虛擬實驗深度學習研究

收稿日期：2023-06-20" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 修回日期：2023-07-06

作者簡介：周小燕，女，講師，博士研究生，研究方向為科學教育。

基金項目：2022年廣東省教育廳線上線下一流課程“‘STEM教育與創(chuàng)客教育’”（粵教高函〔2022〕33號）；2020年廣東省高等教育教學改革項目“基于雨課堂的科學實驗深度教學研究和改革實踐”（粵教高函〔2020〕20號）；2023年嶺南師范學院筑峰計劃專項項目資助“小學科學教師跨學科素養(yǎng)現(xiàn)狀與提升路徑研究”（嶺南師范學院基研院〔2023〕4號）；

2022年嶺南師范學院基礎教育改革項目“湛江市小學科學實驗教學現(xiàn)狀研究”（嶺南師范學院教務〔2022〕128號）

摘" " 要：虛擬實驗是一種新興的教學工具。其沉浸性、交互性，以及可跨時空創(chuàng)設情境的優(yōu)點使其在教學過程中被廣泛應用。實踐研究表明，在主題探究、任務驅(qū)動、合作交流和虛擬實驗平臺為“腳手架”的深度教學情境下，學習者經(jīng)歷了積極主動、交流互動、概念理解、反思調(diào)控和積極情感體驗等深度學習體驗過程；學習者的反思內(nèi)容體現(xiàn)了知識整合、問題解決、判斷分析、反思改進和遷移應用等深層學習認知過程。

關鍵詞：虛擬實驗；深度學習；反思文本；內(nèi)容分析法

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1002-4107（2024）03-0025-04

一、引言

隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，虛擬實驗作為一種新興的教學工具，在教學過程中的應用越來越廣泛。通過虛擬實驗操作，不僅可以使學生重現(xiàn)傳統(tǒng)實驗，還可以對實驗條件進行多次調(diào)整，實現(xiàn)多次實驗，同時，虛擬實驗的沉浸性、交互性和可跨時空創(chuàng)設情境的優(yōu)點，可以將學科理論教學和實踐過程深入地融合。虛擬實驗可以通過增強實驗現(xiàn)象、提供“腳手架”等精細化教學交互設計，促進學生理解復雜概念，達到深度學習。然而，關于學生在虛擬實驗深度學習過程中具有哪些特征，已有的研究中并沒有給出明確答案。因此，文章基于深度學習的視角，采用反思文本分析法挖掘?qū)W生在虛擬實驗學習過程中的元認知能力，為虛擬實驗教學提供啟示。

二、虛擬實驗深度學習模型

深度學習是一種生成過程，其要求學生積極地理解新信息，包括激活與新信息相關的現(xiàn)有知識、識別現(xiàn)有知識和新信息之間的差距，以及將新信息與現(xiàn)有知識整合成一個連貫的系統(tǒng)等。生成過程需要學生通過探索和實踐不斷更新認知結(jié)構(gòu)，并逐漸形成更深層次的理解。張浩等人認為，深度學習是在合作探究學習環(huán)境中，學習主體主動建構(gòu)個人知識體系并遷移應用到合作探究學習環(huán)境中，最終促進深度學習目標的達成[1]。課堂中，深度學習是如何發(fā)生的呢？郭華認為，課堂中學生發(fā)生深度學習需要教師做好以下幾項工作。第一，具有清晰明確的教學目標，并根據(jù)教學目標準備符合學生學習特點的結(jié)構(gòu)化材料；第二，要有合理完整的教學環(huán)節(jié)，教學任務需要按照計劃有目的地完成；第三，營造安全、平等、合作、互動的學習氛圍；第四，要有即時評價，同時根據(jù)教學反饋信息對教學環(huán)節(jié)及活動做出相應調(diào)整[2]。李洪修等人構(gòu)建了虛擬環(huán)境下的深度學習模型，并從深度學習的準備、知識遷移與建構(gòu)和深度學習評價3個階段闡述了虛擬環(huán)境下深度學習模型的運行機制[3]。茹婷婷等人將虛擬實驗微課程融入實驗教學實踐發(fā)現(xiàn)，此模式可以促進學生深度學習[4]。周小燕基于B.布魯姆（B. Bloom）的教育目標分類理論，在實驗研究課程中融入物理實驗推文來激發(fā)學生參與實驗學習的積極性，促進學生深度學習[5]。吳秀娟等人構(gòu)建了基于反思的深度學習過程模型，認為學習者的反思貫穿整個學習過程，可通過對學習過程及結(jié)果的調(diào)控來促進問題解決，而反思作為一種重要的高階思維能力可以促進深度學習[6]。

B.布魯姆的教育目標分類理論認為，學習者獲得知識的過程要經(jīng)歷記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造這種由低至高的6個層次的認知過程。這與深度學習中學習者的認知發(fā)展過程基本一致。基于此，本研究構(gòu)建了基于反思的虛擬實驗深度學習模型（圖1）。

三、研究實施過程

本研究中的虛擬實驗深度學習過程是由教師根據(jù)教學目標，選擇虛擬實驗探究主題。學生了解虛擬實驗的原理、任務和目標；教師講授虛擬實驗平臺的操作方法；學生通過小組合作探究，并進行虛擬實驗交流、虛擬實驗教學實踐、虛擬實驗創(chuàng)新設計等。虛擬實驗的每個環(huán)節(jié)，教師都會引導學生分析、反思，整個過程循環(huán)迭代。最后，教師要求每個學生根據(jù)學習過程寫一份反思文本。

學生的學習反思文本最能體現(xiàn)個人的真實思維發(fā)展過程，是深度學習的一個很關鍵的環(huán)節(jié)。卜彩麗等人研究發(fā)現(xiàn)，學生的學習反思日記可以有效促進學生元認知能力的發(fā)展，撰寫反思日記可作為提升學生元認知能力的重要策略[7]。綜上所述，學生的反思文本可以體現(xiàn)深度學習過程，是學生元認知能力發(fā)展最有力的依據(jù)，因此，教師通過分析學生的學習反思文本，可以挖掘?qū)W生參與深度學習的過程。

四、研究樣本和分析方法

本研究以GD省LN高等師范院校科學教育專業(yè)大三年級46名學生為研究對象，對“數(shù)字化科學實驗研究”課程的反思文本進行調(diào)查研究。作為課程考查的一部分，反思文本內(nèi)容包括：對虛擬實驗學習的真實感受、收獲、體會和想法；虛擬實驗探究過程中遇到的問題、解決方法、是否得到收獲；實驗設計如何創(chuàng)新、遷移等。

本研究主要采用內(nèi)容分析法，并利用分析工具對反思文本進行編碼歸類與分析，具體操作步驟為：將個人反思文本批量導入 NVivo 12 Plus（專業(yè)級的質(zhì)性數(shù)據(jù)分析和編碼）軟件中；反復閱讀反思文本，根據(jù)內(nèi)容分析編碼表建立各個節(jié)點，完成節(jié)點編碼。同時，為了避免主觀因素對研究結(jié)論產(chǎn)生爭議，邀請兩位研究助理對此進行編碼，結(jié)合對比發(fā)現(xiàn)，三者的編碼結(jié)果一致，說明本研究內(nèi)容分析有較高一致性信度。

五、反思文本內(nèi)容分析

（一）深度學習體驗分析

從課堂教學角度來看，深度學習就是學生在教師的幫助下，依據(jù)某主題，全身心參與、體驗、獲得發(fā)展的有意義的學習過程。在淺層學習中，學生能注意到某種現(xiàn)象并在情感上做出簡單反應，其情感水平停留在較低的“接受、反應”層次。但在深度學習中，學生有著強烈的學習興趣、內(nèi)在的學習動機、積極的情感投入，能正確評估某種現(xiàn)象的價值，其情感水平處于較高的“價值評價、組織、價值體系個性化”層次。基于此，深度學習體驗應該包括主動學習，師生、生生之間保持有效互動，學習材料、時間和空間得到充分保障，學生對知識形成真正的理解，學生的自我監(jiān)控和反思能力得到培養(yǎng)，學生獲得積極的情感體驗等內(nèi)容。本研究基于以上理論，分析反思文本中的深度學習體驗（表1），分析單元為一份文本。

通過反思文本分析（圖2），有91.30%的學生認為“能夠在虛擬實驗學習過程中進行主動學習”，在反思文本中出現(xiàn)了“自主”“自覺”等詞，體現(xiàn)了學生能夠積極主動地參與到虛擬實驗學習中去；89.13%的學生認為“虛擬實驗學習過程中有很多師生、生生互動，可以向老師詢問、跟組員一起交流”等；有80.43%的學生認為“這種虛擬學習材料能夠得到充分保障”，這也體現(xiàn)了虛擬實驗教學方式能夠提供豐富的教學資源；有84.78%的學生認為“虛擬實驗深度學習過程可以幫助我們理解知識，虛擬實驗通過反復做，實驗中的物理知識就能深刻理解”；有82.60%的學生認為在虛擬學習過程中他們有很好的自我監(jiān)控和反思能力，“一開始實驗達不到目標要求，原因是虛擬砝碼質(zhì)量沒有選擇對，要搞明白實驗原理和步驟，實驗才會比較順利”；有86.95%的學生認為在虛擬實驗學習中獲得了積極的情感體驗，“這種虛擬學習很有意思，不用擔心實驗不成功又要重復做，不用擔心器材不足，很有趣，像是在玩游戲，很治愈”。綜上可知，反思文本體現(xiàn)了學生在虛擬實驗學習過程中能夠主動參與，獲得了比較積極的情感體驗，真正理解了知識，在學習過程中提升了自我監(jiān)控和反思能力，學習過程中有較多的師生和生生互動，這些都從側(cè)面反映了學生在虛擬實驗學習環(huán)節(jié)達到了深度的學習體驗。

（二）反思文本認知過程分析

B.布魯姆的教育目標分類理論認為，學習者個體獲得知識的過程要經(jīng)歷記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造這種由低至高的6個層次的認知過程，其中，深度學習是一種以高水平思維為核心特征的高階學習，要求學習者運用分析、綜合、評價、創(chuàng)造等高階認知技能來開展學習活動。因此，反思文本中可以體現(xiàn)認知過程（表2）。本研究基于以上理論分析反思文本中的認知過程，以一份分析反思文本為一個分析單元，以出現(xiàn)的相關的認知過程細目語言為準。

通過反思文本認知過程分析（圖3），記憶類的文本占比為11.25%，明確實驗要求的接受類的文本占比為9.84%，說明學生在概念識記、現(xiàn)象描述、實驗結(jié)果、接受和明確任務等淺層學習上的文本占比為21.09%；整合多元信息資源以解決問題的文本占比為12.18%，表明學生有意識地對問題及信息資源進行剖析、分辨，以更好地組織和補充知識網(wǎng)絡；關于問題解決的描述類的文本占比為15.09%，表明學生在虛擬實驗過程中描述、分析問題，并提出多種解決的方法；關于分析判斷的文本占比為17.21%，表明學生在遇到問題或困難時能夠理性分析，并充分利用身邊的資源，找到合適的問題解決方案；關于反思改進的文本占比為15.74%，表明學生對探究活動的有關知識內(nèi)容和涉及的實驗進行了深入的思考，客觀地對其內(nèi)容進行批判，并針對不足，結(jié)合資料提出改進創(chuàng)新方法，充分體現(xiàn)了學生的學習積極性和求知的渴望，并表現(xiàn)出學生的深度學習能力正在不斷發(fā)展中；關于跨情景遷移的文本占比為18.69%，表明學生對知識的理解、對問題與困難的看法、對探究過程與實驗內(nèi)容等的反思已不再局限于表面，而是能夠主動進行多方面遷移、多層次的深度學習。

六、研究結(jié)論

經(jīng)過對一個學期的虛擬實驗學習課程中46篇課程反思文本的分析，圍繞研究問題，本研究的結(jié)論如下。

第一，關于深度學習體驗，有91.30%的學生認為“能夠主動參與學習”；有89.13%的學生認為“跟老師、跟同學、跟組員有交流和互動”；有80.43%的學生認為“虛擬實驗學習可以確保學習材料，不擔心實驗器材損耗”；有

84.78%的學生認為“虛擬實驗學習幫助其理解科學概念，通過反復虛擬演示，幫助其理解實驗中的概念”；有82.60%的學生認為“在學習過程中，其自我監(jiān)控和反思能力得到了提升”；有86.95%的學生認為“虛擬實驗學習讓他們獲得了比較積極的情感體驗，能積極主動地、批判性地整合新知識，將理解知識用于解決問題和遷移到新情境中”。

第二，關于認知過程，有11.25%的文本是關于記憶認知的，其中主要的是關于概念或?qū)嶒灛F(xiàn)象描述的，有9.84%的文本是描述接受，主要是明確實驗活動的要求，而在B.布魯姆的教育目標分類理論中，記憶和接受屬于淺層學習過程，可見，學生在本研究的虛擬學習過程中，共有21.09%的反思文本是描述了他們的淺層學習。關于整合資源以解決問題的文本占比為12.18%，表明學生在虛擬實驗學習中有意識地對多種資源進行剖析、分辨和整合用于解決學習中遇到的問題。有15.09%的文本是描述問題解決，即描述對問題的分析，對問題方法的比較和選擇等認知過程。關于分析判斷的文本占比為17.21%，顯示學生在遇到問題或困難時，能夠理性分析、邏輯推理，并充分利用身邊的資源，通過與同伴合作找到合適的問題解決方案。關于遷移應用和反思改進的文本占比為34.43%，表明學生對知識的理解、對問題與困難的看法、對探究過程與實驗內(nèi)容等的反思已不再局限于表面，而是能夠主動進行多方面遷移、多層次的深度學習。

七、結(jié)束語

虛擬實驗作為一種新興的教學工具，其沉浸性、交互性和可跨時空創(chuàng)設情境等的優(yōu)點使其在教學過程中被廣泛應用。只要教學設計科學合理，學生在虛擬實驗學習過程中就可以達成較好的深度學習目標。本實踐研究表明，在主題探究、任務驅(qū)動、合作交流、虛擬實驗的深度教學設計情境下，學生經(jīng)歷了積極主動、交流互動、概念理解、反思調(diào)控等深度學習體驗過程。在學生的反思文本語言描述中，大部分內(nèi)容是關于整合、問題解決、判斷分析、反思改進、遷移應用等深層學習認知過程，這也反映了在虛擬實驗探究過程中學生經(jīng)歷了深度學習。

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促進大學生元認知發(fā)展的實證研究[J].現(xiàn)代教育技

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■ 編輯∕丁俊玲