管玨琪 張悅 吳哲 陳宇峰 張堅(jiān)勇

[摘? ?要] 論證教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的學(xué)習(xí)，論證教學(xué)的充分開展有待于優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施。研究者已指出，適宜的教學(xué)策略和互動(dòng)技術(shù)能進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。研究將VR整合于科學(xué)論證教學(xué)，并應(yīng)用于七年級(jí)“科學(xué)”課中“地球與宇宙”單元，開展準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究以探究該方法對(duì)初中生科學(xué)學(xué)習(xí)的影響。兩個(gè)班80名七年級(jí)學(xué)生參與本次實(shí)驗(yàn)，其中，一個(gè)班級(jí)的40名學(xué)生為實(shí)驗(yàn)組，使用基于VR的方式展開學(xué)習(xí);另一個(gè)班的40名學(xué)生為控制組，在一般教室環(huán)境下開展論證式學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整合VR的科學(xué)論證教學(xué)更能促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解，有助于學(xué)生在論證過程中提供證據(jù)和反證，提升學(xué)生在論證學(xué)習(xí)過程中的集體效能、批判性思維傾向，而論證教學(xué)過程中使用VR并未顯著影響學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。研究將為VR應(yīng)用于科學(xué)教學(xué)提供參考和更多實(shí)踐證據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實(shí); 論證教學(xué); 科學(xué)概念學(xué)習(xí); 集體效能; 批判性思維傾向

[中圖分類號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 管玨琪（1986—），女，江蘇常州人。講師，博士，主要從事信息化教學(xué)創(chuàng)新研究。E-mail：guanjueqi2008@126.com。

一、引? ?言

概念學(xué)習(xí)是科學(xué)教育研究的核心內(nèi)容，初中科學(xué)教學(xué)內(nèi)容涉及物理、化學(xué)、生物、地理多個(gè)領(lǐng)域，其中，與地理相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容包羅萬象、概念抽象。如何促進(jìn)學(xué)生獲得和掌握科學(xué)知識(shí)，不斷重構(gòu)和發(fā)展對(duì)科學(xué)概念的理解是科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容之一。論證是學(xué)習(xí)科學(xué)概念的重要工具[1];已有研究一致表明，論證教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的學(xué)習(xí)。有效參與論證是表達(dá)概念理解的途徑，證實(shí)或證偽觀點(diǎn)的能力是建構(gòu)知識(shí)的基礎(chǔ)[2]。然而，科學(xué)論證教學(xué)并未得到充分開展[3]，如何優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施以促進(jìn)學(xué)生有效參與論證是科學(xué)論證教學(xué)關(guān)注的重要內(nèi)容[4]。

學(xué)者們指出，不同的互動(dòng)技術(shù)可以應(yīng)用于不同的教育活動(dòng)[5]。在眾多新興技術(shù)中，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)為獨(dú)特而有效的教學(xué)實(shí)施提供了契機(jī)。VR技術(shù)最早于20世紀(jì)90年代早期引入K-12和高等教育，近期VR已應(yīng)用于K-12中的英語、數(shù)學(xué)、科學(xué)等學(xué)科的教學(xué)。VR的應(yīng)用將為學(xué)習(xí)者提供主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，促進(jìn)主動(dòng)學(xué)習(xí)、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)等的開展[6]。如Chen等在STEM教育中實(shí)踐基于VR的主動(dòng)學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)10年級(jí)學(xué)生對(duì)抽象科學(xué)概念的理解和其他學(xué)習(xí)表現(xiàn)有所提升[7]。

VR技術(shù)為學(xué)習(xí)者擬真難以達(dá)到或體驗(yàn)的場(chǎng)景/活動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的直觀體驗(yàn);提供“沉浸、交互、構(gòu)想”的學(xué)習(xí)空間，實(shí)現(xiàn)與自然對(duì)象交互?？茖W(xué)教育中，這將促使學(xué)生更好地觀察科學(xué)現(xiàn)象，通過多維感知和身心參與，在實(shí)踐體驗(yàn)和互動(dòng)交流中提升對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解以及基于此經(jīng)驗(yàn)的反思，幫助學(xué)生深入開展論證。在此背景下，本研究將VR整合于科學(xué)論證教學(xué)，并在“科學(xué)”（七年級(jí)下冊(cè)）課中“地球與宇宙”單元展開應(yīng)用實(shí)踐，探討其對(duì)初中生科學(xué)學(xué)習(xí)的影響。具體研究問題包括：

（1）基于VR的科學(xué)論證教學(xué)是否有助于提高學(xué)生的科學(xué)概念學(xué)習(xí)效果？

（2）基于VR的科學(xué)論證教學(xué)是否有助于改善學(xué)生的科學(xué)論證表現(xiàn)？

（3）基于VR的科學(xué)論證教學(xué)是否對(duì)學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷、集體效能、批判性思維有積極影響？

二、文獻(xiàn)綜述

（一）科學(xué)論證教學(xué)

庫(kù)恩（Kuhn）于1933年首次提出“科學(xué)即論證”的觀點(diǎn)。2011年，美國(guó)頒布的科學(xué)教育文件《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨領(lǐng)域概念和核心概念》和課程標(biāo)準(zhǔn)《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》都傳遞了論證服務(wù)并促進(jìn)探究的教學(xué)構(gòu)想[8]。論證的本質(zhì)是一個(gè)利用資料和根據(jù)等證據(jù)以不斷消除主張的不確定性的、言語上的邏輯與推理過程[9]?？茖W(xué)論證教學(xué)主要是指在科學(xué)教學(xué)中突出“論證”特征的教學(xué)[3]，使學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家的論證過程來理解科學(xué)概念和科學(xué)本質(zhì)，并促進(jìn)其思維發(fā)展[10]。從表達(dá)形式上看，科學(xué)論證可以分為書面科學(xué)論證和口頭科學(xué)論證。

國(guó)際科學(xué)論證研究形成了多個(gè)具有指導(dǎo)性的科學(xué)論證實(shí)踐模式，如用于實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的ADI（Argument-Driven Inquiry，論證驅(qū)動(dòng)的探究）模式，適用于核心概念教學(xué)的PCRR（Present-Critique-Reflect-Refine，呈現(xiàn)—批判—反思—提煉）模式。這些實(shí)踐模式共有的顯著特征是促進(jìn)生生合作，引發(fā)多樣觀點(diǎn)[11]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在實(shí)踐已有的科學(xué)論證模式基礎(chǔ)上，也探索形成了比較典型的論證式教學(xué)操作程序，如王星喬等基于圖爾敏論證模型，整合社會(huì)建構(gòu)主義理論、論證理論和學(xué)習(xí)監(jiān)控理論提出的論證式教學(xué)模式的操作程序[10]。

論證教學(xué)已應(yīng)用于科學(xué)概念學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，并產(chǎn)生了積極影響。研究者提出科學(xué)論證教學(xué)能促進(jìn)科學(xué)概念的理解，提升探究學(xué)習(xí)的質(zhì)量和成效[11]?？茖W(xué)論證教學(xué)也將發(fā)展學(xué)生的批判性思維，提升學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)過程中的主體性。宋歌開展的一項(xiàng)元分析結(jié)果顯示，論證教學(xué)對(duì)學(xué)生科學(xué)概念學(xué)習(xí)具有高度的正向影響（效應(yīng)量為0.934），但論證教學(xué)對(duì)科學(xué)概念學(xué)習(xí)的影響效應(yīng)受教學(xué)時(shí)長(zhǎng)、教學(xué)模式、論證形式和學(xué)習(xí)環(huán)境等調(diào)節(jié)變量的影響[12]。在實(shí)際科學(xué)課堂中，科學(xué)論證教學(xué)還未能得到充分開展。而技術(shù)的發(fā)展為在課堂教學(xué)中開展論證教學(xué)提供了新的機(jī)會(huì)。

（二）VR與科學(xué)教學(xué)

VR是幫助用戶創(chuàng)建虛擬世界并獲得仿真體驗(yàn)的計(jì)算機(jī)環(huán)境，給予用戶沉浸式的交互體驗(yàn)。通過沉浸獲取的臨場(chǎng)感是教育中應(yīng)用VR的一項(xiàng)主要推動(dòng)力[13]。

科學(xué)教學(xué)中，VR可以擬真現(xiàn)實(shí)世界中無法抵達(dá)的場(chǎng)景，使得學(xué)習(xí)者參與抽象概念的虛擬觀察和自然交互，提升學(xué)習(xí)者對(duì)抽象事物的認(rèn)知與理解。已有研究提出，VR對(duì)教學(xué)形式創(chuàng)新有著較好的應(yīng)用前景;VR環(huán)境下的學(xué)習(xí)者被寄希望于轉(zhuǎn)變其學(xué)習(xí)方式[14]。例如：張影在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中應(yīng)用VR實(shí)踐游戲化教學(xué)[15];Southgate應(yīng)用深度學(xué)習(xí)概念框架，架構(gòu)基于VR的高中科學(xué)學(xué)習(xí)[16]。

已有研究表明，VR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用有著較好的效果[17]。Merchant等的一項(xiàng)元分析顯示，VR在K-12或高等教育領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)提升學(xué)習(xí)效果有著積極作用[18]。研究發(fā)現(xiàn)，科學(xué)教學(xué)中VR環(huán)境可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)科學(xué)概念的理解，例如：在Hansen等人的研究中，三維計(jì)算模型支持學(xué)生發(fā)展對(duì)動(dòng)態(tài)天文現(xiàn)象的科學(xué)合理的理解[19];在Sun等人的研究中，三維虛擬現(xiàn)實(shí)模型提高了小學(xué)生抽象科學(xué)概念的成績(jī)[20];在Kozhevnikov等人的研究中，沉浸式環(huán)境下的學(xué)生對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的概念理解較為深刻[21];代依伶[22]、柳瑞雪[23]的研究也發(fā)現(xiàn)，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)課堂能夠幫助學(xué)生更好地掌握科學(xué)知識(shí)。同時(shí)，科學(xué)教學(xué)中沉浸式虛擬環(huán)境能夠顯著增強(qiáng)學(xué)生的自我效能和集體效能[24]，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更積極地參與學(xué)習(xí)[25]。但VR應(yīng)用的積極影響也強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)策略的整合，正如Parong等的研究發(fā)現(xiàn)，添加生成性學(xué)習(xí)策略后，沉浸式虛擬環(huán)境才顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[25]。

三、基于VR的科學(xué)論證教學(xué)設(shè)計(jì)

圖爾敏論證模型的六個(gè)要素（主張、資料、根據(jù)、支援、限定詞和反駁）為論證過程提供了腳手架;王星喬等基于該論證模型構(gòu)建的論證式教學(xué)模式的操作程序包括：引入論題、獲取證據(jù)、闡釋主張、辯證主張、獲得結(jié)論，并將學(xué)習(xí)共同體的反思與評(píng)價(jià)（內(nèi)部監(jiān)控）放置在內(nèi)部中心，將教師的組織、引導(dǎo)（外部監(jiān)控）置于外圍[10]。而適用于概念教學(xué)的PCRR模式，主要有創(chuàng)建并呈現(xiàn)論點(diǎn)與論證過程、批判性討論、反思同伴建議和提煉四個(gè)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了持續(xù)論證氛圍的營(yíng)造和學(xué)習(xí)者概念理解過程的迭代提煉。本研究以上述操作程序?yàn)榭蚣埽螾CRR模式在概念教學(xué)中闡述與辯論主張階段的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，結(jié)合VR學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)獲取證據(jù)和闡述、辯論主張的支持，融合書面和口頭科學(xué)論證，形成如圖1所示的基于VR的科學(xué)論證教學(xué)過程。

教師“教”的活動(dòng)主要包括設(shè)計(jì)論證任務(wù)、課堂知識(shí)講解以及組織和引導(dǎo)論證活動(dòng)。論證任務(wù)指向科學(xué)概念學(xué)習(xí)過程中學(xué)生需完成的論證內(nèi)容，由教師基于科學(xué)現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)問題情境;組織和引導(dǎo)論證活動(dòng)是教師對(duì)學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)的外部監(jiān)控，包括調(diào)控課堂對(duì)話、反饋和延伸學(xué)生觀點(diǎn)、引導(dǎo)論證圍繞有意義的知識(shí)建構(gòu)持續(xù)進(jìn)行。

學(xué)生“學(xué)”的活動(dòng)主要包括科學(xué)論題引入、獲取證據(jù)、學(xué)生闡述主張、學(xué)生辯證主張和獲得結(jié)論。其中科學(xué)論題的引入主要是來自教師的論證任務(wù)。獲取證據(jù)中的“證據(jù)”主要來自基于沉浸式環(huán)境的觀察體驗(yàn)和自然交互，基于此經(jīng)驗(yàn)或理論的小組討論、自我反思，以及學(xué)生已有的科學(xué)知識(shí)等;同時(shí)，學(xué)生在此階段基于小組討論填寫任務(wù)單完成書面論證。在闡述主張、辯證主張階段，強(qiáng)調(diào)圖爾敏論證模型的六個(gè)要素，并凸顯PCRR模式中的前三個(gè)環(huán)節(jié)，即通過小組討論，班級(jí)討論的參與結(jié)構(gòu)，學(xué)生使用上述證據(jù)闡釋自己的觀點(diǎn)及其理由和反證，質(zhì)疑和評(píng)估他人的觀點(diǎn)。在該學(xué)習(xí)過程中，如果各小組在闡述主張階段已經(jīng)達(dá)成一致意見，并且教師也認(rèn)為達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)，可以直接進(jìn)入獲得結(jié)論階段[10]。

VR學(xué)習(xí)環(huán)境支持學(xué)習(xí)者獲取觀察體驗(yàn)、參與小組討論（如圖2所示）。硬件方面，為每一組學(xué)生至少提供兩個(gè)VR頭顯設(shè)備（Pico VR一體機(jī)）和支持與學(xué)習(xí)場(chǎng)景互動(dòng)的VR操作手柄。以“地球與宇宙”單元中的部分資源為例，借助頭顯設(shè)備，學(xué)生通過視角的選?。ǖ厍蛞暯?、太空側(cè)方視角）可以在太空中觀察發(fā)生日食時(shí)日、地、月三者之間的位置關(guān)系，了解發(fā)生不同類型日食時(shí)日、地、月三者之間的距離關(guān)系;可以使用VR操作手柄，觀察星球表面的信息點(diǎn)、探索星球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）研究樣本

實(shí)驗(yàn)的參與者是80名來自浙江某中學(xué)七年級(jí)兩個(gè)班的學(xué)生。研究中兩個(gè)班級(jí)隨機(jī)分為兩組：實(shí)驗(yàn)組中40名學(xué)生采用基于VR的科學(xué)論證方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，控制組中40名學(xué)生未借助VR，而是基于文本資料完成書面論證。兩個(gè)組中的學(xué)生隨機(jī)分成由4～5名學(xué)生組成的學(xué)習(xí)小組。為了避免授課教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，兩個(gè)組由同一位科學(xué)教師組織學(xué)習(xí)過程，而實(shí)驗(yàn)組有1位技術(shù)人員幫助學(xué)生使用VR系統(tǒng)。

（二）實(shí)驗(yàn)過程

“地球與宇宙”單元包括“太陽和月球”“月相”“日食和月食”“太陽系”等教學(xué)主題。這部分知識(shí)內(nèi)容抽象，教學(xué)過程中存在學(xué)生認(rèn)知阻礙大、教學(xué)手段單一、教學(xué)延伸困難等問題。根據(jù)教學(xué)實(shí)際，確定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排，見表1，教學(xué)主題實(shí)踐如圖1所示的設(shè)計(jì)。以“太陽系”一課為例，課堂教學(xué)實(shí)施過程為：教師導(dǎo)入課堂教學(xué)，并引入論題;學(xué)生基于教師提供的框架，借助VR收集資料以了解八大行星的特征，并小組討論形成主張，填寫書面論證任務(wù)單，同時(shí)對(duì)書面論證進(jìn)行評(píng)價(jià);隨后，在教師的組織、引導(dǎo)下，學(xué)生結(jié)合VR體驗(yàn)闡述、辯論主張，從而獲得結(jié)論、修改書面論證任務(wù)單;最后進(jìn)行課堂拓展與總結(jié)。

為期兩周的實(shí)驗(yàn)過程（每周三次課），如圖3所示。實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了知識(shí)前測(cè)，并讓學(xué)生填寫了有關(guān)集體效能、批判性思維傾向的前測(cè)問卷。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組在基于VR的科學(xué)論證教學(xué)方式中學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識(shí)。教學(xué)開始時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)成員首先向?qū)W生介紹VR設(shè)備的功能與基本使用方法，并示范操作。在“獲取證據(jù)”階段，實(shí)驗(yàn)組中每位小組成員都有機(jī)會(huì)體驗(yàn)沉浸式虛擬場(chǎng)景，并協(xié)作填寫學(xué)習(xí)任務(wù)單完成書面論證;控制組學(xué)生則基于文本資料完成書面論證。兩組學(xué)生每次課中的學(xué)習(xí)內(nèi)容均相同。

學(xué)習(xí)活動(dòng)結(jié)束后，學(xué)生完成“地球與宇宙”知識(shí)后測(cè)，并完成認(rèn)知負(fù)荷、集體效能、批判性思維傾向的后測(cè)問卷。

（三）研究工具

1. 問卷

本研究的研究工具包括測(cè)量?jī)山M學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷、集體效能和批判性思維傾向的問卷。認(rèn)知負(fù)荷問卷參考Hwang等人制定的量表[26]，共有8個(gè)題項(xiàng)。集體效能問卷源于Wang等開發(fā)的問卷[27]，柳瑞雪的研究中將其譯為中文[24]，包含8個(gè)題項(xiàng)。批判性思維傾向的測(cè)量使用了Chai等開發(fā)的批判性思維子量表[28]，由3個(gè)題項(xiàng)組成。上述問卷采用的均為較成熟的量表，已應(yīng)用于不同研究情境;各題項(xiàng)在施測(cè)時(shí)都為中文表述，語句表達(dá)在英文表述基礎(chǔ)上由研究者根據(jù)研究需求進(jìn)行了改動(dòng)。問卷均采用李克特5點(diǎn)計(jì)分方式（“5”代表十分同意，“1”代表十分不同意）。各問卷的α系數(shù)在0.889～0.948之間，表示問卷題項(xiàng)內(nèi)部一致性可接受。

2. 書面論證分析框架

參考鄧陽關(guān)于書面科學(xué)論證評(píng)價(jià)的研究[11]，從主張、證據(jù)、理由、反證（有的任務(wù)無需考察反證）四個(gè)結(jié)構(gòu)要素維度分析學(xué)生論證任務(wù)單，每個(gè)維度包括不同水平層次（相應(yīng)計(jì)分0～3分）。研究根據(jù)鄧陽的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)每個(gè)論證任務(wù)制定了相應(yīng)維度的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，從對(duì)不同水平的具體評(píng)價(jià)項(xiàng)目的內(nèi)容描述和表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)方面呈現(xiàn)。以任務(wù)“太陽系中是否有適合我們生存的第二個(gè)‘地球”為例，可形成表2所示的分析設(shè)計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)完成對(duì)學(xué)生書面論證情況的判定。

此外，研究使用學(xué)生前一單元的測(cè)驗(yàn)結(jié)果作為科學(xué)知識(shí)前測(cè)。后測(cè)題目來自“地球與宇宙”這一單元，由20道選擇題和2道說明題組成;各試題的分值根據(jù)對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的重要程度進(jìn)行設(shè)計(jì)，總分為100分;選擇題部分考察學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的識(shí)記和理解，說明題考察學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用?？茖W(xué)知識(shí)的前測(cè)和后測(cè)由執(zhí)教教師設(shè)計(jì)。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果前，T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組和控制組學(xué)生的科學(xué)知識(shí)前測(cè)沒有顯著性差異（t=0.966，p=0.337>0.05）。實(shí)驗(yàn)前兩組學(xué)生填寫的集體效能、批判性思維傾向問卷也表明，兩組學(xué)生在這些方面沒有顯著性差異（t=0.750，p=0.455>0.05;t=1.822，p=0.071>0.05）。

（一）科學(xué)概念學(xué)習(xí)結(jié)果分析

使用協(xié)方差分析以了解不同的方法是否對(duì)學(xué)生的科學(xué)概念學(xué)習(xí)結(jié)果有顯著性影響。對(duì)兩組學(xué)生的后測(cè)成績(jī)進(jìn)行方差同質(zhì)性檢驗(yàn)，其顯著性遠(yuǎn)大于0.05，滿足方差齊性要求，表明可進(jìn)行協(xié)方差分析。

以知識(shí)前測(cè)成績(jī)作為協(xié)變量，知識(shí)后測(cè)成績(jī)作為因變量，對(duì)兩組學(xué)生的測(cè)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行協(xié)方差分析。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組知識(shí)后測(cè)成績(jī)的修正均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為71.91和1.506，控制組為66.19和1.506。兩組學(xué)生之間知識(shí)后測(cè)成績(jī)存在顯著性差異（F=7.149，p=0.009<0.05），使用基于VR的科學(xué)論證方法的學(xué)生，其單元學(xué)習(xí)后的知識(shí)測(cè)驗(yàn)結(jié)果要顯著高于未使用VR的學(xué)生。

（二）科學(xué)論證表現(xiàn)

研究中對(duì)論證任務(wù)“太陽的結(jié)構(gòu)是怎樣的”（任務(wù)1）、“太陽系中是否有適合我們生存的第二個(gè)‘地球”（任務(wù)2）進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，學(xué)生在任務(wù)2（難度高于任務(wù)1）中提出主張相對(duì)困難，但此時(shí)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在水平1的主張的比例（33.33%）要明顯高于控制組（9.09%）。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在任務(wù)1的證據(jù)方面，89.47%的學(xué)生能夠提出“光球?qū)印獙?duì)流層—輻射層—內(nèi)核層”這一對(duì)太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)的正確描述來支撐所繪制的結(jié)構(gòu)示意圖，明顯高于控制組。在任務(wù)2中，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生提供證據(jù)的比例略高于控制組，兩組學(xué)生中均僅有少部分學(xué)生能夠提出支持“火星”主張的充分、完整證據(jù)。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在任務(wù)1和任務(wù)2中提出水平2的理由均高于控制組。而在反證方面，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在水平2的比例（44.44%）要明顯高于控制組（9.09%）。上述描述性數(shù)據(jù)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在VR學(xué)習(xí)環(huán)境中更能提供證據(jù)和反證。

（三）認(rèn)知負(fù)荷、集體效能、批判性思維傾向分析

為了解基于VR的科學(xué)論證教學(xué)是否對(duì)學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷、集體效能、批判性思維有顯著影響，對(duì)兩組學(xué)生的后測(cè)問卷結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)（見表3），實(shí)驗(yàn)組與控制組的認(rèn)知負(fù)荷不存在顯著差異（t=1.364，p=0.17>0.05）;實(shí)驗(yàn)組集體效能均值（M=4.52）高于控制組均值（M=4.23），實(shí)驗(yàn)組批判性思維傾向均值（M=4.21）高于控制組（M=3.83），且都存在顯著性差異（t=2.005，p=0.048<0.05;t=2.154，p=0.034<0.05）。由此表明，基于VR的科學(xué)論證教學(xué)能夠提升學(xué)習(xí)者在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中的集體效能、批判性思維。

六、討論與總結(jié)

（一）基于VR的科學(xué)論證教學(xué)對(duì)初中生科學(xué)學(xué)習(xí)的積極作用

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于VR的科學(xué)論證教學(xué)更能促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解，提高學(xué)習(xí)成績(jī)。這一研究結(jié)果符合已有研究討論的具身參與有助于學(xué)生更好理解復(fù)雜科學(xué)場(chǎng)景或概念的觀點(diǎn)[29];也與Kozhevnikov等人在相對(duì)運(yùn)動(dòng)概念理解[21]、柳瑞雪在“人體之旅”一課中應(yīng)用VR的研究發(fā)現(xiàn)一致[23]。結(jié)合書面科學(xué)論證任務(wù)的分析，我們也可發(fā)現(xiàn)，基于VR體驗(yàn)更有助于學(xué)生在論證過程中提供證據(jù)和反證;而在更為開放性的任務(wù)中，學(xué)生更能提出明確的主張。體驗(yàn)和觀察是獲取證據(jù)的重要途徑，本研究中VR創(chuàng)設(shè)的“沉浸、交互、想象”空間有助于學(xué)生對(duì)太陽結(jié)構(gòu)、太陽系等科學(xué)場(chǎng)景和抽象科學(xué)概念的體驗(yàn)和觀察，這將激發(fā)學(xué)生更好地參與論證，在語言和思維的碰撞中反思和完善對(duì)科學(xué)概念的理解。這也在一定程度上印證了已有研究指出的不同科學(xué)論證內(nèi)容（如不同的地質(zhì)學(xué)資料）會(huì)影響科學(xué)論證的教學(xué)效果的觀點(diǎn)[11]。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于VR的科學(xué)論證教學(xué)增強(qiáng)了學(xué)生在科學(xué)論證過程中的集體效能，這與Chen等將多用戶虛擬環(huán)境應(yīng)用于中學(xué)科學(xué)教學(xué)[30]，以及柳瑞雪將沉浸式環(huán)境應(yīng)用于小學(xué)四年級(jí)科學(xué)教學(xué)中的研究結(jié)果一致[24]。已有研究證實(shí)集體效能與小組表現(xiàn)顯著相關(guān)[31];高集體效能將對(duì)學(xué)習(xí)者討論行為和小組表現(xiàn)產(chǎn)生積極影響，而論證強(qiáng)調(diào)班級(jí)或小組的參與結(jié)構(gòu)，這在一定程度上也可解釋學(xué)生在基于VR的科學(xué)論證教學(xué)中取得更好的學(xué)習(xí)結(jié)果和表現(xiàn)的原因。

此外，科學(xué)學(xué)習(xí)需要學(xué)生有機(jī)會(huì)主動(dòng)地參與到批判思維的發(fā)展過程中[11]，論證教學(xué)本身有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的批判性思維。已有研究表明，虛擬技術(shù)有助于學(xué)生的批判性思維發(fā)展[5];本研究中VR體驗(yàn)有助于學(xué)生獲取證據(jù)，在個(gè)體認(rèn)知反思和群體討論過程中想象和明確可能的證據(jù)，以不斷強(qiáng)化或削弱一個(gè)主張，這正是批判性思維不斷發(fā)展的過程。

盡管Macias-diaz指出，虛擬環(huán)境中豐富的場(chǎng)景會(huì)干擾學(xué)習(xí)者對(duì)重要內(nèi)容的注意，以至難以將注意力集中于學(xué)習(xí)活動(dòng)[32]。但本研究中，論證教學(xué)中整合VR并未顯著增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。

（二）研究局限與未來研究

本研究中提出并實(shí)踐基于VR的科學(xué)論證教學(xué)，發(fā)現(xiàn)將VR整合于科學(xué)論證教學(xué)有助于提高學(xué)生科學(xué)概念學(xué)習(xí)效果、改善科學(xué)論證表現(xiàn)，積極影響學(xué)生的集體效能、批判性思維傾向;研究為VR整合于教與學(xué)提供了更多實(shí)踐證據(jù)。然而研究也存在不足：（1）由于VR資源的局限，并未能在本實(shí)驗(yàn)的每個(gè)教學(xué)主題中提供沉浸式體驗(yàn);實(shí)驗(yàn)單元各主題間存在緊密的知識(shí)結(jié)構(gòu)關(guān)系，當(dāng)月食這部分教學(xué)內(nèi)容未使用VR資源時(shí)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生將基于前期VR體驗(yàn)與控制組在同樣的環(huán)境下開展學(xué)習(xí)。（2）課堂開展論證教學(xué)需要規(guī)范的話語體系，師生都有待進(jìn)一步適應(yīng)科學(xué)課堂論證，以更為有效地參與科學(xué)論證。（3）學(xué)生科學(xué)論證表現(xiàn)的分析僅關(guān)注書面論證，且為群體概況，尚需關(guān)注話語互動(dòng)視角的口頭論證內(nèi)容。（4）實(shí)驗(yàn)組學(xué)生此前未使用過VR技術(shù)，對(duì)他們而言，在學(xué)習(xí)過程中使用VR是全新體驗(yàn)，這可能對(duì)其學(xué)習(xí)結(jié)果和過程表現(xiàn)產(chǎn)生影響。根據(jù)羅森塔爾效應(yīng)，即新技術(shù)的引入最初能刺激學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，但隨之在學(xué)習(xí)歷程中逐漸消失。因此，需要更多的研究跟蹤基于VR的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)結(jié)果的影響。

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