虚拟教具对实体教具的替代和超越：基于具身认知的视角

[摘   要] 随着互联网和交互技术的发展，模拟实体教具的虚拟教具逐渐走进科学探究课堂。具身认知强调身体及其经验的重要作用，与教具涉及的认知过程密切相关。文章首先指出认知发展理论、知觉符号系统理论、嵌入式认知理论等具身认知相关理论能够用于解释教具对学习者认知过程的作用。接着，文章介绍了虚拟教具与实体教具的对比以及二者混合应用的典型研究，指出二者对探究学习的作用及差异。研究发现：从感知觉经验来看，绝大多数实体教具能够被虚拟教具替代;虚拟教具能够从渐隐式认知支架、现象增强及动态演示、有效约束下的非线性探究路径等方面，实现对实体教具的超越;未来研究应加强对教具应用的过程性、多模态学习分析。

[关键词] 虚拟教具; 实体教具; 互联网+教育; 实验研究; 具身认知

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 王辞晓（1992—），女，吉林白山人。讲师，博士，主要从事互联网+教育、数字化学习、具身认知研究。E-mail：wangcixiao@bnu.edu.cn。

一、研究背景

近十年来，科学教育日益受到社会各界的重视。2011年，教育部颁布了小学、中学《科学课程标准》（修订稿），指出科学课程应以探究为核心，探究既是目标，也是主要的学习方式。美国下一代科学标准（NGSS 2013）指出，应将实践整合到科学教学内容中[1]。2017年，教育部通过《义务教育小学科学课程标准》，强调了实验教学的重要性，要求学校加强对探究过程的指导，注重引导学生动手与动脑相结合。在科学教育中，实验探究一直扮演着重要的角色[2]。上手活动（Hands-on Activities）是传授科学概念、开展实验探究的重要教学方法[3]。通过上手活动进行科学探究实验，离不开教具的支持和应用。

虚拟教具通常由模拟实体教具开发而来，能够通过互联网或软件进行获取。随着互联网的普及、数字校园的建设以及移动设备在学校环境中的应用，虚拟教具的易获取性使其在科学课堂中得到广泛应用[4]。2020年1月，为保障我国新冠疫情防控期间的教学工作，教育部提出“停课不停教、不停学”方案，并开放优质网络教育资源与平台供学校组织在线教学。其中，国家虚拟仿真实验教学项目共享平台、国家级虚拟仿真实验教学中心为各级学校学科实施在线探究活动提供了丰富的虚拟教具资源。具身认知（Embodied Cognition）强调身体及其经验对认识过程的重要作用，这与教具操作的上手经验密切相关。从具身认知视角分析教具对认知的作用，并梳理实体教具与虚拟教具的对比研究，能够加深对虚拟教具的相关理论基础与教学实践的理解，并从研究思路与方法上为领域研究和实践提供启示。

二、具身认知理论与教具学习过程

20世纪80年代，以具身认知为代表的第二代认知科学逐渐发展起来，身体及其感知觉经验对认知的作用开始受到关注[5]。从具身认知的视角来看待教具对认知过程的作用，需考虑到该理论的跨学科、多领域交叉的特点。在具身认知相关理论中，认知发展理论、知觉符号系统理论、嵌入式认知理论能够用来解释教具对学习者认知过程的作用。

（一）认知发展与交互行为

具身认知强调身体及其与环境的交互经验对于认知的作用，这一观点主要受到了皮亚杰的认知发展理论的影响。皮亚杰的认知发生论将儿童智力发展划分为四个连续的阶段，即感觉运动阶段（0～2岁）、前运算阶段（2～7岁）、具体运算阶段（7～12岁）和形式运算阶段（12～15岁）[6]。具体运算阶段，儿童进行的运算是有限的，需借助具体事物或过程进行思维，不能进行语言假设。形式运算阶段的儿童则能用语言假设进行想象，在头脑中解决问题，思维不再依赖具体事物。换言之，儿童最初是通过感觉运动行为来与周围的环境进行交互，进而了解符号表征，最终对抽象信息执行正式的操作。

在认知发展領域中，维果斯基也指出身体与环境的交互会影响思维，并指出高阶思维是最初身体活动的内化[5]。布鲁纳也强调交互在学习中的作用，认为学习发生在物体操作的过程中，由此产生对物体的心理表征[3]。总的来说，通过交互中的感知觉经验，教具所呈现的外在表征使学习者获得了对概念的心理表征[3]。相关研究也表明，教具的交互特征能够帮助学生有效地进行认知投入，从而提高学习成效[7]。此外，即便是处于形式运算以后的认知发展阶段，教具的交互特征也能够通过下面将要介绍的知识表征、在线交互、离线认知来发展人的思维。

（二）知觉符号与知识表征

表征是信息在心智中的存在方式，知识表征是认知科学的核心问题[8]。受物理符号系统（Physical Symbol Systems）理论关于大脑计算机隐喻的影响，传统认知科学认为，认知过程只是进行输入、编码、存储等符号运算的信息加工过程[9]，忽视了身体对概念意义获得的作用。知觉符号系统（Perceptual Symbol Systems）理论[10]是具身认知关于知识表征的代表性理论。该理论认为，概念表征保留了概念意义获得过程中个体与世界交互时的感知觉痕迹[10]。对事物的表征是以多模态信息的形式在大脑中存储的，包括了人在经验某类事物时听觉、触觉、味觉等模态的编码[11]。该理论还强调模拟对认知的作用，模拟是重新执行过去在物理世界中获得的感觉运动经验。在这些经验中，大脑激活模式涉及多种模态，随后被整合到记忆的多模态表征中;当从记忆提取经验时，多模态表征便被激活。[10]

人类关于物体的表征不仅包含视听觉等特征，还包含与物体相关的操作动作，即操作动作表征。操作动作表征分为结构性（Structure-based）操作和功能性（Function-based）操作[12]：结构性操作是对物体进行在线加工，依靠的是当前物体提供的视觉和空间信息;功能性操作需要从长时记忆和概念系统中提取信息，依靠物体的使用经验，提取使用物体的动作特征，是对物体进行离线加工。总的来说，从知觉符号系统理论的观点来看，学习者在操作教具时获得的感知觉经验是多模态的，且在记忆中存储的信息也是多模态表征的，记忆整合了身体经验，执行身体动作有助于激活相关记忆。

（三）嵌入环境的在线交互

嵌入式认知（Embedded Cognition）理论认为，认知活动不是简单的内部过程，而是涉及大脑、身体和环境的持续性状态转换（Transactions）[13]。嵌入式认知认为，有效的学习取决于学生如何协调认知活动，从而使身体和环境资源相适应;认知是由外在的人工制品和认知过程（External Artifacts and Cognitive Processes）供给和约束的（Afford and Constrain）[13]。在一段对话中记录笔记、使用手指来计数、询问他人以使自己回忆起某事、借助某个建筑物来认路，是嵌入式认知的常见实例，即个体身处环境并与环境进行“在线”交互。

嵌入式认知认为，外部环境可以作为外部的工作记忆，环境与学习者之间的交互会改变认知过程[14]。例如，在纸笔可用的情况下进行思考，可能会与仅在头脑中思考有截然不同的认知过程。认知系统倾向于通过使用外部资源来管理工作记忆，对外部环境进行操作，有助于提升任务表现。人工制品塑造了学习者的认知状态，通过教具进行学习，涉及外部人工制品与认知过程的耦合。教具的知觉和交互丰富性是一种重要的学习资源，使学习者以特定的方式与环境进行交互，从而有效地将学习者的认知活动嵌入环境中，从而减轻认知负荷[14]。

交互的性质决定着认知过程和学习的展开方式。例如，相比于传统的多媒体学习材料，虚拟教具能够使学生更好地理解和专注于学习内容[15]。相比于使用鼠标进行的虚拟操作，传统的物理操作和可触控的虚拟操作能够带来更多的与任务相关的认知行为[3，16]。Pouw等人指出，嵌入式学习中的知觉特征与交互的可能性有直接关系[14]。教具交互功能的丰富性能够促进学生对教具可操控性的知觉。同时，教具的感知和交互特征能够在何种程度上供给嵌入式学习，与学习者能够执行的动作以及能够知觉到的行动可能性有关[14]。

（四）具身经验的离线认知

教具的应用涉及个体与环境的“在线”交互，也与先前感觉运动经验在“离线”认知活动中的作用有关[14]。嵌入式认知强调与环境“在线”的交互，具身认知则关注身体如何塑造非嵌入式的“离线”认知[14]。在学习科学领域，嵌入式认知的一些观点会被纳入具身认知理论之中，意在强调“在线”和“离线”对认知过程的解释作用是互补的[17]。离线，指学习者不处于身体直接经验的情境中，尽管教具不在场，学习者对抽象概念的理解也依赖于先前情境中获得的感知经验。传统认知观点认为，在一个情境中习得的知识转化到另一个情境，取决于一套复杂语义规则的建立，是从直接的感觉运动状态和环境中去情境化实现的[14]。然而学习并不是去情境化的，杜威指出，个体所处环境中不包括所讨论的事物，但个体也能够与想象中的事物或情境进行交互，而想象则依赖于最初的身体经验[18]。

具身认知认为，知识是建立在感觉运动惯例（Sensorimotor Routines）和经验中的，先前交互中的感觉运动信息能够被内部认知过程重新利用。学习迁移并不依赖于去情境化知识，而是对先前的感觉运动經验的内化，这种经验正是由知觉和交互的丰富性所提供的[14]。例如，先前大量的使用算盘的感觉运动经验能够实现充分的心理模拟，使得算盘专家也可以不需要外部支持（没有算盘的情况下）便实现计算。成功的学习迁移中，教具的目的是当教具不在场时，个体仍能进行思维的建构，这种建构并不是去情境化的;在这种情况下，嵌入式交互转为具身交互，并发展了离线思维[14]。

具身知识内化的发展过程是循序渐进的。例如，前面提到的算盘使用，从新手到专家经历了从依赖外部资源到依凭内部资源的转换过程。外部资源逐渐内化的过程取决于学习者的“表征稳定性”，即在心理上（Mentally）替代外部结构的能力，例如，低空间能力者更需要外部支持来维持表征稳定[14]。从新手到专家，是外在支持逐渐消退的过程，这一过程依赖于主体维持的内部表征稳定性[14]。总的来说，学习者通过使用教具能够获得相应的感知觉经验，从而形成对概念和知识的多模态表征;当教具不在场时，学习者的知识理解、记忆保持、学习迁移则依赖于先前操作教具所获得的感知觉经验。

三、虚拟教具与实体教具的典型研究

实体教具（Physical Manipulative，PM）是指由实物材料或工具设备构成的可供操作的教学工具。虚拟教具（Virtual Manipulative，VM）则是指模拟实体教具而设计开发的、需通过网络或软件进行加载、可供操作的教学工具[19]。虚拟教具也被称作教学模拟（Instructional Simulation），指用于教学的、动态的、可计算的交互模型或系统，模型的状态取决于学生对它的操作或计算行为[20]。受传统实体教具资源有限、可操作性易受干扰等因素的影响，能够规避危险、具有实验可重复灵活性的虚拟教具逐渐发展起来[4]。为探讨虚拟教具与实体教具对探究学习的作用及差异，本研究对同时关注二者的相关实验研究进行了梳理。

（一）虚拟教具与实体教具的对比研究

学者们对VM和PM的教学效果进行了比较研究。一些研究表明，VM能够取得和PM同样好的教学效果。例如，Zacharia和Olympiou以“热量与温度”为学习内容，对115名物理学本科生进行了教育实验，PM组使用实体教具，VM组使用虚拟教具。学生2～3人一组进行为期四周、每周学习时长1.5小时的合作学习。研究结果表明，VM与PM能够在概念理解层面同等程度地提高学生的学习成效[21]。再如，Yuan等人以“多方块组合”为主题让60名八年级初中生开展总时长130分钟的合作学习，后测表明，VM组能够使学生取得与PM组同样好的学习成效[22]。

一些研究则发现VM比PM教学效果更好。例如，Klahr等人对56名七年级和八年级初中生进行以“小车组装和动力测试”为学习内容的2×2对照实验。实验对象随机分为四个组：规定操作时间的条件下，使用PM和使用VM;规定组装小车数量的条件下，使用PM和使用VM。该研究发现，在固定时间的条件下，VM组学生能够组装并测试更多数量的小车;在规定组装6辆小车的条件下，VM组学生比PM组学生花费时间更少[23]。此外，Yuan等人的研究也发现，相比于PM组，VM组的注意力程度更高，并且制定出采用符号来记录结果的策略[22]。Zacharia和Michael则通过实验研究发现，相比于VM的众多优点，PM仅仅在帮助学生获得和发展物理操作技能上有优势[24]。

另一些研究发现PM教学效果优于VM。例如，Marshall和Young让物理学本科生开展了以“物理碰撞”为主题的探究活动。学生3人一组先使用PM再使用VM进行总时长为75分钟的合作探究。该研究还选取一个代表性的小组进行视频录制与编码分析。研究发现，当小组从PM转换到VM时，他们的注意力从实验设计转移到了处理系统反馈上，这阻碍了学生通过行动迭代得出结论的改进过程。此外，VM并非像预想得那样能够快速、便捷、准确地帮助学生获得测量结果，相反学生花费了约两倍于PM的操作时间在处理他们不够熟悉的VM系统上[25]。

总的来说，VM与PM教学效果差异的研究结论不尽相同，很大程度上是因为二者的功能存在差异[2]。具体而言，VM的优势有：观察现实生活中无法观察的现象，增强实验现象（如增加矢量表征）;可重复进行精确测量和操作，规避实验风险;简化或省去耗时步骤、提供快速操作，使得学生在概念理解上能够分配更多的时间[24，26-27]。PM的优势有：提供真实的操作体验和实验经验，感知和体验物体的特质，培养使用特定材料和设备的动作技能[2，14，26]。此外，从认知负荷理论来看，VM对PM模拟程度也会对学习效果产生影响[20]，例如，低保真模拟的VM会减少无关细节信息，从而降低学习者认知负荷，而高保真模拟的VM则会增加无关认知负荷[26]。

（二）虚拟教具与实体教具的混合应用

除了前面提到的VM和PM的对比研究，学者们还对VM和PM的混合应用进行了大量的研究。一些研究开展了关于VM和PM使用顺序的探索。例如，Zacharia等人让实验组先使用PM再使用VM（PM→VM），对照组仅使用PM，在热和温度两个主题的探究活动中，PM→VM组在概念理解上均显著优于PM组[27]。该研究指出，VM不仅具有与PM同等的交互特征，还能够提供更快速的操作，且VM的这种优势不受探究内容的影响[27]。相关研究也表明，PM→VM组的学习效果优于PM组[24，26，28]。其中，Zollman等人在研究中指出，PM→VM顺序能够让学生先经历对PM的实际观测，再通过VM建立心理模型（Mental Model），因而会比单独使用PM效果更好[28]。此外，Winn等人指出，当学习内容需要放置在特定情境中时，PM→VM设计能够使学生获得一定的先前经验[29]。

也有研究探索了先使用VM再使用PM（VM→PM）的顺序设计。例如，Wang和Tseng将208名三年级小学生分成VM组、PM组、VM→PM组。研究发现，在知识获取层面，VM→PM组和VM组均显著优于PM组，且VM→PM组与VM组取得了同样好的效果;在概念理解层面，VM-PM组比VM组或PM组效果更好[30]。Jaakkola和Nurmi的研究设计了VM组、PM组、VM→PM组，研究发现，VM→PM组在概念理解方面显著优于VM组，而PM组在三组中得分最低[31]。Zacharia和Anderson在研究中发现，当PM涉及较为复杂的系统操作或现象时，应使用VM→PM的顺序设计，因为先使用低保真度的VM能够让学习者更聚焦于所学内容及特征[32]。

Kapici等人则设计了更为复杂的VM與PM混合应用形式，对来自四个班级143名七年级初中生进行了三组电路实验。该研究将电路知识分为三个部分，四个班级的教具使用顺序分别为PPP、PPP、VPV和PVP，其中P代表PM，V代表VM，字母顺序代表三个实验中各班的教具类型。研究发现，VM与PM的混合形式（VPV和PVP）均能够取得比单独使用VM或PM形式更好的学习效果，但这两种混合顺序并无显著性差异[33]。Toth等人也对比了VM→PM和PM→VM两种顺序设计，发现在概念理解测试中PM→VM组和VM→PM组无显著差异[34]。

还有研究对同时使用VM和PM进行了探索，例如，Olympiou和Zacharia的研究中，学生可以在PM和VM中随时切换（PM&VM）[2]。也有研究整合了VM和PM功能，例如，Ha和Fang以“空间可视化技能中的心理旋转”为学习内容，设计了整合VM和PM的组合型教具VPM。在VPM系统中，PM中置入了传感器，当学生转动PM时，电脑屏幕会对应显示相应空间角度的VM及其各项空间数值。该研究中63名八年级初中生通过VPM进行合作学习，结果表明，VPM能够有效提高学生的心理旋转技能，并且态度问卷和访谈都显示，相比于单独使用VM或PM，学生更喜欢VPM这种组合形式[35]。再如，Abrahamson等人设计了数学比例形象化训练器MIT-P，帮助学生开展具身学习活动。学生移动手持传感器的同时，MIT-P系统能够实时反馈两手的位置并作出相应反馈[36]。

由上述研究可知，VM和PM的混合应用大多优于单独使用VM或PM。VM和PM混合应用中二者能够发挥如下作用：PM能够让学生更全面地体验科学探究过程（如真实科学实验测量中存在的误差），并发展相应的应对能力;VM能够减少无关信息的干扰，使学生通过精确测量和易重复的操作，快速地总结实验规律。

四、权衡选择：具身认知的视角

前文提到的研究大多发生在实验情境下，尤其是VM与PM的混合应用。真实教学情境下考虑到时间和资源成本，教师通常会在VM和PM之间进行选择[37]，而较少混合应用VM和PM。那么在VM及相应硬件设备可用的情况下，教学设计人员应如何对二者进行权衡选择？下文将从具身认知理论出发，对VM和PM涉及的认知过程作进一步分析，以探讨真实教学情境中的选择与设计。

（一）虚拟教具对实体教具的替代

尽管具身认知的相关观点关注学习者对教具的操作经验及相应的知识表征，但这并不代表这些经验必须从实体操作中获得。算法启发式教学法的创建者Landa认为，知识分为三种类型：图像（Images）、概念（Concepts）和命题（Propositions）[38]。图像指事物在大脑中的形象表征，例如，当提到三角形时，头脑里关于它的心理图像;概念指描述一个对象的特征的知识;命题则指对象之间的关系，如定义、公理、假设、法律、规则。算法启发式教学法关注处方式教学，因而强调学习过程中的操作（Operation）。操作具体分为物理操作和认知操作。前者指对事物（实体或虚拟）的操作，后者指在大脑中对图像、概念、命题进行操作。两种操作都涉及对象、属性、元素和关系的真实转换（Transformation）。例如，无论我们是通过教具还是在大脑中进行三角形的翻转，三角形的形状、大小和其他属性都会发生相应的变化。算法启发式教学法关于图像、概念、命题的物理操作和心理操作，与具身认知理论所强调的多模态表征、感知运动能力密切相关。

Martin和Schwartz的物理分布式学习（Physically Distributed Learning）理论认为，认知存在于个体与其他认知组成部分的交互之中[39]。该理论中的“物理”是相对于无法进行操作（如只能通过纸笔构想或心理操作的情况）而言，与算法启发式教学法中的物理操作和认知操作类似。本文所指的“实体”和“虚拟”均能够使学习者对相应教具进行操作，使认知分布于大脑以外的身体与物理环境中。Martin和Schwartz通过多轮实验证实，相比于画图，物理操作能够使儿童进行开放式的物理交互和自主探索，帮助儿童更好地理解分数问题[39]。Manches和Price基于物理分布式认知理论指出，伴随着身体动作的物理操作，尤其是上手参与，能够帮助学生调动先前的感知经验，更好地理解概念[40]。这种上手经验不仅是在PM操作时会获得，Looi等人研究发现使用VM所涉及的上手或手势等具身参与同样有助于学生获得感知经验，使小组成员能够进行充分的信息协商与意义建构[41]。

从具身认知角度来看，教具的意义在于“感觉运动信息能够使知觉符号在任务情境中工作”，因而VM和PM的区别并不大[14]。Pouw等人指出，教具的物质性不是最重要的，可操作性和意义性才使其具有教学有效性[14]。前人研究表明，操作实物并不是学习特定技能的先决条件，操作屏幕上的对象与操作实物的效果一样好[42]。尽管具身认知理论认为PM提供的触觉信息有助于概念知识的发展[43]，但PM这一特征仅对学前儿童有积极作用，尤其是对质量概念有曲解的或者之前没有经验的儿童[14]。此外，只有在视觉模态的信息无法轻易起作用时，PM才有优势。例如，让学生感知体积相同、密度不同的物体在重量上的差别[14]。可见，在多数情况下，PM是可以被VM替代的。

（二）虚拟教具对实体教具的超越

探讨VM和PM对认知过程的影响，不仅要关注教具的物理操作，更要关注教具如何影响学习者的心理操作能力，使其获得在没有教具参与时的关于事物的心理表征和操作。对于心理操作能力，Manches等人指出，VM能够帮助学生更好地感知整体和部分的关系，PM则能够让学生感知可换性（Commutativity），即子部分之间功能或位置转换[44]。但如果学生不能够充分理解教学情境，那么PM难以发挥作用[44]。VM则恰恰能够通过精心设计的提示与反馈，帮助学生更好地在情境中获得概念表征的意义。在真实的教学情境中，采用PM时需要教师及外部学习材料（如纸质版实验单）的引导。VM则能够将外部引导或者认知支架嵌入教具交互功能中，并随着学生所获心理表征趋于稳定，逐渐弱化或去除支架。这一点是PM无法超越的，然而将PM与VM进行顺序设计或功能整合的混合应用成本却过高。此外，前面提到尽管PM能够让学生经验实体操作，但低保真模拟的VM减少了无关细节的干扰又易于多次操作，能够让学生更快地发展心理表征。帮助学生发展关于科学或数学概念的动态心理图像，才是进行思维教学的深层目的。VM能够增强实验现象，帮助学生获得PM无法提供的知觉体验，如透视、放大、动态演示等，这些知觉信息更易于发展学生的离线认知和学习迁移。

VM为学生提供了可交互的、参与式的、即时性的反馈，不仅使学生能够快速地进行实验，还让学生获得更高的独立性，自定步调进行实验操作[4]。具身认知理论强调个体通过“知觉—行动循环”与环境互动，通过虚拟实验操作学生能够获得反馈来强化、拓展或重构图式[45-46]。VM提供的独立性并不意味着操作完全不受约束。精心设计的限制与约束实质上是行动的资源，促使学习者沿着有效的非线性路径行动[36]。学生使用VM时会比使用PM时更少地出现无关操作，这是因为相比于PM的非限制情境（如光的折射探究活动中，学生可能会使用实体激光笔进行与学习无关的操作），VM的限制性交互（学生只能够通过虚拟激光笔在有限范围内操作）能够更高效地解决问题[47]。Pouw等人依据具身认知理论指出VM的两个设计重点：硬约束（Hard Constraints）和软约束（Soft Constraints）[14]。硬约束指VM功能特征决定的交互方式;软约束指这些特征在学习者行动过程中如何提供可能性，即可供性（Affordance）。例如，相比于鼠标操作的VM，触摸屏保留了一定程度的物理交互，有助于学生在数字化环境中获得知觉信息[3，14]。总的来说，从心理表征和操作的发展方面来看，VM所能够提供的渐隐式认知支架、现象增强及动态演示以及有效约束下的非线性探究路径，能够为学生提供超越PM的学习体验与效果。

五、关注过程：超越显著性差异

贝茨曾指出，教育研究中统计学意义上的“显著性差异”似乎无法全面地揭示差异的原因，而教学过程的复杂性有助于解释特定技术对学习成效的影响[48]。大部分关于VM和PM的研究仅停留在概念理解和技能获取层面[24，26-27，30，33，35]。这些研究从学习效果层面证明了VM和PM的组合要显著好于单独使用VM或PM，并将其归因为两者功能的互补上[26，33]，但探究过程中学生的具体交互行为却很少被关注。下面将基于前人的研究以探讨如何开展教具的相关研究，更好地为真实教学情境提供设计参考。

在少量关注学习过程的研究中，视频分析被用于VM与PM在合作探究中的效果研究。Wang和Tseng的研究中，来自三个班级的55名六年级小学生被随机分配到三种实验设置中：PM组、VM组、PM&VM組，进行为期三周、每周80分钟的合作探究学习。除前后测学习效果数据外，该研究从三个班级各随机选择一个小组录制视频。研究发现，PM&VM组在概念理解和电路搭建方面显著好于PM组和VM组，但该研究并没指出视频数据如何被用来支持这一研究发现[30]。Zacharia和Michael则基于扎根理论对视频中学生的对话和行为进行了开放式编码，通过分析发现，VM是使PM&VM组具有显著优势的主要原因：VM为学生提供了更快的操作，使学生能够进行更多的尝试，进而高效地利用探究时间;VM易观测的反馈也有助于学生的概念理解。而PM在PM&VM组中的作用仅仅表现为：为学生提供真实的操作体验，有助于学生进行实体电路的搭建。但PM所提供的这种真实经验，使得学生在实验过程中经历更多“混乱”，学生不得不在过程问题上投入更多时间，分散了学生对概念理解的注意力[24]。该研究仅对录制视频中的部分对话及行为进行了编码，并且未给出编码表和相关编码数据，视频分析仅为结论得出起到辅助作用。

Olympiou和Zacharia的研究基于前人对科学探究过程的编码研究，根据实际视频数据，编制了名为“探究周期（Inquiry Cycle）”的编码表。该编码表包含8个类别：预测、实验搭建、直接观察、解释、检查点（Checkpoints）的师生对话、教师干预后的师生对话、学生提问时的师生对话、不相关内容[2]。Olympiou和Zacharia以15名本科生为研究对象，进行为期两周的合作探究，每周开展1.5小时的面对面探究活动。在探究活动中，实验组可同时使用PM和VM，对照组则仅能使用PM进行学习。研究者对学生发言进行编码，对各组的探究周期进行分析后发现，实验组中学生之间、学生与教师之间关于实验现象的讨论时间更长，使用实验工具和实验单的时间也长于对照组;实验组还能够借助VM在实验单上列出多种实验设计，再展开实验;实验组比对照组进行了更多轮的实验探究，从而获得了更多可供分析的数据;实验组能够在PM和VM中随时切换，使得学生既能够从PM中获得真实体验，又能够通过VM进行精确的实验探究[2]。可见，通过编码表对合作过程视频进行分析，能够较为清晰地描绘科学探究中的交互行为。但该研究仅对发言类型和時长分布进行了描述分析，并未深入分析交互内容的因果关联。这说明该领域还有待开发更为细致地描绘合作过程中个体与人工制品之间、个体之间互动行为的编码表。

总的来说，该领域的大部分研究是使学生以小组为单位进行学习的[22，26，30]，但较少关注教具使用过程中的小组交互及认知参与。少部分关注小组互动过程的研究，尚停留在对个体间互动频次或类型的统计层面上，并未探讨互动内容及行为间的关联，也尚未关注互动背后的社会文化因素和个体以及群体认知的协调参与。此外，尽管合作学习不需要教师的直接监督，但教师在小组活动中的角色仍非常重要，例如，在活动中的适当节点处与学生对话[2]。Abrahamson等人也指出，教师在具身交互学习环境中发挥着重要支持作用[36]。因此，在对视频进行多模态会话分析时，也应将教师与学生的互动进行编码。此外，教具能促进同伴间交互和知识建构[37]，还需要结合社会文化等认知发展因素对互动过程和认知协调作深入分析。

六、结   语

本文首先指出了教具学习过程与具身认知相关理论的关联性：认知发展理论强调个体与环境交互对概念理解的作用;知觉符号理论则认为操作教具时获得的感知觉经验是多模态的，且在记忆中存储的信息也是多模态表征的;嵌入式认知关注使用教具时“在线”交互的感知觉经验，教具不在场时的“离线”认知则反映了先前经验对知识理解、记忆保持、学习迁移的作用。基于具身认知相关理论，绝大多数实体教具是能够被虚拟教具所替代的，可操作性和意义性才是使教具发挥教学效用的关键。虚拟教具能够从渐隐式认知支架、现象增强及动态演示、有效约束的非线性路径等方面，实现对实体教具的超越。先前研究尚未在教具的可供性和学生的交互行为之间建立紧密联系。未来研究应采用过程性、多模态学习分析，探讨教具对学习迁移和认知发展的作用，并结合社会文化等认知发展因素对互动过程和认知协调进行分析。

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