從多態表征到置身參與：虛擬現實技術助力學科教學的價值路徑

胡翰林 劉革平

[摘? ?要] 虛擬現實技術作為一種沉浸式交互虛擬系統，其教育功用應有效輻射學科教學，助力學科知識獲得與學科思維培養。針對當前學科教學過程中“抽象符號→技能訓練→工具思維”的現實問題，探析了虛擬現實技術在學科教學過程中的直觀學習資源、知識有效應用與培養學科思維等價值;接著提出了虛擬現實助力學科教學的四種類型：獨立式學科本位型、分布式學科本位型、獨立式項目融合型與分布式項目融合型。最后依據虛擬現實學科教學價值與虛擬現實學科教學類型提出了虛擬現實助力學科教學的實踐路徑：直觀資源的操作體驗，指向知識內容有效獲得;模擬情境的知識應用，促進知識向能力的轉化;真實場景的問題解決，實現知識向思維的通達。以優化學科教學過程，為虛擬現實技術應用于教與學過程提供參考。

[關鍵詞] 虛擬現實技術; 學科教學; 真實場景; 感知體驗; 實施路徑; 學科思維

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 胡翰林（1996—），男，四川南充人。博士研究生，主要從事智慧學習環境、虛擬現實等研究。E-mail：945017310@qq.com。

一、引? ?言

適應特定的學習空間，自然會產生相應的學習范式[1]。在基礎教育領域中，受制于特定的學習空間，學習過程中容易出現“抽象符號→技能訓練→工具思維”的抽象學習范式，致使當前學科教學結果重視知識與技能的掌握，輕視能力與素養的培養，學科教學的育人價值尚未完全彰顯，學科思維與核心素養難以有效落實。

理想的學科知識學習過程應該讓學習者真正地“融入”與“在場”，使學習結果能夠有效地連接學習者的經驗與生活，促進學習者思維與能力的發展。對于學科教學現實問題的回應，需要我們在現有學習空間視閾下依托新興技術與思想來審視與設計學習過程，思考如何借助信息化的工具與手段來優化原有學習范式。一是要維持抽象知識與直接經驗的平衡。學科知識自身含有一定的抽象性，學習者需要依賴直接經驗來幫助建立現實原型到抽象概念的過渡與轉換，通過動手操作來感知所需的基本活動經驗，以平衡抽象知識與直接經驗。二是要加強技能訓練與知識應用的融合。囿于注重解題技巧、方式方法、應試分數等固有結構，知識學習重心位于技能掌握上，學科知識少有機會進行真實的實踐應用;但在學科核心素養的背景下，強調技能訓練的同時增加知識應用能力的鍛煉成為必然趨勢——倡導學習者在真實活動中運用學科知識去感知問題、分析問題及解決問題，從而建立起相應的學科知識應用意識。三是要促進工具思維到學科思維的進階。工具思維指向學習者掌握必備的思考、推理、計算等技能技巧，以解決題目、應對考試，其本質在于掌握“既定”知識。造成學習者如何使用知識——學科思維的培養被忽視，學習結果仍處于淺層狀態。學科知識學習不應只停留在作為工具來解決脫離真實場景問題的層面，使其成為純記憶、演繹與推理的過程，而應促使學習者應用知識去解決現實生活問題，逐步培養學科生活化的思想，形成學科思維。

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）作為一種新興的虛擬仿真體驗技術，在教育中的應用已有作為教學教具、強化交互協作、創設環境資源等，在有效激發學習者學習動機與學習興趣的同時，能夠調動學習者的主動參與并實現知識的應用與遷移。其感知沉浸與交互體驗等特性可以豐富知識的表征形態，營造學習臨場感，對于學科教學而言能夠彌補當前教學過程中出現的問題與缺失，促使學習者從感知信息的多態表征逐步過渡到置身情境的參與式學習，實現學科思維培養?；诖耍狙芯恐荚谕ㄟ^虛擬現實技術來優化與助力現有學科教學過程，以期使學習者在學習過程中能夠感知豐富的學習內容、建立知識的應用意識并最終培養學科思維。

二、作用探析：虛擬現實在

學科教學中的價值發現

虛擬現實技術是融合計算機圖形技術、人機接口技術、傳感技術、仿真技術以及人工智能等多學科的新興技術[2]，讓用戶置身于多感官系統參與的三維虛擬環境中，通過相應設備進行人機交互、獲取多模態信息，使用戶在身心一體的交互過程中高度沉浸，實現真實感知體驗的效果。其在教育中的應用具有激發學習動機、增強學習體驗、創設心理沉浸、實現情境學習與知識遷移等潛力[3]，且能夠有效優化學習過程與提升學習效果?！秶医逃聵I發展“十三五”規劃》[4]、《關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》[5]中均指出了虛擬現實技術在教育領域中的重要價值與應用推進策略。因此，虛擬現實技術作為教育信息化的工具之一，挖掘其在基礎教育領域中的深層次應用，尤其是將其有效融入學科教學中解決現實問題，進而優化教與學的方法，是當前的研究趨勢與重點。

虛擬現實技術融入基礎教育學科教學何以可能？首先需要分析學科知識與虛擬現實技術間的契合點。從虛擬現實技術的典型特征來看，其能夠有效彌補當前學科知識教學過程中的缺失，見表1。在存在形式上，學科知識偏重于以高度凝練、概括的文字、圖形等符號靜態呈現，虛擬現實技術則能賦予學習者動態的感知模擬、操作體驗等過程;在應用邏輯上，學科知識多用于學習者依據試題進行概念規則的計算、猜想、驗證等同質推理過程，虛擬現實技術則能讓學習者根據需要解決的問題進行學習、設計、探索、實踐與反思等具體交互過程;在價值取向上，學科知識形成了使用已知知識來解決已知問題的取向，虛擬現實技術則傾向于未知領域的自主探索、實踐創造與問題解決。由此，虛擬現實技術融入學科教學有其必要性與適切性，在學科知識學習過程中的價值具體表現為以下方面：

（一）內容支持：直觀學習資源

虛擬現實技術精準、全息地快速操作、搭建、成型，能為學習者賦予學科知識多態、直觀的學習資源，提供學習者經歷全方位觀察、感知體驗等有效操作的機會。讓學習者通過操作視角與距離的動態變換過程來觀察事物的具體形態、細節展現，感悟學科知識在其中的體現與應用，以滿足學習者認知結構形成過程中對真實具體事物的認知需求，促使學習者認知結構從主體物質動作結構過渡到內部心智活動結構的發展。

（二）方法過程：知識有效應用

虛擬現實技術具有強交互特性，能夠有效支持學習者的“做中學”過程，使其依據一定的項目任務應用學科知識來制作、完成相應的模型。首先，在虛擬仿真環境中學習者能夠將先前習得的知識應用于模型設計、制作等過程，在建模操作中將抽象的知識現象、邏輯推理等轉化為可視化的具體過程，使學習者不斷豐富與深化對知識的已有認知。其次，學習者的創意設計轉變為虛擬制品，能夠有效激發學習者知識應用的積極性，使其在學科知識與虛擬制品之間建立相關的對比反思、模型轉換、深入思考等。

（三）結果體現：培養學科思維

虛擬現實技術融入學科教學首先支持學習者進入虛擬現實場景進行感知體驗，感悟學科知識的價值所在，并進一步改進和深化大腦中已有知識經驗結構，使其更為符合真實場景中的應然樣態。其次，在學習者應用知識進行虛擬環境操作與建立模型的過程中，能夠在知識與實物表象間進行抽象和概括、記憶和聯想、對比和加工過程，從而理解知識的本質屬性，并在知識應用過程中培養問題發現與解決的心理發展過程。這樣，學習者在經歷情境感知、模擬應用、實踐反思等系列操作后，會意識到知識的獲取過程離不開真實場景，知識的最終指向為真實場景中的有效應用，并逐漸在學習的方法、過程、結果層面融入真實場景，甚至發現并解決真實場景中存在的問題，形成學科思維。

三、作用方式：虛擬現實助力

學科教學的具體類型

當前虛擬現實技術主要存在桌面式虛擬現實（Desktop VR）、完全沉浸式虛擬現實（Fully-immersive VR）與分布式虛擬現實（Distributed VR）等三種類型[6]：桌面式虛擬現實是在電腦屏幕、平板或其他桌面式顯示設備呈現出三維虛擬環境，讓用戶通過觸摸、鼠標或手柄等進行感知交互;完全沉浸式虛擬現實需要用戶佩戴沉浸式的體驗設備（如頭盔、眼鏡等），以增強沉浸感;分布式虛擬現實是利用互聯網將獨立分散的虛擬現實系統進行有效聯結，使用統一的協議、標準與數據庫，以突破時空限制形成多方協同、耦合互動的一體化系統。其中，桌面式與完全沉浸式虛擬現實強調單一獨立的沉浸體驗，分布式虛擬現實注重分布統一的協調交互，因此，虛擬現實作用于學科教學存在獨立式與分布式兩種不同類型。同時，結合虛擬現實有效融入學科教學的應用取向與推進邏輯，其主要存在指向知識獲得的學科本位與指向知識應用、學科思維的項目融合等兩種方式。綜上所述，虛擬現實作用于學科教學的具體類型見表2。

（一）獨立式學科本位型，獲取單一學科知識

獨立式學科本位型是當前虛擬現實技術在教育應用中的常態，即通過桌面式或頭戴式設備為學習者呈現學科知識或創設知識情境，促使學習者參與到逼真的學習環境中進行感知、操作，借助豐富的個性化學習資源幫助自身學習與掌握知識。其以學科知識為主要學習內容，以知識獲取為學習目標，以學習者在虛擬現實環境中的感知體驗為學習過程，其核心在于利用虛擬現實技術的真實、沉浸與交互等特性來豐富知識的表征形式，提升學習者的動機、投入與學習效果。

（二）分布式學科本位型，獲取多元學科知識

分布式學科本位型是在互聯網技術的支持下，匯集聯結多方虛擬現實系統，實現協同管理、資源共享等，以形成多元一體的自組織學習場域，促使學習者通過體驗多方共享資源來全面地獲取學科知識。其仍以獲取學科知識為主要目標，但在實踐應用過程中存在兩種形態：單學科分布式虛擬現實系統，能夠支持學習者不受時空限制來獲取多方資源、進行溝通交流等，最終形成學習共同體來完成學習任務;跨學科分布式虛擬現實系統，促使學習者在不同學科知識間進行交流互動，體驗在同一場景、系統中不同學科知識間的聯系，以形成跨學科知識。

（三）獨立式項目融合型，培養一般學科思維

獨立式項目融合旨在讓學習者參與到虛擬現實中的項目任務中來，在完成任務的同時學習學科知識，以形成應用知識解決問題的學科思維。其在以學科知識獲取為目標的基礎上，強調項目完成過程中的知識應用與問題解決能力，主要學習過程為學習者在虛擬現實環境中進行相關操作、體驗來逐步完成任務，在不斷發現問題與解決問題的過程中培養知識應用意識，逐步在知識與真實情境間建立緊密聯系。有研究表明，虛擬現實的游戲項目能對學習效果產生更大的促進作用[7]，說明學習者的自主探究與完成任務過程能夠產生更好的學習體驗與學習效果。獨立式項目融合型具體表現為在感知虛擬現實環境中發現問題、自主探究形成問題解決策略、實踐操作解決問題等。

（四）分布式項目融合型，培養復雜學科思維

分布式項目融合型是虛擬現實技術在教育領域應用中的理想形態，其擁有更大集群的學科（同一或不同學科）資源，能夠與項目進行更為有效、深入的融合，以催生出蘊含多學科知識與復雜問題解決的綜合型項目，促進學習者在學習過程中跨越學科邊界，培養綜合運用學科知識來解決問題的能力。在學習過程中注重學習者的具身體驗、協作交流、情感狀態與問題解決等項目化學習思維，在掌握知識的基礎上進一步拓展、應用知識，形成綜合、復雜的學科思維。分布式項目融合型虛擬現實以項目任務為貫通相關學科內容的主線，能夠在重構學科內容與共建共享資源的過程中消除學科壁壘，實現真正意義上的學科融合[8]。同時，對于在線教育而言，其能夠有效優化當前存在的不足與弊端[9]，為身處異地的學習者提供多樣化的交互方式、構想化的教學場景、泛在化的學習體驗活動等[10]。

四、實踐路徑：虛擬現實助力

學科教學的價值實現

虛擬現實技術能夠在學習過程中呈現多態的場景、模型以給予學習者直觀的感知體驗，賦予學習者真實的“做中學”平臺來置身參與，實現知識的實踐應用，并通過問題解決過程來培養學科思維。因此，本研究依據虛擬現實的直觀學習資源、知識有效應用以及培養學科思維的學科教學價值與學科本位（獨立式與分布式）、項目融合（獨立式與分布式）的學科教學類型，嘗試融入虛擬現實技術來優化原有學科教學范式，構建如圖1所示虛擬現實助力學科教學的實踐路徑，并推動虛擬現實技術在學科教學中從基礎應用向深度融合過渡，實現技術促進學習的核心價值。

（一）直觀資源的操作體驗，指向知識內容有效獲得

從知識的表征形式來看，可以分為抽象表征（抽象層面的普遍規律）與具象表征（實踐層面的直接經驗）。以往的學習范式中學習者普遍獲得的是抽象表征，受學習空間制約難以獲得具象表征，學習者并未真切地感受到知識的“存在”，不能實現知識與真實事物間的有效關聯。研究顯示，抽象學科知識與具體事例結合起來能夠產生更為有效的學習結果[11]。因此，在虛擬現實的支持下，學習者能夠進行相關操作來感知信息與獲取直接活動經驗，在建構抽象概念的同時感知知識的現實存在形態，增加知識表征的豐富性與完備度，以形成更加穩固、全面的認知結構。

1. 動態操作，感受知識的豐富表征

學習者對虛擬現實系統中物品、環境的操作，能夠獲得主體性動作經驗，以彌補文字、言語、視聽符號的不足，并且在不斷更新與加深對客體知識的認識過程中實現雙向對象化，在具備知識抽象概括能力的同時又能將其對應到具體事物中去。

在新知學習階段，通過適宜的示范或引導，鼓勵學習者對虛擬現實物品進行縮放、移動、旋轉等顯性直觀操作來獲得知識的具象表征，從而形成基于觀察與操作的直接經驗在知識理解階段，僅憑大腦的抽象思考并不能有效理解與內化，同時還會降低學習者的積極性，而通過對虛擬現實物品的有效操作能夠激發學習者的興趣，提高他們的學習動機與學習投入，從而在探索與操作、交流與思考的過程中形成對知識的深入理解與拓展延伸。此外，在假設驗證階段，學習者對于已有概念、定理等存在的困惑、質疑，可以通過直觀操作，在具體實物中尋找依據或驗證其合理性，理解知識的同時形成尊重事實、追求證據的科學態度。

2. 具身學習，身體感官的有效參與

具身認知認為，大腦中認知的產生依賴于身體各個感覺運動器官的協調發揮，身體的參與性越多，這些通路就會越活躍，感覺系統就會感知到更多的信息，形成的認知也會更加豐富[12]。因此，認知的形成依賴大量直接經驗與感性經驗，需要身體感覺運動器官參與到學習過程中進行感知體驗與共情理解。學習者對虛擬物品的操作，是一種以身體經驗為基礎的具身學習，即通過“體認”的方式來建立對外界事物的知覺映像和初級概念，達成與外部事物的實質性關聯。研究表明，抽象的認知植根于身體感官與體驗[13]，通過身體經驗建立的具體事物與抽象概念間的關聯，有助于提高對學科知識的理解[14]。經由身體感知、體驗信息的多樣存在形式，學習者能夠有效實現抽象表征與具象表征的融合。學習者通過對語言、文字、圖片等抽象符號的加工（隱性操作）過程獲得對直觀事物的普遍本質認識，同時結合對虛擬現實的感知操作（顯性操作）來獲得直觀認識，在不斷的顯性操作與隱性操作下，逐漸建立豐富表征并加深自己的認識。此外，在感知操作過程中學習者通過觸覺、視覺等多感官通道感知信息，改進和豐富了信息在大腦中的編碼層次與水平，從而加強知識記憶的穩固性和長久性。

（二）模擬情境的知識應用，促進知識向能力的轉化

模擬情境的知識應用是學習者在虛擬現實技術呈現的虛擬實驗室、虛擬場館等模擬環境中進行探索、交互以完成相應的項目任務，通過“邊做邊學”的過程來培養知識應用意識，使學習者在自主探究與完成任務的過程中經歷與建立認知沖突，并通過不斷的交互調解來深化理解、完善學習者的已有知識結構，獲得個人經驗能力。

1. 逼真的模擬項目，引發持續認知沖突

在虛擬現實模擬情境中的學習，重在使學習者通過“自主探究”“合作學習”等多元學習方式來親身實踐，完成相應的逼真項目任務，并形成一定的模擬制品。學習者在不斷的設計制作與感悟體驗過程中，能夠深化對知識的理解，逐漸形成并豐富個人經驗;同時，也將產生一系列區別于面授課堂中的認知沖突。對于知識的學習，只有經歷并通過不斷調節解決認知沖突后，才能促使學習者的認知活動不斷豐富與發展[15]。學習者在虛擬現實環境中進行自主探究與完成任務的過程中，將不斷產生新的認知沖突：首先，虛擬現實模擬情境的豐富性與交互性能夠使學習者感受到知識的情境屬性與社會文化價值所在，其“在場感”與“沉浸感”能夠幫助學習者實現對知識的全面理解;其次，學習者生成制品的過程需要將抽象符號轉化為形象具體的三維模型建立，其相同內容的不同表征形式會帶給學習者一定的認知沖突;最后，學習者完成項目任務、形成三維制品與應有模型資源間的對比反差，會使學習者在模型設計過程中的思考方式、解決策略與模型搭建等方面建立認知沖突。認知沖突打破了知識作為既有的規定性抽象符號觀念，其調解過程需要在與環境事物不斷的交互過程中主動建構，即通過持續的生成，促進已有認識的不斷修正、完善與深化，從而形成更為全面的認知結構。

2. 臨場的知識應用，形成個人經驗能力

學習者在模擬情境中完成項目任務是對學科知識的深度理解與價值追求，其實質在于激發、引導學習者的知識應用意識，在臨場的知識應用過程中形成個人經驗能力。因此在完成虛擬任務的過程中，首先要鼓勵學習者自主探究與大膽嘗試，促使其在動手操作的過程中發散思維，形成多樣的知識應用方式，培養其綜合、創新運用知識的能力。其次要確立反思維度，以幫助學習者進行有效的階段性反思。在學習者項目計劃、模型設計的過程中，依據學習者的實時表現與學習體驗，引導其對面臨困惑、可行策略、優化完善等進行“在行動中反思”，促進學習者形成即時的反思—修改動態循環機制;在項目結束后，從知識應用、操作流程、部件匹配、結構搭建等維度出發，促使學習者進行“對行動的反思”，以修改不足與總結經驗。最后通過回顧、總結與提升，形成個人經驗能力。在完成項目的過程中，讓學習者有意識地記錄下關于知識理解與應用、項目計劃與實施過程中的直覺或頓悟等關鍵點，同時將這些關鍵點進行歸納與整理，總結出核心的知識理解、應用以及項目完成的方式方法等。在此過程中，學習者的個人知識經驗得以漸次形成，深層次概念意義得到充分建構，促使知識理解向個人能力的轉化。

（三）真實場景的問題解決，實現知識向思維的通達

虛擬現實技術在教育領域中的應用需要抓住現實情境線索，轉化真實學習場景[16]。就虛擬現實的本質而言，其是作為真實世界場景的縮影，是我們感知體驗信息、知識學習應用與實踐解決問題的中介場或實習場，因而能夠有效加強知識學習與真實場景間的關聯;同時，虛擬場景中的感知體驗與問題解決并非為虛擬現實的全部價值，其最終價值應該促進學習者由虛擬場景學習自然地回歸于真實場景學習，使其能夠在真實場景中遷移延伸與深入思考，運用學科知識來審視、思考與解決真實場景中的未知問題，逐漸形成學科思維。

1. 虛擬—真實場景的關聯感知

指向真實場景的問題解決，強調要將真實世界中存在的問題在虛擬場景中進行顯現與解決。這樣，學習者的知識應用并非為脫離真實場景與物體的想象，而是帶著真實場景問題去經歷現實原型的觀察、感知、體驗、操作等親身實踐過程，使知識應用與問題解決過程更為符合真實場景中的應然樣態。同時，引導學習者建立知識與真實場景間的相關聯想，對知識的情境、文化、社會屬性等進行重點關注，使知識理解并不限于自身固有形式，在有效拓寬知識邊界的同時，促進知識在不同情境間的遷移。在此過程中，學習者能夠實現抽象知識的具體化與真實性還原，擴充知識的豐富性與全面性，進一步理解學科知識的問題解決價值所在。

2. 個人—社會活動的問題解決

真實場景的問題解決過程并非僅為個體的獨立活動，而是自主探究與群體協作相結合的社會性活動。因此，要促進學習者形成面向真實場景解決未知問題的能力，在虛擬現實場景中就要促使學習者的問題解決過程從個人活動上升為社會活動。相應地，在虛擬現實環境中具體表現為主題聚焦（Thematic Focus）、認知吸取（Cognitive Absorption）、社會參與（Participation）、社會結構（Social Structure）的問題解決過程[17]。主題聚焦是在學習者進入虛擬現實環境后，讓其對環境中的物體進行感知、洞察、內化后產生對實物原型或學科知識的再思考，促使他們在質疑與發現問題的過程中增加對當前知識點的精深理解，并同時聚焦于某個現象或問題;認知吸取指利用來自虛擬現實環境的刺激作用于學習者，從而激發學習者的學習內驅力，促使他們產生好奇、沉浸、享受甚至忽略時間等“心流”體驗，集中精力投入到問題分析、策略設計等自主探究或合作學習等過程中;社會參與是讓學習者個人參與到小組、群體中進行經驗與觀點的分享、討論、交流、評價、互助等社會互動，以形成認知共同體來促使問題更好地被解決;社會結構是指在整個問題解決過程中不同學習者需要承擔不同的角色，通過專家與新手角色的不斷對話與交互來達到小組、群體內認知結構的平衡。

3. 知能—心智結構的學習結果

項目融合以真實場景中的問題為出發點，能夠讓學習者運用學科知識進行問題發現、資料收集、構思策略、模型設計等來解決現實問題或實現改進創新。因此，學習者先前獲取的學科知識構成學習者的知能結構，當其運用構建的知能結構去解決外部問題時，所形成的作用于外部客體的認識結果形成了心智結構[18]。心智是個體在與外部環境世界交互過程中形成的維持自身機能和促進發展的系列認知能力，它促使個體采取行動來解決問題或實現目標[19]。學習者綜合利用虛擬現實環境資源，在與環境的交互過程中不斷深化與豐富已有的知能結構;同時運用所學知識來發現、解決環境中存在的問題，在此過程中逐步建立起一套面向未來、適應未知環境的“知能—心智”結構，形成有效的認知結果。

4. 知識—生活邏輯的學科思維

學科知識“生活化”是學科思維的重要表征形式，需要學習者融入生活環境中，運用學科“透鏡”去觀察、解決現實生活中的現象及問題，讓知識的學習與應用回歸生活世界，加強知識與現實生活間的聯系。虛擬現實技術融入學科教學，能夠使學習者掌握的學科知識與真實環境更好地建立關聯，從而在解決真實場景中的問題過程中，促使學習者的知識學習從“學校知識”逐漸走向“生活世界”，實現知識“生活化”，形成學科思維?？傮w而言，學科知識的來源和應用都不能脫離學習者的生活經驗與生活實踐，虛擬現實技術能夠支持尋求與生活經驗建立必要平衡的過程。

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