虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)：內(nèi)涵、價(jià)值與實(shí)施框架

摘要：虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)作為一種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與科學(xué)探究活動(dòng)有效融合的新型學(xué)習(xí)形式，在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者科學(xué)素養(yǎng)方面具有重要作用。但目前缺乏對(duì)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的概念、價(jià)值和實(shí)施方式等問題的深入探索和準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，這阻礙了其在實(shí)踐中的有效應(yīng)用和價(jià)值發(fā)揮。虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的本質(zhì)是以學(xué)習(xí)者的自主探究實(shí)踐為中心，通過(guò)創(chuàng)設(shè)虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，設(shè)計(jì)探究性的學(xué)習(xí)活動(dòng)，提供適應(yīng)性的過(guò)程支持等，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的科學(xué)觀察具象化、探究過(guò)程有序性、知識(shí)獲取整合性和能力發(fā)展遷移性。設(shè)計(jì)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，應(yīng)堅(jiān)持以探究式教學(xué)理念為引領(lǐng)、以交互式學(xué)習(xí)環(huán)境為支撐、以過(guò)程性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)為助力、以智能化學(xué)習(xí)干預(yù)為保障的設(shè)計(jì)原則，構(gòu)建以數(shù)智技術(shù)為底座，融合環(huán)境、活動(dòng)和過(guò)程要素，支持學(xué)習(xí)者開展虛擬環(huán)境下交互式科學(xué)探究活動(dòng)的實(shí)施框架，實(shí)現(xiàn)科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。未來(lái)研究應(yīng)在強(qiáng)基固本、育人為先、精準(zhǔn)賦能和人機(jī)協(xié)同等方面加強(qiáng)理論和實(shí)踐探索，為我國(guó)高質(zhì)量虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的有效開展提供有益參考。

關(guān)鍵詞：虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)；科學(xué)教育；核心特征；設(shè)計(jì)原則；實(shí)施框架

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-5195（2024）05-0016-09 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2024.05.002

基金項(xiàng)目： 2023年度國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下科學(xué)探究過(guò)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)與適應(yīng)性反饋研究” （62377005）；2023年度教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金“智能技術(shù)賦能虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過(guò)程性評(píng)價(jià)與動(dòng)態(tài)支持研究”（23YJA880086）。

作者簡(jiǎn)介：鄭婭峰，博士，研究員，北京師范大學(xué)（珠海校區(qū)）教育科技中心（廣東珠海 519087）。

一、引言

讓學(xué)習(xí)者參與科學(xué)探究學(xué)習(xí)是當(dāng)前全球科學(xué)教育改革的核心內(nèi)容（Schwartz et al.，2021），也是我國(guó)落實(shí)科學(xué)課程新標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵舉措。科學(xué)探究學(xué)習(xí)是指讓學(xué)習(xí)者以科學(xué)家認(rèn)識(shí)世界的方式發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題、了解科學(xué)現(xiàn)象、掌握科學(xué)方法、形成科學(xué)觀念、發(fā)展科學(xué)思維（Ｍarshall et al.，2017）。國(guó)際上已有多個(gè)國(guó)家將科學(xué)探究學(xué)習(xí)確定為推動(dòng)K-12階段科學(xué)教育改革的核心舉措（Pruitt，2014）。近年來(lái)，隨著科技的快速發(fā)展，越來(lái)越多的教育研究者提倡利用可視化仿真、3D建模等技術(shù)幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)復(fù)雜的科學(xué)知識(shí)，逐步形成了虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)這一新的研究領(lǐng)域（Wen et al.，2020）。

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)不僅有助于改善傳統(tǒng)教室或?qū)嶒?yàn)室場(chǎng)景中科學(xué)探究學(xué)習(xí)面臨的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、資金耗材較高、教師指導(dǎo)費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題（Aditomo et al.，2020），還能夠?qū)o(wú)法大規(guī)模實(shí)施的科學(xué)實(shí)驗(yàn)或難以直接觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等直觀生動(dòng)地呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，幫助其理解科學(xué)現(xiàn)象（陳錢錢等，2018）。基于這些優(yōu)勢(shì)，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用到國(guó)際科學(xué)教育研究與實(shí)踐當(dāng)中，成為推動(dòng)科學(xué)教育高質(zhì)量發(fā)展的有效途徑（Zheng et al.，2024）。然而，由于國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的概念、價(jià)值和實(shí)施方式等缺乏系統(tǒng)梳理和深入探討，導(dǎo)致教育實(shí)施者在面對(duì)技術(shù)支持下形式多樣的科學(xué)探究活動(dòng)時(shí)，難以有效把握其教育本質(zhì)和實(shí)施方法。其實(shí)踐表現(xiàn)為，我國(guó)雖然近幾年在虛擬科學(xué)探究資源建設(shè)方面不斷發(fā)力，但基于數(shù)字化虛擬資源的探究學(xué)習(xí)方法和實(shí)踐應(yīng)用仍處于起步階段。自2018年起，我國(guó)教育部以立項(xiàng)的形式確立了約4000個(gè)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，教育部教育技術(shù)與資源發(fā)展中心（中央電化教育館）也推出了涵蓋3000余個(gè)實(shí)驗(yàn)資源的中小學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)。然而，當(dāng)前基于虛擬資源的科學(xué)探究教學(xué)仍舊停留于簡(jiǎn)單觀看、重復(fù)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械性操作等淺層應(yīng)用，未能在科學(xué)概念深度理解、探究技能提升、高階科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)等方面發(fā)揮應(yīng)有的作用。

為此，本文梳理了國(guó)際虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的發(fā)展歷程，對(duì)其概念內(nèi)涵和核心特征進(jìn)行了界定，明確了虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)在科學(xué)觀察具象化、探究過(guò)程有序性、知識(shí)獲取整合性和能力發(fā)展遷移性四大方面的價(jià)值。同時(shí)，本文為更進(jìn)一步促進(jìn)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)在實(shí)踐中的具體應(yīng)用，一是構(gòu)建了“環(huán)境—活動(dòng)—評(píng)價(jià)—干預(yù)”一體化的虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)原則；二是以數(shù)智技術(shù)為底座，融合環(huán)境、活動(dòng)和過(guò)程要素，支持學(xué)習(xí)者開展交互式科學(xué)探索活動(dòng)的實(shí)施框架，以期為我國(guó)高質(zhì)量虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的有效開展提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐方向指引。

二、虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的內(nèi)涵與特征

1.概念的緣起與發(fā)展

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的概念經(jīng)歷了逐步發(fā)展和演化的過(guò)程，其核心概念探究性學(xué)習(xí)（Inquiry-Based Learning，IBL）來(lái)源于約翰·杜威（John Dewey）的教育哲學(xué)。該哲學(xué)強(qiáng)調(diào)了問題解決過(guò)程和批判性思維的重要性。1961年，美國(guó)芝加哥大學(xué)教授約瑟夫·施瓦布（Joseph J. Schwab）在哈佛大學(xué)作了《作為探究的科學(xué)教學(xué)》（Teaching of Science of Enquiry）的報(bào)告，標(biāo)志著探究學(xué)習(xí)在科學(xué)教育領(lǐng)域被正式提出和倡導(dǎo)。科學(xué)探究學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者主動(dòng)參與，通過(guò)提出問題、猜想與假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施、數(shù)據(jù)收集與分析、推理論證和表達(dá)交流等活動(dòng)，學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)、發(fā)展科學(xué)態(tài)度與精神、提升對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。這一以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)方式，迅速得到了國(guó)際科學(xué)教育領(lǐng)域的認(rèn)可，并在隨后的教育改革中得到了推廣和應(yīng)用。

20世紀(jì)80、90年代，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)教育領(lǐng)域開始出現(xiàn)基于仿真的實(shí)驗(yàn)軟件和虛擬實(shí)驗(yàn)室（Smetana et al.，2012）。De Jong等（2013）在《科學(xué)》（Science）期刊上撰文稱，與物理實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境能夠通過(guò)突出重要信息、刪除令人困惑的細(xì)節(jié)、簡(jiǎn)化模型特征等，使復(fù)雜科學(xué)現(xiàn)象的理解和解釋更為容易。此外，這些軟件和虛擬實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)者提供了一種安全、經(jīng)濟(jì)和便捷的方式，拓展了科學(xué)探究學(xué)習(xí)的邊界和適用性。但該階段虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用主要解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后或不足的問題，少有與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)有效整合的探索。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，伴隨互聯(lián)網(wǎng)、可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D仿真等技術(shù)的發(fā)展及其與教學(xué)過(guò)程的深度融合，WISE、PhET、Model-It、Inq-ITS等國(guó)際著名虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、工具和系統(tǒng)等逐漸被廣泛應(yīng)用在探究性科學(xué)教育活動(dòng)中，成為課堂科學(xué)學(xué)習(xí)的重要補(bǔ)充。由于虛擬仿真設(shè)備和技術(shù)資源的差異，基于網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)探究（Cui et al.，2022）、基于仿真的科學(xué)探究（Huang et al.，2017）、基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)探究（Faour et al.，2018）、虛擬現(xiàn)實(shí)（Wu et al.，2021）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)支持的科學(xué)探究（Lin et al.，2022）等同質(zhì)不同名的學(xué)術(shù)概念在研究中使用開來(lái)。與傳統(tǒng)探究學(xué)習(xí)相比，這些研究都詳細(xì)闡述了在不同技術(shù)環(huán)境下基于各種腳手架支持的探究學(xué)習(xí)效果，但還未形成統(tǒng)一的概念界定。

盡管當(dāng)前因?yàn)榧夹g(shù)資源差異而導(dǎo)致的虛擬科學(xué)的探究學(xué)習(xí)領(lǐng)域概念不一，但其教學(xué)本質(zhì)具有顯著的共同性特征。即，無(wú)論以哪種虛擬資源或環(huán)境支持探究學(xué)習(xí)過(guò)程，其本質(zhì)都是以學(xué)習(xí)者為主體，借助虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的技術(shù)資源開展基于人機(jī)交互和人際交互的探究活動(dòng)，目的都是促進(jìn)學(xué)習(xí)者自主知識(shí)建構(gòu)的達(dá)成。這一過(guò)程涉及學(xué)習(xí)者概念理解、技能習(xí)得、社會(huì)交互、情感投入等要素，這些要素持續(xù)作用于學(xué)習(xí)者與虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的互動(dòng)和反饋過(guò)程，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)習(xí)者科學(xué)素養(yǎng)的深度發(fā)展。虛擬實(shí)驗(yàn)資源只有與科學(xué)探究活動(dòng)有效整合，才能發(fā)揮資源、環(huán)境與學(xué)習(xí)活動(dòng)的融合優(yōu)勢(shì)，更好地達(dá)成科學(xué)教育的核心目標(biāo)。

因此，本文以“虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)”概念來(lái)界定虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與科學(xué)探究活動(dòng)有效融合的新型學(xué)習(xí)形式，其以學(xué)習(xí)者的自主探究實(shí)踐為中心，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的支撐下，支持學(xué)習(xí)者開展設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、選擇儀器、調(diào)整變量、觀察記錄、推理論證等探究活動(dòng)。同時(shí)，其還融合了合作交流、反思評(píng)價(jià)等學(xué)習(xí)策略，是學(xué)習(xí)者形成科學(xué)觀念、發(fā)展科學(xué)思維、培育科學(xué)精神的重要學(xué)習(xí)方式。值得注意的是，這里的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境是指基于數(shù)字媒體、圖形建模、計(jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)構(gòu)建的本地或在線的交互式仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可支持學(xué)習(xí)者進(jìn)行鼠標(biāo)鍵盤等交互操作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察分析。

2.核心特征

與傳統(tǒng)基于物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究不同，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)在環(huán)境、活動(dòng)和過(guò)程上呈現(xiàn)出了自身的獨(dú)特之處，特別是在學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)、探究活動(dòng)設(shè)計(jì)和探究過(guò)程支持上具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以有效促進(jìn)學(xué)習(xí)者的知識(shí)建構(gòu)。

（1）虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)

以虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境為基礎(chǔ)的虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)，旨在為學(xué)習(xí)者提供探索、調(diào)查和理解復(fù)雜概念或現(xiàn)象的機(jī)會(huì)，支持以探究為基礎(chǔ)、以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)（Wang et al.，2021），其環(huán)境特征包括豐富性、靈活性、驗(yàn)證性和情境性四個(gè)方面。

豐富性是指與傳統(tǒng)以文本描述、圖片、音頻和視頻等單向信息傳遞的實(shí)驗(yàn)資源不同，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者可以利用2D/3D等多樣的交互式探究動(dòng)畫、建模工具、仿真軟件等多種數(shù)字化資源進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究，尋找與科學(xué)現(xiàn)象有關(guān)的變量，識(shí)別這些變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從虛擬探究學(xué)習(xí)環(huán)境中提取更微觀、更細(xì)致的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建更豐富的信息量和多樣性關(guān)系（Zhu et al.，2020），并且可以通過(guò)可視化的方法將抽象的科學(xué)概念具象化，來(lái)體驗(yàn)生活中不易觀察到的現(xiàn)象。

靈活性是指學(xué)習(xí)者在利用虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠在時(shí)間、進(jìn)度和復(fù)雜性方面自由調(diào)整。學(xué)習(xí)者可以按照自己的節(jié)奏探索模擬實(shí)驗(yàn)，還可以隨時(shí)改變實(shí)驗(yàn)條件，觀察動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并利用多次實(shí)驗(yàn)收集到的數(shù)據(jù)，歸納、總結(jié)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這一過(guò)程不僅能夠使學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)到科學(xué)知識(shí)，更有利于學(xué)習(xí)者的知識(shí)遷移和應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)習(xí)者積極參與問題解決過(guò)程，提升高階思維。

驗(yàn)證性是指學(xué)習(xí)者可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行精確控制和重復(fù)，從而確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境還能夠提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄和分析，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以被重復(fù)驗(yàn)證和復(fù)現(xiàn)，增強(qiáng)了科學(xué)探究的可信度和科學(xué)性。除此以外，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境還降低了傳統(tǒng)課堂中的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者得到有意義結(jié)論的能力（Chen et al.，2019）。

情境性體現(xiàn)在虛擬環(huán)境對(duì)真實(shí)世界問題的模擬和呈現(xiàn)上，其通常以現(xiàn)實(shí)生活中的科學(xué)問題為背景，模擬生成融合實(shí)驗(yàn)器材、過(guò)程及現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)模型，為學(xué)生提供貼近真實(shí)世界、沉浸式和可視化的科學(xué)探究環(huán)境。虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)通過(guò)可視化和動(dòng)態(tài)化的手段再現(xiàn)真實(shí)的科學(xué)場(chǎng)景，能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的沉浸感和參與度，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。除此以外，其還可通過(guò)對(duì)不同地域、社會(huì)背景等場(chǎng)景的仿真模擬，使學(xué)習(xí)者理解科學(xué)在不同環(huán)境中的應(yīng)用和影響，促進(jìn)學(xué)生將科學(xué)知識(shí)和探究技能向其他情境的遷移應(yīng)用（Charney et al.，2007）。

（2）探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)以虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)為依托，旨在促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)科學(xué)概念的理解和對(duì)科學(xué)本質(zhì)的掌握，并在此過(guò)程中幫助學(xué)習(xí)者提高科學(xué)探究能力（黃紅濤等，2018）。虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)包括學(xué)習(xí)者在科學(xué)探究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、收集證據(jù)、開展實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、評(píng)估進(jìn)展、總結(jié)反思等一系列活動(dòng)，具有要素的完整性、活動(dòng)的階段性和內(nèi)容的探究性三個(gè)特征。

要素的完整性是指在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)可以整合科學(xué)探究活動(dòng)理論所要求的必備要素。我國(guó)《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）》將以探究實(shí)踐為主要方式開展的教學(xué)活動(dòng)歸納為提出問題、作出假設(shè)、制定計(jì)劃、搜集證據(jù)、處理信息、得出結(jié)論、表達(dá)交流和反思評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)環(huán)境中，由于時(shí)空和設(shè)備的限制，這些要素往往難以在一個(gè)活動(dòng)中體現(xiàn)。而在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，借助自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集、智能化的過(guò)程支持和可視化的呈現(xiàn)方式，科學(xué)探究學(xué)習(xí)各個(gè)環(huán)節(jié)都可以便捷實(shí)施，保障了探究學(xué)習(xí)活動(dòng)的要素完整性。

活動(dòng)的階段性是指虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)并不是將各要素一次性呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，而是按照科學(xué)探究過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者分階段進(jìn)行不同活動(dòng)。典型的虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)階段包括提出問題、作出假設(shè)、實(shí)施觀察、得出結(jié)論和交流反思等階段。在不同的階段，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)環(huán)境將分別提供多媒體展示、交互探究操作、引導(dǎo)反饋等支持，幫助學(xué)習(xí)者更好地完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

內(nèi)容的探究性是指虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的活動(dòng)內(nèi)容需要滿足學(xué)習(xí)者在科學(xué)探究學(xué)習(xí)過(guò)程中多樣化的探究需求。利用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的可重復(fù)操作性，學(xué)習(xí)者可以通過(guò)多樣化的交互方式，按計(jì)劃執(zhí)行探究實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、理解或發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，驗(yàn)證研究結(jié)果與初始假設(shè)是否一致、向其他學(xué)習(xí)者或者老師表達(dá)他們的發(fā)現(xiàn)、傾聽其他人的發(fā)現(xiàn)和結(jié)論，反思調(diào)查的合理性，并進(jìn)行學(xué)習(xí)改進(jìn)等（Zacharia et al.，2015）。

（3）適應(yīng)性探究過(guò)程支持

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)獨(dú)特的環(huán)境特征和活動(dòng)設(shè)計(jì)，使虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)路徑較傳統(tǒng)科學(xué)探究學(xué)習(xí)更加多樣。同時(shí)，在數(shù)智技術(shù)的支持下，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)也表現(xiàn)出更強(qiáng)的支持力度與更好的可解釋性。

首先，相較于傳統(tǒng)科學(xué)探究學(xué)習(xí)，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以幫助學(xué)習(xí)者在探究學(xué)習(xí)過(guò)程中，根據(jù)需要在不同階段之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，自選學(xué)習(xí)路徑。這賦予學(xué)習(xí)者更大的學(xué)習(xí)自主性，能夠讓學(xué)習(xí)者在反復(fù)嘗試的過(guò)程中深入理解科學(xué)概念，提高科學(xué)探究能力。

其次，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)環(huán)境可以內(nèi)置儀表盤、信息呈現(xiàn)、過(guò)程提示、啟發(fā)式對(duì)話、安全預(yù)警等多樣的過(guò)程性支持工具，這些工具可以在虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)中為學(xué)習(xí)者提供過(guò)程指導(dǎo)支持、自我調(diào)節(jié)支持和自動(dòng)評(píng)價(jià)與反饋，促進(jìn)學(xué)習(xí)者有目的、有意識(shí)地參與探究活動(dòng)。

最后，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)習(xí)者的探究學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)可以被完整地記錄、回溯和分析。在此基礎(chǔ)上，教師及研究人員利用可解釋人工智能技術(shù)，可以對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行分析，探究學(xué)習(xí)者的科學(xué)概念、實(shí)驗(yàn)技能、探究能力和情感態(tài)度等的動(dòng)態(tài)演化趨勢(shì)；也可利用可視化技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，幫助學(xué)習(xí)者監(jiān)控學(xué)習(xí)過(guò)程、反思學(xué)習(xí)問題、優(yōu)化學(xué)習(xí)策略（Cavalcanti et al.，2021）。

三、虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的應(yīng)用價(jià)值

近年來(lái)，國(guó)際上越來(lái)越多的教育研究者提倡利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)幫助學(xué)習(xí)者完成復(fù)雜的科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)（Wen et al.，2020）。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究多以初步的應(yīng)用探索為主，關(guān)注如何基于虛擬技術(shù)和資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、彌補(bǔ)設(shè)備不足等基礎(chǔ)性問題，較少關(guān)注其在科學(xué)概念理解、探究技能發(fā)展、整合知識(shí)建構(gòu)等高階能力上的培養(yǎng)潛力。事實(shí)上，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)在科學(xué)觀察、探究過(guò)程、知識(shí)獲取、能力發(fā)展四個(gè)方面都有較大的應(yīng)用價(jià)值，其對(duì)科學(xué)教育發(fā)展起著重要的作用。

1.科學(xué)觀察：由“抽象”轉(zhuǎn)向“具象”，促進(jìn)學(xué)習(xí)者概念理解

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)為學(xué)習(xí)者提供了具象化的學(xué)習(xí)內(nèi)容、可交互操作的技術(shù)支持，能夠超越課堂中對(duì)概念的講解方式，幫助學(xué)習(xí)者通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境觀察科學(xué)概念的發(fā)生與演變過(guò)程，從而降低其在概念感知上的認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)概念的理解和深化。使用虛擬環(huán)境開展的科學(xué)探究學(xué)習(xí)，可以實(shí)現(xiàn)抽象科學(xué)概念的可視化，提升學(xué)習(xí)者對(duì)科學(xué)的興趣（Jaakkola et al.，2020），促進(jìn)其對(duì)科學(xué)概念、科學(xué)現(xiàn)象的理解（Olympiou et al.，2013）。同時(shí)，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)還能夠突破實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間和空間限制，將需要較長(zhǎng)周期才能觀察到的物質(zhì)變化過(guò)程在短期內(nèi)可視化呈現(xiàn)（Hallgren et al.，2016），從而提升對(duì)長(zhǎng)周期現(xiàn)象的具象化認(rèn)識(shí)。

2.探究過(guò)程：由“無(wú)序”轉(zhuǎn)向“有序”，強(qiáng)化學(xué)習(xí)者技能訓(xùn)練

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)將一系列探究活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)觀察、實(shí)驗(yàn)操作等進(jìn)行整合，使原有開放、無(wú)序的探究過(guò)程變得更明確和有序。從學(xué)習(xí)流程上看，學(xué)習(xí)者可以按照提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、反思交流等有序規(guī)范的科學(xué)探究流程展開學(xué)習(xí)。在此過(guò)程中，可以通過(guò)監(jiān)控和調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)者的探究活動(dòng)，如提供時(shí)間進(jìn)度提醒、操作誤差提醒等使學(xué)習(xí)者能夠有目的、有意識(shí)地監(jiān)控和調(diào)節(jié)他們探究學(xué)習(xí)過(guò)程中的認(rèn)知、動(dòng)機(jī)和行為，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的目標(biāo)（Pintrich，2000）。此外，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)還可以通過(guò)突出關(guān)鍵信息和消除令人困惑的細(xì)節(jié)來(lái)簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)（Trundle et al.，2010），并給予必要的知識(shí)補(bǔ)充和反饋指導(dǎo)，或讓學(xué)習(xí)者有針對(duì)性地修改模型特征，如時(shí)間尺度等，使現(xiàn)象解釋更容易、變量關(guān)系更易理解（Olympiou et al.，2013）。

3.知識(shí)獲取：從“分散”轉(zhuǎn)向“整合”，深化學(xué)習(xí)者知識(shí)建構(gòu)

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者通過(guò)自我導(dǎo)向的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)知識(shí)獲取（De Jong et al.，1998）。研究表明，學(xué)習(xí)者通過(guò)經(jīng)歷一個(gè)類似于科學(xué)家所做的調(diào)查過(guò)程，可以發(fā)展更連貫的科學(xué)知識(shí)和技能并增進(jìn)對(duì)探究過(guò)程本身的理解。在模擬仿真的環(huán)境中，時(shí)間變化可以加快或減慢，抽象的概念可以變得具體，隱性的過(guò)程可以變得可見。當(dāng)現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境被簡(jiǎn)化、事件的因果關(guān)系被明確解釋、外部的認(rèn)知負(fù)荷通過(guò)模擬被減少時(shí)，學(xué)習(xí)者可以將更多的注意力集中在重要的學(xué)習(xí)目標(biāo)上。知識(shí)在個(gè)體與虛擬環(huán)境相互作用的過(guò)程中得以建構(gòu)。這一過(guò)程不僅體現(xiàn)了學(xué)習(xí)者對(duì)客觀知識(shí)的主觀能動(dòng)學(xué)習(xí)，更重要的是學(xué)習(xí)者在運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決復(fù)雜問題的過(guò)程中，能夠產(chǎn)生新的知識(shí)聯(lián)結(jié)，以此來(lái)強(qiáng)化對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。

4.能力發(fā)展：從“習(xí)得”轉(zhuǎn)向“遷移”，助力學(xué)習(xí)者素養(yǎng)培育

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)復(fù)雜、不確定的學(xué)習(xí)情境，對(duì)學(xué)習(xí)者的問題解決能力提出了更高要求，需要學(xué)習(xí)者整合多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和技能，以提出創(chuàng)造性的問題解決方案，并在解決實(shí)際問題的過(guò)程中逐步提升高階思維能力和跨學(xué)科素養(yǎng)。具體來(lái)講，在虛擬環(huán)境支持的交互探究過(guò)程中，學(xué)習(xí)者需要綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和技能，解決復(fù)雜、非良構(gòu)的現(xiàn)實(shí)問題。這有助于他們形成全面的學(xué)科素養(yǎng)和綜合應(yīng)用能力（Lin et al.，2022）。通過(guò)這種應(yīng)用和實(shí)踐，學(xué)習(xí)者能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識(shí)和技能內(nèi)化為自己的能力，靈活地運(yùn)用到不同情境和領(lǐng)域中，促進(jìn)課堂知識(shí)和技能向現(xiàn)實(shí)世界遷移（林曉凡等，2019）。

四、虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的實(shí)施框架

1.設(shè)計(jì)原則

（1）以探究式教學(xué)理念引領(lǐng)學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)兼具“虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境”和“探究式學(xué)習(xí)”的屬性，因此其活動(dòng)設(shè)計(jì)和實(shí)施具有較高的復(fù)雜性，需要充分考慮虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)中主體、環(huán)境、內(nèi)容、資源的特性，以實(shí)現(xiàn)多元主體要素的深度耦合。因此，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的開展需要以探究式學(xué)習(xí)理念為指引，明確虛擬科學(xué)探究活動(dòng)在學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)環(huán)境、實(shí)施過(guò)程、評(píng)價(jià)方法等方面的核心特征，確保學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)能夠與學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)資源相契合，提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果。

（2）以交互式學(xué)習(xí)環(huán)境支撐深度科學(xué)探究

當(dāng)前虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)仍多以知識(shí)概念的理解為主要目標(biāo)，因此學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)也仍然以促進(jìn)學(xué)習(xí)者的知識(shí)理解為要，探究過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，探究深度不足，無(wú)法有效支撐新課標(biāo)背景下學(xué)習(xí)者核心素養(yǎng)的培育。虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)，應(yīng)更多采用虛擬化、游戲化、沉浸式、體驗(yàn)式等前沿設(shè)計(jì)理念，增強(qiáng)環(huán)境的交互性、開放性和自由度，豐富探究活動(dòng)的呈現(xiàn)形式，促進(jìn)人機(jī)智能協(xié)同，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究過(guò)程中對(duì)個(gè)體認(rèn)知、動(dòng)機(jī)、行為等的深度調(diào)節(jié)，提升探究學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)習(xí)者的探究意愿、情感態(tài)度和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓學(xué)習(xí)者成為探究過(guò)程的積極參與者，提升學(xué)習(xí)者的科學(xué)核心素養(yǎng)。

（3）以過(guò)程性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)助力實(shí)時(shí)精準(zhǔn)反饋

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)開放性和自主性的特質(zhì)在一定程度上增加了學(xué)習(xí)活動(dòng)的不確定性。如果不加干預(yù)地放任學(xué)習(xí)者“天馬行空”地自由探索，將使虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過(guò)程嚴(yán)重脫離教師的掌控，降低和弱化虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的效果。因此，在虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的開展過(guò)程中需要重視過(guò)程性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的導(dǎo)向作用。例如，利用人工智能技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者探究過(guò)程中的學(xué)習(xí)行為、認(rèn)知投入、情緒動(dòng)機(jī)等進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的建模分析，利用可視化分析技術(shù)以直觀、易理解的方式展示探究學(xué)習(xí)情況，幫助師生快速、準(zhǔn)確地了解學(xué)習(xí)過(guò)程與學(xué)習(xí)狀態(tài)，為改進(jìn)學(xué)習(xí)者探究學(xué)習(xí)過(guò)程提供支撐。事實(shí)上，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)分析，能夠有效挖掘科學(xué)探究學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)習(xí)者的行為特征，并構(gòu)建學(xué)習(xí)行為與學(xué)科能力之間的動(dòng)態(tài)映射關(guān)系，幫助教師及時(shí)掌握學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況并提供適宜的個(gè)性化指導(dǎo)，以此提高教學(xué)效果、優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（4）以智能化學(xué)習(xí)干預(yù)保障科學(xué)探究成效

虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的發(fā)展需要推動(dòng)人工智能技術(shù)與科學(xué)探究過(guò)程的深度融合，充分發(fā)揮智能技術(shù)在進(jìn)度監(jiān)控、任務(wù)提醒、過(guò)程評(píng)價(jià)、自我調(diào)節(jié)、自動(dòng)反饋、智能干預(yù)等方面的重要作用，將動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和過(guò)程支持嵌入虛擬科學(xué)探究活動(dòng)中，探索虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)中教師和機(jī)器的協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同支持的精準(zhǔn)干預(yù)和智能反饋，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者科學(xué)探究能力的有效提升。此外，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的開展還需要整合人工智能、學(xué)習(xí)分析等理論和方法，推動(dòng)學(xué)習(xí)行為的智能表征、學(xué)習(xí)成效的動(dòng)態(tài)測(cè)評(píng)、學(xué)習(xí)機(jī)理的科學(xué)分析、學(xué)習(xí)干預(yù)的精準(zhǔn)實(shí)施，以此促進(jìn)科學(xué)探究學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)、分析、評(píng)價(jià)與干預(yù)的有效聯(lián)結(jié)，為虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的開展提供可靠保障。

2.實(shí)施框架

基于設(shè)計(jì)原則，結(jié)合虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的價(jià)值定位和核心特征，本研究構(gòu)建了虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的實(shí)施框架。該框架以數(shù)智技術(shù)為底座，融合環(huán)境、活動(dòng)和過(guò)程要素，用于支持學(xué)習(xí)者深度參與探究學(xué)習(xí)，開展虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的交互式科學(xué)探究活動(dòng)。在邏輯上，該框架可以劃分為四個(gè)層次，分別是基座層、環(huán)境層、探究層和目標(biāo)層，如圖1所示。

在該框架中，基座層融合了相關(guān)軟硬件技術(shù)，是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)、支持學(xué)習(xí)者虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)、技術(shù)和功能基礎(chǔ)。具體來(lái)說(shuō)，基座層包括通用配置、數(shù)據(jù)層、決策分析層和技術(shù)支持層四個(gè)子模塊。其中，通用配置層可對(duì)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)環(huán)境的探究環(huán)節(jié)、對(duì)話角色、調(diào)節(jié)策略、可視化呈現(xiàn)和過(guò)程支持等基礎(chǔ)功能進(jìn)行配置；數(shù)據(jù)層可對(duì)平臺(tái)日志、學(xué)習(xí)者信息、探究交互和學(xué)習(xí)生成等探究學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；決策分析層可利用學(xué)習(xí)分析技術(shù)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、計(jì)算等工作，并對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋；技術(shù)支持層可利用人工智能技術(shù)，在決策分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者適應(yīng)性的過(guò)程支持、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)評(píng)價(jià)和自動(dòng)反饋等功能。

在基座層的基礎(chǔ)上，環(huán)境層、活動(dòng)層分別從虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)環(huán)境和虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)兩個(gè)方面，支持虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的有效實(shí)施。在環(huán)境方面，運(yùn)用虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)虛擬探究學(xué)習(xí)環(huán)境虛擬仿真、過(guò)程交互、情境創(chuàng)設(shè)和重復(fù)驗(yàn)證等功能。在活動(dòng)方面，運(yùn)用軟件模塊或網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的各個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)，保證活動(dòng)的完整性。探究層則面向?qū)W習(xí)者，綜合其他各邏輯層的功能，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者開展問題預(yù)測(cè)、作出假設(shè)、探究實(shí)施、得出結(jié)論、交流反思等活動(dòng)并及時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)全過(guò)程的支持。最終，目標(biāo)層呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者通過(guò)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)達(dá)成的科學(xué)課程核心素養(yǎng)目標(biāo)。這些目標(biāo)不僅強(qiáng)調(diào)了知識(shí)層面的重要性，如科學(xué)觀念中跨學(xué)科概念的理解和深化、對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，也關(guān)注了學(xué)習(xí)者推理論證、創(chuàng)新思維等能力層面的發(fā)展。

五、總結(jié)與展望

隨著教育數(shù)字化、智能化進(jìn)程加快，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中開展多樣化的科學(xué)探究活動(dòng)將是未來(lái)科學(xué)學(xué)習(xí)的重要形式。本研究詳細(xì)闡述了虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的概念內(nèi)涵和核心特征，論述了虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)原則和實(shí)施框架，旨在為虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的深入發(fā)展提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐借鑒。鑒于當(dāng)前虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)不斷深化的研究趨勢(shì)，未來(lái)可進(jìn)一步完善虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)環(huán)境的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，促使虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)更好地應(yīng)用于真實(shí)課堂實(shí)踐，促進(jìn)科學(xué)教育高質(zhì)量發(fā)展。

1.強(qiáng)基固本，重視認(rèn)知加工的規(guī)律與機(jī)制

技術(shù)與教育的整合水平顯著影響了技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)的有效性（Zhai et al.，2019）。隨著以大語(yǔ)言模型為代表的新一代人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)在環(huán)境創(chuàng)設(shè)、活動(dòng)設(shè)計(jì)、過(guò)程支持等方面均會(huì)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。在智能技術(shù)不斷深化的大背景下，研究者應(yīng)該更深入地挖掘虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)環(huán)境和探究過(guò)程之間的復(fù)雜關(guān)系，厘清學(xué)習(xí)者在不同探究階段的特殊認(rèn)知需求，更好地規(guī)劃前沿技術(shù)支持下的學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)與腳手架支持。研究者還應(yīng)重視認(rèn)知科學(xué)理論的引領(lǐng)和驅(qū)動(dòng)作用，通過(guò)深入剖析虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)背后潛在的認(rèn)知過(guò)程，更清晰地理解其學(xué)習(xí)的發(fā)生機(jī)理，設(shè)計(jì)更有效的技術(shù)支持和干預(yù)措施。例如，通過(guò)研究學(xué)習(xí)者在探究過(guò)程中的注意力、問題解決、反思等認(rèn)知過(guò)程，研究人員可以據(jù)此為學(xué)習(xí)者提供更有針對(duì)性的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)策略。

2.育人為先，凸顯素養(yǎng)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

2022年，我國(guó)基礎(chǔ)教育科學(xué)課程新課標(biāo)發(fā)布，強(qiáng)調(diào)了科學(xué)教育中科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐和態(tài)度責(zé)任四大核心素養(yǎng)，為我國(guó)科學(xué)教育高質(zhì)量發(fā)展指明了方向。虛擬仿真環(huán)境在提升學(xué)習(xí)效果上具有巨大潛力，可以將復(fù)雜的科學(xué)概念具象化，幫助學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；強(qiáng)化學(xué)習(xí)者的自主探究過(guò)程，在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過(guò)程中，發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)觀念、理解科學(xué)方法。但如何利用這些環(huán)境資源，設(shè)計(jì)更加行之有效的虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，幫助學(xué)習(xí)者提出假設(shè)、制定計(jì)劃、建立模型、調(diào)整參數(shù)、收集數(shù)據(jù)和解釋結(jié)果，以助力學(xué)習(xí)者的能力發(fā)展和素養(yǎng)培育，是虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)需要著力解決的重要問題。此外，科學(xué)素養(yǎng)評(píng)價(jià)是基礎(chǔ)教育階段科學(xué)教育改革的“指揮棒”，應(yīng)利用虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)在數(shù)據(jù)采集、分析方面的先天優(yōu)勢(shì)，開展智能技術(shù)賦能的科學(xué)素養(yǎng)評(píng)價(jià)研究，通過(guò)信息跟蹤挖掘、數(shù)字回溯分析、科學(xué)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等，描繪學(xué)習(xí)者素養(yǎng)發(fā)展軌跡，為學(xué)習(xí)者科學(xué)素養(yǎng)的評(píng)價(jià)提供有效依托。

3.精準(zhǔn)賦能，豐富學(xué)習(xí)過(guò)程的感知與診斷

利用學(xué)習(xí)分析技術(shù)對(duì)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的過(guò)程性數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與智能分析，是深入研究虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)規(guī)律、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)干預(yù)的基礎(chǔ)保障。虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)包含虛擬實(shí)驗(yàn)操作、提出假設(shè)、調(diào)整參數(shù)、驗(yàn)證假設(shè)、記錄結(jié)果、給出解釋等諸多復(fù)雜環(huán)節(jié)，其學(xué)習(xí)結(jié)果受到學(xué)習(xí)者自我調(diào)節(jié)能力、興趣動(dòng)機(jī)、實(shí)驗(yàn)技能等多元要素的影響。現(xiàn)有對(duì)探究學(xué)習(xí)過(guò)程登錄時(shí)間、完成課時(shí)數(shù)、測(cè)評(píng)正確率等數(shù)據(jù)的記錄與分析，難以支持對(duì)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過(guò)程的深入理解。因此，在虛擬探究學(xué)習(xí)環(huán)境中，應(yīng)提升對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的深度感知，通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)者話語(yǔ)、表情、身體姿態(tài)、生理信息、學(xué)業(yè)成就、人機(jī)交互數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化采集分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)困難的精準(zhǔn)診斷、對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的伴隨性評(píng)價(jià)、對(duì)科學(xué)探究態(tài)度的智能感知以及對(duì)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為學(xué)習(xí)者高質(zhì)量科學(xué)探究活動(dòng)的開展提供數(shù)據(jù)支撐。

4.人機(jī)協(xié)同，探索智能環(huán)境的反饋與支持

為學(xué)習(xí)者提供適應(yīng)性的學(xué)習(xí)支持服務(wù)是確保學(xué)習(xí)者有效開展虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的關(guān)鍵舉措。當(dāng)前，隨著生成式人工智能技術(shù)的進(jìn)一步迭代，多模態(tài)大模型展露頭角，必將引起新一輪的教育實(shí)踐轉(zhuǎn)變。區(qū)別于一般的生成式人工智能技術(shù)，多模態(tài)大模型能夠綜合處理文本、圖像、視頻、音頻等多種類型的數(shù)據(jù)，將對(duì)多類型虛擬資源支持下的探究學(xué)習(xí)的反饋與支持帶來(lái)新的機(jī)遇。在此背景下，如何利用多模態(tài)人工智能在語(yǔ)言理解、人機(jī)對(duì)話方面的潛在優(yōu)勢(shì)，開發(fā)教育智能體，通過(guò)人機(jī)智能協(xié)同的方式為學(xué)習(xí)者提供適切、精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)支持服務(wù)，是未來(lái)虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)需要著力解決的關(guān)鍵問題。因此，未來(lái)生成式人工智能與虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的結(jié)合，需要充分發(fā)揮多模態(tài)大模型在學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)與優(yōu)化、學(xué)習(xí)資源生成與聚合、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)實(shí)施與反饋、學(xué)習(xí)干預(yù)生成與推送等方面的核心優(yōu)勢(shì)，為學(xué)習(xí)者虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的開展提供全方位支持。

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收稿日期 2024-03-24 責(zé)任編輯 汪燕

Virtual Science Inquiry Learning： Essential Connotation，

Value Orientation and Implementation Framework

ZHENG Yafeng

Abstract： Virtual science inquiry learning， as a new form of learning that effectively integrates virtual experiment environment with scientific inquiry activities， plays an important role in cultivating learners’ scientific literacy. However， the lack of in-depth exploration and accurate understanding of the concept， value and mode of implementation of virtual science inquiry learning has hindered its effective application and value realization in practice. The essence of virtual science inquiry learning is centered on learners’ independent inquiry practice. It promotes concretization of scientific observation， systematicity of inquiry process， integration of knowledge acquisition and transferability of ability development by creating a learning environment integrating virtuality and reality， designing exploratory learning activities and providing adaptive process support. When designing virtual science inquiry learning activities， it is essential to adhere to design principles that ensure the activities are guided by inquiry-based teaching， supported by interactive learning environments， facilitated by process-oriented learning assessment， and guaranteed by intelligent learning intervention. The implementation framework should be constructed on a foundation of digital intelligence technology， integrating elements of environment， activity and process， to support learners in conducting interactive scientific inquiry activities within a virtual environment， thereby achieving the goals of cultivating core scientific literacy. Future research should strengthen theoretical and practical exploration in the aspects of strengthening the foundation， educating people first， accurate empowerment and man-machine collaboration， so as to provide useful references for the effective development of high-quality virtual science inquiry learning.

Keywords： Virtual Science Inquiry Learning; Science Education; Core Characteristics; Design Principles; Implementation Framework