[摘 ? 要] 隨著互聯(lián)網(wǎng)和交互技術的發(fā)展，模擬實體教具的虛擬教具逐漸走進科學探究課堂。具身認知強調身體及其經驗的重要作用，與教具涉及的認知過程密切相關。文章首先指出認知發(fā)展理論、知覺符號系統(tǒng)理論、嵌入式認知理論等具身認知相關理論能夠用于解釋教具對學習者認知過程的作用。接著，文章介紹了虛擬教具與實體教具的對比以及二者混合應用的典型研究，指出二者對探究學習的作用及差異。研究發(fā)現(xiàn)：從感知覺經驗來看，絕大多數(shù)實體教具能夠被虛擬教具替代;虛擬教具能夠從漸隱式認知支架、現(xiàn)象增強及動態(tài)演示、有效約束下的非線性探究路徑等方面，實現(xiàn)對實體教具的超越;未來研究應加強對教具應用的過程性、多模態(tài)學習分析。

[關鍵詞] 虛擬教具; 實體教具; 互聯(lián)網(wǎng)+教育; 實驗研究; 具身認知

[中圖分類號] G434 ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] A

[作者簡介] 王辭曉（1992—），女，吉林白山人。講師，博士，主要從事互聯(lián)網(wǎng)+教育、數(shù)字化學習、具身認知研究。E-mail：wangcixiao@bnu.edu.cn。

一、研究背景

近十年來，科學教育日益受到社會各界的重視。2011年，教育部頒布了小學、中學《科學課程標準》（修訂稿），指出科學課程應以探究為核心，探究既是目標，也是主要的學習方式。美國下一代科學標準（NGSS 2013）指出，應將實踐整合到科學教學內容中[1]。2017年，教育部通過《義務教育小學科學課程標準》，強調了實驗教學的重要性，要求學校加強對探究過程的指導，注重引導學生動手與動腦相結合。在科學教育中，實驗探究一直扮演著重要的角色[2]。上手活動（Hands-on Activities）是傳授科學概念、開展實驗探究的重要教學方法[3]。通過上手活動進行科學探究實驗，離不開教具的支持和應用。

虛擬教具通常由模擬實體教具開發(fā)而來，能夠通過互聯(lián)網(wǎng)或軟件進行獲取。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及、數(shù)字校園的建設以及移動設備在學校環(huán)境中的應用，虛擬教具的易獲取性使其在科學課堂中得到廣泛應用[4]。2020年1月，為保障我國新冠疫情防控期間的教學工作，教育部提出“停課不停教、不停學”方案，并開放優(yōu)質網(wǎng)絡教育資源與平臺供學校組織在線教學。其中，國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺、國家級虛擬仿真實驗教學中心為各級學校學科實施在線探究活動提供了豐富的虛擬教具資源。具身認知（Embodied Cognition）強調身體及其經驗對認識過程的重要作用，這與教具操作的上手經驗密切相關。從具身認知視角分析教具對認知的作用，并梳理實體教具與虛擬教具的對比研究，能夠加深對虛擬教具的相關理論基礎與教學實踐的理解，并從研究思路與方法上為領域研究和實踐提供啟示。

二、具身認知理論與教具學習過程

20世紀80年代，以具身認知為代表的第二代認知科學逐漸發(fā)展起來，身體及其感知覺經驗對認知的作用開始受到關注[5]。從具身認知的視角來看待教具對認知過程的作用，需考慮到該理論的跨學科、多領域交叉的特點。在具身認知相關理論中，認知發(fā)展理論、知覺符號系統(tǒng)理論、嵌入式認知理論能夠用來解釋教具對學習者認知過程的作用。

（一）認知發(fā)展與交互行為

具身認知強調身體及其與環(huán)境的交互經驗對于認知的作用，這一觀點主要受到了皮亞杰的認知發(fā)展理論的影響。皮亞杰的認知發(fā)生論將兒童智力發(fā)展劃分為四個連續(xù)的階段，即感覺運動階段（0～2歲）、前運算階段（2～7歲）、具體運算階段（7～12歲）和形式運算階段（12～15歲）[6]。具體運算階段，兒童進行的運算是有限的，需借助具體事物或過程進行思維，不能進行語言假設。形式運算階段的兒童則能用語言假設進行想象，在頭腦中解決問題，思維不再依賴具體事物。換言之，兒童最初是通過感覺運動行為來與周圍的環(huán)境進行交互，進而了解符號表征，最終對抽象信息執(zhí)行正式的操作。

在認知發(fā)展領域中，維果斯基也指出身體與環(huán)境的交互會影響思維，并指出高階思維是最初身體活動的內化[5]。布魯納也強調交互在學習中的作用，認為學習發(fā)生在物體操作的過程中，由此產生對物體的心理表征[3]?？偟膩碚f，通過交互中的感知覺經驗，教具所呈現(xiàn)的外在表征使學習者獲得了對概念的心理表征[3]。相關研究也表明，教具的交互特征能夠幫助學生有效地進行認知投入，從而提高學習成效[7]。此外，即便是處于形式運算以后的認知發(fā)展階段，教具的交互特征也能夠通過下面將要介紹的知識表征、在線交互、離線認知來發(fā)展人的思維。

（二）知覺符號與知識表征

表征是信息在心智中的存在方式，知識表征是認知科學的核心問題[8]。受物理符號系統(tǒng)（Physical Symbol Systems）理論關于大腦計算機隱喻的影響，傳統(tǒng)認知科學認為，認知過程只是進行輸入、編碼、存儲等符號運算的信息加工過程[9]，忽視了身體對概念意義獲得的作用。知覺符號系統(tǒng)（Perceptual Symbol Systems）理論[10]是具身認知關于知識表征的代表性理論。該理論認為，概念表征保留了概念意義獲得過程中個體與世界交互時的感知覺痕跡[10]。對事物的表征是以多模態(tài)信息的形式在大腦中存儲的，包括了人在經驗某類事物時聽覺、觸覺、味覺等模態(tài)的編碼[11]。該理論還強調模擬對認知的作用，模擬是重新執(zhí)行過去在物理世界中獲得的感覺運動經驗。在這些經驗中，大腦激活模式涉及多種模態(tài)，隨后被整合到記憶的多模態(tài)表征中;當從記憶提取經驗時，多模態(tài)表征便被激活。[10]

人類關于物體的表征不僅包含視聽覺等特征，還包含與物體相關的操作動作，即操作動作表征。操作動作表征分為結構性（Structure-based）操作和功能性（Function-based）操作[12]：結構性操作是對物體進行在線加工，依靠的是當前物體提供的視覺和空間信息;功能性操作需要從長時記憶和概念系統(tǒng)中提取信息，依靠物體的使用經驗，提取使用物體的動作特征，是對物體進行離線加工?？偟膩碚f，從知覺符號系統(tǒng)理論的觀點來看，學習者在操作教具時獲得的感知覺經驗是多模態(tài)的，且在記憶中存儲的信息也是多模態(tài)表征的，記憶整合了身體經驗，執(zhí)行身體動作有助于激活相關記憶。

（三）嵌入環(huán)境的在線交互

嵌入式認知（Embedded Cognition）理論認為，認知活動不是簡單的內部過程，而是涉及大腦、身體和環(huán)境的持續(xù)性狀態(tài)轉換（Transactions）[13]。嵌入式認知認為，有效的學習取決于學生如何協(xié)調認知活動，從而使身體和環(huán)境資源相適應;認知是由外在的人工制品和認知過程（External Artifacts and Cognitive Processes）供給和約束的（Afford and Constrain）[13]。在一段對話中記錄筆記、使用手指來計數(shù)、詢問他人以使自己回憶起某事、借助某個建筑物來認路，是嵌入式認知的常見實例，即個體身處環(huán)境并與環(huán)境進行“在線”交互。

嵌入式認知認為，外部環(huán)境可以作為外部的工作記憶，環(huán)境與學習者之間的交互會改變認知過程[14]。例如，在紙筆可用的情況下進行思考，可能會與僅在頭腦中思考有截然不同的認知過程。認知系統(tǒng)傾向于通過使用外部資源來管理工作記憶，對外部環(huán)境進行操作，有助于提升任務表現(xiàn)。人工制品塑造了學習者的認知狀態(tài)，通過教具進行學習，涉及外部人工制品與認知過程的耦合。教具的知覺和交互豐富性是一種重要的學習資源，使學習者以特定的方式與環(huán)境進行交互，從而有效地將學習者的認知活動嵌入環(huán)境中，從而減輕認知負荷[14]。

交互的性質決定著認知過程和學習的展開方式。例如，相比于傳統(tǒng)的多媒體學習材料，虛擬教具能夠使學生更好地理解和專注于學習內容[15]。相比于使用鼠標進行的虛擬操作，傳統(tǒng)的物理操作和可觸控的虛擬操作能夠帶來更多的與任務相關的認知行為[3，16]。Pouw等人指出，嵌入式學習中的知覺特征與交互的可能性有直接關系[14]。教具交互功能的豐富性能夠促進學生對教具可操控性的知覺。同時，教具的感知和交互特征能夠在何種程度上供給嵌入式學習，與學習者能夠執(zhí)行的動作以及能夠知覺到的行動可能性有關[14]。

（四）具身經驗的離線認知

教具的應用涉及個體與環(huán)境的“在線”交互，也與先前感覺運動經驗在“離線”認知活動中的作用有關[14]。嵌入式認知強調與環(huán)境“在線”的交互，具身認知則關注身體如何塑造非嵌入式的“離線”認知[14]。在學習科學領域，嵌入式認知的一些觀點會被納入具身認知理論之中，意在強調“在線”和“離線”對認知過程的解釋作用是互補的[17]。離線，指學習者不處于身體直接經驗的情境中，盡管教具不在場，學習者對抽象概念的理解也依賴于先前情境中獲得的感知經驗。傳統(tǒng)認知觀點認為，在一個情境中習得的知識轉化到另一個情境，取決于一套復雜語義規(guī)則的建立，是從直接的感覺運動狀態(tài)和環(huán)境中去情境化實現(xiàn)的[14]。然而學習并不是去情境化的，杜威指出，個體所處環(huán)境中不包括所討論的事物，但個體也能夠與想象中的事物或情境進行交互，而想象則依賴于最初的身體經驗[18]。

具身認知認為，知識是建立在感覺運動慣例（Sensorimotor Routines）和經驗中的，先前交互中的感覺運動信息能夠被內部認知過程重新利用。學習遷移并不依賴于去情境化知識，而是對先前的感覺運動經驗的內化，這種經驗正是由知覺和交互的豐富性所提供的[14]。例如，先前大量的使用算盤的感覺運動經驗能夠實現(xiàn)充分的心理模擬，使得算盤專家也可以不需要外部支持（沒有算盤的情況下）便實現(xiàn)計算。成功的學習遷移中，教具的目的是當教具不在場時，個體仍能進行思維的建構，這種建構并不是去情境化的;在這種情況下，嵌入式交互轉為具身交互，并發(fā)展了離線思維[14]。

具身知識內化的發(fā)展過程是循序漸進的。例如，前面提到的算盤使用，從新手到專家經歷了從依賴外部資源到依憑內部資源的轉換過程。外部資源逐漸內化的過程取決于學習者的“表征穩(wěn)定性”，即在心理上（Mentally）替代外部結構的能力，例如，低空間能力者更需要外部支持來維持表征穩(wěn)定[14]。從新手到專家，是外在支持逐漸消退的過程，這一過程依賴于主體維持的內部表征穩(wěn)定性[14]?？偟膩碚f，學習者通過使用教具能夠獲得相應的感知覺經驗，從而形成對概念和知識的多模態(tài)表征;當教具不在場時，學習者的知識理解、記憶保持、學習遷移則依賴于先前操作教具所獲得的感知覺經驗。

三、虛擬教具與實體教具的典型研究

實體教具（Physical Manipulative，PM）是指由實物材料或工具設備構成的可供操作的教學工具。虛擬教具（Virtual Manipulative，VM）則是指模擬實體教具而設計開發(fā)的、需通過網(wǎng)絡或軟件進行加載、可供操作的教學工具[19]。虛擬教具也被稱作教學模擬（Instructional Simulation），指用于教學的、動態(tài)的、可計算的交互模型或系統(tǒng)，模型的狀態(tài)取決于學生對它的操作或計算行為[20]。受傳統(tǒng)實體教具資源有限、可操作性易受干擾等因素的影響，能夠規(guī)避危險、具有實驗可重復靈活性的虛擬教具逐漸發(fā)展起來[4]。為探討虛擬教具與實體教具對探究學習的作用及差異，本研究對同時關注二者的相關實驗研究進行了梳理。

（一）虛擬教具與實體教具的對比研究

學者們對VM和PM的教學效果進行了比較研究。一些研究表明，VM能夠取得和PM同樣好的教學效果。例如，Zacharia和Olympiou以“熱量與溫度”為學習內容，對115名物理學本科生進行了教育實驗，PM組使用實體教具，VM組使用虛擬教具。學生2～3人一組進行為期四周、每周學習時長1.5小時的合作學習。研究結果表明，VM與PM能夠在概念理解層面同等程度地提高學生的學習成效[21]。再如，Yuan等人以“多方塊組合”為主題讓60名八年級初中生開展總時長130分鐘的合作學習，后測表明，VM組能夠使學生取得與PM組同樣好的學習成效[22]。

一些研究則發(fā)現(xiàn)VM比PM教學效果更好。例如，Klahr等人對56名七年級和八年級初中生進行以“小車組裝和動力測試”為學習內容的2×2對照實驗。實驗對象隨機分為四個組：規(guī)定操作時間的條件下，使用PM和使用VM;規(guī)定組裝小車數(shù)量的條件下，使用PM和使用VM。該研究發(fā)現(xiàn)，在固定時間的條件下，VM組學生能夠組裝并測試更多數(shù)量的小車;在規(guī)定組裝6輛小車的條件下，VM組學生比PM組學生花費時間更少[23]。此外，Yuan等人的研究也發(fā)現(xiàn)，相比于PM組，VM組的注意力程度更高，并且制定出采用符號來記錄結果的策略[22]。Zacharia和Michael則通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，相比于VM的眾多優(yōu)點，PM僅僅在幫助學生獲得和發(fā)展物理操作技能上有優(yōu)勢[24]。

另一些研究發(fā)現(xiàn)PM教學效果優(yōu)于VM。例如，Marshall和Young讓物理學本科生開展了以“物理碰撞”為主題的探究活動。學生3人一組先使用PM再使用VM進行總時長為75分鐘的合作探究。該研究還選取一個代表性的小組進行視頻錄制與編碼分析。研究發(fā)現(xiàn)，當小組從PM轉換到VM時，他們的注意力從實驗設計轉移到了處理系統(tǒng)反饋上，這阻礙了學生通過行動迭代得出結論的改進過程。此外，VM并非像預想得那樣能夠快速、便捷、準確地幫助學生獲得測量結果，相反學生花費了約兩倍于PM的操作時間在處理他們不夠熟悉的VM系統(tǒng)上[25]。

總的來說，VM與PM教學效果差異的研究結論不盡相同，很大程度上是因為二者的功能存在差異[2]。具體而言，VM的優(yōu)勢有：觀察現(xiàn)實生活中無法觀察的現(xiàn)象，增強實驗現(xiàn)象（如增加矢量表征）;可重復進行精確測量和操作，規(guī)避實驗風險;簡化或省去耗時步驟、提供快速操作，使得學生在概念理解上能夠分配更多的時間[24，26-27]。PM的優(yōu)勢有：提供真實的操作體驗和實驗經驗，感知和體驗物體的特質，培養(yǎng)使用特定材料和設備的動作技能[2，14，26]。此外，從認知負荷理論來看，VM對PM模擬程度也會對學習效果產生影響[20]，例如，低保真模擬的VM會減少無關細節(jié)信息，從而降低學習者認知負荷，而高保真模擬的VM則會增加無關認知負荷[26]。

（二）虛擬教具與實體教具的混合應用

除了前面提到的VM和PM的對比研究，學者們還對VM和PM的混合應用進行了大量的研究。一些研究開展了關于VM和PM使用順序的探索。例如，Zacharia等人讓實驗組先使用PM再使用VM（PM→VM），對照組僅使用PM，在熱和溫度兩個主題的探究活動中，PM→VM組在概念理解上均顯著優(yōu)于PM組[27]。該研究指出，VM不僅具有與PM同等的交互特征，還能夠提供更快速的操作，且VM的這種優(yōu)勢不受探究內容的影響[27]。相關研究也表明，PM→VM組的學習效果優(yōu)于PM組[24，26，28]。其中，Zollman等人在研究中指出，PM→VM順序能夠讓學生先經歷對PM的實際觀測，再通過VM建立心理模型（Mental Model），因而會比單獨使用PM效果更好[28]。此外，Winn等人指出，當學習內容需要放置在特定情境中時，PM→VM設計能夠使學生獲得一定的先前經驗[29]。

也有研究探索了先使用VM再使用PM（VM→PM）的順序設計。例如，Wang和Tseng將208名三年級小學生分成VM組、PM組、VM→PM組。研究發(fā)現(xiàn)，在知識獲取層面，VM→PM組和VM組均顯著優(yōu)于PM組，且VM→PM組與VM組取得了同樣好的效果;在概念理解層面，VM-PM組比VM組或PM組效果更好[30]。Jaakkola和Nurmi的研究設計了VM組、PM組、VM→PM組，研究發(fā)現(xiàn)，VM→PM組在概念理解方面顯著優(yōu)于VM組，而PM組在三組中得分最低[31]。Zacharia和Anderson在研究中發(fā)現(xiàn)，當PM涉及較為復雜的系統(tǒng)操作或現(xiàn)象時，應使用VM→PM的順序設計，因為先使用低保真度的VM能夠讓學習者更聚焦于所學內容及特征[32]。

Kapici等人則設計了更為復雜的VM與PM混合應用形式，對來自四個班級143名七年級初中生進行了三組電路實驗。該研究將電路知識分為三個部分，四個班級的教具使用順序分別為PPP、PPP、VPV和PVP，其中P代表PM，V代表VM，字母順序代表三個實驗中各班的教具類型。研究發(fā)現(xiàn)，VM與PM的混合形式（VPV和PVP）均能夠取得比單獨使用VM或PM形式更好的學習效果，但這兩種混合順序并無顯著性差異[33]。Toth等人也對比了VM→PM和PM→VM兩種順序設計，發(fā)現(xiàn)在概念理解測試中PM→VM組和VM→PM組無顯著差異[34]。

還有研究對同時使用VM和PM進行了探索，例如，Olympiou和Zacharia的研究中，學生可以在PM和VM中隨時切換（PM&VM）[2]。也有研究整合了VM和PM功能，例如，Ha和Fang以“空間可視化技能中的心理旋轉”為學習內容，設計了整合VM和PM的組合型教具VPM。在VPM系統(tǒng)中，PM中置入了傳感器，當學生轉動PM時，電腦屏幕會對應顯示相應空間角度的VM及其各項空間數(shù)值。該研究中63名八年級初中生通過VPM進行合作學習，結果表明，VPM能夠有效提高學生的心理旋轉技能，并且態(tài)度問卷和訪談都顯示，相比于單獨使用VM或PM，學生更喜歡VPM這種組合形式[35]。再如，Abrahamson等人設計了數(shù)學比例形象化訓練器MIT-P，幫助學生開展具身學習活動。學生移動手持傳感器的同時，MIT-P系統(tǒng)能夠實時反饋兩手的位置并作出相應反饋[36]。

由上述研究可知，VM和PM的混合應用大多優(yōu)于單獨使用VM或PM。VM和PM混合應用中二者能夠發(fā)揮如下作用：PM能夠讓學生更全面地體驗科學探究過程（如真實科學實驗測量中存在的誤差），并發(fā)展相應的應對能力;VM能夠減少無關信息的干擾，使學生通過精確測量和易重復的操作，快速地總結實驗規(guī)律。

四、權衡選擇：具身認知的視角

前文提到的研究大多發(fā)生在實驗情境下，尤其是VM與PM的混合應用。真實教學情境下考慮到時間和資源成本，教師通常會在VM和PM之間進行選擇[37]，而較少混合應用VM和PM。那么在VM及相應硬件設備可用的情況下，教學設計人員應如何對二者進行權衡選擇？下文將從具身認知理論出發(fā)，對VM和PM涉及的認知過程作進一步分析，以探討真實教學情境中的選擇與設計。

（一）虛擬教具對實體教具的替代

盡管具身認知的相關觀點關注學習者對教具的操作經驗及相應的知識表征，但這并不代表這些經驗必須從實體操作中獲得。算法啟發(fā)式教學法的創(chuàng)建者Landa認為，知識分為三種類型：圖像（Images）、概念（Concepts）和命題（Propositions）[38]。圖像指事物在大腦中的形象表征，例如，當提到三角形時，頭腦里關于它的心理圖像;概念指描述一個對象的特征的知識;命題則指對象之間的關系，如定義、公理、假設、法律、規(guī)則。算法啟發(fā)式教學法關注處方式教學，因而強調學習過程中的操作（Operation）。操作具體分為物理操作和認知操作。前者指對事物（實體或虛擬）的操作，后者指在大腦中對圖像、概念、命題進行操作。兩種操作都涉及對象、屬性、元素和關系的真實轉換（Transformation）。例如，無論我們是通過教具還是在大腦中進行三角形的翻轉，三角形的形狀、大小和其他屬性都會發(fā)生相應的變化。算法啟發(fā)式教學法關于圖像、概念、命題的物理操作和心理操作，與具身認知理論所強調的多模態(tài)表征、感知運動能力密切相關。

Martin和Schwartz的物理分布式學習（Physically Distributed Learning）理論認為，認知存在于個體與其他認知組成部分的交互之中[39]。該理論中的“物理”是相對于無法進行操作（如只能通過紙筆構想或心理操作的情況）而言，與算法啟發(fā)式教學法中的物理操作和認知操作類似。本文所指的“實體”和“虛擬”均能夠使學習者對相應教具進行操作，使認知分布于大腦以外的身體與物理環(huán)境中。Martin和Schwartz通過多輪實驗證實，相比于畫圖，物理操作能夠使兒童進行開放式的物理交互和自主探索，幫助兒童更好地理解分數(shù)問題[39]。Manches和Price基于物理分布式認知理論指出，伴隨著身體動作的物理操作，尤其是上手參與，能夠幫助學生調動先前的感知經驗，更好地理解概念[40]。這種上手經驗不僅是在PM操作時會獲得，Looi等人研究發(fā)現(xiàn)使用VM所涉及的上手或手勢等具身參與同樣有助于學生獲得感知經驗，使小組成員能夠進行充分的信息協(xié)商與意義建構[41]。

從具身認知角度來看，教具的意義在于“感覺運動信息能夠使知覺符號在任務情境中工作”，因而VM和PM的區(qū)別并不大[14]。Pouw等人指出，教具的物質性不是最重要的，可操作性和意義性才使其具有教學有效性[14]。前人研究表明，操作實物并不是學習特定技能的先決條件，操作屏幕上的對象與操作實物的效果一樣好[42]。盡管具身認知理論認為PM提供的觸覺信息有助于概念知識的發(fā)展[43]，但PM這一特征僅對學前兒童有積極作用，尤其是對質量概念有曲解的或者之前沒有經驗的兒童[14]。此外，只有在視覺模態(tài)的信息無法輕易起作用時，PM才有優(yōu)勢。例如，讓學生感知體積相同、密度不同的物體在重量上的差別[14]?？梢?，在多數(shù)情況下，PM是可以被VM替代的。

（二）虛擬教具對實體教具的超越

探討VM和PM對認知過程的影響，不僅要關注教具的物理操作，更要關注教具如何影響學習者的心理操作能力，使其獲得在沒有教具參與時的關于事物的心理表征和操作。對于心理操作能力，Manches等人指出，VM能夠幫助學生更好地感知整體和部分的關系，PM則能夠讓學生感知可換性（Commutativity），即子部分之間功能或位置轉換[44]。但如果學生不能夠充分理解教學情境，那么PM難以發(fā)揮作用[44]。VM則恰恰能夠通過精心設計的提示與反饋，幫助學生更好地在情境中獲得概念表征的意義。在真實的教學情境中，采用PM時需要教師及外部學習材料（如紙質版實驗單）的引導。VM則能夠將外部引導或者認知支架嵌入教具交互功能中，并隨著學生所獲心理表征趨于穩(wěn)定，逐漸弱化或去除支架。這一點是PM無法超越的，然而將PM與VM進行順序設計或功能整合的混合應用成本卻過高。此外，前面提到盡管PM能夠讓學生經驗實體操作，但低保真模擬的VM減少了無關細節(jié)的干擾又易于多次操作，能夠讓學生更快地發(fā)展心理表征。幫助學生發(fā)展關于科學或數(shù)學概念的動態(tài)心理圖像，才是進行思維教學的深層目的。VM能夠增強實驗現(xiàn)象，幫助學生獲得PM無法提供的知覺體驗，如透視、放大、動態(tài)演示等，這些知覺信息更易于發(fā)展學生的離線認知和學習遷移。

VM為學生提供了可交互的、參與式的、即時性的反饋，不僅使學生能夠快速地進行實驗，還讓學生獲得更高的獨立性，自定步調進行實驗操作[4]。具身認知理論強調個體通過“知覺—行動循環(huán)”與環(huán)境互動，通過虛擬實驗操作學生能夠獲得反饋來強化、拓展或重構圖式[45-46]。VM提供的獨立性并不意味著操作完全不受約束。精心設計的限制與約束實質上是行動的資源，促使學習者沿著有效的非線性路徑行動[36]。學生使用VM時會比使用PM時更少地出現(xiàn)無關操作，這是因為相比于PM的非限制情境（如光的折射探究活動中，學生可能會使用實體激光筆進行與學習無關的操作），VM的限制性交互（學生只能夠通過虛擬激光筆在有限范圍內操作）能夠更高效地解決問題[47]。Pouw等人依據(jù)具身認知理論指出VM的兩個設計重點：硬約束（Hard Constraints）和軟約束（Soft Constraints）[14]。硬約束指VM功能特征決定的交互方式;軟約束指這些特征在學習者行動過程中如何提供可能性，即可供性（Affordance）。例如，相比于鼠標操作的VM，觸摸屏保留了一定程度的物理交互，有助于學生在數(shù)字化環(huán)境中獲得知覺信息[3，14]?？偟膩碚f，從心理表征和操作的發(fā)展方面來看，VM所能夠提供的漸隱式認知支架、現(xiàn)象增強及動態(tài)演示以及有效約束下的非線性探究路徑，能夠為學生提供超越PM的學習體驗與效果。

五、關注過程：超越顯著性差異

貝茨曾指出，教育研究中統(tǒng)計學意義上的“顯著性差異”似乎無法全面地揭示差異的原因，而教學過程的復雜性有助于解釋特定技術對學習成效的影響[48]。大部分關于VM和PM的研究僅停留在概念理解和技能獲取層面[24，26-27，30，33，35]。這些研究從學習效果層面證明了VM和PM的組合要顯著好于單獨使用VM或PM，并將其歸因為兩者功能的互補上[26，33]，但探究過程中學生的具體交互行為卻很少被關注。下面將基于前人的研究以探討如何開展教具的相關研究，更好地為真實教學情境提供設計參考。

在少量關注學習過程的研究中，視頻分析被用于VM與PM在合作探究中的效果研究。Wang和Tseng的研究中，來自三個班級的55名六年級小學生被隨機分配到三種實驗設置中：PM組、VM組、PM&VM組，進行為期三周、每周80分鐘的合作探究學習。除前后測學習效果數(shù)據(jù)外，該研究從三個班級各隨機選擇一個小組錄制視頻。研究發(fā)現(xiàn)，PM&VM組在概念理解和電路搭建方面顯著好于PM組和VM組，但該研究并沒指出視頻數(shù)據(jù)如何被用來支持這一研究發(fā)現(xiàn)[30]。Zacharia和Michael則基于扎根理論對視頻中學生的對話和行為進行了開放式編碼，通過分析發(fā)現(xiàn)，VM是使PM&VM組具有顯著優(yōu)勢的主要原因：VM為學生提供了更快的操作，使學生能夠進行更多的嘗試，進而高效地利用探究時間;VM易觀測的反饋也有助于學生的概念理解。而PM在PM&VM組中的作用僅僅表現(xiàn)為：為學生提供真實的操作體驗，有助于學生進行實體電路的搭建。但PM所提供的這種真實經驗，使得學生在實驗過程中經歷更多“混亂”，學生不得不在過程問題上投入更多時間，分散了學生對概念理解的注意力[24]。該研究僅對錄制視頻中的部分對話及行為進行了編碼，并且未給出編碼表和相關編碼數(shù)據(jù)，視頻分析僅為結論得出起到輔助作用。

Olympiou和Zacharia的研究基于前人對科學探究過程的編碼研究，根據(jù)實際視頻數(shù)據(jù)，編制了名為“探究周期（Inquiry Cycle）”的編碼表。該編碼表包含8個類別：預測、實驗搭建、直接觀察、解釋、檢查點（Checkpoints）的師生對話、教師干預后的師生對話、學生提問時的師生對話、不相關內容[2]。Olympiou和Zacharia以15名本科生為研究對象，進行為期兩周的合作探究，每周開展1.5小時的面對面探究活動。在探究活動中，實驗組可同時使用PM和VM，對照組則僅能使用PM進行學習。研究者對學生發(fā)言進行編碼，對各組的探究周期進行分析后發(fā)現(xiàn)，實驗組中學生之間、學生與教師之間關于實驗現(xiàn)象的討論時間更長，使用實驗工具和實驗單的時間也長于對照組;實驗組還能夠借助VM在實驗單上列出多種實驗設計，再展開實驗;實驗組比對照組進行了更多輪的實驗探究，從而獲得了更多可供分析的數(shù)據(jù);實驗組能夠在PM和VM中隨時切換，使得學生既能夠從PM中獲得真實體驗，又能夠通過VM進行精確的實驗探究[2]?？梢?，通過編碼表對合作過程視頻進行分析，能夠較為清晰地描繪科學探究中的交互行為。但該研究僅對發(fā)言類型和時長分布進行了描述分析，并未深入分析交互內容的因果關聯(lián)。這說明該領域還有待開發(fā)更為細致地描繪合作過程中個體與人工制品之間、個體之間互動行為的編碼表。

總的來說，該領域的大部分研究是使學生以小組為單位進行學習的[22，26，30]，但較少關注教具使用過程中的小組交互及認知參與。少部分關注小組互動過程的研究，尚停留在對個體間互動頻次或類型的統(tǒng)計層面上，并未探討互動內容及行為間的關聯(lián)，也尚未關注互動背后的社會文化因素和個體以及群體認知的協(xié)調參與。此外，盡管合作學習不需要教師的直接監(jiān)督，但教師在小組活動中的角色仍非常重要，例如，在活動中的適當節(jié)點處與學生對話[2]。Abrahamson等人也指出，教師在具身交互學習環(huán)境中發(fā)揮著重要支持作用[36]。因此，在對視頻進行多模態(tài)會話分析時，也應將教師與學生的互動進行編碼。此外，教具能促進同伴間交互和知識建構[37]，還需要結合社會文化等認知發(fā)展因素對互動過程和認知協(xié)調作深入分析。

六、結 ? 語

本文首先指出了教具學習過程與具身認知相關理論的關聯(lián)性：認知發(fā)展理論強調個體與環(huán)境交互對概念理解的作用;知覺符號理論則認為操作教具時獲得的感知覺經驗是多模態(tài)的，且在記憶中存儲的信息也是多模態(tài)表征的;嵌入式認知關注使用教具時“在線”交互的感知覺經驗，教具不在場時的“離線”認知則反映了先前經驗對知識理解、記憶保持、學習遷移的作用。基于具身認知相關理論，絕大多數(shù)實體教具是能夠被虛擬教具所替代的，可操作性和意義性才是使教具發(fā)揮教學效用的關鍵。虛擬教具能夠從漸隱式認知支架、現(xiàn)象增強及動態(tài)演示、有效約束的非線性路徑等方面，實現(xiàn)對實體教具的超越。先前研究尚未在教具的可供性和學生的交互行為之間建立緊密聯(lián)系。未來研究應采用過程性、多模態(tài)學習分析，探討教具對學習遷移和認知發(fā)展的作用，并結合社會文化等認知發(fā)展因素對互動過程和認知協(xié)調進行分析。

[參考文獻]

[1] CROMPTON H， BURKE D， GREGORY K H， et al. The use of mobile learning in science： a systematic review[J]. Journal of science education and technology， 2016， 25（2）： 149-160.

[2] OLYMPIOU G， ZACHARIA Z. Examining students' actions while experimenting with a blended combination of physical manipulatives and virtual manipulatives in physics[M]// MIKROPOULOS T A. Research on e-learning and ICT in education. Cham：Springer International Publishing， 2018， 257-278.

[3] KONING B B D， TABBERS H K. Facilitating understanding of movements in dynamic visualizations： an embodied perspective[J]. Educational psychology review， 2011， 23（4）： 501-521.

[4] BOUCK E C， FLANAGAN S M. Virtual manipulatives[J]. Intervention in school and clinic， 2009， 45（3）： 186-191.

[5] 王辭曉. 具身認知的理論落地：技術支持下的情境交互[J]. 電化教育研究， 2018（7）： 20-26.

[6] 皮亞杰. 教育科學與兒童心理學[M]. 傅統(tǒng)先，譯. 北京： 文化教育出版社， 1981.

[7] PLASS J L， HOMER B D， HAYWARD E O. Design factors for educationally effective animations and simulations[J]. Journal of computing in higher education， 2009， 21（1）： 31-61.

[8] 皮連生. 教學設計——心理學的理論與技術[M]. 北京： 高等教育出版社， 2003.

[9] NEWELL A. Physical symbol systems[J]. Cognitive science， 1980， 4（2）： 135-183.

[10] BARSALOU L. Perceptions of perceptual symbols[J]. Behavioral and brain sciences， 1999， 22（4）： 637-660.

[11] GOLDMAN A， VIGNEMONT F D. Is social cognition embodied？[J]. Trends in cognitive sciences， 2009， 13（4）： 154.

[12] 於文苑，劉燁，傅小蘭. 可操作物體識別過程中的兩種操作動作表征[J]. 心理科學進展， 2018， 26（2）： 229-240.

[13] CLARK A. Supersizing the mind： embodiment， action， and cognitive extension[M]. New York： Oxford University Press， 2008.

[14] POUW W T J L， VAN GOG T， PAAS F. An embedded and embodied cognition review of instructional manipulatives[J]. Educational psychology review， 2014， 26（1）： 51-72.

[15] IBEZ M B， DI SERIO ， VILLARN D， et al. Experimenting with electromagnetism using augmented reality： impact on flow student experience and educational effectiveness[J]. Computers & education， 2014， 71（2）： 1-13.

[16] ANTLE A N. Exploring how children use their hands to think： an embodied interactional analysis[J]. Behaviour & information technology， 2013， 32（9）： 938-954.

[17] WILSON M. Six views of embodied cognition[J]. Psychonomic bulletin & review， 2002， 9（4）： 625-636.

[18] 杜威. 我們怎樣思維·經驗與教育[M]. 姜文閔，譯. 北京： 人民教育出版社， 2005.

[19] MOYER P S， BOLYARD J J， SPIKELL M A. What are virtual manipulatives？[J]. Teaching children mathematics， 2002， 8（6）： 372-377.

[20] GIBBONS A S， MCCONKIE M， SEO K K， et al. Simulation approach to instruction[M]// REIGELUTH C M， CARR-CHELLMAN A A. Instructional-design theories and models， volume III： building a common knowledge base. New York：Routledge， 2009， 167-191.

[21] ZACHARIA Z C， OLYMPIOU G. Physical versus virtual manipulative experimentation in physics learning[J]. Learning and instruction， 2011， 21（3）： 317-331.

[22] YUAN Y， LEE C Y， WANG C H. A comparison study of polyominoes explorations in a physical and virtual manipulative environment[J]. Journal of computer assisted learning， 2010， 26（4）： 307-316.

[23] KLAHR D， TRIONA L M， WILLIAMS C. Hands on what？ The relative effectiveness of physical versus virtual materials in an engineering design project by middle school children[J]. Journal of research in science teaching， 2007， 44（1）： 183-203.

[24] ZACHARIA Z C， MICHAEL M. Using physical and virtual manipulatives to improve primary school students' understanding of concepts of electric circuits[M]// RIOPEL M， SMYRNAIOU Z. New developments in science and technology education. Switzerland：Springer， 2016， 125-140.

[25] MARSHALL J A， YOUNG E S. Preservice teachers' theory development in physical and simulated environments[J]. Journal of research in science teaching， 2006， 43（9）： 907-937.

[38] LANDA L N. The algo-heuristic theory of instruction[M]//REIGELUTH C M. Instructional-design theories and models： an overview of their current status. London：Routledge， 1983： 163-208.

[39] MARTIN T， SCHWARTZ D L. Physically distributed learning： adapting and reinterpreting physical environments in the development of fraction concepts[J]. Cognitive Science， 2005， 29（4）： 587-625.

[40] MANCHES A， PRICE S. Designing learning representations around physical manipulation： hands and objects[C]. New York：ACM， 2011.

[41] LOOI C K， SONG Y， YUN W， et al. Identifying pivotal contributions for group progressive inquiry in a multimodal interaction environment[M]//SUTHERS D， LUND K， ROS C， et al. Productive multivocality in the analysis of group interactions. Computer-supported collaborative learning series. Boston：Springer， 2013： 15， 265-289.

[42] GLENBERG A M， GOLDBERG A B， ZHU X. Improving early reading comprehension using embodied CAI[J]. Instructional science， 2011， 39（1）： 27-39.

[43] DE JONG T， LINN M C， ZACHARIA Z C. Physical and virtual laboratories in science and engineering education[J]. Science，2013， 340： 305-308.

[44] MANCHES A O， MALLEY C， BENFORD S. The role of physical representations in solving number problems： a comparison of young children's use of physical and virtual materials[J]. Computers & education， 2010， 54（3）： 622-640.

[45] FUSTER J. Upper processing stages of the perception-action cycle[J]. Trends in cognitive sciences， 2004， 8（4）： 143-145.

[46] 沈夏林，楊葉婷. 空間圖式：沉浸式虛擬現(xiàn)實促進地理空間認知[J]. 電化教育研究， 2020， 41（5）： 96-103.

[47] SSTULL A T， BARRETT T， HEGARTY M. Usability of concrete and virtual models in chemistry instruction[J]. Computers in human behavior， 2013， 29（6）： 2546-2556.

[48] 托尼·貝茨. 技術、電子學習與遠程教育[M]. 祝智庭，等譯. 上海： 上海高教電子音像出版社， 2008.