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，學習者經歷了積極主動、交流互動、概念理解、反思調控和積極情感體驗等深度學習體驗過程；學習者的反思內容體現(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學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構，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構化材料；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)及活動做出相應調整[2]。李洪修等人構建了虛擬環(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果的調控來促進問題解決，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?；诖?，本研究構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，可以挖掘學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查研究。作為課程考查的一部分，反思文本內容包括：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論產生爭議，邀請兩位研究助理對此進行編碼，結合對比發(fā)現(xiàn)，三者的編碼結果一致，說明本研究內容分析有較高一致性信度。

五、反思文本內容分析

（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?；诖?，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容和涉及的實驗進行了深入的思考，客觀地對其內容進行批判，并針對不足，結合資料提出改進創(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、研究結論

經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實驗現(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、任務驅動、合作交流、虛擬實驗的深度教學設計情境下，學生經歷了積極主動、交流互動、概念理解、反思調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歷了深度學習。

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■ 編輯∕丁俊玲