李欣 沈夏林 黃曉 王勛

[摘? ?要] 程序性知識的學(xué)習(xí)具有情境性、實踐性和應(yīng)用性的特征，關(guān)注方法和能力的獲得，是學(xué)生通過傳統(tǒng)方法難以獲知的，而采用IVR技術(shù)的虛擬實驗系統(tǒng)通常具有增強性（Engagement）、再現(xiàn)性（Evocation）和證據(jù)性（Evidence）的特征，有助于程序性知識的理解與應(yīng)用。研究以“凸透鏡成像”這一學(xué)生難以理解的重要科學(xué)主題為例，通過實驗研究，探索沉浸式虛擬實驗中加入可視化空間線索對學(xué)生凸透鏡成像中的理解與應(yīng)用這兩個目標(biāo)維度的影響?；谧灾鏖_發(fā)的沉浸式光學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)——Optical IVRLab，選擇了48名初中學(xué)生隨機分配成兩組，其中一組為實驗組，在包含空間線索的虛擬實驗系統(tǒng)中測試，對照組則不包含空間線索。通過前、后測以及對比分析實驗組與對照組的t檢驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，沉浸式VR的可視化空間線索在科學(xué)概念的學(xué)習(xí)中，有助于個體的陳述性知識向程序性知識遷移。在沉浸式虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的可視化“圖式”建構(gòu)，適用于面向空間且包含不可見物理量的抽象概念的程序性知識學(xué)習(xí)。

[關(guān)鍵詞] 沉浸式虛擬現(xiàn)實; 空間線索; 可視化; 程序性知識; 虛擬實驗; 凸透鏡成像

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼] A

[作者簡介] 李欣（1963—），男，浙江金華人。教授，碩士，主要從事虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用、數(shù)字化學(xué)習(xí)資源建設(shè)等方面的研究。E-mail：lx@zjnu.edu.cn。

一、引? ?言

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等基礎(chǔ)架構(gòu)與虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）客戶端的不斷發(fā)展和融合，為教育教學(xué)應(yīng)用模式提供了許多新選項[1-2]。虛擬現(xiàn)實和人工智能等新技術(shù)已成為開展教育信息化2.0行動的新動力[3]。在采用沉浸式虛擬現(xiàn)實（Immersion Virtual Reality，IVR）技術(shù)的數(shù)字化增強環(huán)境中，大量原本不被人類視覺覆蓋的物理量（如溫度、電流、電磁場、光線等）的可視化表征，可將人類對現(xiàn)實的感知與數(shù)字化視覺表征直接融合在用戶的視場中，這些可視化的物理量和設(shè)備仿真對象不僅可以共存，而且可交互并實時反饋抽象概念和多個變量之間的動態(tài)關(guān)系，極大地豐富了人類的感知[4]。因此，IVR被認(rèn)為是強大的教學(xué)工具，正越來越多地被應(yīng)用于教育教學(xué)[5]。其應(yīng)用于教育教學(xué)的有效性正成為許多研究者關(guān)注的焦點[6]。

程序性知識的學(xué)習(xí)具有情境性、實踐性和應(yīng)用性的特征，關(guān)注的是方法和能力的獲得，需借助方法論的指導(dǎo)和反復(fù)的實驗操作實踐，而采用IVR技術(shù)的虛擬實驗系統(tǒng)通常具有增強性（Engagement）、再現(xiàn)性（Evocation）和證據(jù)性（Evidence）的3E特征[7]?？梢?，程序性知識學(xué)習(xí)的情境、實踐和應(yīng)用性特征與IVR的增強、再現(xiàn)和證據(jù)性具有強映射關(guān)系。雖然一些實證研究表明，IVR虛擬實驗系統(tǒng)有利于程序性知識的習(xí)得[4，8]，然而，對于IVR虛擬實驗系統(tǒng)在程序性知識學(xué)習(xí)中有用性的主張和對這些主張進行實驗測試的科學(xué)研究之間仍然存在差距，且其在教育教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的外部效度也有待于教學(xué)實踐的進一步檢驗[9]。鑒于此，我們以“凸透鏡成像”實驗教學(xué)作為研究挈入點，通過實證研究來確定沉浸式VR中的可視化空間線索是否能促進程序性知識的學(xué)習(xí)。

二、理論背景

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)課程中的學(xué)習(xí)成就與概念留存和學(xué)習(xí)態(tài)度[10]、認(rèn)知和情感[11]、先前知識（Prior knowledge）[12]等因素密切相關(guān)。在這些確定的影響因素中，元分析[13]認(rèn)為先前知識是對學(xué)習(xí)成就影響最大的因素。Bloom和Hailikari等將先前知識定義為由不同類型的知識、技能和能力組成的多維動態(tài)的知識[14-15]。特別是，特定領(lǐng)域的先前知識被認(rèn)為是獲取新知識的關(guān)鍵[14，16]。對于一個主題，高水平且成熟的先前知識能更好地支持學(xué)習(xí)[17]，即個體能更好地理解和記住主題，在考試中表現(xiàn)得更好[15]。但不是所有的先前知識類型都以相同的方式影響學(xué)習(xí)成就，Loehr的研究結(jié)果表明，某些類型的先前知識（如深刻理解）比其他類型（如事實記憶）更能影響學(xué)習(xí)成就[18]。

Hailikari等基于Krathwohl的《教育目標(biāo)修訂》[16]、Dochy的《知識維度研究》[19]和Biggs的《結(jié)構(gòu)發(fā)展理解理論》[20]中所描述的知識和學(xué)習(xí)理論，提出了先前知識結(jié)構(gòu)模型[15]，該模型區(qū)分了四種先前知識類型，即事實知識、意義知識、整合性知識和應(yīng)用性知識。事實知識是關(guān)于事物的名稱、符號、簡單的命題等抽象層次較低的知識;意義知識是指事實知識經(jīng)組織后的有意義的組合知識;整合性知識是指在理解概念和不同現(xiàn)象之間相互關(guān)系的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)化后的知識;應(yīng)用性知識則是指在解決特定學(xué)科或新領(lǐng)域的問題時所需的方法和步驟等方面的知識。上述四種類型的知識都被分別歸類到廣泛接受的陳述性知識（事實知識和意義知識）和程序性知識（整合性知識和應(yīng)用性知識）中[21-22]。陳述性知識類型與知識記憶的認(rèn)知指標(biāo)（記憶、回憶、識別、再現(xiàn)等）密切相關(guān)，程序性知識類型與知識遷移的認(rèn)知指標(biāo)（理解、應(yīng)用等）密切相關(guān)[23]。該知識結(jié)構(gòu)模型假設(shè)，在較高層次知識上的操作包含較低層次的知識，這與Liu提出的知識整合理論相一致[24]。

一些研究者認(rèn)為，陳述性知識指的是事實知識，而程序性知識指的是專門知識[25]。我們將陳述性知識定義為可通過圖文和音視頻等傳播媒介來表達的知識的一部分，包含事實知識（Know-what）、意義知識（Know-why）這兩個要素，這與Nickols的“陳述性知識并不局限于事實知識”的觀點相一致[26]。我們將程序性知識定義為從陳述性知識集合中經(jīng)整合并內(nèi)化的可操作知識，它是可操作的。因為只有反復(fù)練習(xí)，陳述性知識才能轉(zhuǎn)化為程序性知識并實現(xiàn)跨情境的遷移和應(yīng)用。例如，盡管個人已經(jīng)學(xué)習(xí)了陳述性知識，但必須在這些知識成為程序性知識之前進行反復(fù)實踐。

IVR虛擬實驗系統(tǒng)的目的是通過允許學(xué)生在沉浸式虛擬實驗環(huán)境中操作對象和參數(shù)來替代或增強真實的實驗環(huán)境。其好處是可以讓學(xué)生觀察到現(xiàn)實世界中無法觀察到的現(xiàn)象[27]，并通過在虛擬世界中提供適應(yīng)性指導(dǎo)，促進陳述性知識向程序性知識的遷移[28]。雖然有證據(jù)表明，IVR能為程序性知識的學(xué)習(xí)帶來積極的效果[29-30]，但具體應(yīng)用的實證研究相對缺乏。目前尚不清楚采用IVR技術(shù)的這類應(yīng)用程序?qū)Τ绦蛐灾R的學(xué)習(xí)是否必要或有益[31]。此外，IVR的哪些特性對于哪些教育目的是有益的，亦不明晰[32]，因此，關(guān)于沉浸式VR所提供的視覺體驗和沉浸感是否會導(dǎo)致更高水平的存在感和生成認(rèn)知加工，并最終帶來更好的學(xué)習(xí)和遷移結(jié)果的研究是不確定和有限的，還需要進行更多的方法論上的研究及進一步的實證檢驗。

三、研究設(shè)計

（一）問題的提出及研究假設(shè)

程序性知識是初中科學(xué)類課程學(xué)習(xí)中的重點與難點，原因在于科學(xué)事件內(nèi)在機理的非直觀性，其外顯現(xiàn)象經(jīng)常不能直接反映科學(xué)規(guī)律的結(jié)果，學(xué)生難以經(jīng)由體驗建構(gòu)科學(xué)概念，導(dǎo)致對科學(xué)原理的“理解”不過是對程序性知識的記憶。在凸透鏡成像規(guī)律的教學(xué)中，以概念和規(guī)律為代表的陳述性知識在非情境或去情境的狀態(tài)下，難以轉(zhuǎn)化為以應(yīng)用為代表的程序性知識。由于學(xué)生的前概念與凸透鏡的成像規(guī)律并不一致，學(xué)生對凸透鏡成像的大小和虛實等知之甚少。盡管學(xué)生通過教師的講解和實驗，習(xí)得凸透鏡成像關(guān)于物距、像距、焦距等陳述性知識，但難以遷移到真實情境中以解決問題。例如，學(xué)生在日常生活中經(jīng)?？吹讲ＡЦ桌锏聂~等，學(xué)生就會認(rèn)為凸透鏡僅能起放大作用，其持有的前概念會造成負(fù)遷移作用，導(dǎo)致凸透鏡能成縮小的像或虛像的新知難以得到順應(yīng)和轉(zhuǎn)化。

沉浸式VR和真實環(huán)境一樣具有知覺體驗深刻的特征，將空間線索以可視化的方式疊加于場景中的模擬設(shè)備上，將學(xué)生置于沉浸式VR的“凸透鏡成像”環(huán)境中，可使沉浸式VR的知覺體驗特征更加凸顯。可視化的空間線索和實時交互反饋，為學(xué)生創(chuàng)造了直觀的探究多種成像條件的可能性;“虛”“實”結(jié)合的體驗和對成像規(guī)律的結(jié)構(gòu)化反思，則能促進知覺經(jīng)驗的邏輯化轉(zhuǎn)變并形成程序性知識，有助于抽象科學(xué)概念的學(xué)習(xí)和跨情境中的遷移與應(yīng)用，即能在新的變化的情境下找到一種程序去解決具體問題。

因此，本研究采用Unity 3D引擎設(shè)計開發(fā)了Optical IVRLab凸透鏡成像虛擬實驗系統(tǒng)，包括：（1）凸透鏡成像的真實實驗設(shè)備和實驗室環(huán)境的模擬;（2）將真實實驗中不具備的可視化空間光路線索通過空間配準(zhǔn)疊加于模擬的實驗設(shè)備上（體現(xiàn)光的波粒二象性中，粒子性質(zhì)原理的圖式）。研究的主要目標(biāo)是評估IVR環(huán)境中可視化的空間線索對學(xué)生凸透鏡成像的學(xué)習(xí)在概念理解和整合應(yīng)用方面是否有影響。

實驗采用單因素被試間設(shè)計，自變量為交互虛擬實驗中的空間信息（“有空間線索”為實驗組，“無空間線索”為對照組），因變量為理解、應(yīng)用等程序性知識的學(xué)習(xí)效果，表現(xiàn)為關(guān)于凸透鏡成像的理解維度和應(yīng)用?；诖耍狙芯孔魅缦录僭O(shè)：（1）IVR環(huán)境中可視化的空間線索可提升學(xué)生的心流體驗;（2）包含可視化空間線索的實驗系統(tǒng)將會導(dǎo)致更好的知識整合應(yīng)用和跨情境遷移表現(xiàn)。

（二）研究對象

本次實驗從浙江省麗水市松陽縣某中學(xué)隨機抽取了48名七年級學(xué)生作為研究樣本，年齡為13至14歲，男女性別相當(dāng)，學(xué)生來自縣城和周邊農(nóng)村。所有學(xué)生的視力或矯正視力正常，且在此前均未接觸過交互式IVR及其相關(guān)體驗。在實驗室隨機分配到實驗組和對照組，每組各24人，兩組被試在年齡和男女比例上均無差異。

實驗組的前測平均成績?yōu)镸=5.75， SD=1.59，對照組的前測平均成績?yōu)镸=5.33，SD=1.20，對兩組進行獨立樣本t檢驗，即實驗組與對照組學(xué)生在實驗干預(yù)前對凸透鏡成像規(guī)律的理解不存在顯著差異（t=1.02，p=0.31>0.05）。進一步從記憶、理解和應(yīng)用三個維度進行分析，三個維度的t值均大于0.05（見表1），表明學(xué)生在這三個維度上也不存在顯著性差異。由此說明，在虛擬實驗教學(xué)干預(yù)之前，實驗組與對照組的被試對凸透鏡成像規(guī)律的理解程度無差異。

（三）研究工具的編制

1. Optical IVRLab虛擬實驗系統(tǒng)

為了探究IVR技術(shù)在程序性知識學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，我們以凸透鏡成像規(guī)律的學(xué)習(xí)作為研究案例。采用Autodesk Maya和Unity 3D設(shè)計開發(fā)了針對凸透鏡成像原理學(xué)習(xí)的Optical IVRLab系統(tǒng)，將在現(xiàn)實實驗中不可見的主光軸、空間光路可視化，并與場景中的模擬設(shè)備進行三維空間配準(zhǔn)。即與概念的內(nèi)涵和本質(zhì)相關(guān)聯(lián)的空間線索已經(jīng)被可視化表征，且空間光路響應(yīng)可交互動作實現(xiàn)動態(tài)實時的改變。

我們在凸透鏡左側(cè)的主光軸上設(shè)置了七個物體移動的關(guān)鍵節(jié)點，其位置分別是f/3、2f/3、f、4f/3、5f/3、2f、7f/3，當(dāng)物體位于這些典型的不同位置（即物距不同）時，凸透鏡成像的大小、虛實、正立倒立以及同側(cè)異側(cè)等全部變化情況已經(jīng)被全部涵蓋。在關(guān)鍵節(jié)點的位置設(shè)置了頻閃發(fā)光的虛光版對交互進行目標(biāo)位置導(dǎo)航。當(dāng)學(xué)生通過手柄移動物體（即改變物距）至關(guān)鍵節(jié)點附近時，物體被自動吸附至關(guān)鍵節(jié)點，而在移動物體的過程中，則可實時觀察到光路在空間位置的連續(xù)改變;當(dāng)移動光屏（即改變像距）時，光屏被自動吸附至成像清晰位置，移動過程中可實時觀察到成像模糊、清晰和大、小連續(xù)變化的過程。

2. IVR交互設(shè)備

體驗設(shè)備：采用Oculus Quest作為學(xué)生體驗VR情境和學(xué)習(xí)手柄操作的設(shè)備;測試設(shè)備：采用Oculus Rift作為測試設(shè)備。兩種設(shè)備在操作方法和體驗效果上相同。無論是在體驗還是測試環(huán)節(jié)，均設(shè)置了一定范圍的操作空間，同時，分別配備輔助人員在旁協(xié)助，確保戴上頭盔后視覺被完全隔離于現(xiàn)實世界的學(xué)生可順暢、安全地完成虛擬實驗的交互操作。

3. 問卷工具的編制

心流體驗問卷采用皮爾斯（Pearce J）等人開發(fā)的心流體驗量表，用來檢測學(xué)習(xí)者持續(xù)性地使用Optical IVRLab時全身心投入其中的狀態(tài)，分為控制感、沉浸感、愉悅感、專注度等維度。問卷共計8道題，采用Likert 5級記分（“5”代表非常同意，“1”代表非常不同意）[33]。前、后測問卷基于《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》和科學(xué)教材內(nèi)容，在明確初中學(xué)生掌握凸透鏡成像要求的命題陳述的基礎(chǔ)上，采用Treagtist 提出的二段式診斷測驗步驟設(shè)計，以此檢測學(xué)生對凸透鏡成像的理解。前、后測問卷設(shè)計完成后，經(jīng)由高校學(xué)科教學(xué)論專家和中學(xué)一線教師的審核并討論修正，使命題陳述具有較好的專家效度，見表2。

首先，依據(jù)命題陳述，并預(yù)估學(xué)生可能存在的典型的前概念類型，設(shè)計二段式問卷的理由選項;然后根據(jù)每題的題目內(nèi)容與概念主題、命題陳述的關(guān)聯(lián)度，建立雙向細(xì)目表（見表3），使其具有內(nèi)容效度;最后基于雙向細(xì)目表，生成A、B兩組前、后測試題。

進一步以安德森教學(xué)目標(biāo)分類的認(rèn)知過程維度，將試題分成三種不同的認(rèn)知過程，即記憶（識別、回憶）、理解（解釋、舉例、分類、總結(jié)、推斷、比較、說明）和應(yīng)用（執(zhí)行、實施）。如第三題旨在讓學(xué)生記住凸透鏡成像的規(guī)律，屬于“記憶”;第八題，旨在使學(xué)生通過已有的信息（如凸透鏡成像的物距、像距），推斷如何移動物體、透鏡和光屏的位置使成像清晰，屬于“理解”;第五題是學(xué)生根據(jù)凸透鏡成像的性質(zhì)，解決“在半塊透鏡”這一不熟悉情境中的成像問題，屬于“應(yīng)用”。

（四）問卷的信度與試題賦分

基于雙向細(xì)目表，該研究的前測、后測問卷均包括9道二段式試題（試題的第一段要求選擇正確答案，第二段要求解釋原因）。試題編制完成后，先由幾位學(xué)生進行試測，在此基礎(chǔ)上完善表述方式，使試題可理解。學(xué)生前、后測的答題結(jié)果按以下原則賦分：試題的第一段答案選擇正確賦“1”分，錯誤則賦“0”分。對試題的第二段而言，在第一段選擇正確的前提下，第二段選擇正確賦“1”分，選擇錯誤則賦“0”分;若第一段答案選擇錯誤，無論第二段是否正確均給“0”分，因為錯誤的答案不可能有正確的解釋。

試題信度檢驗同時采用了α系數(shù)和折半系數(shù)分析，這是考慮到二段式診斷中“兩段”的一致性，可通過兩段得分的相關(guān)系數(shù)確認(rèn)整個量表的信度。采用SPSS進行信度分析，Cronbach's α系數(shù)分別為0.676和0.713，前、后測的Spearman-Brown系數(shù)分別為0.917和0.885，這說明前、后測問卷具有較好的信度。

（五）教學(xué)干預(yù)：凸透鏡成像的學(xué)習(xí)過程

研究中的實驗環(huán)節(jié)是基于初中教材《科學(xué)》（七下）第二章第六節(jié)“光學(xué)凸透鏡成像”的內(nèi)容，通過構(gòu)建的IVR環(huán)境，實驗組學(xué)生在含可視化空間信息的Optical IVRLab中學(xué)習(xí)，如圖1所示。

對照組的學(xué)生則在無可視化空間信息的Optical IVRLab中學(xué)習(xí)，如圖2所示。

實驗過程主要包括兩個環(huán)節(jié)：一是沉浸式體驗和熟悉手柄操控，二是學(xué)生在Optical IVRLab中完成凸透鏡成像學(xué)習(xí)。

第一個環(huán)節(jié)采用的是Oculus Quest無線頭盔顯示器，主要讓學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)備的穿戴方法及按鍵功能，以及通過設(shè)備自帶的First Steps程序?qū)W會手柄的操作方法（后續(xù)實驗中將用手柄抓取并移動物體和光屏）。同時，向?qū)W生介紹第二個環(huán)節(jié)的實驗流程、任務(wù)以及交互操作的注意事項。

第二個環(huán)節(jié)是基于IVR場景的凸透鏡成像探究活動。被試穿戴好設(shè)備，用Oculus Rift及操控手柄移動光屏，使成像清晰，進而觀察物距一定時（實驗中設(shè)置了五種物距的情況）所成的像距、像的虛實、正倒立等情況。

實驗組在包含空間光路的Optical IVRLab中開展實驗測試。空間光路的呈現(xiàn)原則是：通過光心的光線方向不變，平行于主光軸的光線通過另一側(cè)焦點射出，通過物同側(cè)焦點的光線變成平行光射出。實驗過程中，以光路呈現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生探究物體在不同物距情況下所成像的特征，認(rèn)識在五種物距條件下的成像情況及其特點。對照組的實驗活動與實驗組基本相同，不同點在于對照組無可視化的空間線索呈現(xiàn)。圖3為學(xué)生在包含可視化空間線索的沉浸式虛擬實驗環(huán)境中測試的場景。

四、數(shù)據(jù)分析與討論

研究數(shù)據(jù)主要來源于48名學(xué)生學(xué)習(xí)凸透鏡成像的前測、后測、心流體驗和實驗活動過程的記錄報告等。其中實驗組24名，對照組24名，所有的有效數(shù)據(jù)使用SPSS21.0軟件包進行統(tǒng)計分析，包括所有學(xué)生前、后測的配對t檢驗，實驗組與對照組在前、后測的獨立樣本t檢驗等。

（一）心流體驗

為了了解在IVR中可視化空間線索對心流體驗的影響，對收集的心流體驗問卷進行獨立樣本t檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實驗組的心流體驗均值（M=4.48，SD=0.32）高于對照組的均值（M=4.22，SD=0.43），二者差異顯著（t=2.34，p=0.023<0.05，d=0.69）。由此說明，在IVR中，可視化的空間線索可以提升學(xué)生的心流體驗。

出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能在于：（1）實驗組處于沉浸式虛擬環(huán)境中，并提供了表示典型光線路徑的可視化空間線索。光線傳輸路徑本身是不可見的，IVR在模擬現(xiàn)實環(huán)境的凸透鏡成像實驗的基礎(chǔ)上，將A、B兩點發(fā)出的光，分別用通過凸透鏡上邊緣、下邊緣及軸心的典型光線以可視化方式顯示，其余所有的光線均可根據(jù)這三根光線來推導(dǎo)。這使得學(xué)習(xí)的意向性[34]指向更為明晰，當(dāng)學(xué)習(xí)者與有效的可視化空間線索的交互程度越高，越有利于學(xué)習(xí)者理解成像原理，從而真正投入到學(xué)習(xí)過程中，空間線索為凸透鏡成像這個程序性的科學(xué)概念的形成提供了可視化的前概念。（2）人類的視覺構(gòu)造原本就是匹配三維世界的，相比于紙質(zhì)圖示中的二維光路圖，IVR提供了第三維度的、立體性的視野，這對學(xué)習(xí)者而言是一種新的視角，其體驗是非常新奇和令人愉悅的。Milk也指出，增加沉浸感導(dǎo)致學(xué)習(xí)的期望可能與VR特別相關(guān)，因為用戶體驗到的存在感可以產(chǎn)生非常強大的情感影響[35]。相比于實驗組，對照組的實驗過程盡管也處于相同的具有堅實的幾何和視覺表示基礎(chǔ)的IVR環(huán)境中，但由于沒有可視化的空間光路，學(xué)生無法觀察到成像所依賴的光路在空間的交點。由于缺乏空間索引機制，學(xué)生仍然無法從沉浸式VR場景中獲取額外的關(guān)聯(lián)線索，影響了心流體驗。

（二）IVR對學(xué)習(xí)績效的影響

為了了解學(xué)生經(jīng)由Optical IVRLab的學(xué)習(xí)后，有關(guān)凸透鏡成像的知識發(fā)生了什么樣的變化，對所有學(xué)生的前后測成績進行了配對樣本t檢驗，也即分析每一位學(xué)生前后測成績的變化情況，結(jié)果見表4。

表4的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，在理解維度上，對照組和實驗組均表現(xiàn)出了顯著差異，這表明無論有無可視化空間線索，IVR對于凸透鏡成像規(guī)律的理解均起到了作用。但包含空間線索的實驗組成績提升幅度更加明顯，這與Salter等的研究結(jié)果相一致。Salter等認(rèn)為，可提供探索交互的線索越多，越有利于更真實的體驗并促進生成，使學(xué)習(xí)者積極參與認(rèn)知過程以構(gòu)建對材料與經(jīng)驗的連貫的心理表征，更好地支持問題的解決[36]。此外，也與具身認(rèn)知理論的有關(guān)觀點相一致，即對科學(xué)概念的理解需要具身[37]，具身的隱喻與模擬在學(xué)生將日常概念轉(zhuǎn)變到科學(xué)概念的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的中介作用[38]。

同時發(fā)現(xiàn)，在理解和應(yīng)用維度上，提供可視化空間線索的實驗組的后測增量，高于不含可視化空間線索的對照組。表明包含可視化空間線索的IVR能夠更大地提升學(xué)習(xí)者對科學(xué)概念的理解水平。對有關(guān)知識遷移的高階能力也起到了一定的作用。這與盧瑞、賈奮勵等提出的“符合人類圖式原則的標(biāo)識具有最高的識別度”[39]的觀點相一致，這表明可視化的空間線索能賦予學(xué)習(xí)者前概念知識的優(yōu)勢，有利于向抽象知識的轉(zhuǎn)化。

（三）空間線索對深層認(rèn)知的影響

實驗組的后測平均成績（M=7.0，SD=0.72），對照組的后測平均成績（M=6.21，SD=1.32），對兩組的后測成績進行獨立樣本t檢驗，發(fā)現(xiàn)兩者之間的差異顯著（t=2.58，p=0.13<0.05，d=0.6）。表現(xiàn)為理解和應(yīng)用維度上均差異顯著，見表5。

從表5的數(shù)據(jù)分析看，實驗組在理解維度和應(yīng)用維度上的成績，高于對照組相應(yīng)維度的成績，p值都小于0.05，差異顯著。從程序性知識的角度來看，可視化的空間線索更有利于激活學(xué)習(xí)者的前概念，更有效地促進學(xué)習(xí)者對復(fù)雜概念的理解。因為可視化的空間線索更有利于學(xué)習(xí)者與虛擬場景中的對象進行有效的交互，對現(xiàn)象進行細(xì)致觀察，所有這些非常直觀的可視化的空間線索為具象信息的抽象化提供了支架。這表明在抽象概念的學(xué)習(xí)中，IVR提供的可直接與場景中的對象、參數(shù)和變量交互的技術(shù)支持，可幫助學(xué)生理解抽象的科學(xué)現(xiàn)象，有助于用更精確的交互操作和現(xiàn)象觀察取代由于感知上的局限性所造成的曲解。由此可見，可視化空間線索對促進凸透鏡成像規(guī)律的學(xué)習(xí)，特別是對于凸透鏡成像規(guī)律的深層次理解及應(yīng)用遷移具有積極的作用。

五、結(jié)論與展望

在當(dāng)前的“科學(xué)”課程的教學(xué)中，傳統(tǒng)的以概念和規(guī)律為代表的陳述性知識的教與學(xué)，存在著難以轉(zhuǎn)化為以應(yīng)用為代表的程序性知識的問題。本實驗的研究結(jié)果表明，基于IVR的空間線索可視化的虛擬實驗系統(tǒng)對科學(xué)概念的遷移有一定的賦能作用。在科學(xué)概念的學(xué)習(xí)中將不可見量以不同形式的視覺表征，可以克服人類視覺感知的這一缺失。位于模擬真實對象上的可視化的空間線索，為學(xué)生對科學(xué)概念的理解提供了內(nèi)在脈絡(luò)，學(xué)生可以自由地操控相關(guān)變量，并立即將結(jié)果與理論預(yù)測進行比較，我們相信這將加強理論和實驗之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，促進陳述性知識向程序性知識的轉(zhuǎn)化。我們的研究結(jié)果進一步表明，在Optical IVRLab交互過程中實時呈現(xiàn)連續(xù)變化的可視化空間線索，更加有利于學(xué)生理解相關(guān)物理變量與成像規(guī)律的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

“凸透鏡成像”規(guī)律學(xué)習(xí)評估的積極結(jié)果，以及中學(xué)一線教師對Optical IVRLab應(yīng)用的正面肯定，堅定了我們對IVR可視化空間線索賦能科學(xué)概念和規(guī)律學(xué)習(xí)的信念，以及在中學(xué)現(xiàn)實課堂推廣應(yīng)用Optical IVRLab的信心，同時，也鼓勵我們繼續(xù)開發(fā)科學(xué)課程學(xué)習(xí)中的其他IVR應(yīng)用。Optical IVRLab的基本思路是對物理實驗課上廣泛使用的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)實驗進行擴充，這一解決方案也可以遷移應(yīng)用到其他科學(xué)概念的學(xué)習(xí)中。面向空間的、更復(fù)雜的科學(xué)概念的學(xué)習(xí)與遷移是否從空間線索可視化增強中獲益，解答這一問題，還需對參與者的情感和認(rèn)知變量，尤其是認(rèn)知負(fù)荷進行進一步的評估和分析;與不同可視化表征對象的實時交互對學(xué)生在概念理解和表征方面的影響，也需要進一步的實證檢驗。

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