基于具身認知理論的VR情境下小學科學課教學活動設計

郁棟 李宏藝

摘? 要? 近年來，具身認知理論得到越來越多教育研究者的關注，但其在教育領域的實踐應用仍處于探索階段。虛擬現實技術的日益成熟和普及，為具身認知理論的落地提供了有利條件，小學科學作為一門可以培養小學生創新思維和科學素養的課程，可以成為具身認知理論和虛擬現實技術實踐的課程基礎。分析具身認知理論和VR技術應用于教育領域的現狀，梳理前人構建的具身學習框架，將具身認知理論與VR技術相融合，構建VR

情境下小學科學課教學框架并據此設計教學活動，以期為具身認知理論、VR技術在小學科學課中的教學實踐應用提供借鑒。

關鍵詞? 具身認知理論；虛擬現實；小學科學；教學框架；教學設計；學習環境

中圖分類號：G622.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）16-0069-05

0? 引言

近年來，教育領域的研究者越來越注重學習者與學習環境之間的交互。具身認知理論同樣強調身體與環境進行交互以促進學習者心智的發展和成熟。杜威認為，教育是經驗持續不斷的改造或改組，經驗這一概念包攬主體和客體、人和環境、精神和物質、知與行等內容[1]。杜威指出，任何經驗都是個體與環境相互作用的結果，個體與環境的交互形成情境，情境和交互作用這兩個概念密不可分[1]。具身認知理論強調情境性和具身性，主張身心合一，重視身體在學習過程中的作用和影響。

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術是近年來的一項新興事物，從各個層面、各個學段的課程實踐上來說，VR情境下的教學實踐應用仍需豐富，融合具身認知理論的思想改造現有課程教學模式，成為當前促進小學生認知水平和創造思維顯著發展的有效方法與途徑。VR情境下的具身認知教學，注重身體的作用，是培養小學生科學思維、科學素養和創新能力的重要載體。將這一理念融入小學科學課程教學中，對原有具身認知學習框架進行進一步的細化和完善，可以為VR情境下的小學科學課程的具身認知教學提供新的方法和思路，能夠有效指導教師在VR情境下基于具身認知理論開展小學科學課程的教學。同時，能夠充分發揮具身認知理論和VR技術的特點與優勢，讓學生利用身體與學習環境進行充分互動，從而激發其學習和創造的興趣，主動完成新知識的意義建構，促進學生全面發展。

本文首先分析具身認知理論、VR技術在教育領域的應用現狀，并將具身認知理論、VR技術的理念與當前小學科學課程的大綱要求、教育目標進行對比分析，從中分析當前小學科學課程教學中融合具身認知理論、利用VR技術的空間，從而嘗試構建基于具身認知理論的VR情境下的小學科學課程教學框架。

1? 研究背景

1.1? 基于具身認知理論的教學現狀分析

具身認知理論（the Theory of Embodied Cog-nition）也稱為涉身認知，目前尚未有統一且明確的定義。具身認知理論的核心思想是認為建構知識的過程不僅僅由大腦控制，而是具身的，學習者身體的感受同樣影響認知過程，身體與學習環境的交互對學習者的學習有極其重要的影響。

目前，國外有關具身認知理論在教育領域的研究取得顯著成果，由于具身認知理論注重身體與環境的相互作用，因此，大多數研究與體感技術、手勢等身體的運用相關。例如：美國的Abrahamason等[2-3]在具身認知理論的教學設計與應用方面作出許多探索與嘗試，證明學生的身體動作可以有效輔助他們更加精準而深刻地理解和掌握知識；亞利桑那州立大學創辦了SMALLab，創設具身學習環境，開發相應的K-12課堂與場館學習項目，促進學生高效學習的發生[4-6]。

而國內教育領域的研究者也對具身認知理論進行了積極探索，提出許多有關課堂教學的教學設計框架和相應的教學原則，并嘗試進行教學實踐。例如：鄭旭東等學者[7]指出具身認知理論既可以促使學生進行反思與總結，也可以幫助學生進一步掌握復雜科學的方法；楊南昌等[4]則結合案例表明了技術支持情境下在教學設計框架中融入具身思想的重要性；李海峰等[8]將具身認知理論用以指導構建教育游戲開發框架，并以“環衛斗士”為例，依托英語單詞的學習過程開展實踐研究，研究表明具身認知理論指導下的教育游戲可以有效促進學生產生學習動機，增強學習效果。

綜上，國內外研究者對于具身認知的理論研究已經趨于成熟與完善，而有關具身認知理論在課堂教學中的實踐應用方面仍處于探索階段，身心合一的整體論對于學生提升學習興趣和增強學習效果方面有著積極且重要的影響，而如何將具身認知理論更好地落實應用于課堂教學之中仍需進一步的嘗試與研究。

1.2? VR技術支持下的教學現狀分析

VR技術又稱臨境技術，是一種采用計算機技術生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的沉浸式交互環境的技術。20世紀50年代，VR技術發端于美國，目前已被廣泛地應用于不同領域、不同科目的教學中。在美國，很多高校利用VR技術進行科學研究，如北卡羅來納大學計算機系最早開始利用VR技術研究分子建模、模擬航空駕駛等[9]；也有的研究者將VR技術應用在特殊兒童的教育方面，如Horace等[10]提出在VR技術的支持下，針對自閉癥兒童進行情感表達能力和社交能力的培養，并取得顯著效果。

VR技術的研究在我國起步較晚，現在也正處于積極探索階段。VR技術在我國的教學實踐活動中主要應用于理工類學科教學，例如：浙江大學利用VR技術構建遠程教學空間架構，進行跨國教學研究并獲得良好的教學效果[11]；而在基礎教育階段，鐘正等研究者[12]基于VR技術的特性，構建體驗式學習環境設計框架并進行教學實踐，取得一定的成效。

總而言之，VR技術的應用已經十分廣泛，在國內外的教育領域都取得一定的成果。VR技術可以用以支持身體與學習的連接，從而激發學生的學習興趣，增強學習效果，是具身認知理論落地的較好途徑之一。

1.3? 我國小學科學課程現狀

我國小學科學課程教學主要以科學探究的方式進行，目的是在小學生的情感、態度、價值觀尚未完全形成的時期培養他們的科學素養和探究思維。新課標要求小學科學課程要以探究的方式讓兒童認識他周圍的世界，從而激發其求知欲[13]。相比于其他課程而言，我國小學科學課程更具有趣味性和開放性，能夠給小學生提供充分創造的機會和空間，不僅要使小學生獲得與周圍世界相關的科學知識，提高科學素養，更注重保護小學生的好奇心和探究欲[14-15]，強調培養他們對科學世界的興趣以及良好的學習習慣與態度。通過小學科學課程的學習，小學生可以培養創造思維，增強動手能力，發展自主探索與協作學習的意識，從而進一步提升自身的科學素養。

2? 研究設計

認知心理學領域的皮亞杰認知發展階段理論認為，小學生的認知發展水平處于具體運算時期，處于這一時期的小學生對知識概念的認識和理解都離不開具體事物的支持，長時記憶也多與具體形象內容有關。從小學生認知發展的角度來說，小學科學課程的課堂教學不應該僅以書本上的抽象知識的教授為主，具身認知理論在教育領域的應用，為小學生思維的培養提供了理論基礎。為了更好地促進小學生的認知發展水平、發展小學生的科學知識，小學科學課程應該利用計算機科學的相關技術支持教學過程。例如：VR技術依托計算機技術對抽象的火山、植物等概念知識進行成像，使知識更為形象具體，從而使小學生獲得真實的知識體驗。這種沉浸式學習可以消除時空造成的認知阻斷，能夠更加立體化地呈現知識內容，加深小學生對知識的認識和理解。

為改善我國小學科學課程教學現狀，融合具身認知理論的內涵、特征與理念，結合VR技術的優勢與特點，以小學生的心理特點和認知發展階段特點為基礎，結合我國小學科學課程的大綱要求和實際情況，綜合前人已構建出的具身學習框架，對框架進行進一步的修改和細化，構建出基于具身認知理論的VR情境下的教學框架，見圖1。該教學框架強調學習者的身體與學習環境（物理環境、虛擬環境、同伴交互環境）的交互，充分調動學生的積極性、主動性和能動性，讓學生在與學習環境的交互過程中獲得認知水平的發展，在教學活動的開展中深化對知識內容的理解。

具身認知理論和VR技術是支持小學科學課程更加有效開展的兩個有利條件，小學科學課程的設計中配備學習與探究過程中需要的設備、空間布局與相應的教學資源，構建出適合學生積極開展知識探索的學習環境；多名教師在學生的學習和探究活動開展過程中進行引導和指導，為基于具身認知理論的VR情境下的教學實踐提供支持和保障。

2.1? 前端分析

前端分析為整個教學活動的順利進行提供了堅實的基礎，也是實現預期學習目標、達成良好學習效果的重要保證，主要包括學習者特征分析、教學內容分析和教學目標分析與設定。

學習者是整個學習活動的主體。建構主義理論將學習定義為學習者主動地對知識進行意義建構，主張學習者在學習中占據主體地位。因此，為了成功開展教學活動，首先需要把握學情，對學習者的學習風格、興趣愛好、學習偏好、先驗知識水平、學習能力等特征進行充分分析，針對具體的學情明確學習者的學習需求等，從而展開教學活動設計與實施。

對于教學活動而言，教學內容是中心，所有教學活動的主要目的都是使得學習者能夠掌握并熟練運用所學內容。需要特別強調的是，技術是為教學而服務的，將新技術引入教學過程時，不能一味地為了追求技術而技術，舍本逐末，忽視原本的教學內容。因此，在進行教學設計時需要選取小學科學課程中適合運用具身認知理論的、可以使用VR技術進行支持的教學知識內容進行教學設計。

教學活動以教學目標為導向，良好的教學目標可以引導學習者完成既定的學習任務，因此，教學目標的分析和設定顯得至關重要。在設定具體的教學目標時需要根據具體的學情，結合學習者的學習需求與實際的教學內容，從知識與技能，過程與方法，情感、態度與價值觀這三個方面進行教學目標的設計。

2.2? 創設VR支持下的具身學習情境

在進行教學設計時，由于教育研究者所依據的理論基礎不同、借助的技術手段不同、切入點不同等，其創設的學習情境也有所不同。在本研究中，VR支持下的具身學習情境的創設主要分為三個部分：內容設計、VR情境創設和環境構建。

2.2.1? 內容設計? 在分析課程教材之后，要針對選取的教學內容，在計算機技術的支持下設計出VR教學所需的教學內容資源。

首先，整個教學內容設計要考慮小學生的實際情況，具有可操作性。

其次，為了激發小學生學習的興趣，提高小學生學習的積極性和主動性，內容設計要具有趣味性，以更好地吸引學生的注意力。

再次，為了喚醒小學生先前的學習經驗，刺激學生回憶、聯想和調用已獲得的知識內容，使他們能夠充分認識、理解和應用新知識，在進行內容的設計時還要考慮知識內容的連續性和情境性，使學生在教學過程中能夠將新知識與舊知識聯系起來，并且能夠在真實情境中進一步理解和運用新的知識內容。

最后，內容設計要兼具故事性，增加與日常生活情境的聯系，這樣能大大激發小學生學習科學、探索知識的好奇心與探究欲，從一定程度上培養學生的邏輯思維。

此外，由于小學生對于知識的理解依賴于具體事物，缺乏抽象思維，因此，在進行內容設計時還要考慮內容可視化，使教學活動內容能夠更為直觀地呈現給小學生，使小學生更加容易地獲得對知識的理解。

2.2.2? VR情境創設

在開展教學過程之前，為激發小學生的學習興趣，教師需要創設一個真實的學習情境，教學活動在真實的學習情境中展開，有助于學生在真實情境中實現對新知識的遷移與應用。VR技術為學生提供的技術支持是具有情境性的，在具身認知理論的指導下，借助VR設備為教學活動創設一個仿真的學習情境，通過教師的引導使學生完成對新知識的認識、理解和遷移應用。小學生的思維特點決定了他們傾向于更加直觀地感受和理解知識，因此，在設計VR虛擬環境時要更加強調讓學生形象、生動、直觀地感知事物，注重學生的參與感。利用VR技術創設直觀的學習情境，讓學生參與教學活動，如通過扮演花匠等虛擬角色認識植物，充分吸引學生的注意力，使學生主動地建構內部認知過程。

2.2.3? 環境構建

學習環境是學習者進行學習活動所必需的前提，是教學活動得以順利開展、教學效果得以顯著增強的重要保障。學習環境的構建又包含兩個部分：物理環境的構建和同伴交互環境的構建。

1）物理環境的構建。在VR技術支持的教學環境中，物理環境的創設極其重要。物理環境必須為學習者提供學習活動所需的VR設備、投影屏幕，還必須提供相應的計算機技術支持。在后續的實證研究中，構建物理環境時還要在多個角度安裝錄像設備，方便采集學生在教學過程中連續發生的學習行為并進行觀察、分析，以便進一步改進和完善基于具身認知理論的VR情境下的教學框架。此外，還要對教室布局進行重新布置。因為VR技術支持下的教學活動具有沉浸性，所以教室的桌椅布局一定要保證學生能夠有充足的活動空間，避免出現磕碰現象，發生意外。

2）同伴交互環境的構建。VR情境下基于具身認知理論的教學活動同樣要注重同伴交互，培養小學生的合作精神，讓他們在協作學習中加深對知識內容的理解。在教學活動中，教師應該設置教學任務讓學生之間進行充分互動，引導學生進行合作學習。例如：讓小學生栽種植物并澆水，觀察植物的生長；進行結伴虛擬旅行，在旅行中認識自然界的事物等。

內容設計、VR情境創設和環境構建并不是完全獨立、相互割裂的，它們之間通過小學生的動作、手勢及表情等進行交互與聯系，且整個過程都要在VR技術的支持下進行。

2.3? 開展教學活動

教學活動是整個教學框架的主體部分，在完成前期工作之后開展教學活動。首先，選取教學內容，明確教學目標；其次，根據教學內容、目標及學生學情選擇教學方法，設計教學過程；最后，教學活動中要設置反思總結環節，旨在讓學生通過反思總結本節課的學習內容，進一步深化鞏固學生對知識內容的理解，從而更好地建構知識內容，完成對知識的內化。

2.4? 形成性評價

為了在教學過程中更好地了解學生真實的學習情況，及時發現教學中的問題，設計在教學活動開展過程中進行形成性評價，設置及時反饋機制，以及時地根據客觀的教學反饋情況對教學框架的各個環節進行教學修正，從而使教學活動達到更好的教學效果。

3? 結束語

具身認知理論在我國教育領域的應用目前正在不斷地發展與完善，而隨著VR設備的推廣，VR技術在教育領域的應用前景光明。基于具身認知理論的VR情境下的小學科學課程的教學，不僅要關注科學知識的傳授，更重要的是讓小學生通過身體與學習環境的交互去感知知識，在小學生的情感、態度和價值觀尚未完全形成的時期，培養小學生的探究精神、創新思維和科學態度。資源的開源性、設備的成本降低等，使得本研究的教學應用實踐成為可能，基于具身認知理論的VR情境下的小學科學課教學框架可以為小學開展VR支持下的具身認知教學提供參考。

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作者：郁棟，無錫市教師發展學院，中學一級教師，研究方向為教育信息化（214125）；李宏藝，杭州市余杭區良渚古墩路小學，研究方向為教育信息化（311112）。