虛擬演示實驗中知識情境的構建研究

萬仁英　楊　雪　王洪旭

【摘要】完整地再現知識生成、存在或應用的情境能夠改善虛擬演示實驗中的“淺學習”現象，從而促進學習者對知識的理解和遷移。虛擬演示實驗的知識情境構建主要從情節、環境和指導三個方面進行，結合“核裂變鏈式反應”實驗的開發，分析了其具體的設計流程和實現方法。

【關鍵字】虛擬演示實驗；知識情境；情節；環境；指導

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2007）01—0118—03

一 虛擬演示實驗的困境——淺學習

虛擬演示實驗是基于計算機多媒體技術的表演性、示范性實驗，它借助聲音、畫面、文字等媒介說明現象、描述過程或論證原理，學習者通過觀察虛擬的實驗現象來獲得知識。由于整個實驗過程僅僅通過計算機屏幕線性展示，所以虛擬演示實驗有其天然的局限性，即學習者和真實的實驗對象沒有直接接觸，無法全方位多角度地進行觀察從而構建知識。這很容易造成 “淺學習（surface-level learning）”[1]現象，即學習者的認知只停留在虛擬現象表面，沒有深入理解其背后所蘊藏的知識，更難以向真實的生活遷移。特別是一些本身就非常抽象的實驗，如果只是孤立的展示現象，缺乏相關的“生活背景”， 學習者只能得到一些“半”具體化的知識，仍無法解決具體生活中的問題。例如物理學中的“核裂變鏈式反應”實驗，說明的是微觀粒子的運動及能量釋放原理，非常抽象，網上相關的虛擬實驗大多都只是演示了“中子撞擊U核裂變，釋放能量并引起新U核裂變”這樣一個過程（如圖1所示）[2]，而沒有提供與之相關的現實情境，這導致學習者即使看到了現象、知道了原理，還是不能將這些知識與自己的生活聯系起來。

所以，在虛擬演示實驗中單純的原理演示容易使學習者處于較淺層次的理解狀態，得到的是僵化、無生命力的知識。相反，如果能把這些抽象的原理置入生動形象的“背景”中，為學習者的學習提供豐富的意義關聯，將能很好地促進他們進行“深學習（deep-level learning）”[3]，即多角度深入理解知識，從而順利實現知識的遷移和應用。這里的“背景”即指知識情境。

二 提高虛擬演示實驗學習深度的途徑——知識情境

深學習是一種以思維為核心，從意義層面去深入把握學習內容的理解性學習，它不僅能讓學習者深入理解知識,而且還能順利的遷移和應用。有效的知識情境能從以下三個層面提高學習深度：

1 認知層面——知識情境有利于學習者對知識的多角度意義建構

后現代知識觀認為知識是依賴于情境或與環境情境相關的，任何知識都是在特定情境中創造和生成，且在特定情境下獲得其意義。豐富的情境不僅可以反映知識在真實生活中生成、存在及應用的方式，再現真實生活情境的復雜性，而且能夠保持知識自身完整的邏輯意義和脈絡結構，有利于學習者從不同角度完整、全面的理解知識。

2 應用層面——知識情境有利于學習者完成知識的個人化和遷移

情境一般都是與學習者的生活直接相關或他們能理解的生活現象，這很容易激活學習者相關的認知圖式，便于其借助已有的知識經驗，以自己特有的方式對新知識進行組織綜合，有機地納入自己原有的認知結構中,真正成為“我的知識”[4]。另外，情境為學習者將知識向現實生活遷移提供了一個很好的范例，以供其舉一反三，進行更廣范、更深入地遷移。

3 情感層面——知識情境有利于激發學習者的情感共鳴

知識情境是對現實生活的整理、提煉和安排，它將人的活動與環境有機統一、知識與現實生活相統一，給學習者以身臨其境之感，“增強了學習過程中的情感體驗，有利于激發學習者的情感共鳴” [5]和認知主動性，從而保持持久和深入的學習。

可見，在虛擬演示實驗中，生動的知識情境不僅利于學習者對所學內容深入理解、順利遷移，而且能激發學習者積極的學習意向，是提高學習深度的有效途徑。

三 虛擬演示實驗知情境設計的流程和要素

虛擬演示實驗的知識情境構建一般包括前期分析、情境設計、技術實現及優化四個環節，其中情境設計最為關鍵；借鑒影視節目中故事情節、人物、環境等情境要素[6]，虛擬演示實驗的情境設計可以從情節、指導和環境三個方面進行（如圖2所示）， “情節”是與知識生成、存在或應用相關的事件，它發生于一定的“環境”中，在“指導”的協助下向學習者傳授知識。

下面結合前面提到的“核裂變鏈式反應”實驗的情境構建具體分析一下虛擬演示實驗中知識情境構建的主要流程、各要素的具體實現方法及注意事項。

1 前期分析

前期分析除了了解實驗的本身目的、原理、過程及特點等，更重要的是分析實驗難點，從而確定進行知識情境設計所要解決的問題和切入點。一般來說，較為抽象或與學習者的生活相距較遠的實驗都有必要通過生動的情境來加深其理解。

“核裂變鏈式反應”描述的是U-235原子核受中子轟擊分裂成兩個質量較小的原子核，釋放能量、射線和2-3個中子，并引起新的U核裂變，如此不斷持續的過程。由于無法用肉眼直接看見，而且與學習者的生活相距甚遠，所以理解起來很困難，因此其情境設計所要達到目標的是：（1）將微觀的實驗現象展示出來；（2）將這一原理與學習者所能理解的生活現象聯系起來。

2 情節設計

情節是關于知識（學習內容）生成、存在或應用的事件，也是知識與人們的真實生活相聯系的方式和過程，它整合了大量的相關信息，為學習者全面深入地理解知識發展脈絡或問題解決過程提供一個完整、全面的意義結構。與影視節目相似，虛擬演示實驗中的情節也有其發生、發展的動態過程，另外還要全面考慮實驗的特點、學習者的認知特征和已有生活經驗來進行綜合設計。不同的知識其生成方式、存在的境域、應用范圍都會有所不同，因此可以提取它們在現實生活中生成、存在、應用的相關故事或活動，通過教學設計進行整理、提煉和安排，再現具體的知識活動過程同時，盡可能的與學習者已有的生活經驗聯結起來。

根據前期的分析，將“核裂變鏈式反應原理”置于“核能發電”的情節中，通過“核裂變鏈式反應原理——核能發電——房屋供電”這一情節將最微觀的粒子運動與最常見的房屋供電聯系起來。具體設計為：首先從宏觀上展示“核裂變鏈式反應”應用的環境即壓水堆核電站，以及遠處房屋（見圖3）；接著畫面向“核裂變鏈式反應”發生的場所——反應堆推近，展示其內部的基本結構和整齊排列的U棒（見圖4）；再次向U棒推近，畫面轉為微觀，出現多個U-235原子核，然后一高速中子飛入，撞擊其中的一個原子核，引起該原子核裂變，并釋放能量、射線及2個中子，進而引發其它U核裂變（過程如圖5所示），如此持續；畫面再依次拉遠到核反應堆和壓水堆核電站，展現絢麗的能量釋放過程，核裂變釋放的能量使水沸騰，帶動發電機發電，并給遠處房屋供電，電燈亮（效果見圖6）。

這一系列宏觀、微觀場景，靜態、動態畫面的組合和切換共同構成了本實驗的情節，它向學習者展示了一個生動、完整的知識應用過程。

3 指導設計

指導主要是結合實驗情節的推進，針對重難點和學習者可能出現疑問的地方提供適當的提示和解說，從而能深化其對學習內容的理解。主要有兩種提供指導的方式：（1）提供接觸專家及對其工作過程進行觀察和模仿的機會。借助虛擬現實技術再現專家的學習活動、工作過程，同時也可以讓學習者扮演某一角色，親自參與到情境中進行學習或活動，并就某些問題與專家交流探討；（2）通過字幕、聲音、圖標等方式特別強化某些知識點。

該實驗采用了第二種指導方式，即在實驗情節演示至關鍵的知識點時，出現字幕，詳細介紹該內容（見圖4、圖6中①）。

4 環境設計

環境主要指學習內容（知識）發生發展的背景、空間，包括自然環境和社會環境，以及通過界面和情節表現出來的情感環境。它不僅為學習的展開提供一個“空間”，而且是促進學習發生發展的要素和支持條件。環境要與情節的發展相一致，在虛擬演示實驗中，可以通過圖畫、圖像、三維模型，或調用拍錄的真實生活場景，來營造逼真的知識環境。

該實驗中，根據情節發展和知識表現的需要設計了房屋、壓水堆發電站、核反應堆以及U-235原子核等幾個主要場景（見圖3、圖4、圖5、圖6），來模擬情節發生的真實環境。

5 技術實現及學習效果分析

整個實驗運用FLASH技術制作完成，在技術實現過程中，根據需要對創設的情境進行了一定的修改和優化，最終從以下幾個方面實現了良好的學習效果：

首先，完整再現了“核裂變釋放能量——發電——家用電”這一知識過程，學習者不僅明白了核裂變原理，而且知道了其在現實生活中的應用，更重要的是可以借助這一線索完整、深入地領會相關知識；

其次，從常見的電燈照明到核發電再到微觀的核裂變，由學習者最熟悉的日常生活入手，逐步深入到最微觀的粒子運動，不僅能引發學習者深入探究的好奇心，而且促進了知識向現實生活遷移；

最后，宏觀和微觀組合，打破了學習者認知中的時空限制，很好地發揮了虛擬演示實驗的優勢。

四 總結

創設情境已成為一種能提供意義學習和促進知識向真實生活遷移的重要途徑。在虛擬演示實驗中，充分發揮多媒體技術的優勢，創設立體、生動的知識情境，一方面可以回復知識與其生成、存在、應用的真實世界之間的本然聯系，為學習者的學習提供意義關聯，從而循著知識的脈絡去深刻準確地理解學習內容；同時，也能將知識與學習者已有知識經驗構成的主體情境結合起來，以促進學習者對知識的同化、順應和遷移，提高學習深度。

參考文獻

[1][3] 劉根平,劉道溶.目前國外關于學生自主學習的研究動態[J].外國教育研究,1990,02:20-36.

[2] 中國課件站 鏈式反應課件下載 [EB/OL].

[4] 李慶明.全國“情境教學——情境教育”學術研討會綜述[J].教育研究,1997,4:64-67.

[5] 肖映銘.信息技術課程教學中學習情境設計初探[J].中國電化教育,2007,10:93-95.

[6] 呂貴香.虛擬演播室教育電視節目中學習情境要素分析[J].電化教育研究,2008,01:75-79.