促進深度學習的虛擬實驗教學改革①

彭麗宇

倫敦大學 教育學院， 倫敦 WC1H 0AL， 英國

虛擬實驗教學產生于虛擬現實技術和學科教學的深度融合， 是一種新興的教學工具， 旨在利用計算機或仿真軟件模擬學習情境， 讓學生通過操作計算機來完成實驗. 虛擬實驗的作用不僅在于使用虛擬現實技術重現傳統實驗教學， 也在于利用虛擬實驗特有的交互性、沉浸性和想象性[1-4]， 將學科核心知識理念和實踐過程有機融合. 深度學習是一種注重知識的整合、建構、批判和遷移的有意義的學習方式， 強調學習的主動性和行為情感的高投入. 在深度學習過程中， 學習者在原有的知識結構上批判性地獲取新知識， 深度理解加工知識信息， 進而建構情景化的知識體系， 用于在新的情境中解決實際問題. 其目標在于提高學生問題解決、溝通表達和元認知等能力， 與虛擬實驗的教學目標和理念高度一致. 同時， 虛擬實驗的沉浸式體驗鼓勵學生成為積極的學習者， 增強了實驗課堂上學生自主探究的可能性， 提供了一種用視覺顯示替代抽象概念認知的方法， 有利于學生主動建構知識解決實際問題， 達成深度學習. 由此可見， 虛擬實驗教學和深度學習可以有機地融合在一起， 互為補充， 相互促進. 目前， 一些大學嘗試使用虛擬實驗拓展實驗教學的廣度與深度， 但由于教師虛擬實驗教學理念的局限性和虛擬實驗教學實踐本身的復雜性， 虛擬實驗的教學往往停留在重形式輕內涵的“淺層學習”. 如何使用虛擬實驗教學提升實踐教學質量， 走向“深度學習”， 成為高校虛擬實驗教學的重要課題.

1 設計有問題指向性的教學內容， 引發學生積極建構知識體系

為實現虛擬實驗深度學習的教學目標， 教學內容需要具備3個基本條件.

首先， 虛擬實驗的教學內容應設計問題導向的學習任務. 問題導向的學習任務是一個適用于虛擬實驗的任務載體， 能夠激發學生主動進行一系列學習活動， 是深度學習的生長點和前提. 問題解決的作用是產生迷思概念， 也就是使得學生發現之前的知識經驗與科學概念的矛盾點. 當學生無法用原有的知識和經驗解釋現象而自發產生疑問時， 會傾向于積極地思考和體驗整個虛擬實驗的過程， 帶著問題更加投入地參與學習任務. 在教學過程中， 學生不再是旁觀者， 而是參與者. 迷思概念產生的內驅力使得學生的理解、分析、總結和反思都建立在堅實的學習信念上， 而這也正是深度學習的要義. 從教學內容的深度上看， 問題導向的學習任務使得在模擬情境中設計源自于真實情境的“劣構”(非良構)問題成為可能， 使得學生能夠有機會解決與現代社會相關聯的問題， 也就是沒有固定答案的問題. 解決真實的非良構問題具有挑戰性， 而挑戰性問題的解決過程能夠激發學生的學習熱情和自主探究的動力， 增加自我效能感， 促進深度學習的發生[5]. 在問題解決過程中學生主動地獲取解決實際問題的直接經驗， 而教師對學生的引導， 實際上是幫助學生搭建腳手架， 完成新知識與原有經驗的結合與重塑. 因此， 結合教學重難點設置開放性的、有意義的、連接真實世界的、面向問題解決的實踐學習內容是虛擬實驗的問題設計的重點.

其次， 虛擬實驗的教學內容應有利于形成網狀認知結構. 有利于形成網狀認知結構的系統性的教學內容， 能夠促進學生深入理解并運用新的知識架構解決復雜問題， 是深度學習的精髓. 聯通主義學習理論作為深度學習的理論基礎之一， 認為學習包括聯結和發展認知網絡， 學習的過程就是聯結知識路徑的過程. 深度學習就是內化知識、聯結知識路徑的一種學習， 它可以改變一個人的思維方式， 使其在遇到實際問題時， 能夠更加自如地運用所學知識解決問題. 教師在準備虛擬實驗的教學內容時， 需要統整跨學科的知識和技能， 列出實驗框架， 注重知識之間的銜接， 使得學生在拆解復雜問題成為循序漸進的小問題之后， 能夠順利完成知識之間的聯系， 綜合運用學科知識逐步解決問題. Horton[6]的三大學習活動分類將學習活動分為吸收型活動、做的活動和聯結型活動. 目前， 大多數虛擬實驗僅僅是做的活動， 也就是學習者通過自行實踐探究獲得知識. 相較于做的活動， 聯結型活動的特點在于多維度的知識整合， 能夠補充知識的完整性和系統性， 更利于學生進行完整知識體系的建構. 同時， 聯結型活動強調以問題為中心， 整合多維知識， 關聯先前知識經驗， 更有利于學生進行知識的遷移. 因此， 教師應更多地利用虛擬實驗進行聯結型活動， 基于學生已有的知識和經驗， 依照學生的學習特點和學科知識， 有目的地統整有意義聯結的學習內容. 在確立多維知識學習內容的基礎上， 立足于學情， 分階段確立教學目標， 使學習內容具備挑戰性、系統性和螺旋性， 符合思維螺旋發展的本質. 比如在工程管理的虛擬實驗中， 可以為學生提供經濟學和市場學的資源和數據， 使學生聯想并應用已有的有關工程技術的知識， 充分體驗創業的真實情境， 進而進行實踐性和創新性的問題解決. 總的來說， 利用虛擬實驗進行聯結型活動需要多維度知識的整合， 且需要通過分階段的學習使得實驗知識具備系統性架構.

最后， 虛擬實驗的教學內容需要具有前沿性. 學習結果方面， 深度學習強調問題解決、溝通表達和元認知能力等高階能力的培養. 2010年美國休利特基金會(The William and Flora Hewlett Foundation)[7]發布的深度學習項目將深度學習能力定義為21世紀生活和工作必備的包含掌握核心知識、解決復雜問題和團隊協作等6個方面的能力. 這就要求學生在實驗學習中把握科學前沿動態， 掌握前沿知識技術. 在知識日新月異的今天， 科研和企業生產緊密結合， 然而傳統實驗學習內容卻落后于企業生產， 學生很難接觸到前沿的科研成果以及理論， 這有悖于深度學習對學習內容前沿性的要求. 因此， 有必要將有關科研成果作為教學項目的資源， 積極結合科研成果和基礎知識開發具有前瞻性的虛擬實驗教學系統， 拓寬學生學習的深度和廣度. 比如在虛擬實驗中， 可將具有相似研究方向的學生組成學習小組， 了解學科最新動態， 共同體驗完成從發現問題到解決問題的學習過程. 具有前沿性的虛擬實驗教學內容不僅有助于引發學生的探究動機， 驅動學習活動的開展， 同時也能使學生迅速掌握實際科學實踐的方法和規范， 充分體驗科研和工作過程， 提高學生未來科研和工作的能力.

2 注重學習的自主性和交互性， 引導學生進行合作探究

深度學習是在教師指導下、以學生為主體的學習活動， 是一種典型的建構性學習. 建構主義認為， 學習不是教師單向傳遞知識， 而是學生自主建構知識體系的過程. 建構性學習活動應包括整合知識內容、對話找到迷思點、反思批判舊有知識結構， 最后將所學內容遷移運用. 這就要求學生成為學習活動的主體， 并且投入大量的時間、精力和情感. 由此看來， 自主性學習是深度學習的必要條件， 只有引導學生自主地、高投入度地學習， 才能在實驗教學中實現學生間的“概念交互”和“概念轉變”[8]. 同時， 得益于行為和情感的高投入， 自主進行的知識建構而學習到的知識， 其保持性和遷移性也會得到提升. 因此， 注重學習的主體性， 使學生能夠在教師的指導下， 自主建構知識體系， 對于知識遷移應用是至關重要的一步.

由于虛擬實驗活動的組織者和設計者的教學觀念決定著教學行為， 因此， 教師應堅持在面向深度學習的虛擬實驗教學中以學習者為中心. 如果教師能夠從知識的傳遞者轉變為教學任務的促進者， 那么學生就有機會從被動地學習轉變為主動地學習. 從教學方式上看， 虛擬實驗作為實踐教育， 大部分時間需要學生自行操作， 本身就具有主體性教學的表現形式. 同時， 相較于傳統實驗只能在一個固定情境中通過語言表達和實物演示進行交互， 虛擬實驗可以通過多感知通道進行交互， 更適用于以學生為主體的學習. 在虛擬實驗教學中， 教師可以通過人機互動將控制權傳遞給學生， 而學生作為操控者， 能自主控制實驗對象， 故能夠輕松掌握學習節奏， 并且掌控各項學習任務的完成時間和學習方式. 盡管相比于真實實驗， 操控電腦可能會造成情感體驗感不佳、增加了人機交互認知負荷等問題， 但體感交互等交互方式也正不斷增加操作的便利性， 提高交互效率.

然而， 并不是自行操作的虛擬實驗都能稱為自主性學習， 虛擬實驗教學模式和內容的幫促是自主性學習真正發生的必要條件. 如若只以學科需要做的實驗為實驗內容的唯一推理依據， 那么虛擬實驗教學會逐漸封閉化. 目前， 虛擬實驗的現狀存在過于強調知識化的問題. 在實驗過程中， 教師往往缺少對學生思維能力和研究興趣的關注， 忽視了學生作為學習過程主體對深度學習的需要. 這體現在教師在實際教學中， 礙于時間關系， 大量教授驗證性實驗， 直接將實驗原理和操作灌輸給學生. 從而導致學生停留于接納和吸收固有的知識， 而在合作、探索和創新方面有很大的局限性. 這樣的學習， 延續了傳統實驗的單一性和陳舊性， 僅僅適用于一部分陳述性知識和程序性知識， 無法滿足當前復雜技術環境對高階思維的需要. 高階思維的培養要求學生深度參與到學習過程， 主動形成問題意識， 對知識進行高級認知層次上的學習. 綜合性或設計性的虛擬實驗是更加符合深度學習的虛擬實驗教學模式， 這兩種類型的實驗要求學生在過程中提出問題， 擬定方案和解決問題， 提高了學生的參與性和自主性. 而教師的作用則在于指導和推進學生的進度， 引導學生在提出問題和方案的環節自覺自愿地投入到學習過程中進行思考、對話及反思.

學習交互性是激發學習主動性的催化劑， 一個平等合作的互動氛圍、多種共享信息的模式、多樣的交流平臺以及和多人交互的學習過程都有助于自主性學習的發生. 相對應地， 在學生之間， 充分發揮學習的主動性， 也會促使交互性學習的高效進行. 在虛擬實驗中， 教師和學生共同的價值追求是提升學生的學習能力， 而個人目標與小組的共同目標都是完成學習任務， 這是一種促進性的相互依賴. 在共同的學習目標下， 有必要構建具有共同學習目標的學習共同體， 交互完成有挑戰性的深度學習任務. 學習共同體的作用是使學生在觀點的碰撞中明確學習目標， 發現舊經驗的新問題， 整合不同觀點， 開展全員討論或者小組討論， 最終構建個體對知識的理解和新情景中對所獲知識及技能的應用. 特別是學生們認知矛盾的激發可以自然地引發學生的合作探究， 通過整合分析觀點， 聯系各自的過往經歷和相關社會現象， 調整知識架構繼而建構新的思維方式. 在這樣豐富的學習體驗中， 知識的內化自然而然地發生. 交互性學習不僅有利于解決復雜問題， 也有利于學生認知領域和實踐領域能力的提升， 有意識地培養了學生團隊協作和有效溝通等人際領域的能力， 是虛擬實驗深度學習的有效途徑.

從情感體驗的角度上看， 在注重自主性和交互性的教學過程中， 教師主要為學生解惑并提供情感和資源支持， 而學生則對自己的學習負責， 并和周圍人形成學習伙伴關系. 師生和生生在深度互動合作中協商、爭論、幫助和關心， 產生心理上對學習共同體的認同感、自我價值感和持續學習的動力. 教師和學生組成的學習共同體互教互學， 共同建構實驗知識體系的過程也就是虛擬實驗深度學習的過程. 比如在虛擬實驗的開始， 教師可組織學生分小組討論一個實際問題， 營造圍繞問題解決的學習氛圍. 在解決問題的過程中， 讓學生自主交流、協作研究、整合觀點、批判和重建知識結構. 在學習共同體有目的的探究過程中， 會對過程中獲得的信息進行整合和審視， 運用新舊知識生成創造性的群體智慧成果. 在實驗教學過程中， 交流對話對意義建構起到了至關重要的作用.

3 創設具有真實性的疑難情境， 引導學生情感和行為的高投入

傳統實驗教學受制于實驗成本高、設備少和耗時長等諸多問題， 很難實現與時俱進的實驗室建設， 導致實驗教學內容和手段存在滯后性和陳舊性. 與傳統實驗相比， 虛擬實驗最大的優勢是使用虛擬仿真的技術， 構建了一個包含情境化學習資源的可及時更新的智慧化學習環境. 在虛擬實驗教學中， 設計者可根據想象任意創設“感知環境”， 也就是沉浸式的學習情境， 使得學習時間和空間不再局限于學校的實驗室. 從而使學生獲得更加真實， 同步于學科發展的學習情境. 虛擬實驗實現的不只是及時更新實驗資源， 更是實現了學習情境的優化， 將學習放在可看、可聽、可操作的學習環境中， 這種教學方法符合情景認知理論. 杜威認為： “思維發生在仍在進行之中、還未完成的情境中. 也就是說， 思維是在事物還不確定或者還很可疑、還有問題的時候發生的”[9]. 同樣地， 建構主義學習理論也強調了情境、協作、對話和意義建構這四大要素在學習中的重要性. 由此可見， 深度學習是在情境中獲得的， 認知具有情境性， 疑難情境是開始探究的第一步. 學習者不能置身于情境之外去客觀地觀察事物， 而只能置身于情境之中.

學習從本質上講是學習者自身經驗與情境的交互， 是學習者對疑難情境做出的回應. 深度學習強調把所學習的內容從某一情境遷移至另一情境的過程， 提高學生工作和生活中需要的能力. 虛擬實驗教學可以通過虛擬仿真創設多樣化的、與所學內容相聯系的事件或場景， 讓學生在多樣化的情境中多次遷移運用所學知識. 虛擬實驗中創設的疑難情境應與真實應用情境密切關聯， 體現知識發生的過程、應用的條件， 或者所學內容在真實生活中的意義和價值， 其最大的作用在于將實驗教學知識情景化、問題化和具象化. 教師可以設置與學習情境相對應的以問題為核心的學習任務， 再交由學生自主完成. 在學生進入具備真實感的情境之中后， 師生可進一步共同建構情境， 過渡到另一種適合于學生個性化學習的生成性情境. 在生成性情境中， 學生自主實踐和操作， 自覺控制學習過程， 并在學習環境的影響下提出問題， 并進行假設， 分析并解決更接近于真實世界的非良構問題， 建立具象化的認知.

虛擬實驗是一種具身性學習， 具身性學習不是獨立于環境的， 而是學生的認知和身體與學習環境相互作用產生的. 在虛擬實驗中， 學生的認知和環境的相互作用體現在： 虛擬實驗中的疑難情境賦予學生沉浸式的極具真實感的學習體驗， 使學生體會到實驗應用于實際生活的價值， 幫助學生建構所學知識的意義. 同時， 在具有真實感的學習情境中解決非良構問題， 可以獲得成就感， 增加自我價值感， 從情感上增加學習的主動性. 如果說學生本身的求知欲是內在動力， 那么創設真實有趣的學習情境就是學習環境對學生的外在激勵， 有助于激活學生的具身效應， 促使學生全身心投入到實驗學習和相關學科的理論學習. 總之， 具有真實性的疑難情境作為外在學習環境， 能夠調動內在的動機， 有利于學習情感和行為的高投入， 為學生創建了適宜深度學習的學習環境.

4 構建具有多樣性的評價體系， 多維度調控學習過程

一個完善的客觀的評價體系是虛擬實驗深度教學質量保障的關鍵環節， 不僅能科學地評判學生深度學習能力增長與否， 也能促進教育者對深度學習目標的不斷反思， 對虛擬實驗深度教學起到調控的作用. 實際虛擬實驗教學中， 對學生的深度學習評估存在兩個難點： 一是實驗教學由發現問題、分析問題等多個環節組成， 虛實結合、探究學習等多種形式并存， 能力的提高存在著多種因素共同作用， 及時、精準的評估難以實現； 二是深度學習的評價沒有統一的標準， 深度學習的評判標準可以包括“學習內容的全面性、學生時間與精力投入的比例、學習過程的狀態、學業成績與學生發展”等多個維度[10]. 目前虛擬實驗教學對學生的考核方式單一， 考核中教師的主觀性較大， 缺乏科學的依據和統一的標準. 有一些虛擬實驗課程采取了和傳統實驗課程相同的考核方法， 完全以期末成績或者實驗報告作為最終的評估手段， 造成了評價的單一性. 這樣的考核方式不僅不能準確、全面地獲知學生的學習效果， 同時會造成學生不重視平時的學習， 考前填鴨式背誦， 無法促進學生高階能力培養. 為兼顧學生的全面發展， 導向深度學習的虛擬實驗教學評價體系不可或缺. 除了學習知識的結果， 學生的參與度和學習的方式也應是考評的內容.

深度學習的目標是知識理解的持久性， 以及學生在真實情境中利用所學知識解決問題的能力， 這些知識和能力很難用傳統的紙筆測驗來檢測. 研究表明， 目前深度學習的評價主要是以問卷形式來調查學生的學習情況， 76.47%的實證文獻使用了問卷調查法， 主要分析學生深度學習方法及能力的相關數據[11]. 雖然此評價結果較為主觀， 具體效度有待考察. 但問卷形式的優勢在于讓學生采用自我評價和生生互評的方式參與到評價過程中. 除此以外， 還有其他的深度學習考核方式. 比如通過書面測試、訪談、觀察、表現性的評價活動等形式， 對學生問題解決情況、學習參與情況、自主探究能力、溝通合作能力、實踐技能等進行考察[11]. 其中， 表現性評價尤其適合應用于虛擬實驗， 因為表現形式評價要求學生展示、演示和創造等， 在真實情境中運用所學知識解決實際問題， 要求的是建構式的反映而不僅僅是簡單的選擇和記憶， 這與深度學習所要求的建構性的知識和能力一致. 因此， 表現性評價符合教學目標、實施及測評的一致性建構原則.

在表現形式評價中， 學習者會被要求在模擬的學習工作情景中完成工作任務. 在評價過程中， 學生能夠通過評分標準深刻理解本次虛擬實驗的學習目標， 理解到解決這類問題需要掌握哪些方面的綜合能力， 從而進行自我主導的有意識的反思學習. 相較于傳統紙筆測驗中孤立的、良構的問題， 表現性評價中學生解決的問題是結合真實情境并需要高階思維能力的非良構問題， 更契合深度學習的學習目標. 值得注意的是， 學生的行為和情感投入， 也是評價學習表現的重要因素. 一種更為客觀的評價方式通過眼球追蹤來分析學生的認知投入， 這是一種利用信息技術創新的深度學習評價方式， 這種測量方法對技術要求較高， 在虛擬實驗中的運用有很大潛力. 區別于主要運用實驗報告和知識考試的傳統實驗評價， 導向深度學習的各類評價形式更具有自主性、表現性和全面性.

從內容上看， 導向深度學習的評價內容不僅要采集過程數據， 幫助教師了解學生的學習過程， 也要向學生提出反饋， 及時提醒學生反思和調節， 引導學生提升元認知的能力. 元認知是自我監控和自我調節， 是對認知的認知[12]. 元認知對于學生是否能夠進行深度學習有著至關重要的輔助作用. 尤其是學生操作中的持續性反饋， 不僅可以引導學生監控和反思自身學習過程， 也能作為“腳手架”支持學生進行問題解決. 學生通過反思自身在學習共同體中的表現、自身的學習過程和學習共同體的學習進程， 可以及時發現認知過程的問題， 改善學習和思維的方式. 學習者對自身學習情況的反思， 不僅能夠提升學習效能， 更能夠促進元認知能力的提升.

持續性評價為學生提供反饋， 也在課后為虛擬實驗的改進功能提供數據. 美國卓越教育聯盟提出深度教學需要對學生持續的反饋[13]， 我國“深度學習”教學改進項目也主張對學生進行持續性的評價. 《深化新時代教育評價改革總體方案》[14]提出要“改進結果評價， 強化過程評價， 探索增值評價， 健全綜合評價”. 基于數據持續性的過程性評價在虛擬實驗教學中不可或缺， 它可以讓教師及時掌握學習進度， 及時調整實驗節奏. 及時診斷學生的能力. 通過過程性評價， 教師能夠關注到學生的學習思維、態度、情感和方法， 了解到學生對知識與技能的掌握， 及時對學生較為薄弱的環節提供幫助和指導. 比如建立每個學生的數字化成長檔案， 通過分析測試成績、參與討論的情況、實驗結果和生生互評等記錄， 對學生薄弱的知識能力重點培養， 鼓勵學生的探索和創新. 同時， 過程性評價作為實驗教學的一部分， 能夠在過程中促進個性化的學習情境和學習任務的形成， 提升了實驗教學的創新性和挑戰性， 從而提高學生學習效能感和課中討論和實踐的積極性.

虛擬實驗教學需要結合學習目標構建多樣化、全面、及時的評價體系. 首先， 評價方式多樣化， 結合多種評價方式監督指導學習個體和學習共同體的學習； 其次， 評價內容和主體多樣化， 對學生的學習能力發展和所學知識全面地考察， 以此為指導， 降低無效教學； 最后， 綜合運用過程性評價和總結性評價， 及時、精準地對學生的學習過程進行反饋， 調控學習過程， 促進學生元認知的發展， 實現“以評促教， 以評促學”. 精準的虛擬實驗評價可以評測教學效果、發現課程實施中的問題， 并進行改進和模式再設計， 形成一個促進虛擬實驗深度教學的閉環， 引導虛擬實驗的發展方向. 在實際的虛擬實驗中， 還應根據深度學習評價理論體系， 調整各項評價標準的權重， 實現對學生全面、精準的學習評價.

5 結論

虛擬實驗在教學中是一種促進認知和思維改變的工具， 作為高等教育信息化的重要環節， 有助于實現深度學習的要求. 本研究借助學理分析探索了虛擬實驗的深度學習實踐改革路徑， 將關鍵教學要素進行優化和組合， 對實現深度學習目標導向的虛擬實驗教學變革有積極、有效的指導作用. 教師設立以問題為核心的學習內容， 建立真實情境助力以學生為主體性的協同式教學方式和數字化的多維評價體系， 將利于深度學習智慧教育模式的實施. 虛擬實驗教育的改革是一個漫長的過程， 如何根據實際情況進行個性化教學設計， 仍需要進一步探索深度學習教學模式， 開展更多實證研究.