具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)研究

摘要：本文明確了具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心概念，并基于此，提出了兩者相互融通的研究思路。在進(jìn)一步明晰建設(shè)要素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出融合具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論的軌道交通類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，并結(jié)合建設(shè)實(shí)例具體闡述了“三位一體”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和相應(yīng)建設(shè)成效，以期為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)開展提供參考。

關(guān)鍵詞：具身認(rèn)知；學(xué)習(xí)理論；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；建設(shè)路徑

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和教育教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源成為教育領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究。同時(shí)，由于具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論在高等教育領(lǐng)域的不斷深入和應(yīng)用，一種基于虛擬仿真的教學(xué)模式逐漸嶄露頭角。具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)過程中的感知、認(rèn)知和行動(dòng)是相互聯(lián)系的，學(xué)習(xí)者通過與環(huán)境互動(dòng)和身體行動(dòng)來建立對知識和概念的理解[1-3]。在此背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)成為提高學(xué)習(xí)效果和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵途徑之一。

本研究旨在探討如何利用虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)具有具身認(rèn)知特征的教學(xué)資源，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和認(rèn)知水平。同時(shí)，將對具身認(rèn)知視域下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的應(yīng)用進(jìn)行深入探討，分析其對學(xué)生成績、學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力等方面的影響。旨在推動(dòng)教育教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，為學(xué)校教育提供新的教學(xué)模式和手段，為學(xué)生的知識掌握和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)做出積極貢獻(xiàn)。

一、核心觀點(diǎn)

（一）具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論

具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者通過與環(huán)境互動(dòng)和身體行動(dòng)來建立知識和概念的理解。該理論將感知、認(rèn)知和行動(dòng)三者視為相互聯(lián)系的要素，認(rèn)為知識不僅存在于大腦中，還體現(xiàn)在身體的互動(dòng)和環(huán)境中。感知是學(xué)習(xí)者通過感官接收信息的過程，認(rèn)知是對信息進(jìn)行處理和理解，而行動(dòng)是學(xué)習(xí)者對信息做出反應(yīng)的方式。具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論主張學(xué)習(xí)者通過參與實(shí)際活動(dòng)、體驗(yàn)和探索來深化對知識的理解和掌握[4-5]。

具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論的關(guān)鍵觀點(diǎn)之一是環(huán)境互動(dòng)的重要性。學(xué)習(xí)者與環(huán)境之間的互動(dòng)不僅是知識獲取和建構(gòu)的過程，同時(shí)也是認(rèn)知過程的重要組成部分。通過與真實(shí)或虛擬環(huán)境的互動(dòng)，學(xué)習(xí)者可以更好地理解抽象概念，培養(yǎng)解決問題的能力，并將理論知識應(yīng)用到實(shí)際情境中。因此，提供具身認(rèn)知特征的學(xué)習(xí)環(huán)境和資源對于促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果至關(guān)重要[6]。

綜上所述，具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者通過感知、認(rèn)知和行動(dòng)的互動(dòng)建構(gòu)知識，并強(qiáng)調(diào)環(huán)境在學(xué)習(xí)過程中的重要作用。將該理論運(yùn)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，為教育教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的視角和方法。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是一種通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景的教學(xué)資源。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源可以基于現(xiàn)代“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)提供更加靈活的學(xué)習(xí)時(shí)間和空間，通過利用計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境和交互式的仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和興趣進(jìn)行學(xué)習(xí)，不受實(shí)驗(yàn)室時(shí)間和地點(diǎn)的限制，從而為學(xué)生提供了更加安全、靈活和高效的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)[7]。

此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源還能夠大大降低實(shí)驗(yàn)成本，減少實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備的損耗。它可以提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生的需求和特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和定制。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和學(xué)習(xí)目標(biāo)選擇不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和難度級別，從而激發(fā)學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)力性。其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源可以為跨學(xué)科教學(xué)提供有利條件。虛擬環(huán)境可以模擬多種實(shí)驗(yàn)場景，幫助學(xué)生深入了解不同學(xué)科之間的相互關(guān)系和交叉點(diǎn)，促進(jìn)跨學(xué)科思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[8]。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論的融通之處

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與具身認(rèn)知理論的融通具有重要意義。

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源可以模擬真實(shí)世界的情境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際操作和觀察，從而提升學(xué)生的實(shí)踐能力。具身認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)個(gè)體通過自身的身體經(jīng)驗(yàn)來獲取知識，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生通過身體感知和操作加深對知識的理解，促進(jìn)具身認(rèn)知的形成。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源可以提供個(gè)性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生的不同需求和進(jìn)度調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和難度。具身認(rèn)知理論認(rèn)為個(gè)體的認(rèn)知過程與其身體經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，因此個(gè)性化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以更好地滿足學(xué)生的認(rèn)知需求，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源還可以提供多樣化的學(xué)習(xí)環(huán)境和互動(dòng)方式，促進(jìn)學(xué)生的多方面發(fā)展。具身認(rèn)知理論認(rèn)為個(gè)體通過感知、行動(dòng)和思考來建構(gòu)認(rèn)知，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的多樣化環(huán)境和互動(dòng)形式可以激發(fā)學(xué)生不同方面的認(rèn)知功能，促進(jìn)全面發(fā)展。

綜上所述，通過整合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人機(jī)交互等技術(shù)，設(shè)計(jì)具有具身認(rèn)知特征的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可以為學(xué)生提供更為身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論的融通為教育領(lǐng)域帶來了新的可能性和機(jī)遇，有助于提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

三、具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論視角下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)要素

具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者通過與環(huán)境互動(dòng)獲得知識，強(qiáng)調(diào)感知與行動(dòng)的統(tǒng)一。因此，在設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)要素。

1.有效的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源應(yīng)該具備真實(shí)性和互動(dòng)性。真實(shí)性指的是虛擬環(huán)境必須模擬真實(shí)的情境和場景，使學(xué)習(xí)者感覺仿佛置身于實(shí)際環(huán)境中。互動(dòng)性則是指學(xué)習(xí)者能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，通過操作和實(shí)驗(yàn)來獲得知識。這種真實(shí)性和互動(dòng)性能夠有效地促進(jìn)學(xué)習(xí)者的具身認(rèn)知過程。

2.個(gè)性化和差異化是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的重要要素。具身認(rèn)知的視角下，不同學(xué)習(xí)者具有不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格和需求，因此虛擬資源應(yīng)該支持個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑和體驗(yàn)，以滿足學(xué)習(xí)者的個(gè)性化需求。差異化設(shè)計(jì)能夠更好地激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

3.引導(dǎo)性和反饋性也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的關(guān)鍵要素。引導(dǎo)性設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)習(xí)者更好地理解虛擬實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和任務(wù)，提供清晰的學(xué)習(xí)指引；而及時(shí)地反饋則可以幫助學(xué)習(xí)者快速糾正錯(cuò)誤，加強(qiáng)對知識的理解和掌握，提升學(xué)習(xí)效果。

4.在具身認(rèn)知的視角下，可定制性和可擴(kuò)展性同樣也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)資源的重要因素?？啥ㄖ菩灾傅氖翘摂M資源應(yīng)該支持教師和設(shè)計(jì)者對內(nèi)容和功能進(jìn)行定制和調(diào)整，以適應(yīng)不同的教學(xué)場景和需求；可擴(kuò)展性則是指虛擬資源應(yīng)該具備良好的可擴(kuò)展性，便于隨著教學(xué)需求的變化進(jìn)行更新和擴(kuò)展。

四、建設(shè)實(shí)例

筆者所在單位江蘇師范大學(xué)設(shè)有“軌道交通信號與控制”國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，近年來，研究團(tuán)隊(duì)一直致力于結(jié)合具身認(rèn)知理論開發(fā)軌道交通專業(yè)相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

（一）資源簡介

“軌道交通列車運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”融合了具身認(rèn)知理論和新工科教育理念，旨在提供一全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。該系統(tǒng)首先基于具身認(rèn)知理論，通過仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者與虛擬列車控制操作的互動(dòng)。學(xué)習(xí)者可以通過軟件接觸到真實(shí)的軌道交通運(yùn)行環(huán)境，包括列車駕駛控制、車輛駕駛過程中的基本操作和各種突發(fā)情況的應(yīng)對訓(xùn)練。這種直觀的互動(dòng)使學(xué)習(xí)者能夠身臨其境地體驗(yàn)列車運(yùn)行的復(fù)雜性和變化性，從而更加深入地理解和掌握相關(guān)知識。其次，該系統(tǒng)秉承新工科教育理念，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的結(jié)合，除了提供仿真環(huán)境外，軟件還包括理論知識講解、案例分析和實(shí)際應(yīng)用場景模擬，幫助學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中建立起理論與實(shí)際操作的橋梁。例如，學(xué)習(xí)者可以學(xué)習(xí)到軌道交通的基本原理、安全規(guī)范、緊急情況處理等內(nèi)容，并通過虛擬仿真場景進(jìn)行實(shí)際操作和仿真決策。此外，該系統(tǒng)還支持多種學(xué)習(xí)模式和個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑，根據(jù)學(xué)習(xí)者的不同需求和學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，無論是初學(xué)者還是專業(yè)技術(shù)人員，都能夠在這個(gè)系統(tǒng)上找到適合自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)進(jìn)度。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“三位一體”的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，探索了協(xié)同化、多元化、個(gè)性化的設(shè)計(jì)理念。

1.協(xié)同化：將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相協(xié)同，將科學(xué)原理與工程應(yīng)用相協(xié)同。通過技術(shù)、系統(tǒng)、工程等綜合實(shí)驗(yàn)載體，學(xué)以致用，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)基于問題、案例的原理、技術(shù)和應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合實(shí)驗(yàn)。這種方法讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中汲取知識的精華，在探究中領(lǐng)悟知識的真諦，在實(shí)踐中感受知識的魅力。

2.多元化：實(shí)驗(yàn)的目的不僅是獲得期望的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更要引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)過程中，期待學(xué)生“遭遇”問題，并利用所學(xué)知識思考實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，探求現(xiàn)象背后的原理，尋求多元化的問題解決方法。同時(shí)，通過半實(shí)物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)形式的多元化。

3.個(gè)性化：實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)以人為本，兼顧普適性與個(gè)性。因材施教，鼓勵(lì)有特長的學(xué)生脫穎而出，以培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才。同時(shí)，允許學(xué)生有選擇性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為基準(zhǔn)，選擇自己感興趣的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，進(jìn)行自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最終達(dá)成對應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)。

在教學(xué)實(shí)踐中，基于具身認(rèn)知理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式展現(xiàn)了多重優(yōu)勢。首先，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者與環(huán)境的互動(dòng)性，鼓勵(lì)學(xué)生以小組形式探索和解決問題，從而增強(qiáng)了合作和團(tuán)隊(duì)精神。其次，該模式允許學(xué)生以多樣的方式理解和應(yīng)用知識，因而能夠更好地滿足不同學(xué)習(xí)者的需求和學(xué)習(xí)風(fēng)格。最后，基于個(gè)性化的教學(xué)設(shè)計(jì)，該模式側(cè)重于每位學(xué)生的個(gè)體差異，通過個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑和資源匹配，提升了學(xué)習(xí)的效果和動(dòng)機(jī)?？傮w而言，基于具身認(rèn)知理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通過協(xié)同化、多元化和個(gè)性化的教學(xué)方法，有效地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)術(shù)成就，為教育改革和教學(xué)實(shí)踐提供了新的視角和方法。

（三）建設(shè)效果

具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)身體在認(rèn)知過程中的重要性，認(rèn)為知識的構(gòu)建與身體的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論融入教學(xué)設(shè)計(jì)，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和參與度。在建設(shè)與實(shí)踐“軌道交通列車運(yùn)行控制虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)”的過程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，具身體驗(yàn)有效提高了學(xué)生的記憶力和理解能力。當(dāng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們需要通過身體動(dòng)作與虛擬對象進(jìn)行互動(dòng)，這種親身體驗(yàn)促進(jìn)了知識的內(nèi)化。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還為學(xué)生提供了安全的實(shí)踐平臺(tái)，讓學(xué)生可以在無風(fēng)險(xiǎn)的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)了他們的動(dòng)手能力和問題解決能力。綜上所述，結(jié)合具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)和技能掌握。

五、結(jié)束語

本文明確了具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心概念，并基于此，提出了兩者相互融通的研究思路。在進(jìn)一步明晰建設(shè)要素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出融合具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論的軌道交通類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，并結(jié)合建設(shè)實(shí)例具體闡述了“三位一體”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和相應(yīng)建設(shè)成效，以期為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)開展提供參考。