具身认知视角下的科技场馆学习活动设计模式研究

2021-12-24王宁王朋娇王智慧

中国信息技术教育 2021年24期

王宁　王朋娇　王智慧

摘要：本文首先归纳总结了具身认知理论对科技场馆学习活动设计的启示，随后阐明了具身学习的基本内涵和构成要素，并据此提出了科技场馆具身学习活动设计模式，从情境创设激发动机、正向引导唤醒身体、具身体验持续交互、生成内化共享经验、引导修正强化认知五个环节实施活动，以期在培养学生创新能力和解决问题能力的同时，提升科学素养，促进深度学習的发生。

关键词：具身认知;身体;环境;科技场馆;学习活动设计模式

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2021）24-0102-05

● 具身认知理论对科技场馆学习活动设计的启示

1.具身作为活动起点，重新审视学习者的身体

具身认知视角下的学习是身体通过感知器官与环境交互产生体验，从而达到理解知识的目的。因而，科技场馆内学习活动的顺利开展应以“具身”为起点，充分发挥学习者的身体能动性。同时，还要学会利用先进的信息技术手段（如AI、VR等）扩展学习者身体的认知，使技术与身体融合，真正成为身体的延伸。只有这样，才能激发学习者学习的主动性和积极性，提升学习参与感，促进科学知识的形成与巩固。[2]

2.创设良好的学习情境，注重学习的持续生成

具身认知视角下的科技场馆学习要注重情境的创设，针对学习者不同的学习风格，运用图片、视频、场景、声光电和虚拟现实等手段还原展品所处的环境和历史背景，为学习者营造一个虚实融合的、丰富的学习情境。学习者在这样的情境中交互体验，并在体验过程中享受场馆学习带来的乐趣。

3.设计有意义的交互活动，注重学习的交互具身

在设计科技场馆内的学习活动时，教师和科技辅导员要注重学习者身体与场馆环境之间的交互，让学习者通过自身的身体行为主动构建知识，从而实现对相关知识的认知。在活动设计的过程中，还可以利用5G、大数据、AI、VR等先进的信息技术手段设计辅助活动实施的教学支架，加强学习者与场馆环境之间的互动，使他们获得真实的感受。[2]

● 具身认知视角下的科技场馆学习活动设计模式

本研究将依据科技场馆学习活动要求，从前端分析、核心要素设计、活动实施、活动评价四个环节来阐述科技场馆具身学习活动的设计模式，具体如下图所示。

1.前端分析

（1）活动对象分析

具身认知理论强调学习者以“体认”的方式认知世界[3]，因此对活动对象的分析主要从认知特征、初始能力和学习风格三方面进行。认知特征是指影响活动对象对科技场馆内学习活动认知的生理、心理等一般特征，如性别、年龄、学习动机、已有经验等;初始能力是指活动对象在开始活动之前已经具备的知识结构，以及对接下来要进行的场馆学习活动的认知和态度;学习风格是指在场馆学习活动过程中活动对象持续一贯的且带有个性特征的学习方式。

（2）活动内容分析

活动内容是指学习者为达成预设科技场馆学习活动目标需要学习的知识、技能和行为规范等。其目的在于选择科技场馆内适合学习者学习的、难易适中的内容范围，以达到最优的学习效果。

（3）学习需要分析

学习需要是指学习者目前水平与预期水平之间的差距。在进行科技场馆具身学习活动设计时，我们需要明确学习者的学习现状和学习期望，了解其在学习过程中遇到的问题，并给出相应解决方法，从而使科技场馆具身学习活动设计具有较强的针对性和实效性。

（4）学习支架设计

学习支架是指在科技场馆具身学习活动过程中引导和帮助学习者达到期望学习水平所需的辅助学习材料。常见的学习支架包括资源型支架、情境型支架、评价型支架和游戏型支架。[4]其中，资源型支架是引导学习者有序参与场馆活动所提供的学习资源，如常见的学习单、学习记录表等;情境型支架是指为激发学习者积极参与活动，调动其学习的积极性所创设的真实情境;游戏型支架是指重构学习情境，诱发学习者形成离线具身体验所设计的一种教育游戏;评价型支架是指帮助学习者强化和反思场馆学习体验感知的一种评价资源，如自评量表、二阶试题等。学习支架可以有效地帮助学习者解决在科技场馆学习活动过程中遇到的问题，同时学习支架的设计也直接影响学习者的学习效果。

（5）预设活动目标

基于上述分析，笔者得到了场馆具身学习的预设活动目标，它引导后续场馆学习的设计。当科技场馆内的学习活动被具体实施时，还会衍生出更详细的活动子目标，引导后续场馆活动任务的实施。

2.核心要素设计

（1）身体设计

在科技场馆具身学习活动过程中，“具身性”体现在学习者身体的行为化、技术化和社会化。[5]身体的行为化，是将活动内容中适合通过身体感知和行为呈现的知识罗列出来，学习者通过身体体验与学习内容建立有效联结，加深理解。身体的技术化，是借助微信、微博、小程序等新兴媒体平台和5G、AI、VR等新一代信息技术手段捕捉、记录学习者的身体行为，从记录的数据信息中全面分析学习者的学习情况。身体的社会化，是指在场馆活动过程中学习者亲自参与社会实践活动，体验学习的发生和发展过程。

（2）环境设计

环境是科技场馆内具身学习活动发生必不可少的因素，学习者的认知是依赖于身体与环境的。本研究将从物理环境、社会环境和规范环境三个层面对具身环境展开设计。[6]

由图2可知，物理环境是科技场馆内具身学习活动发生的最基本环境，主要包括实体空间、软硬件设备以及相关的学习活动。社会环境是借助媒体和技术手段为学习者的交流互动提供空间，主要包括虚拟情境、交互体验及交流共享空间。规范环境层次是指在场馆具身学习过程中学习者需要遵守的一系列规则和规范。

（3）交互活动设计

科技场馆内的交互活动是以学习小组（一般是由2～3名学生组成）为单位，利用一系列行之有效的学习方法和新媒体、新技术等手段，帮助学习者达成活动目标。在这个过程中，教师和科技辅导员负责整个场馆内学习活动的引导工作，注意不要干扰学习者的身体行为。

3.活动实施

（1）创设情境，激发动机

教师和科技辅导员根据活动内容和活动对象情况，在合理安排场馆空间的基础上，运用5G、大数据、人工智能、虚拟现实、增强现实等信息技术手段和文字、图片、音频、视频等媒介的直观形象表征，创设与学习者生活相关的真实情境[7]，从而刺激学习者的感知器官，激发学习的动机。

（2）正向引导，唤醒身体

在情境创设后，教师和科技辅导员要积极鼓励引导学习者开始身体体验，可以借助图片、视频的播放，也可以通过点头示意、手势动作或语言表达调动学习者身体，使其积极参与到科技场馆的具身学习活动过程中。

（3）具身体验，持续交互

具身体验是学习者通过感知器官与科技场馆环境持续进行交互，从而产生真实的沉浸感，以达到促进知识内化的目的。[9]最理想的具身体验是学习者置身于环境中可以产生即时的、真实的身体感受。

（4）生成内化，共享经验

生成内化，是将学习者在科技场馆学习过程中获得的感受同已有的认知建立联系，并积极构建新知识的过程。科技场馆内的学习活动设计要注重学习者之间的交流共享，在内部建构完成后，学习者还需要向小组其他成员分享自己的经验。

（5）引导修正，强化认知

通过与小组其他成员的经验共享，学习者会产生相应的认知冲突，这时需要教师重新引导学习者，帮助纠正其错误的认知，并通过趣味性的教育游戏，使学习者在元认知层面上巩固知识。

4.活动评价

科技场馆中具身学习活动的评价，以活动目标为依据，不仅包括教师评价、参观者评价、同伴互评，还包括学习者自评;不仅注重活动的总结性评价，还强调学习者在具身学习活动过程中的形成性评价。[11]同时评价结果将反馈于分析、设计和实施各环节，进而促进各部分的修正与完善。

● 具身认知视角下的科技场馆学习活动设计模式应用案例研究

辽宁省科技馆是一座综合性现代化科普场馆，设有儿童科学乐园、探索发现、创造实践、工业摇篮、科技生活五大主题展厅及趣味空间、公共空间两大展示区。笔者以具身认知视角下的科技场馆学习活动设计模式为指导，设计了主题为“仿生飞行器”的学习活动，以期为科技场馆的学习活动实践提供参照。

1.前期分析

（1）活动对象分析

本次活动以沈阳市雏鹰实验小学四年级一班的学生为研究对象，他们在认知层面上属于皮亚杰认知发展阶段中的形式运算阶段，具备一定的抽象逻辑推理水平，且对待未知事物具有强烈的好奇心和探索欲望;在知识层面上，他们参加过青少年机器人竞赛和创客教育活动，具备编程的基本知识，能够开展接下来的仿生飞行器的知识学习。

（2）活动内容分析

本次研学课程的内容是走进辽宁省科技馆设计、制作自己喜欢的仿生飞行器模型。学生在前面已经学习了飞行器制作的相关知识，对飞行器的机构、动力来源、螺旋推进器、传感控制系统有了基本认识和了解。目标是通过教师和科技辅导员的引导以及科学合理的场馆学习活动设计，帮助学生制作一个自己喜欢的仿生飞行器模型，并在BITKID编程环境下编写程序让它运转起来，在此过程中使学习者体会到小组合作的乐趣。

（3）学习需要分析

本节课的教学重难点是对仿生飞行器模型结构和功能的设计与制作，以及在BITKID编程环境下对仿生飞行器模型的结构选择、数据传送与处理、遥感控制、云台系统等的编程设计。教师指引学生查阅书籍或浏览相关网站以获取想要制作的仿生飞行器原型动物的具体信息，全面且深入地剖析其身体结构和飞行方式，然后通过绘图、计算、编程等方式得到仿生飞行器模型。在此过程中教师对学生在活动过程中的各项数据进行完整记录，为后期的作品的制作和活动评价奠定基础。

（4）学习支架设计

在科技场馆构建的具身学习环境中，学习者容易被各类展品吸引，从而产生认知负荷增大的问题。为了提升学习者在科技场馆内的学习效率，在具身学习过程中为其提供学习支持很有必要。本研究结合闫寒冰[10]、张瑾[11]、鲍贤清[12]等学者对学习支架的分类，设计了科技場馆内的仿生飞行器主题学习支架，具体如下表所示。

（5）预设活动目标

①知识与技能目标：能够利用基本结构部件、连接部件、电机、螺旋桨、遥控部件和云台系统等制作仿生飞行器模型;掌握在BITKID编程环境下对仿生飞行器模型的动作和功能的程序设计;知道数据收集、分析和处理的方法。

②过程与方法目标：运用跨学科知识及各种学习资源，主动探索并完成仿生飞行器模型的研制;围绕研究主题，积极参与到仿生飞行器模型的制作环节中，提高自主探究和协作学习的能力。

③情感态度与价值观目标：通过前期调查仿生飞行器原型动物的详细信息和参与仿生飞行器模型的设计与制作过程，提高自主探究能力，培养创新意识和解决问题的能力，提升科学素养，通过小组合作学习体验与他人分享的乐趣。

2.活动实施

本活动在辽宁省科技馆主展厅三楼创造实践展区进行。

（1）创设情境，激发动机

教师在多媒体教室为学生播放视频《蝴蝶仿生飞行器的发明设计》使用贴近生活的案例来创设情境，激发学生的学习兴趣，并由此引导他们回顾先前学过的飞行器的相关知识，为本节内容的开展奠定基础。同时科技辅导员还可以向学生展示一些仿生飞行器的展品，为学生带来视觉上的冲击，使他们注意力集中，激发学习的动机。

（2）正向引导，唤醒身体

在创设教学情境之后，要积极鼓励引导学生参与到展品的互动过程中。教师可以通过行为语言描述（如点头示意、手势动作）或口头语言表达（“请某一位同学上前”或“哪一位同学想近距离观察感受呢？”）来引导学生参与到和展品的互动过程中，并向学生发放学习记录表，引导接下来的科技场馆学习活动。

（3）具身体验，持续交互

本环节教师带领学生们走进科技馆的创造实践展区，通过讲解员的详细讲述以及学习者与展品、场馆环境的互动，分析讨论确定各小组的项目主题。项目主题确定以后，学生以小组为单位（每组小人），通过查阅文献和浏览相关网站，了解想要制作的仿生飞行器原型动物的身体结构和飞行方式等。调查结束后，各小组整理自己的调查情况，并将结果向教师和其他小组学生汇报。最后，小组成员讨论项目实施的计划方案，并制订出如下页表2所示的项目实施计划表。在此环节中教师和科技辅导员认真观察并剖析小组内每一位学生的行为和心理，根据呈现出的具体问题做针对性指导。

根据项目实施的计划表，学生开始制作作品，主要操作步骤如下。

绘图：初步画出仿生飞行器原型动物的设计图，并在设计图上大致标明力的大小、方向和作用点。

计算：根据原型动物的比例缩略仿生飞行器模型的尺寸，标记长、宽、高等。

生成：各项目小组成员讨论制作仿生飞行器模型的方案，并在方案确定后利用科技馆内的飞行器教室资源，收集制作仿生飞行器模型所用的组件。

搭建：利用收集到的组件搭建制作仿生飞行器模型，并在重要的部分进行特殊说明。

编程：在BITKID编程环境下编写程序，使仿生飞行器模型能够完成加速、悬停、降落、追踪等行为，具有一定的智能型。

（4）生成内化，共享经验

在作品制作完成后，小组内对仿生飞行器模型进行试飞，通过身体与场馆环境的交互提升认知，并对整个制作过程和最后的作品进行反思和评价。同时，小组内各成员还需要分享自己的经验和心得。

（5）引导修正，强化认知

各小组将设计好的仿生飞行器模型依次进行展示，并对制作原理、设计的创新点、制作过程中遇到的困难及解决措施等进行讲述。教师和其他小组成员可进行提问或针对困惑点及存在的具体问题提出自己的建议。根据教师和其他同学反馈的问题，该小组对自己的作品进行修改，重复检查，使作品更趋完善。在此过程中，教师还可以设计一些与本主题相关的竞答小游戏，帮助学习者重述场馆学习体验，使学生的元认知得到进一步强化。

3.活动评价

（1）教师对学生的评价

场馆学习作为非正式环境下学习的主要形式之一，教师对其评价主要从学习兴趣与动机、理解科学知识、从事科学推理、积极反思科学、参与科学实践五方面展开。

（2）参观者对学生的评价

活动小组将最终制作好的仿生飞行器模型在“创造实践”展区进行展示，让参观者通过贴星星的方式对学生作品进行评价。

（3）学生的自我评价

通过AEIOU量表让学生进行自我评价。①Adjective：用形容词描述在科技馆学习中的体验;②Emotion：表达在科技馆学习过程中的情绪变化;③Interesting：记录下在科技馆学习过程中令自己感兴趣的活动内容;④Oh！：记录下在科技馆学习过程中自己惊喜的收获;⑤Um？：对在科技馆学习过程中还存在疑惑的内容进行记录，以便在课后同教师或同伴做进一步的交流。

（4）小组互评

在科技馆学习活动结束后，组内成员、各项目小组之间利用活动评价表进行互评。

● 结束语

本研究从具身认知的角度设计了科技场馆学习活动模式，这既是认知科学指导学习科学实践的尝试，也拓展了场馆学习理论研究的视野。科技场馆内的具身学习，可帮助学生进一步掌握仿生飞行器的相关知识，加深对知识的理解，提升学习者的科学素养。需要说明的是：①在科技场馆具身学习活动过程中所使用的视频、科学案例、虚拟场景等应注重与学习者现实生活中的科学情境相联系，不要干预学习者的身体行为。②在科技场馆学习过程中，学习者应注重与展品、场馆环境之间的交互，内化实感具身体验。基于此，后续研究将扩大研究范围，根据不同场馆的情况对活动设计模式进行调整和优化，不断探索场馆具身学习活动设计模式。

参考文献：

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[4]韩晓玲，刘新阳，柳珏玺.具身认知视角下科技场馆学习支架的设计[J].现代教育技术，2021，31（03）：64-71.

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[7]陈颖博，张文兰，陈思睿.基于增强现实的场馆学习效果分析——以“AR盒子”虚拟仿真学习环境为例[J].现代远程教育研究，2020，32（05）：104-112.

[9]苟江凤，王楠.场馆学习项目评价指标体系研究——基于场馆中教学项目的探索[J].电化教育研究，2021，42（02）：99-105.

[10]闫寒冰.信息化教学的学习支架研究[J].中国电化教育，2003（11）：18-21.

[11]张瑾.STEM+教育中学习支架设计研究[J].现代教育技术，2017，27（10）：100-105.

[12]鲍贤清，毛文瑜，王晨，等.场馆环境中介性学习工具的设计与开发——以上海科技馆学习单设计研究为例[J].中国电化教育，2011（10）：40-47.