胡翰林 劉革平

[摘? ?要] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種沉浸式交互虛擬系統(tǒng)，其教育功用應(yīng)有效輻射學(xué)科教學(xué)，助力學(xué)科知識(shí)獲得與學(xué)科思維培養(yǎng)。針對(duì)當(dāng)前學(xué)科教學(xué)過程中“抽象符號(hào)→技能訓(xùn)練→工具思維”的現(xiàn)實(shí)問題，探析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)科教學(xué)過程中的直觀學(xué)習(xí)資源、知識(shí)有效應(yīng)用與培養(yǎng)學(xué)科思維等價(jià)值;接著提出了虛擬現(xiàn)實(shí)助力學(xué)科教學(xué)的四種類型：獨(dú)立式學(xué)科本位型、分布式學(xué)科本位型、獨(dú)立式項(xiàng)目融合型與分布式項(xiàng)目融合型。最后依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)科教學(xué)價(jià)值與虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)科教學(xué)類型提出了虛擬現(xiàn)實(shí)助力學(xué)科教學(xué)的實(shí)踐路徑：直觀資源的操作體驗(yàn)，指向知識(shí)內(nèi)容有效獲得;模擬情境的知識(shí)應(yīng)用，促進(jìn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化;真實(shí)場(chǎng)景的問題解決，實(shí)現(xiàn)知識(shí)向思維的通達(dá)。以優(yōu)化學(xué)科教學(xué)過程，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教與學(xué)過程提供參考。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 學(xué)科教學(xué); 真實(shí)場(chǎng)景; 感知體驗(yàn); 實(shí)施路徑; 學(xué)科思維

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

[作者簡(jiǎn)介] 胡翰林（1996—），男，四川南充人。博士研究生，主要從事智慧學(xué)習(xí)環(huán)境、虛擬現(xiàn)實(shí)等研究。E-mail：945017310@qq.com。

一、引? ?言

適應(yīng)特定的學(xué)習(xí)空間，自然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的學(xué)習(xí)范式[1]。在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中，受制于特定的學(xué)習(xí)空間，學(xué)習(xí)過程中容易出現(xiàn)“抽象符號(hào)→技能訓(xùn)練→工具思維”的抽象學(xué)習(xí)范式，致使當(dāng)前學(xué)科教學(xué)結(jié)果重視知識(shí)與技能的掌握，輕視能力與素養(yǎng)的培養(yǎng)，學(xué)科教學(xué)的育人價(jià)值尚未完全彰顯，學(xué)科思維與核心素養(yǎng)難以有效落實(shí)。

理想的學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)過程應(yīng)該讓學(xué)習(xí)者真正地“融入”與“在場(chǎng)”，使學(xué)習(xí)結(jié)果能夠有效地連接學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗(yàn)與生活，促進(jìn)學(xué)習(xí)者思維與能力的發(fā)展。對(duì)于學(xué)科教學(xué)現(xiàn)實(shí)問題的回應(yīng)，需要我們?cè)诂F(xiàn)有學(xué)習(xí)空間視閾下依托新興技術(shù)與思想來審視與設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過程，思考如何借助信息化的工具與手段來優(yōu)化原有學(xué)習(xí)范式。一是要維持抽象知識(shí)與直接經(jīng)驗(yàn)的平衡。學(xué)科知識(shí)自身含有一定的抽象性，學(xué)習(xí)者需要依賴直接經(jīng)驗(yàn)來幫助建立現(xiàn)實(shí)原型到抽象概念的過渡與轉(zhuǎn)換，通過動(dòng)手操作來感知所需的基本活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，以平衡抽象知識(shí)與直接經(jīng)驗(yàn)。二是要加強(qiáng)技能訓(xùn)練與知識(shí)應(yīng)用的融合。囿于注重解題技巧、方式方法、應(yīng)試分?jǐn)?shù)等固有結(jié)構(gòu)，知識(shí)學(xué)習(xí)重心位于技能掌握上，學(xué)科知識(shí)少有機(jī)會(huì)進(jìn)行真實(shí)的實(shí)踐應(yīng)用;但在學(xué)科核心素養(yǎng)的背景下，強(qiáng)調(diào)技能訓(xùn)練的同時(shí)增加知識(shí)應(yīng)用能力的鍛煉成為必然趨勢(shì)——倡導(dǎo)學(xué)習(xí)者在真實(shí)活動(dòng)中運(yùn)用學(xué)科知識(shí)去感知問題、分析問題及解決問題，從而建立起相應(yīng)的學(xué)科知識(shí)應(yīng)用意識(shí)。三是要促進(jìn)工具思維到學(xué)科思維的進(jìn)階。工具思維指向?qū)W習(xí)者掌握必備的思考、推理、計(jì)算等技能技巧，以解決題目、應(yīng)對(duì)考試，其本質(zhì)在于掌握“既定”知識(shí)。造成學(xué)習(xí)者如何使用知識(shí)——學(xué)科思維的培養(yǎng)被忽視，學(xué)習(xí)結(jié)果仍處于淺層狀態(tài)。學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)不應(yīng)只停留在作為工具來解決脫離真實(shí)場(chǎng)景問題的層面，使其成為純記憶、演繹與推理的過程，而應(yīng)促使學(xué)習(xí)者應(yīng)用知識(shí)去解決現(xiàn)實(shí)生活問題，逐步培養(yǎng)學(xué)科生活化的思想，形成學(xué)科思維。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）作為一種新興的虛擬仿真體驗(yàn)技術(shù)，在教育中的應(yīng)用已有作為教學(xué)教具、強(qiáng)化交互協(xié)作、創(chuàng)設(shè)環(huán)境資源等，在有效激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的主動(dòng)參與并實(shí)現(xiàn)知識(shí)的應(yīng)用與遷移。其感知沉浸與交互體驗(yàn)等特性可以豐富知識(shí)的表征形態(tài)，營(yíng)造學(xué)習(xí)臨場(chǎng)感，對(duì)于學(xué)科教學(xué)而言能夠彌補(bǔ)當(dāng)前教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題與缺失，促使學(xué)習(xí)者從感知信息的多態(tài)表征逐步過渡到置身情境的參與式學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科思維培養(yǎng)?；诖?，本研究旨在通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來優(yōu)化與助力現(xiàn)有學(xué)科教學(xué)過程，以期使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中能夠感知豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容、建立知識(shí)的應(yīng)用意識(shí)并最終培養(yǎng)學(xué)科思維。

二、作用探析：虛擬現(xiàn)實(shí)在

學(xué)科教學(xué)中的價(jià)值發(fā)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是融合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)以及人工智能等多學(xué)科的新興技術(shù)[2]，讓用戶置身于多感官系統(tǒng)參與的三維虛擬環(huán)境中，通過相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互、獲取多模態(tài)信息，使用戶在身心一體的交互過程中高度沉浸，實(shí)現(xiàn)真實(shí)感知體驗(yàn)的效果。其在教育中的應(yīng)用具有激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、創(chuàng)設(shè)心理沉浸、實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)與知識(shí)遷移等潛力[3]，且能夠有效優(yōu)化學(xué)習(xí)過程與提升學(xué)習(xí)效果?！秶?guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[4]、《關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》[5]中均指出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的重要價(jià)值與應(yīng)用推進(jìn)策略。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為教育信息化的工具之一，挖掘其在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中的深層次應(yīng)用，尤其是將其有效融入學(xué)科教學(xué)中解決現(xiàn)實(shí)問題，進(jìn)而優(yōu)化教與學(xué)的方法，是當(dāng)前的研究趨勢(shì)與重點(diǎn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入基礎(chǔ)教育學(xué)科教學(xué)何以可能？首先需要分析學(xué)科知識(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)間的契合點(diǎn)。從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的典型特征來看，其能夠有效彌補(bǔ)當(dāng)前學(xué)科知識(shí)教學(xué)過程中的缺失，見表1。在存在形式上，學(xué)科知識(shí)偏重于以高度凝練、概括的文字、圖形等符號(hào)靜態(tài)呈現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則能賦予學(xué)習(xí)者動(dòng)態(tài)的感知模擬、操作體驗(yàn)等過程;在應(yīng)用邏輯上，學(xué)科知識(shí)多用于學(xué)習(xí)者依據(jù)試題進(jìn)行概念規(guī)則的計(jì)算、猜想、驗(yàn)證等同質(zhì)推理過程，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則能讓學(xué)習(xí)者根據(jù)需要解決的問題進(jìn)行學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、探索、實(shí)踐與反思等具體交互過程;在價(jià)值取向上，學(xué)科知識(shí)形成了使用已知知識(shí)來解決已知問題的取向，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則傾向于未知領(lǐng)域的自主探索、實(shí)踐創(chuàng)造與問題解決。由此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入學(xué)科教學(xué)有其必要性與適切性，在學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)過程中的價(jià)值具體表現(xiàn)為以下方面：

（一）內(nèi)容支持：直觀學(xué)習(xí)資源

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)精準(zhǔn)、全息地快速操作、搭建、成型，能為學(xué)習(xí)者賦予學(xué)科知識(shí)多態(tài)、直觀的學(xué)習(xí)資源，提供學(xué)習(xí)者經(jīng)歷全方位觀察、感知體驗(yàn)等有效操作的機(jī)會(huì)。讓學(xué)習(xí)者通過操作視角與距離的動(dòng)態(tài)變換過程來觀察事物的具體形態(tài)、細(xì)節(jié)展現(xiàn)，感悟?qū)W科知識(shí)在其中的體現(xiàn)與應(yīng)用，以滿足學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)形成過程中對(duì)真實(shí)具體事物的認(rèn)知需求，促使學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)從主體物質(zhì)動(dòng)作結(jié)構(gòu)過渡到內(nèi)部心智活動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

（二）方法過程：知識(shí)有效應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有強(qiáng)交互特性，能夠有效支持學(xué)習(xí)者的“做中學(xué)”過程，使其依據(jù)一定的項(xiàng)目任務(wù)應(yīng)用學(xué)科知識(shí)來制作、完成相應(yīng)的模型。首先，在虛擬仿真環(huán)境中學(xué)習(xí)者能夠?qū)⑾惹傲?xí)得的知識(shí)應(yīng)用于模型設(shè)計(jì)、制作等過程，在建模操作中將抽象的知識(shí)現(xiàn)象、邏輯推理等轉(zhuǎn)化為可視化的具體過程，使學(xué)習(xí)者不斷豐富與深化對(duì)知識(shí)的已有認(rèn)知。其次，學(xué)習(xí)者的創(chuàng)意設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M制品，能夠有效激發(fā)學(xué)習(xí)者知識(shí)應(yīng)用的積極性，使其在學(xué)科知識(shí)與虛擬制品之間建立相關(guān)的對(duì)比反思、模型轉(zhuǎn)換、深入思考等。

（三）結(jié)果體現(xiàn)：培養(yǎng)學(xué)科思維

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入學(xué)科教學(xué)首先支持學(xué)習(xí)者進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行感知體驗(yàn)，感悟?qū)W科知識(shí)的價(jià)值所在，并進(jìn)一步改進(jìn)和深化大腦中已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，使其更為符合真實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)然樣態(tài)。其次，在學(xué)習(xí)者應(yīng)用知識(shí)進(jìn)行虛擬環(huán)境操作與建立模型的過程中，能夠在知識(shí)與實(shí)物表象間進(jìn)行抽象和概括、記憶和聯(lián)想、對(duì)比和加工過程，從而理解知識(shí)的本質(zhì)屬性，并在知識(shí)應(yīng)用過程中培養(yǎng)問題發(fā)現(xiàn)與解決的心理發(fā)展過程。這樣，學(xué)習(xí)者在經(jīng)歷情境感知、模擬應(yīng)用、實(shí)踐反思等系列操作后，會(huì)意識(shí)到知識(shí)的獲取過程離不開真實(shí)場(chǎng)景，知識(shí)的最終指向?yàn)檎鎸?shí)場(chǎng)景中的有效應(yīng)用，并逐漸在學(xué)習(xí)的方法、過程、結(jié)果層面融入真實(shí)場(chǎng)景，甚至發(fā)現(xiàn)并解決真實(shí)場(chǎng)景中存在的問題，形成學(xué)科思維。

三、作用方式：虛擬現(xiàn)實(shí)助力

學(xué)科教學(xué)的具體類型

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要存在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)（Desktop VR）、完全沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（Fully-immersive VR）與分布式虛擬現(xiàn)實(shí)（Distributed VR）等三種類型[6]：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)是在電腦屏幕、平板或其他桌面式顯示設(shè)備呈現(xiàn)出三維虛擬環(huán)境，讓用戶通過觸摸、鼠標(biāo)或手柄等進(jìn)行感知交互;完全沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)需要用戶佩戴沉浸式的體驗(yàn)設(shè)備（如頭盔、眼鏡等），以增強(qiáng)沉浸感;分布式虛擬現(xiàn)實(shí)是利用互聯(lián)網(wǎng)將獨(dú)立分散的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行有效聯(lián)結(jié)，使用統(tǒng)一的協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)庫(kù)，以突破時(shí)空限制形成多方協(xié)同、耦合互動(dòng)的一體化系統(tǒng)。其中，桌面式與完全沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)單一獨(dú)立的沉浸體驗(yàn)，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)注重分布統(tǒng)一的協(xié)調(diào)交互，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)作用于學(xué)科教學(xué)存在獨(dú)立式與分布式兩種不同類型。同時(shí)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)有效融入學(xué)科教學(xué)的應(yīng)用取向與推進(jìn)邏輯，其主要存在指向知識(shí)獲得的學(xué)科本位與指向知識(shí)應(yīng)用、學(xué)科思維的項(xiàng)目融合等兩種方式。綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)作用于學(xué)科教學(xué)的具體類型見表2。

（一）獨(dú)立式學(xué)科本位型，獲取單一學(xué)科知識(shí)

獨(dú)立式學(xué)科本位型是當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育應(yīng)用中的常態(tài)，即通過桌面式或頭戴式設(shè)備為學(xué)習(xí)者呈現(xiàn)學(xué)科知識(shí)或創(chuàng)設(shè)知識(shí)情境，促使學(xué)習(xí)者參與到逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行感知、操作，借助豐富的個(gè)性化學(xué)習(xí)資源幫助自身學(xué)習(xí)與掌握知識(shí)。其以學(xué)科知識(shí)為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，以知識(shí)獲取為學(xué)習(xí)目標(biāo)，以學(xué)習(xí)者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的感知體驗(yàn)為學(xué)習(xí)過程，其核心在于利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的真實(shí)、沉浸與交互等特性來豐富知識(shí)的表征形式，提升學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)、投入與學(xué)習(xí)效果。

（二）分布式學(xué)科本位型，獲取多元學(xué)科知識(shí)

分布式學(xué)科本位型是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，匯集聯(lián)結(jié)多方虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理、資源共享等，以形成多元一體的自組織學(xué)習(xí)場(chǎng)域，促使學(xué)習(xí)者通過體驗(yàn)多方共享資源來全面地獲取學(xué)科知識(shí)。其仍以獲取學(xué)科知識(shí)為主要目標(biāo)，但在實(shí)踐應(yīng)用過程中存在兩種形態(tài)：?jiǎn)螌W(xué)科分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，能夠支持學(xué)習(xí)者不受時(shí)空限制來獲取多方資源、進(jìn)行溝通交流等，最終形成學(xué)習(xí)共同體來完成學(xué)習(xí)任務(wù);跨學(xué)科分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，促使學(xué)習(xí)者在不同學(xué)科知識(shí)間進(jìn)行交流互動(dòng)，體驗(yàn)在同一場(chǎng)景、系統(tǒng)中不同學(xué)科知識(shí)間的聯(lián)系，以形成跨學(xué)科知識(shí)。

（三）獨(dú)立式項(xiàng)目融合型，培養(yǎng)一般學(xué)科思維

獨(dú)立式項(xiàng)目融合旨在讓學(xué)習(xí)者參與到虛擬現(xiàn)實(shí)中的項(xiàng)目任務(wù)中來，在完成任務(wù)的同時(shí)學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)，以形成應(yīng)用知識(shí)解決問題的學(xué)科思維。其在以學(xué)科知識(shí)獲取為目標(biāo)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目完成過程中的知識(shí)應(yīng)用與問題解決能力，主要學(xué)習(xí)過程為學(xué)習(xí)者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)操作、體驗(yàn)來逐步完成任務(wù)，在不斷發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的過程中培養(yǎng)知識(shí)應(yīng)用意識(shí)，逐步在知識(shí)與真實(shí)情境間建立緊密聯(lián)系。有研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲項(xiàng)目能對(duì)學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生更大的促進(jìn)作用[7]，說明學(xué)習(xí)者的自主探究與完成任務(wù)過程能夠產(chǎn)生更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)與學(xué)習(xí)效果。獨(dú)立式項(xiàng)目融合型具體表現(xiàn)為在感知虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中發(fā)現(xiàn)問題、自主探究形成問題解決策略、實(shí)踐操作解決問題等。

（四）分布式項(xiàng)目融合型，培養(yǎng)復(fù)雜學(xué)科思維

分布式項(xiàng)目融合型是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用中的理想形態(tài)，其擁有更大集群的學(xué)科（同一或不同學(xué)科）資源，能夠與項(xiàng)目進(jìn)行更為有效、深入的融合，以催生出蘊(yùn)含多學(xué)科知識(shí)與復(fù)雜問題解決的綜合型項(xiàng)目，促進(jìn)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中跨越學(xué)科邊界，培養(yǎng)綜合運(yùn)用學(xué)科知識(shí)來解決問題的能力。在學(xué)習(xí)過程中注重學(xué)習(xí)者的具身體驗(yàn)、協(xié)作交流、情感狀態(tài)與問題解決等項(xiàng)目化學(xué)習(xí)思維，在掌握知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展、應(yīng)用知識(shí)，形成綜合、復(fù)雜的學(xué)科思維。分布式項(xiàng)目融合型虛擬現(xiàn)實(shí)以項(xiàng)目任務(wù)為貫通相關(guān)學(xué)科內(nèi)容的主線，能夠在重構(gòu)學(xué)科內(nèi)容與共建共享資源的過程中消除學(xué)科壁壘，實(shí)現(xiàn)真正意義上的學(xué)科融合[8]。同時(shí)，對(duì)于在線教育而言，其能夠有效優(yōu)化當(dāng)前存在的不足與弊端[9]，為身處異地的學(xué)習(xí)者提供多樣化的交互方式、構(gòu)想化的教學(xué)場(chǎng)景、泛在化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)活動(dòng)等[10]。

四、實(shí)踐路徑：虛擬現(xiàn)實(shí)助力

學(xué)科教學(xué)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在學(xué)習(xí)過程中呈現(xiàn)多態(tài)的場(chǎng)景、模型以給予學(xué)習(xí)者直觀的感知體驗(yàn)，賦予學(xué)習(xí)者真實(shí)的“做中學(xué)”平臺(tái)來置身參與，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用，并通過問題解決過程來培養(yǎng)學(xué)科思維。因此，本研究依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)的直觀學(xué)習(xí)資源、知識(shí)有效應(yīng)用以及培養(yǎng)學(xué)科思維的學(xué)科教學(xué)價(jià)值與學(xué)科本位（獨(dú)立式與分布式）、項(xiàng)目融合（獨(dú)立式與分布式）的學(xué)科教學(xué)類型，嘗試融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來優(yōu)化原有學(xué)科教學(xué)范式，構(gòu)建如圖1所示虛擬現(xiàn)實(shí)助力學(xué)科教學(xué)的實(shí)踐路徑，并推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中從基礎(chǔ)應(yīng)用向深度融合過渡，實(shí)現(xiàn)技術(shù)促進(jìn)學(xué)習(xí)的核心價(jià)值。

（一）直觀資源的操作體驗(yàn)，指向知識(shí)內(nèi)容有效獲得

從知識(shí)的表征形式來看，可以分為抽象表征（抽象層面的普遍規(guī)律）與具象表征（實(shí)踐層面的直接經(jīng)驗(yàn)）。以往的學(xué)習(xí)范式中學(xué)習(xí)者普遍獲得的是抽象表征，受學(xué)習(xí)空間制約難以獲得具象表征，學(xué)習(xí)者并未真切地感受到知識(shí)的“存在”，不能實(shí)現(xiàn)知識(shí)與真實(shí)事物間的有效關(guān)聯(lián)。研究顯示，抽象學(xué)科知識(shí)與具體事例結(jié)合起來能夠產(chǎn)生更為有效的學(xué)習(xí)結(jié)果[11]。因此，在虛擬現(xiàn)實(shí)的支持下，學(xué)習(xí)者能夠進(jìn)行相關(guān)操作來感知信息與獲取直接活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，在建構(gòu)抽象概念的同時(shí)感知知識(shí)的現(xiàn)實(shí)存在形態(tài)，增加知識(shí)表征的豐富性與完備度，以形成更加穩(wěn)固、全面的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

1. 動(dòng)態(tài)操作，感受知識(shí)的豐富表征

學(xué)習(xí)者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中物品、環(huán)境的操作，能夠獲得主體性動(dòng)作經(jīng)驗(yàn)，以彌補(bǔ)文字、言語(yǔ)、視聽符號(hào)的不足，并且在不斷更新與加深對(duì)客體知識(shí)的認(rèn)識(shí)過程中實(shí)現(xiàn)雙向?qū)ο蠡?，在具備知識(shí)抽象概括能力的同時(shí)又能將其對(duì)應(yīng)到具體事物中去。

在新知學(xué)習(xí)階段，通過適宜的示范或引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)物品進(jìn)行縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等顯性直觀操作來獲得知識(shí)的具象表征，從而形成基于觀察與操作的直接經(jīng)驗(yàn)在知識(shí)理解階段，僅憑大腦的抽象思考并不能有效理解與內(nèi)化，同時(shí)還會(huì)降低學(xué)習(xí)者的積極性，而通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)物品的有效操作能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣，提高他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與學(xué)習(xí)投入，從而在探索與操作、交流與思考的過程中形成對(duì)知識(shí)的深入理解與拓展延伸。此外，在假設(shè)驗(yàn)證階段，學(xué)習(xí)者對(duì)于已有概念、定理等存在的困惑、質(zhì)疑，可以通過直觀操作，在具體實(shí)物中尋找依據(jù)或驗(yàn)證其合理性，理解知識(shí)的同時(shí)形成尊重事實(shí)、追求證據(jù)的科學(xué)態(tài)度。

2. 具身學(xué)習(xí)，身體感官的有效參與

具身認(rèn)知認(rèn)為，大腦中認(rèn)知的產(chǎn)生依賴于身體各個(gè)感覺運(yùn)動(dòng)器官的協(xié)調(diào)發(fā)揮，身體的參與性越多，這些通路就會(huì)越活躍，感覺系統(tǒng)就會(huì)感知到更多的信息，形成的認(rèn)知也會(huì)更加豐富[12]。因此，認(rèn)知的形成依賴大量直接經(jīng)驗(yàn)與感性經(jīng)驗(yàn)，需要身體感覺運(yùn)動(dòng)器官參與到學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行感知體驗(yàn)與共情理解。學(xué)習(xí)者對(duì)虛擬物品的操作，是一種以身體經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的具身學(xué)習(xí)，即通過“體認(rèn)”的方式來建立對(duì)外界事物的知覺映像和初級(jí)概念，達(dá)成與外部事物的實(shí)質(zhì)性關(guān)聯(lián)。研究表明，抽象的認(rèn)知植根于身體感官與體驗(yàn)[13]，通過身體經(jīng)驗(yàn)建立的具體事物與抽象概念間的關(guān)聯(lián)，有助于提高對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解[14]。經(jīng)由身體感知、體驗(yàn)信息的多樣存在形式，學(xué)習(xí)者能夠有效實(shí)現(xiàn)抽象表征與具象表征的融合。學(xué)習(xí)者通過對(duì)語(yǔ)言、文字、圖片等抽象符號(hào)的加工（隱性操作）過程獲得對(duì)直觀事物的普遍本質(zhì)認(rèn)識(shí)，同時(shí)結(jié)合對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的感知操作（顯性操作）來獲得直觀認(rèn)識(shí)，在不斷的顯性操作與隱性操作下，逐漸建立豐富表征并加深自己的認(rèn)識(shí)。此外，在感知操作過程中學(xué)習(xí)者通過觸覺、視覺等多感官通道感知信息，改進(jìn)和豐富了信息在大腦中的編碼層次與水平，從而加強(qiáng)知識(shí)記憶的穩(wěn)固性和長(zhǎng)久性。

（二）模擬情境的知識(shí)應(yīng)用，促進(jìn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化

模擬情境的知識(shí)應(yīng)用是學(xué)習(xí)者在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬場(chǎng)館等模擬環(huán)境中進(jìn)行探索、交互以完成相應(yīng)的項(xiàng)目任務(wù)，通過“邊做邊學(xué)”的過程來培養(yǎng)知識(shí)應(yīng)用意識(shí)，使學(xué)習(xí)者在自主探究與完成任務(wù)的過程中經(jīng)歷與建立認(rèn)知沖突，并通過不斷的交互調(diào)解來深化理解、完善學(xué)習(xí)者的已有知識(shí)結(jié)構(gòu)，獲得個(gè)人經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

1. 逼真的模擬項(xiàng)目，引發(fā)持續(xù)認(rèn)知沖突

在虛擬現(xiàn)實(shí)模擬情境中的學(xué)習(xí)，重在使學(xué)習(xí)者通過“自主探究”“合作學(xué)習(xí)”等多元學(xué)習(xí)方式來親身實(shí)踐，完成相應(yīng)的逼真項(xiàng)目任務(wù)，并形成一定的模擬制品。學(xué)習(xí)者在不斷的設(shè)計(jì)制作與感悟體驗(yàn)過程中，能夠深化對(duì)知識(shí)的理解，逐漸形成并豐富個(gè)人經(jīng)驗(yàn);同時(shí)，也將產(chǎn)生一系列區(qū)別于面授課堂中的認(rèn)知沖突。對(duì)于知識(shí)的學(xué)習(xí)，只有經(jīng)歷并通過不斷調(diào)節(jié)解決認(rèn)知沖突后，才能促使學(xué)習(xí)者的認(rèn)知活動(dòng)不斷豐富與發(fā)展[15]。學(xué)習(xí)者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行自主探究與完成任務(wù)的過程中，將不斷產(chǎn)生新的認(rèn)知沖突：首先，虛擬現(xiàn)實(shí)模擬情境的豐富性與交互性能夠使學(xué)習(xí)者感受到知識(shí)的情境屬性與社會(huì)文化價(jià)值所在，其“在場(chǎng)感”與“沉浸感”能夠幫助學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的全面理解;其次，學(xué)習(xí)者生成制品的過程需要將抽象符號(hào)轉(zhuǎn)化為形象具體的三維模型建立，其相同內(nèi)容的不同表征形式會(huì)帶給學(xué)習(xí)者一定的認(rèn)知沖突;最后，學(xué)習(xí)者完成項(xiàng)目任務(wù)、形成三維制品與應(yīng)有模型資源間的對(duì)比反差，會(huì)使學(xué)習(xí)者在模型設(shè)計(jì)過程中的思考方式、解決策略與模型搭建等方面建立認(rèn)知沖突。認(rèn)知沖突打破了知識(shí)作為既有的規(guī)定性抽象符號(hào)觀念，其調(diào)解過程需要在與環(huán)境事物不斷的交互過程中主動(dòng)建構(gòu)，即通過持續(xù)的生成，促進(jìn)已有認(rèn)識(shí)的不斷修正、完善與深化，從而形成更為全面的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

2. 臨場(chǎng)的知識(shí)應(yīng)用，形成個(gè)人經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

學(xué)習(xí)者在模擬情境中完成項(xiàng)目任務(wù)是對(duì)學(xué)科知識(shí)的深度理解與價(jià)值追求，其實(shí)質(zhì)在于激發(fā)、引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的知識(shí)應(yīng)用意識(shí)，在臨場(chǎng)的知識(shí)應(yīng)用過程中形成個(gè)人經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰?。因此在完成虛擬任務(wù)的過程中，首先要鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者自主探究與大膽嘗試，促使其在動(dòng)手操作的過程中發(fā)散思維，形成多樣的知識(shí)應(yīng)用方式，培養(yǎng)其綜合、創(chuàng)新運(yùn)用知識(shí)的能力。其次要確立反思維度，以幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)行有效的階段性反思。在學(xué)習(xí)者項(xiàng)目計(jì)劃、模型設(shè)計(jì)的過程中，依據(jù)學(xué)習(xí)者的實(shí)時(shí)表現(xiàn)與學(xué)習(xí)體驗(yàn)，引導(dǎo)其對(duì)面臨困惑、可行策略、優(yōu)化完善等進(jìn)行“在行動(dòng)中反思”，促進(jìn)學(xué)習(xí)者形成即時(shí)的反思—修改動(dòng)態(tài)循環(huán)機(jī)制;在項(xiàng)目結(jié)束后，從知識(shí)應(yīng)用、操作流程、部件匹配、結(jié)構(gòu)搭建等維度出發(fā)，促使學(xué)習(xí)者進(jìn)行“對(duì)行動(dòng)的反思”，以修改不足與總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。最后通過回顧、總結(jié)與提升，形成個(gè)人經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰?。在完成?xiàng)目的過程中，讓學(xué)習(xí)者有意識(shí)地記錄下關(guān)于知識(shí)理解與應(yīng)用、項(xiàng)目計(jì)劃與實(shí)施過程中的直覺或頓悟等關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)將這些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行歸納與整理，總結(jié)出核心的知識(shí)理解、應(yīng)用以及項(xiàng)目完成的方式方法等。在此過程中，學(xué)習(xí)者的個(gè)人知識(shí)經(jīng)驗(yàn)得以漸次形成，深層次概念意義得到充分建構(gòu)，促使知識(shí)理解向個(gè)人能力的轉(zhuǎn)化。

（三）真實(shí)場(chǎng)景的問題解決，實(shí)現(xiàn)知識(shí)向思維的通達(dá)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用需要抓住現(xiàn)實(shí)情境線索，轉(zhuǎn)化真實(shí)學(xué)習(xí)場(chǎng)景[16]。就虛擬現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)而言，其是作為真實(shí)世界場(chǎng)景的縮影，是我們感知體驗(yàn)信息、知識(shí)學(xué)習(xí)應(yīng)用與實(shí)踐解決問題的中介場(chǎng)或?qū)嵙?xí)場(chǎng)，因而能夠有效加強(qiáng)知識(shí)學(xué)習(xí)與真實(shí)場(chǎng)景間的關(guān)聯(lián);同時(shí)，虛擬場(chǎng)景中的感知體驗(yàn)與問題解決并非為虛擬現(xiàn)實(shí)的全部?jī)r(jià)值，其最終價(jià)值應(yīng)該促進(jìn)學(xué)習(xí)者由虛擬場(chǎng)景學(xué)習(xí)自然地回歸于真實(shí)場(chǎng)景學(xué)習(xí)，使其能夠在真實(shí)場(chǎng)景中遷移延伸與深入思考，運(yùn)用學(xué)科知識(shí)來審視、思考與解決真實(shí)場(chǎng)景中的未知問題，逐漸形成學(xué)科思維。

1. 虛擬—真實(shí)場(chǎng)景的關(guān)聯(lián)感知

指向真實(shí)場(chǎng)景的問題解決，強(qiáng)調(diào)要將真實(shí)世界中存在的問題在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行顯現(xiàn)與解決。這樣，學(xué)習(xí)者的知識(shí)應(yīng)用并非為脫離真實(shí)場(chǎng)景與物體的想象，而是帶著真實(shí)場(chǎng)景問題去經(jīng)歷現(xiàn)實(shí)原型的觀察、感知、體驗(yàn)、操作等親身實(shí)踐過程，使知識(shí)應(yīng)用與問題解決過程更為符合真實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)然樣態(tài)。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者建立知識(shí)與真實(shí)場(chǎng)景間的相關(guān)聯(lián)想，對(duì)知識(shí)的情境、文化、社會(huì)屬性等進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，使知識(shí)理解并不限于自身固有形式，在有效拓寬知識(shí)邊界的同時(shí)，促進(jìn)知識(shí)在不同情境間的遷移。在此過程中，學(xué)習(xí)者能夠?qū)崿F(xiàn)抽象知識(shí)的具體化與真實(shí)性還原，擴(kuò)充知識(shí)的豐富性與全面性，進(jìn)一步理解學(xué)科知識(shí)的問題解決價(jià)值所在。

2. 個(gè)人—社會(huì)活動(dòng)的問題解決

真實(shí)場(chǎng)景的問題解決過程并非僅為個(gè)體的獨(dú)立活動(dòng)，而是自主探究與群體協(xié)作相結(jié)合的社會(huì)性活動(dòng)。因此，要促進(jìn)學(xué)習(xí)者形成面向真實(shí)場(chǎng)景解決未知問題的能力，在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中就要促使學(xué)習(xí)者的問題解決過程從個(gè)人活動(dòng)上升為社會(huì)活動(dòng)。相應(yīng)地，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中具體表現(xiàn)為主題聚焦（Thematic Focus）、認(rèn)知吸?。–ognitive Absorption）、社會(huì)參與（Participation）、社會(huì)結(jié)構(gòu)（Social Structure）的問題解決過程[17]。主題聚焦是在學(xué)習(xí)者進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境后，讓其對(duì)環(huán)境中的物體進(jìn)行感知、洞察、內(nèi)化后產(chǎn)生對(duì)實(shí)物原型或?qū)W科知識(shí)的再思考，促使他們?cè)谫|(zhì)疑與發(fā)現(xiàn)問題的過程中增加對(duì)當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的精深理解，并同時(shí)聚焦于某個(gè)現(xiàn)象或問題;認(rèn)知吸取指利用來自虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的刺激作用于學(xué)習(xí)者，從而激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，促使他們產(chǎn)生好奇、沉浸、享受甚至忽略時(shí)間等“心流”體驗(yàn)，集中精力投入到問題分析、策略設(shè)計(jì)等自主探究或合作學(xué)習(xí)等過程中;社會(huì)參與是讓學(xué)習(xí)者個(gè)人參與到小組、群體中進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)與觀點(diǎn)的分享、討論、交流、評(píng)價(jià)、互助等社會(huì)互動(dòng)，以形成認(rèn)知共同體來促使問題更好地被解決;社會(huì)結(jié)構(gòu)是指在整個(gè)問題解決過程中不同學(xué)習(xí)者需要承擔(dān)不同的角色，通過專家與新手角色的不斷對(duì)話與交互來達(dá)到小組、群體內(nèi)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的平衡。

3. 知能—心智結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)結(jié)果

項(xiàng)目融合以真實(shí)場(chǎng)景中的問題為出發(fā)點(diǎn)，能夠讓學(xué)習(xí)者運(yùn)用學(xué)科知識(shí)進(jìn)行問題發(fā)現(xiàn)、資料收集、構(gòu)思策略、模型設(shè)計(jì)等來解決現(xiàn)實(shí)問題或?qū)崿F(xiàn)改進(jìn)創(chuàng)新。因此，學(xué)習(xí)者先前獲取的學(xué)科知識(shí)構(gòu)成學(xué)習(xí)者的知能結(jié)構(gòu)，當(dāng)其運(yùn)用構(gòu)建的知能結(jié)構(gòu)去解決外部問題時(shí)，所形成的作用于外部客體的認(rèn)識(shí)結(jié)果形成了心智結(jié)構(gòu)[18]。心智是個(gè)體在與外部環(huán)境世界交互過程中形成的維持自身機(jī)能和促進(jìn)發(fā)展的系列認(rèn)知能力，它促使個(gè)體采取行動(dòng)來解決問題或?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)[19]。學(xué)習(xí)者綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境資源，在與環(huán)境的交互過程中不斷深化與豐富已有的知能結(jié)構(gòu);同時(shí)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來發(fā)現(xiàn)、解決環(huán)境中存在的問題，在此過程中逐步建立起一套面向未來、適應(yīng)未知環(huán)境的“知能—心智”結(jié)構(gòu)，形成有效的認(rèn)知結(jié)果。

4. 知識(shí)—生活邏輯的學(xué)科思維

學(xué)科知識(shí)“生活化”是學(xué)科思維的重要表征形式，需要學(xué)習(xí)者融入生活環(huán)境中，運(yùn)用學(xué)科“透鏡”去觀察、解決現(xiàn)實(shí)生活中的現(xiàn)象及問題，讓知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用回歸生活世界，加強(qiáng)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活間的聯(lián)系。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入學(xué)科教學(xué)，能夠使學(xué)習(xí)者掌握的學(xué)科知識(shí)與真實(shí)環(huán)境更好地建立關(guān)聯(lián)，從而在解決真實(shí)場(chǎng)景中的問題過程中，促使學(xué)習(xí)者的知識(shí)學(xué)習(xí)從“學(xué)校知識(shí)”逐漸走向“生活世界”，實(shí)現(xiàn)知識(shí)“生活化”，形成學(xué)科思維?？傮w而言，學(xué)科知識(shí)的來源和應(yīng)用都不能脫離學(xué)習(xí)者的生活經(jīng)驗(yàn)與生活實(shí)踐，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠支持尋求與生活經(jīng)驗(yàn)建立必要平衡的過程。

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