虚拟演示实验中知识情境的构建研究

万仁英　杨　雪　王洪旭

【摘要】完整地再现知识生成、存在或应用的情境能够改善虚拟演示实验中的“浅学习”现象，从而促进学习者对知识的理解和迁移。虚拟演示实验的知识情境构建主要从情节、环境和指导三个方面进行，结合“核裂变链式反应”实验的开发，分析了其具体的设计流程和实现方法。

【关键字】虚拟演示实验；知识情境；情节；环境；指导

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2007）01—0118—03

一 虚拟演示实验的困境——浅学习

虚拟演示实验是基于计算机多媒体技术的表演性、示范性实验，它借助声音、画面、文字等媒介说明现象、描述过程或论证原理，学习者通过观察虚拟的实验现象来获得知识。由于整个实验过程仅仅通过计算机屏幕线性展示，所以虚拟演示实验有其天然的局限性，即学习者和真实的实验对象没有直接接触，无法全方位多角度地进行观察从而构建知识。这很容易造成 “浅学习（surface-level learning）”[1]现象，即学习者的认知只停留在虚拟现象表面，没有深入理解其背后所蕴藏的知识，更难以向真实的生活迁移。特别是一些本身就非常抽象的实验，如果只是孤立的展示现象，缺乏相关的“生活背景”， 学习者只能得到一些“半”具体化的知识，仍无法解决具体生活中的问题。例如物理学中的“核裂变链式反应”实验，说明的是微观粒子的运动及能量释放原理，非常抽象，网上相关的虚拟实验大多都只是演示了“中子撞击U核裂变，释放能量并引起新U核裂变”这样一个过程（如图1所示）[2]，而没有提供与之相关的现实情境，这导致学习者即使看到了现象、知道了原理，还是不能将这些知识与自己的生活联系起来。

所以，在虚拟演示实验中单纯的原理演示容易使学习者处于较浅层次的理解状态，得到的是僵化、无生命力的知识。相反，如果能把这些抽象的原理置入生动形象的“背景”中，为学习者的学习提供丰富的意义关联，将能很好地促进他们进行“深学习（deep-level learning）”[3]，即多角度深入理解知识，从而顺利实现知识的迁移和应用。这里的“背景”即指知识情境。

二 提高虚拟演示实验学习深度的途径——知识情境

深学习是一种以思维为核心，从意义层面去深入把握学习内容的理解性学习，它不仅能让学习者深入理解知识,而且还能顺利的迁移和应用。有效的知识情境能从以下三个层面提高学习深度：

1 认知层面——知识情境有利于学习者对知识的多角度意义建构

后现代知识观认为知识是依赖于情境或与环境情境相关的，任何知识都是在特定情境中创造和生成，且在特定情境下获得其意义。丰富的情境不仅可以反映知识在真实生活中生成、存在及应用的方式，再现真实生活情境的复杂性，而且能够保持知识自身完整的逻辑意义和脉络结构，有利于学习者从不同角度完整、全面的理解知识。

2 应用层面——知识情境有利于学习者完成知识的个人化和迁移

情境一般都是与学习者的生活直接相关或他们能理解的生活现象，这很容易激活学习者相关的认知图式，便于其借助已有的知识经验，以自己特有的方式对新知识进行组织综合，有机地纳入自己原有的认知结构中,真正成为“我的知识”[4]。另外，情境为学习者将知识向现实生活迁移提供了一个很好的范例，以供其举一反三，进行更广范、更深入地迁移。

3 情感层面——知识情境有利于激发学习者的情感共鸣

知识情境是对现实生活的整理、提炼和安排，它将人的活动与环境有机统一、知识与现实生活相统一，给学习者以身临其境之感，“增强了学习过程中的情感体验，有利于激发学习者的情感共鸣” [5]和认知主动性，从而保持持久和深入的学习。

可见，在虚拟演示实验中，生动的知识情境不仅利于学习者对所学内容深入理解、顺利迁移，而且能激发学习者积极的学习意向，是提高学习深度的有效途径。

三 虚拟演示实验知情境设计的流程和要素

虚拟演示实验的知识情境构建一般包括前期分析、情境设计、技术实现及优化四个环节，其中情境设计最为关键；借鉴影视节目中故事情节、人物、环境等情境要素[6]，虚拟演示实验的情境设计可以从情节、指导和环境三个方面进行（如图2所示）， “情节”是与知识生成、存在或应用相关的事件，它发生于一定的“环境”中，在“指导”的协助下向学习者传授知识。

下面结合前面提到的“核裂变链式反应”实验的情境构建具体分析一下虚拟演示实验中知识情境构建的主要流程、各要素的具体实现方法及注意事项。

1 前期分析

前期分析除了了解实验的本身目的、原理、过程及特点等，更重要的是分析实验难点，从而确定进行知识情境设计所要解决的问题和切入点。一般来说，较为抽象或与学习者的生活相距较远的实验都有必要通过生动的情境来加深其理解。

“核裂变链式反应”描述的是U-235原子核受中子轰击分裂成两个质量较小的原子核，释放能量、射线和2-3个中子，并引起新的U核裂变，如此不断持续的过程。由于无法用肉眼直接看见，而且与学习者的生活相距甚远，所以理解起来很困难，因此其情境设计所要达到目标的是：（1）将微观的实验现象展示出来；（2）将这一原理与学习者所能理解的生活现象联系起来。

2 情节设计

情节是关于知识（学习内容）生成、存在或应用的事件，也是知识与人们的真实生活相联系的方式和过程，它整合了大量的相关信息，为学习者全面深入地理解知识发展脉络或问题解决过程提供一个完整、全面的意义结构。与影视节目相似，虚拟演示实验中的情节也有其发生、发展的动态过程，另外还要全面考虑实验的特点、学习者的认知特征和已有生活经验来进行综合设计。不同的知识其生成方式、存在的境域、应用范围都会有所不同，因此可以提取它们在现实生活中生成、存在、应用的相关故事或活动，通过教学设计进行整理、提炼和安排，再现具体的知识活动过程同时，尽可能的与学习者已有的生活经验联结起来。

根据前期的分析，将“核裂变链式反应原理”置于“核能发电”的情节中，通过“核裂变链式反应原理——核能发电——房屋供电”这一情节将最微观的粒子运动与最常见的房屋供电联系起来。具体设计为：首先从宏观上展示“核裂变链式反应”应用的环境即压水堆核电站，以及远处房屋（见图3）；接着画面向“核裂变链式反应”发生的场所——反应堆推近，展示其内部的基本结构和整齐排列的U棒（见图4）；再次向U棒推近，画面转为微观，出现多个U-235原子核，然后一高速中子飞入，撞击其中的一个原子核，引起该原子核裂变，并释放能量、射线及2个中子，进而引发其它U核裂变（过程如图5所示），如此持续；画面再依次拉远到核反应堆和压水堆核电站，展现绚丽的能量释放过程，核裂变释放的能量使水沸腾，带动发电机发电，并给远处房屋供电，电灯亮（效果见图6）。

这一系列宏观、微观场景，静态、动态画面的组合和切换共同构成了本实验的情节，它向学习者展示了一个生动、完整的知识应用过程。

3 指导设计

指导主要是结合实验情节的推进，针对重难点和学习者可能出现疑问的地方提供适当的提示和解说，从而能深化其对学习内容的理解。主要有两种提供指导的方式：（1）提供接触专家及对其工作过程进行观察和模仿的机会。借助虚拟现实技术再现专家的学习活动、工作过程，同时也可以让学习者扮演某一角色，亲自参与到情境中进行学习或活动，并就某些问题与专家交流探讨；（2）通过字幕、声音、图标等方式特别强化某些知识点。

该实验采用了第二种指导方式，即在实验情节演示至关键的知识点时，出现字幕，详细介绍该内容（见图4、图6中①）。

4 环境设计

环境主要指学习内容（知识）发生发展的背景、空间，包括自然环境和社会环境，以及通过界面和情节表现出来的情感环境。它不仅为学习的展开提供一个“空间”，而且是促进学习发生发展的要素和支持条件。环境要与情节的发展相一致，在虚拟演示实验中，可以通过图画、图像、三维模型，或调用拍录的真实生活场景，来营造逼真的知识环境。

该实验中，根据情节发展和知识表现的需要设计了房屋、压水堆发电站、核反应堆以及U-235原子核等几个主要场景（见图3、图4、图5、图6），来模拟情节发生的真实环境。

5 技术实现及学习效果分析

整个实验运用FLASH技术制作完成，在技术实现过程中，根据需要对创设的情境进行了一定的修改和优化，最终从以下几个方面实现了良好的学习效果：

首先，完整再现了“核裂变释放能量——发电——家用电”这一知识过程，学习者不仅明白了核裂变原理，而且知道了其在现实生活中的应用，更重要的是可以借助这一线索完整、深入地领会相关知识；

其次，从常见的电灯照明到核发电再到微观的核裂变，由学习者最熟悉的日常生活入手，逐步深入到最微观的粒子运动，不仅能引发学习者深入探究的好奇心，而且促进了知识向现实生活迁移；

最后，宏观和微观组合，打破了学习者认知中的时空限制，很好地发挥了虚拟演示实验的优势。

四 总结

创设情境已成为一种能提供意义学习和促进知识向真实生活迁移的重要途径。在虚拟演示实验中，充分发挥多媒体技术的优势，创设立体、生动的知识情境，一方面可以回复知识与其生成、存在、应用的真实世界之间的本然联系，为学习者的学习提供意义关联，从而循着知识的脉络去深刻准确地理解学习内容；同时，也能将知识与学习者已有知识经验构成的主体情境结合起来，以促进学习者对知识的同化、顺应和迁移，提高学习深度。

参考文献

[1][3] 刘根平,刘道溶.目前国外关于学生自主学习的研究动态[J].外国教育研究,1990,02:20-36.

[2] 中国课件站 链式反应课件下载 [EB/OL].

[4] 李庆明.全国“情境教学——情境教育”学术研讨会综述[J].教育研究,1997,4:64-67.

[5] 肖映铭.信息技术课程教学中学习情境设计初探[J].中国电化教育,2007,10:93-95.

[6] 吕贵香.虚拟演播室教育电视节目中学习情境要素分析[J].电化教育研究,2008,01:75-79.