基于科学学科核心素养的虚拟现实情境创设

张 睆，胡卫平

(1.山西师范大学 教育科学学院，山西 临汾 041004；2.陕西师范大学 现代教学技术教育部重点实验室， 西安 710062)

作为适应社会发展终身所需的必备品格和关键能力，科学学科的核心素养包括科学观念与应用、科学思维与创新、科学探究与交流、科学态度与责任四个方面。其中，科学思维是贯穿上述四类科学核心素养的关键要素[1]。科学思维一般包括科学抽象与模型建构、科学推理与决策、科学论证与反驳、科学质疑与创新等心理过程，这些过程与科学学科核心素养密不可分。具体来说，个体无论从自然现象和实验数据中抽象出科学观念，还是运用科学观念预测和解决现实问题；无论是在科学探究中通过科学推理形成科学假设，并设计科学研究检验假设，还是在科学交流中对特定科学观点进行论证与反驳，都需要通过科学抽象与推理、决策、论证、反驳、质疑与创新来完成。因此，科学学科核心素养的核心，就是科学思维。

尽管目前虚拟现实技术(简称VR)被应用于多种科学教学场景。目前研究者和开发者也大都聚焦于VR技术对各类教育场景的实现方法与技术路线。然而从科学核心素养的“思维”内涵来看，简单追求VR技术在教育场景中的沉浸式体验，未必有利于培养学生的科学思维。那么，对于教师来说，什么样的VR情境才能有效促进学生的科学素养？我们需要暂时悬置对VR技术实现路径的追寻，从有效培养学生科学素养这一教学需求视角出发，探讨有效的科学学习和教学究竟需要怎样的虚拟教学情境，创设这样的教学情境应遵循怎样的教学原则。

一、有效的虚拟教学情境依赖学生的思维投入

当代情境学习理论提出，知识须在特定情境中习得和运用。科学教育者一直致力于将真实世界和真实问题带入学校和课堂，使学生能在学校中体验“真实”的情境。虚拟教学情境(VR)为解决这一问题提供了新的技术手段。当前的虚拟教学情境创设，是通过计算机系统和传感器提供真实的视觉、听觉刺激与触动觉反馈，为学习者构建富有“临场感”的学习情境和逼真的沉浸式体验，使个体在观察和操纵虚拟对象时具有一种亲身参与的感受，这是虚拟现实技术区别于其他教育技术的关键特征。[2]这种基于VR技术构建的虚拟教学情境突破了传统教学情境在时空、安全、成本等方面的限制，着眼于促进学生的观察、操作、互动等学习过程，被视为一种强有力的体验式学习工具。

通过对470项研究的元分析，Hew和Cheung发现目前VR主要有三类教学用途。[3]第一，通过模拟物理空间呈现教学材料，便于学生观察学习。对学习者在日常条件下难以观察的客观事物，如遥远的宇宙、微观的细胞和分子结构、年代久远的历史场景和事件等，均可使用VR技术呈现，使学生对事物的结构、功能和发展变化过程产生更直观的认识。第二，通过模拟体验空间来创设应用情境，便于学生操作学习。通过构建各类虚拟实验和实践教学系统，如科学实验、产品设计、临床医学、制造加工、技能实训等，学习者可以在更为安全的条件下反复练习，提高知识应用能力。第三，通过模拟沟通空间搭建教学平台，便于学生互动学习。将虚拟现实技术与远距离多用户同步交互技术相结合，可以在模拟现实社交环境时不受现实空间条件的局限，因此非常适于构建虚拟教学互动情境，包括各类虚拟学习社区、仿真校园和虚拟教室。

然而，仅着眼于创设富有临场感的沉浸式情境，未必有助于促进学生的科学思维。特定教育技术能否有效促进科学思维，关键要看该技术创设的情境引发学习者怎样的学习过程。科学学习活动主要涉及两类认知过程。一类是以感知觉、表象、记忆等为代表的低阶认知过程，一类是以思维活动等为代表的高阶认知过程。[4]大量理论和研究表明，培养学生科学素养、促进学生科学思维的关键是学生在学习过程中是否进行了积极主动的思考。虚拟现实情境虽然可以为学生的观察、模仿、操作、互动提供“身临其境”的感受，但并不意味着它必然能引发积极思考，产生有效学习。例如：一项涵盖了K12年级的元分析表明，在77项实证研究中，仅有43项发现虚拟现实教学情境可以有效促进学生学习，同时，与仅仅用于材料呈现的虚拟现实视觉世界相比，包含大量探究任务的虚拟现实教育游戏更有利于促进学生的科学学习。[5]这意味者，只有当学生仔细观察，基于证据进行推理，并对思维过程进行自我反思时，或者说，只有当学生积极进行科学思维时，VR学习情境才能有效促进学生的科学学习。

二、基于思维型教学原理优化虚拟现实情境

培养科学核心素养的关键在于促进科学思维，教学情境创设的目的在于有效激发学习者的积极思考和主动学习。那么，如何才能在教学中有效促进学生积极主动思维呢？思维型教学理论认为，以认知冲突激发思维、以自主建构组织思维、以自我监控调节思维、以迁移应用深化思维，是促进学生积极思维投入、有效培养学生科学素养的一般教学原理。[6]据此，虚拟科学教学情境创设应符合促进学生积极思维的一般教学原理，通过提升VR情境的交互性、探索性、支架性和多样性，有效促进学生积极思维投入。

(一)构建虚拟交互，引发认知冲突

认知冲突是指个体对认知结构与环境间，或认知结构不同成分间不一致关系的觉知。由于人们有保持其认知结构和环境一致的需求，当出现认知冲突时，个体会通过一系列思维活动来理解和解决冲突，因此，认知冲突有利于激发学生的思维。例如，当儿童发现视频中的小球运动轨迹违背牛顿运动定律时，会引发更积极持久的科学实验探究。[7]

学生认知过程的激活包括感知水平和思维水平两个不同层次。在虚拟现实情境中，提高情境的似真性有利于激活学生的感知，而提高情境的交互性，则有利于引发学生的认知冲突，进而激发学生积极思维。交互式情境并非将问题直接抛给学习者，而是让学习者通过与情境的交互而主动识别问题所在，进而产生认知冲突。具体来说，虚拟现实情境可以通过两类交互来引发学习者的认知冲突：一类是通过人与人的交互，譬如讨论甚至辩论过程，学习者会在与他人的互动中发现彼此间观点的差异，从而产生自己与他人观念间的认知冲突；一类是通过人与物的交互，譬如操作和探究过程。学习者在尝试性操作中发现已有预期与环境反馈间的不一致，从而产生自身判断与事实之间的认知冲突。

虚拟情境技术在交互性方面具有优势。在虚拟的实验系统和虚拟社区等学习情境中，学习者需要对操作结果或他人观点做出预测，当事实违背先前预测，或者他人观点与自己相左时，就会促使学习者体验到认知冲突。该冲突会促使学习者不断修正其假设，并最终得到满意的答案。例如，美国 NASA 资助开发的科学空间项目(Science Space)包含有一系列力学和电磁学的虚拟学习平台。这些平台是通过操作—反馈的过程来激发学生的认知冲突。在虚拟的力学“牛顿世界”中，学习者可以利用一只虚拟手来发射和接住不同质量的弹球，如果预期错误，便无法接住弹球，从而引发认知冲突，促使学习者探究弹球受力与其运动轨迹间的关系。研究表明，与传统的课堂演示实验相比，这种基于操作—反馈—冲突的学习模式，更有利于提高学生的学习动机和知识理解水平。

(二)设计探究情境，促进自主建构

传统的学校教学往往遵循“传递”模式，教学以“专家发现，教师传递，学生接受”的方式进行组织。这种教学过程对学生的认知要求主要包括熟练记忆教师传递的知识技能，对这些知识做出规范的解释，按照老师传授的规则直接应用知识解决问题等低阶认知过程，而鲜于涉及分析、综合、评价、批判、创新等高阶认知过程。与“传递”教学相比，“自主建构”教学则遵循“交互”模式，教学是以基于项目的“师生合作、自主探究”的方式进行组织，在完成项目所必须的合作探究等学习活动中，学生的分析、综合、评价等高阶认知过程被有机组织在一起，

自主建构的教学原理，意味着VR情境应富于探究性。探究性的学习情境是基于现实性问题设计学习项目，以学习者为中心，且往往包含了多种可能性，而非单一情节。学习者需要通过假设检验、分析对比、判断决策等思维活动才能理解其中的运行规则和机制，进而完成项目。相对于传统的课堂学习情境而言，虚拟情境十分便于创设这样的探索性世界。它应该是一个多用户的游戏化虚拟情境，包含复杂的自然与社会系统，涉及多个学科领域，学习者可以在其中形成假设性主张，并进行虚拟实验和社会互动来检验和论证自己的主张，例如，虚拟小镇江城(River City)是哈佛大学教育学院开发的多用户游戏化的探究性课程，为学习者创设了进行科学探究和实验的虚拟现实情境。学生在进入“江城”后，被告知该城镇爆发了某种大规模疾病，需要学习者以团队合作的方式探索其原因。然后，学习者可以在江城中四处走动，查看任何对象，并与虚拟世界中的人物角色交流。在这一过程中，学习者形成了关于居民疾病暴发原因的假设，并可以在江城中进行虚拟实验来验证其假设。譬如在江城游戏中有水质监测站，学生可以将河流、水井、池塘中得到的水体样本带到这里，检验其中病菌的种类和数量。在经历反复探究，并与他人充分交流之后，学习者最后要给江城的镇长写一封信阐述自己的主张，并给出支持这一主张的证据和理由。

(三)搭建认知脚手架，促进自我监控

探究性包含了多种认知过程的协调，例如，分析问题情境，设置有意义的学习目标，为不同的可能性选择不同的探索策略。要协调这些认知过程以完成学习任务，学习者需要对其进行有效监控和调节。人类思维的一大特点，是能对自己的认知过程进行再思考，即元思维。元思维即对思维的思维，包括离线元思维和在线元思维两种认知过程。离线元思维指关于自身思维过程的静态知识，而在线元思维是对自身思维过程的动态监控和调节。[8]。自我监控原则强调了教师在教学活动中应引发学生的在线元思维过程，即学习者对自身思维的动态调节过程。在科学学习中，自我调节学习过程往往伴随主动的计划与目标设置、检查、评价和反思等一系列高阶思维活动。[9]

由于个体自身可能并不具备完善的自我监控能力，因此，可以通过在虚拟现实情境中提供“脚手架”来支持学习者的自我调节和监控过程。具体而言，虚拟的“学习助手”会在每一个学习阶段为学习者提出自我反思、自我修正的建议和策略，并提供项目进程管理和修改的工具。这种“脚手架”可以有效地促进学生的自我监控。以水晶岛(Crystal island)为例，这是一个基于项目的、游戏化的沉浸式虚拟学习环境。在水晶岛上爆发了大规模疫情，项目要求学习者担当生物学家的角色，通过采集数据，以及与一系列游戏角色(如护士、病人、厨师和科学家等)对话，探索传染性细菌的来源和特性，在项目中，元认知支架镶嵌于任务情节之中，游戏会提醒学生制定计划，设定子目标，并且每隔90秒，系统就会提示学习者评估其计划完成的进度。[10]

(四)情境多样化，促进迁移应用

以迁移应用来深化思维。科学学习强调运用知识解决实际问题。知识的应用包括直接应用和迁移应用两种方式。直接应用意味着学生仅仅需要遵从教师的传授，按照教师的要求执行任务，通过模仿教师示范来解决问题。例如，照抄老师的答案，或者按照教材例题的解法解决相似练习题。而迁移应用是将熟悉情境中习得的知识技能应用于陌生的问题情境中，此时，学生面临不熟悉的目标和问题情境，无法通过直接应用教师传授的技能解决新问题，而需要重新解释问题情境，在新旧问题情境间进行对比分析，尝试不同的解决方法，对已有知识进行选择、组合和修正。因此，知识的迁移应用更有利于深化学生思维。实验表明，在完成“农场狂想曲”的教育游戏任务过程中，当学生仅仅是直接应用所学知识时，其认知活动往往停留在记忆和理解等低阶水平，而当学生能试图将所学知识迁移引用到不同的任务情境中时，则往往伴随着分析、综合、评价等高阶思维活动。[11]

情境学习理论强调，知识应用受制于其初始的获得情境，从单一情境中获得的知识，往往难以运用到其他不同的情境中。例如，街头的儿童商贩能准确快速地算账找零，却无法在课堂情境中解决类似的数学运算问题。儿童在动作游戏中获得的快速反应能力，也难以迁移到其他动作任务中。反之，与单一的学习情境相比，在多样化学习情境中获得的知识，更易于迁移应用于不同情境。这是由于多样性的学习情境，更易于引发儿童对多种问题情境的比较，不仅可以抽象出一般的规则，而且这一规则与多种问题情境均有联系，从而对同一知识建构出多种情境表征。

由此可知，虚拟学习情境的沉浸式特征并不必然有利于知识的迁移应用，一方面，由于虚拟学习情境可以提供沉浸式体验，有利于学生将在虚拟情境中所掌握的知识直接应用于类似的真实情境中。另一方面，沉浸式体验也会导致学习的过度情境化，从而使得学生在虚拟学习情境中习得的知识难以迁移到不同的真实情境中。因此，创设虚拟学习情境在注重情境真实性的同时，更应注重情境的多样性，能够为学习活动提供“丰富的情境供应”，而且这些情境应尽可能体现学习者在真实生活中会遇到的典型任务。同时，多个任务情境在难度上应有进阶，设计者甚至可以创设混合式虚拟学习情境，将真实的学习情境与虚拟学习情境相混合，这些都有利于促进学生学习的迁移。

三、未来的研究展望

当前VR情境创设的主要形式有材料呈现、知识应用和教学互动等。基于思维型教学理论，我们提出，在保证VR情境的交互性、探索性、支架性和多样性的条件下，才能有效促进学生的积极思维。未来的研究中，要基于这些原则优化虚拟实验系统、虚拟学习社区和虚拟教室等教学系统，不仅需要在技术层面研究相应的环境与人物建模，立体显示、触觉反馈，表情和动作交互，教学内容与任务设计，系统集成等的技术和算法，更须着重探讨以下问题。

第一，虚拟现实情境中的科学学习活动设计，虚拟现实情境的交互性、探究性、支架性和多样性是促进学生科学思维的设计原则，在虚拟现实情境中开发具备相应特征的科学学习活动则是上述原则“落地”的关键。例如，基于虚拟现实技术的STEM游戏活动，富于探究性与交互性，有助于促进学生的科学思维。那么，如何将STEM游戏任务与思维型教学原则相整合，从而设计出适当的虚拟现实科学游戏，实现对学生科学思维的最有效培养，尚需进一步研究。

第二，整合虚拟现实学习与传统课堂教学的教学设计，课堂教学是学校教育的主要形式，这意味着，学校教育中理想的虚拟现实应用是将其融入到课堂教学中, 这对教学设计提出了新的挑战。虚拟现实情境中的科学学习任务是以学生为中心组织的，而传统课堂教学中教师承担着学习任务组织的角色，在教学中二者如何实现有效衔接与整合？进一步研究尚需从教学目标、教学过程与教学资源设计等方面进行深入研究。

第三，虚拟现实情境中对学生科学思维过程和能力的有效评估。虚拟教学情境的有效性体现为对学生科学思维能力的促进。验证这种有效性，需要对虚拟情境中学生的思维能力和过程进行科学评估。虚拟情境中学习评估方式与传统纸笔测验评估和课堂行为评估有很大不同。传统的纸笔测验中，问题以文字和图表形式呈现，学生通过阅读理解问题，并通过写出解题过程来评估思维过程。传统的课堂评估中，教师通过直接观察学生的行为反应(比如眼神和表情)来评估学生的学习状态，而虚拟学习情境中，一方面教师无法在真实或虚拟情境下观察到学生的学习反应，无法区分学生是在积极思考还是沉浸于玩耍中；另一方面，虚拟情境中问题以“沉浸式”情境呈现，这种评估不易被学习者察觉，更容易评估到学习者的日常表现。虽然虚拟现实系统能够记录学生的学习过程,但目前虚拟学习情境中的思维评估大都依赖于学习者的自我报告和事后的纸笔测试，尚需进一步研究如何通过数据流中学习者行为数据的挖掘分析，实现对学习者思维的在线评估。

参考文献：

[1] 胡卫平.基于核心素养的科学学业质量测评[J].中国考试, 2016，(8).

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[4] 蔡曙山.认知科学框架下心理学、逻辑学的交叉融合与发展[J].中国社会科学,2009,(3).

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[11] Bransford JD, Schwartz DL. Rethinking transfer: A simple proposal with multiple implications[J]. Review of Research in Education, 2015,(1).