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        虛擬實驗深度學習研究

        2024-04-29 00:00:00周小燕
        黑龍江教育·理論與實踐 2024年3期

        收稿日期:2023-06-20" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 修回日期:2023-07-06

        作者簡介:周小燕,女,講師,博士研究生,研究方向為科學教育。

        基金項目:2022年廣東省教育廳線上線下一流課程“‘STEM教育與創(chuàng)客教育’”(粵教高函〔2022〕33號);2020年廣東省高等教育教學改革項目“基于雨課堂的科學實驗深度教學研究和改革實踐”(粵教高函〔2020〕20號);2023年嶺南師范學院筑峰計劃專項項目資助“小學科學教師跨學科素養(yǎng)現(xiàn)狀與提升路徑研究”(嶺南師范學院基研院〔2023〕4號);

        2022年嶺南師范學院基礎(chǔ)教育改革項目“湛江市小學科學實驗教學現(xiàn)狀研究”(嶺南師范學院教務〔2022〕128號)

        摘" " 要:虛擬實驗是一種新興的教學工具。其沉浸性、交互性,以及可跨時空創(chuàng)設(shè)情境的優(yōu)點使其在教學過程中被廣泛應用。實踐研究表明,在主題探究、任務驅(qū)動、合作交流和虛擬實驗平臺為“腳手架”的深度教學情境下,學習者經(jīng)歷了積極主動、交流互動、概念理解、反思調(diào)控和積極情感體驗等深度學習體驗過程;學習者的反思內(nèi)容體現(xiàn)了知識整合、問題解決、判斷分析、反思改進和遷移應用等深層學習認知過程。

        關(guān)鍵詞:虛擬實驗;深度學習;反思文本;內(nèi)容分析法

        中圖分類號:G642" " " 文獻標識碼:A" " " 文章編號:1002-4107(2024)03-0025-04

        一、引言

        隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展,虛擬實驗作為一種新興的教學工具,在教學過程中的應用越來越廣泛。通過虛擬實驗操作,不僅可以使學生重現(xiàn)傳統(tǒng)實驗,還可以對實驗條件進行多次調(diào)整,實現(xiàn)多次實驗,同時,虛擬實驗的沉浸性、交互性和可跨時空創(chuàng)設(shè)情境的優(yōu)點,可以將學科理論教學和實踐過程深入地融合。虛擬實驗可以通過增強實驗現(xiàn)象、提供“腳手架”等精細化教學交互設(shè)計,促進學生理解復雜概念,達到深度學習。然而,關(guān)于學生在虛擬實驗深度學習過程中具有哪些特征,已有的研究中并沒有給出明確答案。因此,文章基于深度學習的視角,采用反思文本分析法挖掘?qū)W生在虛擬實驗學習過程中的元認知能力,為虛擬實驗教學提供啟示。

        二、虛擬實驗深度學習模型

        深度學習是一種生成過程,其要求學生積極地理解新信息,包括激活與新信息相關(guān)的現(xiàn)有知識、識別現(xiàn)有知識和新信息之間的差距,以及將新信息與現(xiàn)有知識整合成一個連貫的系統(tǒng)等。生成過程需要學生通過探索和實踐不斷更新認知結(jié)構(gòu),并逐漸形成更深層次的理解。張浩等人認為,深度學習是在合作探究學習環(huán)境中,學習主體主動建構(gòu)個人知識體系并遷移應用到合作探究學習環(huán)境中,最終促進深度學習目標的達成[1]。課堂中,深度學習是如何發(fā)生的呢?郭華認為,課堂中學生發(fā)生深度學習需要教師做好以下幾項工作。第一,具有清晰明確的教學目標,并根據(jù)教學目標準備符合學生學習特點的結(jié)構(gòu)化材料;第二,要有合理完整的教學環(huán)節(jié),教學任務需要按照計劃有目的地完成;第三,營造安全、平等、合作、互動的學習氛圍;第四,要有即時評價,同時根據(jù)教學反饋信息對教學環(huán)節(jié)及活動做出相應調(diào)整[2]。李洪修等人構(gòu)建了虛擬環(huán)境下的深度學習模型,并從深度學習的準備、知識遷移與建構(gòu)和深度學習評價3個階段闡述了虛擬環(huán)境下深度學習模型的運行機制[3]。茹婷婷等人將虛擬實驗微課程融入實驗教學實踐發(fā)現(xiàn),此模式可以促進學生深度學習[4]。周小燕基于B.布魯姆(B. Bloom)的教育目標分類理論,在實驗研究課程中融入物理實驗推文來激發(fā)學生參與實驗學習的積極性,促進學生深度學習[5]。吳秀娟等人構(gòu)建了基于反思的深度學習過程模型,認為學習者的反思貫穿整個學習過程,可通過對學習過程及結(jié)果的調(diào)控來促進問題解決,而反思作為一種重要的高階思維能力可以促進深度學習[6]。

        B.布魯姆的教育目標分類理論認為,學習者獲得知識的過程要經(jīng)歷記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造這種由低至高的6個層次的認知過程。這與深度學習中學習者的認知發(fā)展過程基本一致?;诖?,本研究構(gòu)建了基于反思的虛擬實驗深度學習模型(圖1)。

        三、研究實施過程

        本研究中的虛擬實驗深度學習過程是由教師根據(jù)教學目標,選擇虛擬實驗探究主題。學生了解虛擬實驗的原理、任務和目標;教師講授虛擬實驗平臺的操作方法;學生通過小組合作探究,并進行虛擬實驗交流、虛擬實驗教學實踐、虛擬實驗創(chuàng)新設(shè)計等。虛擬實驗的每個環(huán)節(jié),教師都會引導學生分析、反思,整個過程循環(huán)迭代。最后,教師要求每個學生根據(jù)學習過程寫一份反思文本。

        學生的學習反思文本最能體現(xiàn)個人的真實思維發(fā)展過程,是深度學習的一個很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。卜彩麗等人研究發(fā)現(xiàn),學生的學習反思日記可以有效促進學生元認知能力的發(fā)展,撰寫反思日記可作為提升學生元認知能力的重要策略[7]。綜上所述,學生的反思文本可以體現(xiàn)深度學習過程,是學生元認知能力發(fā)展最有力的依據(jù),因此,教師通過分析學生的學習反思文本,可以挖掘?qū)W生參與深度學習的過程。

        四、研究樣本和分析方法

        本研究以GD省LN高等師范院校科學教育專業(yè)大三年級46名學生為研究對象,對“數(shù)字化科學實驗研究”課程的反思文本進行調(diào)查研究。作為課程考查的一部分,反思文本內(nèi)容包括:對虛擬實驗學習的真實感受、收獲、體會和想法;虛擬實驗探究過程中遇到的問題、解決方法、是否得到收獲;實驗設(shè)計如何創(chuàng)新、遷移等。

        本研究主要采用內(nèi)容分析法,并利用分析工具對反思文本進行編碼歸類與分析,具體操作步驟為:將個人反思文本批量導入 NVivo 12 Plus(專業(yè)級的質(zhì)性數(shù)據(jù)分析和編碼)軟件中;反復閱讀反思文本,根據(jù)內(nèi)容分析編碼表建立各個節(jié)點,完成節(jié)點編碼。同時,為了避免主觀因素對研究結(jié)論產(chǎn)生爭議,邀請兩位研究助理對此進行編碼,結(jié)合對比發(fā)現(xiàn),三者的編碼結(jié)果一致,說明本研究內(nèi)容分析有較高一致性信度。

        五、反思文本內(nèi)容分析

        (一)深度學習體驗分析

        從課堂教學角度來看,深度學習就是學生在教師的幫助下,依據(jù)某主題,全身心參與、體驗、獲得發(fā)展的有意義的學習過程。在淺層學習中,學生能注意到某種現(xiàn)象并在情感上做出簡單反應,其情感水平停留在較低的“接受、反應”層次。但在深度學習中,學生有著強烈的學習興趣、內(nèi)在的學習動機、積極的情感投入,能正確評估某種現(xiàn)象的價值,其情感水平處于較高的“價值評價、組織、價值體系個性化”層次?;诖?,深度學習體驗應該包括主動學習,師生、生生之間保持有效互動,學習材料、時間和空間得到充分保障,學生對知識形成真正的理解,學生的自我監(jiān)控和反思能力得到培養(yǎng),學生獲得積極的情感體驗等內(nèi)容。本研究基于以上理論,分析反思文本中的深度學習體驗(表1),分析單元為一份文本。

        通過反思文本分析(圖2),有91.30%的學生認為“能夠在虛擬實驗學習過程中進行主動學習”,在反思文本中出現(xiàn)了“自主”“自覺”等詞,體現(xiàn)了學生能夠積極主動地參與到虛擬實驗學習中去;89.13%的學生認為“虛擬實驗學習過程中有很多師生、生生互動,可以向老師詢問、跟組員一起交流”等;有80.43%的學生認為“這種虛擬學習材料能夠得到充分保障”,這也體現(xiàn)了虛擬實驗教學方式能夠提供豐富的教學資源;有84.78%的學生認為“虛擬實驗深度學習過程可以幫助我們理解知識,虛擬實驗通過反復做,實驗中的物理知識就能深刻理解”;有82.60%的學生認為在虛擬學習過程中他們有很好的自我監(jiān)控和反思能力,“一開始實驗達不到目標要求,原因是虛擬砝碼質(zhì)量沒有選擇對,要搞明白實驗原理和步驟,實驗才會比較順利”;有86.95%的學生認為在虛擬實驗學習中獲得了積極的情感體驗,“這種虛擬學習很有意思,不用擔心實驗不成功又要重復做,不用擔心器材不足,很有趣,像是在玩游戲,很治愈”。綜上可知,反思文本體現(xiàn)了學生在虛擬實驗學習過程中能夠主動參與,獲得了比較積極的情感體驗,真正理解了知識,在學習過程中提升了自我監(jiān)控和反思能力,學習過程中有較多的師生和生生互動,這些都從側(cè)面反映了學生在虛擬實驗學習環(huán)節(jié)達到了深度的學習體驗。

        (二)反思文本認知過程分析

        B.布魯姆的教育目標分類理論認為,學習者個體獲得知識的過程要經(jīng)歷記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造這種由低至高的6個層次的認知過程,其中,深度學習是一種以高水平思維為核心特征的高階學習,要求學習者運用分析、綜合、評價、創(chuàng)造等高階認知技能來開展學習活動。因此,反思文本中可以體現(xiàn)認知過程(表2)。本研究基于以上理論分析反思文本中的認知過程,以一份分析反思文本為一個分析單元,以出現(xiàn)的相關(guān)的認知過程細目語言為準。

        通過反思文本認知過程分析(圖3),記憶類的文本占比為11.25%,明確實驗要求的接受類的文本占比為9.84%,說明學生在概念識記、現(xiàn)象描述、實驗結(jié)果、接受和明確任務等淺層學習上的文本占比為21.09%;整合多元信息資源以解決問題的文本占比為12.18%,表明學生有意識地對問題及信息資源進行剖析、分辨,以更好地組織和補充知識網(wǎng)絡;關(guān)于問題解決的描述類的文本占比為15.09%,表明學生在虛擬實驗過程中描述、分析問題,并提出多種解決的方法;關(guān)于分析判斷的文本占比為17.21%,表明學生在遇到問題或困難時能夠理性分析,并充分利用身邊的資源,找到合適的問題解決方案;關(guān)于反思改進的文本占比為15.74%,表明學生對探究活動的有關(guān)知識內(nèi)容和涉及的實驗進行了深入的思考,客觀地對其內(nèi)容進行批判,并針對不足,結(jié)合資料提出改進創(chuàng)新方法,充分體現(xiàn)了學生的學習積極性和求知的渴望,并表現(xiàn)出學生的深度學習能力正在不斷發(fā)展中;關(guān)于跨情景遷移的文本占比為18.69%,表明學生對知識的理解、對問題與困難的看法、對探究過程與實驗內(nèi)容等的反思已不再局限于表面,而是能夠主動進行多方面遷移、多層次的深度學習。

        六、研究結(jié)論

        經(jīng)過對一個學期的虛擬實驗學習課程中46篇課程反思文本的分析,圍繞研究問題,本研究的結(jié)論如下。

        第一,關(guān)于深度學習體驗,有91.30%的學生認為“能夠主動參與學習”;有89.13%的學生認為“跟老師、跟同學、跟組員有交流和互動”;有80.43%的學生認為“虛擬實驗學習可以確保學習材料,不擔心實驗器材損耗”;有

        84.78%的學生認為“虛擬實驗學習幫助其理解科學概念,通過反復虛擬演示,幫助其理解實驗中的概念”;有82.60%的學生認為“在學習過程中,其自我監(jiān)控和反思能力得到了提升”;有86.95%的學生認為“虛擬實驗學習讓他們獲得了比較積極的情感體驗,能積極主動地、批判性地整合新知識,將理解知識用于解決問題和遷移到新情境中”。

        第二,關(guān)于認知過程,有11.25%的文本是關(guān)于記憶認知的,其中主要的是關(guān)于概念或?qū)嶒灛F(xiàn)象描述的,有9.84%的文本是描述接受,主要是明確實驗活動的要求,而在B.布魯姆的教育目標分類理論中,記憶和接受屬于淺層學習過程,可見,學生在本研究的虛擬學習過程中,共有21.09%的反思文本是描述了他們的淺層學習。關(guān)于整合資源以解決問題的文本占比為12.18%,表明學生在虛擬實驗學習中有意識地對多種資源進行剖析、分辨和整合用于解決學習中遇到的問題。有15.09%的文本是描述問題解決,即描述對問題的分析,對問題方法的比較和選擇等認知過程。關(guān)于分析判斷的文本占比為17.21%,顯示學生在遇到問題或困難時,能夠理性分析、邏輯推理,并充分利用身邊的資源,通過與同伴合作找到合適的問題解決方案。關(guān)于遷移應用和反思改進的文本占比為34.43%,表明學生對知識的理解、對問題與困難的看法、對探究過程與實驗內(nèi)容等的反思已不再局限于表面,而是能夠主動進行多方面遷移、多層次的深度學習。

        七、結(jié)束語

        虛擬實驗作為一種新興的教學工具,其沉浸性、交互性和可跨時空創(chuàng)設(shè)情境等的優(yōu)點使其在教學過程中被廣泛應用。只要教學設(shè)計科學合理,學生在虛擬實驗學習過程中就可以達成較好的深度學習目標。本實踐研究表明,在主題探究、任務驅(qū)動、合作交流、虛擬實驗的深度教學設(shè)計情境下,學生經(jīng)歷了積極主動、交流互動、概念理解、反思調(diào)控等深度學習體驗過程。在學生的反思文本語言描述中,大部分內(nèi)容是關(guān)于整合、問題解決、判斷分析、反思改進、遷移應用等深層學習認知過程,這也反映了在虛擬實驗探究過程中學生經(jīng)歷了深度學習。

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        ■ 編輯∕丁俊玲

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