虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)效果的影響研究

葉歡 占小紅

摘要： 通過元分析方法對(duì)2000～2021年國內(nèi)外有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)影響中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)效果的16篇準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究論文進(jìn)行量化分析，探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)科學(xué)知識(shí)、科學(xué)探究（過程、能力與方法）和科學(xué)情感的影響。研究發(fā)現(xiàn)： （1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)效果有較高程度的積極影響（合并效應(yīng)值為0.82）;（2）對(duì)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)情感均有較高程度影響，相較于陳述性知識(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更適合程序性知識(shí);（3）對(duì)科學(xué)探究有中等程度影響（合并效應(yīng)值為0.63）。結(jié)合研究結(jié)果，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用提出策略和建議。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 科學(xué)學(xué)習(xí)效果; 元分析

文章編號(hào)： 10056629（2022）09002906

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字模擬環(huán)境，使用戶借助相關(guān)設(shè)備就可以與數(shù)字模擬環(huán)境中對(duì)象進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境般的感受與體驗(yàn)?！?011年地平線報(bào)告》[1]指出VR技術(shù)能夠創(chuàng)建增強(qiáng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，使真實(shí)世界和數(shù)字世界實(shí)時(shí)共存[2]。自此，教育研究者越來越多地探索VR技術(shù)潛在教學(xué)機(jī)會(huì)[3]，初步研究揭示了教育價(jià)值，包括提供情境化信息，允許可視化不可見現(xiàn)象和實(shí)時(shí)與3D對(duì)象交互[4]?；诖耍芯空呖偨Y(jié)出VR技術(shù)具有交互性、沉浸性和想象性三個(gè)基本特征，并認(rèn)為在教育中最有希望的用途之一是通過模擬活動(dòng)支持科學(xué)學(xué)習(xí)[5]。VR技術(shù)通過建立虛擬實(shí)驗(yàn)室克服常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的局限性，對(duì)抽象主題使用動(dòng)畫和模擬的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供真實(shí)體驗(yàn)和持續(xù)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，促進(jìn)對(duì)科學(xué)知識(shí)和探究過程的理解和應(yīng)用。

近年來越來越多的研究關(guān)注VR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)學(xué)習(xí)，但研究結(jié)論呈現(xiàn)出兩種趨勢(shì)： 一是與傳統(tǒng)教學(xué)相比，VR技術(shù)能夠顯著促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)。Josephsen和Kristensen[6]調(diào)查學(xué)生對(duì)Simu-Lab計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)環(huán)境的反應(yīng)，該環(huán)境模擬20小時(shí)的實(shí)驗(yàn)室作業(yè)，結(jié)果表明學(xué)生喜歡使用這個(gè)模擬程序，并認(rèn)為它能激勵(lì)人和創(chuàng)造很多經(jīng)驗(yàn)。Subramanian和Marsic[7]研究發(fā)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，提高他們的實(shí)驗(yàn)技能。二是與傳統(tǒng)教學(xué)相比，VR技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)并沒有顯著促進(jìn)作用。Kerr等人[8]比較分別使用真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室與虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室下的學(xué)生成績，未發(fā)現(xiàn)顯著差異。鄭戌冰[9]等人以初中物理課程“牛頓第一定律”的教學(xué)為例，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的學(xué)生在知識(shí)記憶和成績上沒有明顯差異，但在偏重概念理解和計(jì)算的知識(shí)上，對(duì)照組優(yōu)于實(shí)驗(yàn)組。

元分析（Meta-analysis）方法是近年來國際上興起的對(duì)某一研究領(lǐng)域整體研究狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析與評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)分析方法[10]。對(duì)于相同研究主題，由于研究對(duì)象、經(jīng)費(fèi)、各種環(huán)境因素影響以及研究者本身等原因，往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)論不一致的情況[11]。元分析方法可在多個(gè)研究結(jié)果不一致或是沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的情況下，對(duì)具有共同研究問題的多個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行匯總合并，辨析各研究之間的差異性，從而客觀審視與評(píng)價(jià)整體研究情況[12]。所以針對(duì)VR技術(shù)能否真正促進(jìn)中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的問題，本文擬采用元分析方法，對(duì)國內(nèi)外VR技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)影響的實(shí)證研究文獻(xiàn)進(jìn)行梳理與分析，力圖從整體上評(píng)價(jià)VR技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)效果的實(shí)際影響。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 科學(xué)學(xué)習(xí)效果要素框架確定

學(xué)習(xí)效果是艾斯納于1979年首次提出的，他指出，“學(xué)習(xí)效果是以某種形式參與學(xué)習(xí)活動(dòng)獲得的結(jié)果”[13]。20世紀(jì)80年代學(xué)者指出：“學(xué)習(xí)效果是學(xué)生在完成某一課程之后，知識(shí)、技能、理念上具備的一定程度的能力。[14]”20世紀(jì)90年代，美國工程技術(shù)鑒定委員會(huì)認(rèn)為“學(xué)習(xí)效果體現(xiàn)在學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)、技能積累過程的行為上，不同的學(xué)習(xí)態(tài)度與方式、不同的學(xué)習(xí)階段、不同的學(xué)生所能獲得的學(xué)習(xí)效果應(yīng)該是存在差異性的”[15]?？梢?，學(xué)習(xí)效果主要包括知識(shí)、能力、態(tài)度等方面。在科學(xué)學(xué)習(xí)領(lǐng)域，科學(xué)素養(yǎng)正是知識(shí)、能力、態(tài)度的綜合[16]，因此本研究將科學(xué)學(xué)習(xí)效果分為三個(gè)基本要素： 科學(xué)知識(shí)，科學(xué)探究（過程、方法與能力）和科學(xué)情感，具體如表1。

2.2 研究過程

2.2.1 文獻(xiàn)檢索與篩選

本文分析的文獻(xiàn)主要來源于中國知網(wǎng)、Web of Science、 ERIC等數(shù)據(jù)庫。中文文獻(xiàn)的檢索主題詞為“虛擬現(xiàn)實(shí)”或“虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境”或“沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境”或“虛擬教室”等，并含“學(xué)習(xí)效果”或“教學(xué)效果”或“教育”或“實(shí)證研究”。外文文獻(xiàn)的檢索主題詞為“virtual reality”或“virtual learning environments”或“virtual classrooms”等，并含“education”或“l(fā)earning effect”或“teaching effect”等。文獻(xiàn)檢索時(shí)間截止到2021年9月，共檢索到中文文獻(xiàn)477篇，英文文獻(xiàn)1019篇。

由于檢索到的文獻(xiàn)并不全部符合要求，本文按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選： （1）研究為實(shí)驗(yàn)研究或準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究;（2）須包含VR技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響分析;（3）應(yīng)有實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組;（4）提供充分的數(shù)據(jù)能夠計(jì)算效應(yīng)值;（5）排除重復(fù)文獻(xiàn)。最終納入元分析的研究文獻(xiàn)共有16篇，其中1篇中文文獻(xiàn)、15篇英文文獻(xiàn)。由于部分文獻(xiàn)包含多個(gè)效應(yīng)值，最終得到可用于元分析的效應(yīng)值共有20個(gè)。

2.2.2 文獻(xiàn)信息提取與編碼

為方便研究分析，從文獻(xiàn)中提取主要信息： （1）基本信息，包括標(biāo)題、作者、發(fā)表年份等;（2）研究特征，包括研究設(shè)計(jì)、研究對(duì)象、對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的基本信息等;（3）結(jié)果指標(biāo)以及結(jié)果測(cè)量數(shù)據(jù)，包括測(cè)量結(jié)果、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等。最后依據(jù)研究框架（表1），將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為對(duì)科學(xué)知識(shí)、科學(xué)探究和科學(xué)情感的影響。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

將文獻(xiàn)中提取的結(jié)果測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到統(tǒng)計(jì)工具Stata16軟件中，數(shù)據(jù)處理包括效應(yīng)值計(jì)算、發(fā)表偏倚檢驗(yàn)和異質(zhì)性檢驗(yàn)。由于不同實(shí)驗(yàn)采取的測(cè)評(píng)手段有區(qū)別，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有不同的尺度，因此使用標(biāo)準(zhǔn)化均差（SMD， Standard Mean Difference）作為綜合效應(yīng)值[17]，以消除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尺度不同所帶來的影響。

根據(jù)Lipsey等學(xué)者的觀點(diǎn)，當(dāng)一項(xiàng)研究在分析中貢獻(xiàn)一種以上的效應(yīng)大小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)依賴性，從而引發(fā)整體效應(yīng)的偏差[18]。因此當(dāng)納入分析的文獻(xiàn)出現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立因變量時(shí)，僅取其中一項(xiàng)計(jì)算效應(yīng)值。如在“A Sustainability Innovation Experiential Learning Model for Virtual Reality Chemistry Laboratory： An Empirical Study with PLS-SEM and IPMA”中[19]，態(tài)度問卷中涉及激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)程度和鼓勵(lì)學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)程度兩個(gè)方面的影響，本研究選擇其多項(xiàng)結(jié)果的平均值進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)表偏倚的檢驗(yàn)

元分析有一些重要限制，需要對(duì)篩選文章的出版偏倚進(jìn)行檢驗(yàn)[20]。偏倚又稱“系統(tǒng)誤差”，是指研究結(jié)果或推論偏離真實(shí)值的偏差。由于本文的樣本量相對(duì)較少，故采用定性漏斗圖法和Begg秩相關(guān)法檢測(cè)研究樣本的發(fā)表偏倚。首先運(yùn)行Stata軟件得出漏斗圖，漏斗圖的對(duì)稱程度直接體現(xiàn)研究樣本的發(fā)表偏倚程度。通過漏斗圖（圖1），發(fā)現(xiàn)樣本文獻(xiàn)的大部分效應(yīng)值基本圍繞平均效應(yīng)值均勻散開，且處于漏斗圖中下部居多，分布于頂部較少。進(jìn)一步采用Begg秩相關(guān)法進(jìn)行檢驗(yàn)，得到秩相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果為Z=1.78<1.96（p=0.0744>0.05），由此判斷本研究不存在發(fā)表偏倚，得出的合并效應(yīng)值精度高，具有穩(wěn)健性。

3.2 VR技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)效果的總體影響分析

根據(jù)元分析的統(tǒng)計(jì)原理，只有具有較好同質(zhì)性的資料才能合并，因此需要對(duì)多個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，以便根據(jù)分析結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)男?yīng)模型。Higgins[21]等認(rèn)為I2取值范圍定義在0～100%之間，當(dāng)I2=0時(shí)表示研究間無異質(zhì)性，I2>75%時(shí)表示研究存在高度異質(zhì)性。當(dāng)研究的異質(zhì)性較大時(shí)，采用隨機(jī)效應(yīng)模型;異質(zhì)性較小時(shí)，采用固定效應(yīng)模型。樣本異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示（表2），Q=104.11， p<0.01， I2=86.77，說明樣本間存在高度異質(zhì)性，故選用隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行分析。從表2的隨機(jī)效應(yīng)模型可以看出，VR技術(shù)對(duì)科學(xué)學(xué)習(xí)效果的合并效應(yīng)值為0.82，且達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平（P<0.01），這說明VR技術(shù)對(duì)中學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)效果具有正向積極影響。根據(jù)Cohen[22]提出的效應(yīng)值大小標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)效應(yīng)值小于0.2時(shí)，為小效應(yīng);介于0.2與0.8之間，為中等效應(yīng);大于0.8，為大效應(yīng)。因此，從整體上來看，VR技術(shù)對(duì)提高中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)效果有較高程度的積極影響，這與Merchant[23]等的研究結(jié)論保持一致。

進(jìn)一步分析納入文獻(xiàn)內(nèi)容，VR技術(shù)能產(chǎn)生上述學(xué)習(xí)效果的原因可以概括為以下幾點(diǎn)： 其一，VR系統(tǒng)結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字模擬環(huán)境，展現(xiàn)宏觀和微觀世界中的事物;其二，VR系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)便于感知、理解和探索的情境，允許學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)材料交互;其三，VR系統(tǒng)提供沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，能讓學(xué)習(xí)者身臨其境，近乎真實(shí)感受周圍的事物與環(huán)境，使認(rèn)知和情感層面都受益。

3.3 VR技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)知識(shí)的影響

本研究比較了基于VR技術(shù)的沉浸式觀察學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)課堂教學(xué)對(duì)中學(xué)生科學(xué)知識(shí)的影響，結(jié)果如圖2所示，納入的研究出現(xiàn)較高的異質(zhì)性（I2=88.88%>50%， P<0.01），采取敏感性分析方法確定異質(zhì)性來源于Wei Kai 2003[24]，排除這個(gè)實(shí)驗(yàn)后，異質(zhì)性降低（I2=81.34%， P=0.00）。采用隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行分析（表3），結(jié)果表明基于VR技術(shù)的教學(xué)的總體效應(yīng)值為0.80（95% CI： 0.51～1.09），具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.00），即表明在提升中學(xué)生科學(xué)知識(shí)上，基于VR技術(shù)的教學(xué)相比于傳統(tǒng)教學(xué)具有較大優(yōu)勢(shì)。

中學(xué)階段科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)主要以陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)為主，陳述性知識(shí)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在對(duì)事實(shí)性、概念性知識(shí)的理解識(shí)記，程序性知識(shí)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)則是在對(duì)概念和規(guī)則理解基礎(chǔ)之上的實(shí)際操作和應(yīng)用，關(guān)注方法和能力的獲得。通過分析文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)相較于陳述性知識(shí)，VR技術(shù)更適用于程序性知識(shí)，這與王雪[25]等人的觀點(diǎn)一致。如在偏重于概念理解和計(jì)算知識(shí)的學(xué)習(xí)中，因?yàn)榻處煹淖饔?，?duì)照組優(yōu)于實(shí)驗(yàn)組[26];而在學(xué)生獲取程序性知識(shí)如“物質(zhì)分離”教學(xué)中，與傳統(tǒng)課堂講授相比，VR技術(shù)更有利于科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)[27]。結(jié)合納入文獻(xiàn)的分析可知，出現(xiàn)上述情況主要是因?yàn)閂R系統(tǒng)提供多感官協(xié)同參與的學(xué)習(xí)環(huán)境，將微觀現(xiàn)象可視化、抽象概念形象化，豐富學(xué)生感性認(rèn)知，以最接近現(xiàn)實(shí)生活的沉浸互動(dòng)模式提高學(xué)習(xí)者自我探索主動(dòng)性，幫助他們理解和掌握科學(xué)知識(shí)。

3.4 VR技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)探究的影響

本研究比較了虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)對(duì)中學(xué)生科學(xué)探究的影響，研究結(jié)果具有較高統(tǒng)計(jì)學(xué)異質(zhì)性（P=0.00， I2=78.19%），使用隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行分析。如表3，結(jié)果表明基于VR技術(shù)的教學(xué)的總體效應(yīng)值為0.63（95% CI： 0.33～0.94），具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01），即使用VR技術(shù)能帶來中學(xué)生科學(xué)探究能力的顯著提升，該結(jié)果與Lazarowitz[28]等一致。

根據(jù)建構(gòu)主義和認(rèn)知心理學(xué)[29]的學(xué)習(xí)原則，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)越多，他們獲得的努力成果就越多。結(jié)合納入文獻(xiàn)的分析可知，不管是以教師為中心還是以學(xué)生為中心的虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)效果都比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的要好，這是因?yàn)閂R技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和過程，更能讓學(xué)生詳細(xì)觀察過程，促進(jìn)創(chuàng)造性思維，成為積極的思考者。然而并不是所有VR技術(shù)的教學(xué)活動(dòng)都能提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，如當(dāng)學(xué)生進(jìn)行關(guān)于水合物的實(shí)驗(yàn)時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)室和物理實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn)對(duì)整體學(xué)習(xí)收益沒有差異[30]，究其原因是，專門為學(xué)生做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行問題解決設(shè)計(jì)[31]的VR教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生可以經(jīng)歷知識(shí)的獲得過程，掌握探究過程中的方法技能，學(xué)會(huì)準(zhǔn)確解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果變量以及如何修改實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以進(jìn)一步了解復(fù)雜現(xiàn)象，注重復(fù)雜思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.5 VR技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)情感的影響

所選文獻(xiàn)中有2篇文獻(xiàn)比較虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)中學(xué)生科學(xué)情感的影響，研究間無統(tǒng)計(jì)學(xué)異質(zhì)性（P=0.91， I2=0%），采用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組更能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[SMD=0.74， 95% CI （0.50， 0.98）， P=0.00]。

Civelek[32]等人強(qiáng)調(diào)，在科學(xué)教學(xué)中采用虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性起著重要作用，特別是在激勵(lì)學(xué)生、鼓勵(lì)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，使教學(xué)更具有吸引力方面。VR技術(shù)通過模擬逼真的場(chǎng)景和圖像，使學(xué)習(xí)者想象自己在這個(gè)虛擬空間中存在，并與虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境互動(dòng)，極大地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高參與度和學(xué)習(xí)活動(dòng)水平。

4 結(jié)論與建議

本文采用元分析方法探究VR技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)效果影響。通過對(duì)納入研究的16篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的量化分析，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)教學(xué)，VR技術(shù)對(duì)中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)效果整體上有較高程度的正向影響。具體在科學(xué)學(xué)習(xí)效果的三要素上，對(duì)科學(xué)知識(shí)與科學(xué)情感均有較高程度的影響，對(duì)于科學(xué)探究有中等程度的影響。進(jìn)一步分析納入的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)相較于陳述性知識(shí)，VR技術(shù)更適用于程序性知識(shí);專門為學(xué)生做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行問題解決活動(dòng)設(shè)計(jì)的VR技術(shù)教學(xué)活動(dòng)能對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力產(chǎn)生積極影響;虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境有助于沉浸式學(xué)習(xí)，支持認(rèn)知和情感參與，因此能充分激發(fā)學(xué)習(xí)的濃厚興趣和高度滿意度。為了在科學(xué)教學(xué)中利用VR技術(shù)更好地促進(jìn)科學(xué)陳述性知識(shí)的學(xué)習(xí)以及科學(xué)探究能力的提升，結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)，提出以下建議。

4.1 深化中學(xué)科學(xué)教育中VR技術(shù)應(yīng)用，促進(jìn)中學(xué)生科學(xué)陳述性知識(shí)的學(xué)習(xí)

科學(xué)陳述性知識(shí)是課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，對(duì)中學(xué)生邏輯思維的培養(yǎng)和教材知識(shí)體系的構(gòu)建起著重要的作用。學(xué)者們認(rèn)為陳述性知識(shí)的學(xué)習(xí)過程大致可分為習(xí)得、鞏固與轉(zhuǎn)化、遷移與運(yùn)用三個(gè)階段。不同學(xué)習(xí)階段的任務(wù)與目標(biāo)不同，學(xué)習(xí)機(jī)制與教學(xué)策略也不同。然而VR技術(shù)應(yīng)用于陳述性知識(shí)教學(xué)采用沉浸式觀察學(xué)習(xí)的教學(xué)模式?jīng)]有區(qū)分學(xué)習(xí)內(nèi)容的本質(zhì)特征，缺少學(xué)習(xí)階段的認(rèn)識(shí)，不同階段技術(shù)應(yīng)用策略不當(dāng)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。為此，本研究提出應(yīng)基于陳述性知識(shí)認(rèn)知的一般過程來考慮技術(shù)引入，針對(duì)不同學(xué)習(xí)階段采用不同學(xué)習(xí)策略。首先明確學(xué)生習(xí)得階段一般包括兩個(gè)環(huán)節(jié)： 教師呈現(xiàn)內(nèi)容和學(xué)生把知識(shí)納入自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)。教師應(yīng)以恰當(dāng)?shù)姆绞匠尸F(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。在學(xué)生把知識(shí)納入自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)中，學(xué)生將心理模型與目標(biāo)模型進(jìn)行知覺辨別異同，若心理模型與目標(biāo)模型毫無關(guān)聯(lián)，可在教師的幫助下對(duì)知識(shí)本質(zhì)屬性進(jìn)行歸納總結(jié)，形成新的知識(shí);若心理模型與文本模型存在關(guān)聯(lián)，激活原有知識(shí)，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知沖突，教師可建構(gòu)基于VR技術(shù)的論證教學(xué)模式。其次是知識(shí)鞏固和轉(zhuǎn)化階段，教師可打破空間和物理距離束縛建構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室以提供真實(shí)的實(shí)踐機(jī)會(huì)和探索空間。最后在遷移與運(yùn)用階段中，教師可利用VR技術(shù)提供情境化訓(xùn)練和實(shí)時(shí)交流平臺(tái)，通過小組交流、練習(xí)反饋、拓展延伸，修正知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化，進(jìn)一步促進(jìn)科學(xué)知識(shí)的掌握。

4.2 基于科學(xué)問題解決活動(dòng)的以學(xué)生為中心的VR教學(xué)模式設(shè)計(jì)，強(qiáng)化中學(xué)生科學(xué)探究能力

科學(xué)探究作為課程改革的基本理念，是以“實(shí)驗(yàn)”為載體、以“學(xué)生”為主體的探究學(xué)習(xí)方式。目前VR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)探究的方式主要是學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)書本中已有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證或進(jìn)行簡單實(shí)驗(yàn)，缺乏問題解決、啟發(fā)思維的探究型實(shí)驗(yàn)，同時(shí)教師未能識(shí)別個(gè)體差異，沒有系統(tǒng)的教學(xué)模式，導(dǎo)致教學(xué)效果欠佳。為此本研究提出應(yīng)設(shè)計(jì)基于科學(xué)問題解決活動(dòng)的以學(xué)生為中心的虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式，包括前期分析、學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)和教學(xué)效果評(píng)價(jià)四個(gè)組成部分。前期分析是該教學(xué)模式的基礎(chǔ)，借助傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)的方法和手段完成對(duì)教學(xué)目標(biāo)、學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)內(nèi)容的分析。教師應(yīng)還原科學(xué)知識(shí)的生動(dòng)性與實(shí)踐性，以科學(xué)問題為導(dǎo)向創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境和建構(gòu)學(xué)習(xí)環(huán)境，根據(jù)學(xué)生特征、學(xué)習(xí)內(nèi)容以及教與學(xué)環(huán)境的具體情況采用合適的學(xué)習(xí)活動(dòng)與教學(xué)策略。為了更好地完成知識(shí)建構(gòu)，教師必須向?qū)W生提供必要的支持： 提供與虛擬仿真相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的支持;在科學(xué)探究的核心過程中提供對(duì)藥品選用、裝置搭建等實(shí)驗(yàn)支持;幫助學(xué)生以結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化的方式發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)活動(dòng)和完成任務(wù)的學(xué)習(xí)支持。最后的教學(xué)效果評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要保障，借助傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)方法和手段，倡導(dǎo)評(píng)價(jià)主體和評(píng)價(jià)內(nèi)容的多元化。值得強(qiáng)調(diào)的是如果科學(xué)探究過程中需要過高的實(shí)驗(yàn)思維與技能，可能會(huì)給學(xué)生帶來過重的認(rèn)知負(fù)荷，因此在VR教學(xué)系統(tǒng)的建構(gòu)中，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的選擇，學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等都應(yīng)參考認(rèn)知負(fù)荷理論，從已有知識(shí)出發(fā)，適應(yīng)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展過程，從而達(dá)到提高科學(xué)探究能力的目的。

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