均采用李克特5點計分方式（“5”代表十分同意，“1”代表十分不同意）。各問卷的α系數(shù)在0.889～0.948之間，表示問卷題項內(nèi)部一致性可接受。

2. 書面論證分析框架

參考鄧陽關(guān)于書面科學(xué)論證評價的研究[11]，從主張、證據(jù)、理由、反證（有的任務(wù)無需考察反證）四個結(jié)構(gòu)要素維度分析學(xué)生論證任務(wù)單，每個維度包括不同水平層次（相應(yīng)計分0～3分）。研究根據(jù)鄧陽的評價標準針對每個論證任務(wù)制定了相應(yīng)維度的評價項目，從對不同水平的具體評價項目的內(nèi)容描述和表現(xiàn)標準兩個方面呈現(xiàn)。以任務(wù)“太陽系中是否有適合我們生存的第二個‘地球”為例，可形成表2所示的分析設(shè)計。研究團隊成員根據(jù)表現(xiàn)標準完成對學(xué)生書面論證情況的判定。

此外，研究使用學(xué)生前一單元的測驗結(jié)果作為科學(xué)知識前測。后測題目來自“地球與宇宙”這一單元，由20道選擇題和2道說明題組成;各試題的分值根據(jù)對應(yīng)知識點的重要程度進行設(shè)計，總分為100分;選擇題部分考察學(xué)生對基礎(chǔ)知識的識記和理解，說明題考察學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用?？茖W(xué)知識的前測和后測由執(zhí)教教師設(shè)計。

五、實驗結(jié)果

分析實驗結(jié)果前，T檢驗統(tǒng)計結(jié)果顯示，實驗組和控制組學(xué)生的科學(xué)知識前測沒有顯著性差異（t=0.966，p=0.337>0.05）。實驗前兩組學(xué)生填寫的集體效能、批判性思維傾向問卷也表明，兩組學(xué)生在這些方面沒有顯著性差異（t=0.750，p=0.455>0.05;t=1.822，p=0.071>0.05）。

（一）科學(xué)概念學(xué)習(xí)結(jié)果分析

使用協(xié)方差分析以了解不同的方法是否對學(xué)生的科學(xué)概念學(xué)習(xí)結(jié)果有顯著性影響。對兩組學(xué)生的后測成績進行方差同質(zhì)性檢驗，其顯著性遠大于0.05，滿足方差齊性要求，表明可進行協(xié)方差分析。

以知識前測成績作為協(xié)變量，知識后測成績作為因變量，對兩組學(xué)生的測驗成績進行協(xié)方差分析。結(jié)果顯示，實驗組知識后測成績的修正均值和標準誤差分別為71.91和1.506，控制組為66.19和1.506。兩組學(xué)生之間知識后測成績存在顯著性差異（F=7.149，p=0.009<0.05），使用基于VR的科學(xué)論證方法的學(xué)生，其單元學(xué)習(xí)后的知識測驗結(jié)果要顯著高于未使用VR的學(xué)生。

（二）科學(xué)論證表現(xiàn)

研究中對論證任務(wù)“太陽的結(jié)構(gòu)是怎樣的”（任務(wù)1）、“太陽系中是否有適合我們生存的第二個‘地球”（任務(wù)2）進行分析。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，學(xué)生在任務(wù)2（難度高于任務(wù)1）中提出主張相對困難，但此時實驗組學(xué)生在水平1的主張的比例（33.33%）要明顯高于控制組（9.09%）。實驗組學(xué)生在任務(wù)1的證據(jù)方面，89.47%的學(xué)生能夠提出“光球?qū)印獙α鲗印椛鋵印獌?nèi)核層”這一對太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)的正確描述來支撐所繪制的結(jié)構(gòu)示意圖，明顯高于控制組。在任務(wù)2中，實驗組學(xué)生提供證據(jù)的比例略高于控制組，兩組學(xué)生中均僅有少部分學(xué)生能夠提出支持“火星”主張的充分、完整證據(jù)。實驗組學(xué)生在任務(wù)1和任務(wù)2中提出水平2的理由均高于控制組。而在反證方面，實驗組學(xué)生在水平2的比例（44.44%）要明顯高于控制組（9.09%）。上述描述性數(shù)據(jù)結(jié)果表明，實驗組學(xué)生在VR學(xué)習(xí)環(huán)境中更能提供證據(jù)和反證。

（三）認知負荷、集體效能、批判性思維傾向分析

為了解基于VR的科學(xué)論證教學(xué)是否對學(xué)生的認知負荷、集體效能、批判性思維有顯著影響，對兩組學(xué)生的后測問卷結(jié)果進行獨立樣本T檢驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)（見表3），實驗組與控制組的認知負荷不存在顯著差異（t=1.364，p=0.17>0.05）;實驗組集體效能均值（M=4.52）高于控制組均值（M=4.23），實驗組批判性思維傾向均值（M=4.21）高于控制組（M=3.83），且都存在顯著性差異（t=2.005，p=0.048<0.05;t=2.154，p=0.034<0.05）。由此表明，基于VR的科學(xué)論證教學(xué)能夠提升學(xué)習(xí)者在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中的集體效能、批判性思維。

六、討論與總結(jié)

（一）基于VR的科學(xué)論證教學(xué)對初中生科學(xué)學(xué)習(xí)的積極作用

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于VR的科學(xué)論證教學(xué)更能促進學(xué)生對科學(xué)概念的理解，提高學(xué)習(xí)成績。這一研究結(jié)果符合已有研究討論的具身參與有助于學(xué)生更好理解復(fù)雜科學(xué)場景或概念的觀點[29];也與Kozhevnikov等人在相對運動概念理解[21]、柳瑞雪在“人體之旅”一課中應(yīng)用VR的研究發(fā)現(xiàn)一致[23]。結(jié)合書面科學(xué)論證任務(wù)的分析，我們也可發(fā)現(xiàn)，基于VR體驗更有助于學(xué)生在論證過程中提供證據(jù)和反證;而在更為開放性的任務(wù)中，學(xué)生更能提出明確的主張。體驗和觀察是獲取證據(jù)的重要途徑，本研究中VR創(chuàng)設(shè)的“沉浸、交互、想象”空間有助于學(xué)生對太陽結(jié)構(gòu)、太陽系等科學(xué)場景和抽象科學(xué)概念的體驗和觀察，這將激發(fā)學(xué)生更好地參與論證，在語言和思維的碰撞中反思和完善對科學(xué)概念的理解。這也在一定程度上印證了已有研究指出的不同科學(xué)論證內(nèi)容（如不同的地質(zhì)學(xué)資料）會影響科學(xué)論證的教學(xué)效果的觀點[11]。

同時，實驗結(jié)果表明，基于VR的科學(xué)論證教學(xué)增強了學(xué)生在科學(xué)論證過程中的集體效能，這與Chen等將多用戶虛擬環(huán)境應(yīng)用于中學(xué)科學(xué)教學(xué)[30]，以及柳瑞雪將沉浸式環(huán)境應(yīng)用于小學(xué)四年級科學(xué)教學(xué)中的研究結(jié)果一致[24]。已有研究證實集體效能與小組表現(xiàn)顯著相關(guān)[31];高集體效能將對學(xué)習(xí)者討論行為和小組表現(xiàn)產(chǎn)生積極影響，而論證強調(diào)班級或小組的參與結(jié)構(gòu)，這在一定程度上也可解釋學(xué)生在基于VR的科學(xué)論證教學(xué)中取得更好的學(xué)習(xí)結(jié)果和表現(xiàn)的原因。

此外，科學(xué)學(xué)習(xí)需要學(xué)生有機會主動地參與到批判思維的發(fā)展過程中[11]，論證教學(xué)本身有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的批判性思維。已有研究表明，虛擬技術(shù)有助于學(xué)生的批判性思維發(fā)展[5];本研究中VR體驗有助于學(xué)生獲取證據(jù)，在個體認知反思和群體討論過程中想象和明確可能的證據(jù)，以不斷強化或削弱一個主張，這正是批判性思維不斷發(fā)展的過程。

盡管Macias-diaz指出，虛擬環(huán)境中豐富的場景會干擾學(xué)習(xí)者對重要內(nèi)容的注意，以至難以將注意力集中于學(xué)習(xí)活動[32]。但本研究中，論證教學(xué)中整合VR并未顯著增加學(xué)生的認知負荷。

（二）研究局限與未來研究

本研究中提出并實踐基于VR的科學(xué)論證教學(xué)，發(fā)現(xiàn)將VR整合于科學(xué)論證教學(xué)有助于提高學(xué)生科學(xué)概念學(xué)習(xí)效果、改善科學(xué)論證表現(xiàn)，積極影響學(xué)生的集體效能、批判性思維傾向;研究為VR整合于教與學(xué)提供了更多實踐證據(jù)。然而研究也存在不足：（1）由于VR資源的局限，并未能在本實驗的每個教學(xué)主題中提供沉浸式體驗;實驗單元各主題間存在緊密的知識結(jié)構(gòu)關(guān)系，當月食這部分教學(xué)內(nèi)容未使用VR資源時，實驗組學(xué)生將基于前期VR體驗與控制組在同樣的環(huán)境下開展學(xué)習(xí)。（2）課堂開展論證教學(xué)需要規(guī)范的話語體系，師生都有待進一步適應(yīng)科學(xué)課堂論證，以更為有效地參與科學(xué)論證。（3）學(xué)生科學(xué)論證表現(xiàn)的分析僅關(guān)注書面論證，且為群體概況，尚需關(guān)注話語互動視角的口頭論證內(nèi)容。（4）實驗組學(xué)生此前未使用過VR技術(shù)，對他們而言，在學(xué)習(xí)過程中使用VR是全新體驗，這可能對其學(xué)習(xí)結(jié)果和過程表現(xiàn)產(chǎn)生影響。根據(jù)羅森塔爾效應(yīng)，即新技術(shù)的引入最初能刺激學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機，但隨之在學(xué)習(xí)歷程中逐漸消失。因此，需要更多的研究跟蹤基于VR的學(xué)習(xí)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)結(jié)果的影響。

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