从多态表征到置身参与：虚拟现实技术助力学科教学的价值路径

胡翰林 刘革平

[摘   要] 虚拟现实技术作为一种沉浸式交互虚拟系统，其教育功用应有效辐射学科教学，助力学科知识获得与学科思维培养。针对当前学科教学过程中“抽象符号→技能训练→工具思维”的现实问题，探析了虚拟现实技术在学科教学过程中的直观学习资源、知识有效应用与培养学科思维等价值;接着提出了虚拟现实助力学科教学的四种类型：独立式学科本位型、分布式学科本位型、独立式项目融合型与分布式项目融合型。最后依据虚拟现实学科教学价值与虚拟现实学科教学类型提出了虚拟现实助力学科教学的实践路径：直观资源的操作体验，指向知识内容有效获得;模拟情境的知识应用，促进知识向能力的转化;真实场景的问题解决，实现知识向思维的通达。以优化学科教学过程，为虚拟现实技术应用于教与学过程提供参考。

[关键词] 虚拟现实技术; 学科教学; 真实场景; 感知体验; 实施路径; 学科思维

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 胡翰林（1996—），男，四川南充人。博士研究生，主要从事智慧学习环境、虚拟现实等研究。E-mail：945017310@qq.com。

一、引   言

适应特定的学习空间，自然会产生相应的学习范式[1]。在基础教育领域中，受制于特定的学习空间，学习过程中容易出现“抽象符号→技能训练→工具思维”的抽象学习范式，致使当前学科教学结果重视知识与技能的掌握，轻视能力与素养的培养，学科教学的育人价值尚未完全彰显，学科思维与核心素养难以有效落实。

理想的学科知识学习过程应该让学习者真正地“融入”与“在场”，使学习结果能够有效地连接学习者的经验与生活，促进学习者思维与能力的发展。对于学科教学现实问题的回应，需要我们在现有学习空间视阈下依托新兴技术与思想来审视与设计学习过程，思考如何借助信息化的工具与手段来优化原有学习范式。一是要维持抽象知识与直接经验的平衡。学科知识自身含有一定的抽象性，学习者需要依赖直接经验来帮助建立现实原型到抽象概念的过渡与转换，通过动手操作来感知所需的基本活动经验，以平衡抽象知识与直接经验。二是要加强技能训练与知识应用的融合。囿于注重解题技巧、方式方法、应试分数等固有结构，知识学习重心位于技能掌握上，学科知识少有机会进行真实的实践应用;但在学科核心素养的背景下，强调技能训练的同时增加知识应用能力的锻炼成为必然趋势——倡导学习者在真实活动中运用学科知识去感知问题、分析问题及解决问题，从而建立起相应的学科知识应用意识。三是要促进工具思维到学科思维的进阶。工具思维指向学习者掌握必备的思考、推理、计算等技能技巧，以解决题目、应对考试，其本质在于掌握“既定”知识。造成学习者如何使用知识——学科思维的培养被忽视，学习结果仍处于浅层状态。学科知识学习不应只停留在作为工具来解决脱离真实场景问题的层面，使其成为纯记忆、演绎与推理的过程，而应促使学习者应用知识去解决现实生活问题，逐步培養学科生活化的思想，形成学科思维。

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）作为一种新兴的虚拟仿真体验技术，在教育中的应用已有作为教学教具、强化交互协作、创设环境资源等，在有效激发学习者学习动机与学习兴趣的同时，能够调动学习者的主动参与并实现知识的应用与迁移。其感知沉浸与交互体验等特性可以丰富知识的表征形态，营造学习临场感，对于学科教学而言能够弥补当前教学过程中出现的问题与缺失，促使学习者从感知信息的多态表征逐步过渡到置身情境的参与式学习，实现学科思维培养。基于此，本研究旨在通过虚拟现实技术来优化与助力现有学科教学过程，以期使学习者在学习过程中能够感知丰富的学习内容、建立知识的应用意识并最终培养学科思维。

二、作用探析：虚拟现实在

学科教学中的价值发现

虚拟现实技术是融合计算机图形技术、人机接口技术、传感技术、仿真技术以及人工智能等多学科的新兴技术[2]，让用户置身于多感官系统参与的三维虚拟环境中，通过相应设备进行人机交互、获取多模态信息，使用户在身心一体的交互过程中高度沉浸，实现真实感知体验的效果。其在教育中的应用具有激发学习动机、增强学习体验、创设心理沉浸、实现情境学习与知识迁移等潜力[3]，且能够有效优化学习过程与提升学习效果。《国家教育事业发展“十三五”规划》[4]、《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》[5]中均指出了虚拟现实技术在教育领域中的重要价值与应用推进策略。因此，虚拟现实技术作为教育信息化的工具之一，挖掘其在基础教育领域中的深层次应用，尤其是将其有效融入学科教学中解决现实问题，进而优化教与学的方法，是当前的研究趋势与重点。

虚拟现实技术融入基础教育学科教学何以可能？首先需要分析学科知识与虚拟现实技术间的契合点。从虚拟现实技术的典型特征来看，其能够有效弥补当前学科知识教学过程中的缺失，见表1。在存在形式上，学科知识偏重于以高度凝练、概括的文字、图形等符号静态呈现，虚拟现实技术则能赋予学习者动态的感知模拟、操作体验等过程;在应用逻辑上，学科知识多用于学习者依据试题进行概念规则的计算、猜想、验证等同质推理过程，虚拟现实技术则能让学习者根据需要解决的问题进行学习、设计、探索、实践与反思等具体交互过程;在价值取向上，学科知识形成了使用已知知识来解决已知问题的取向，虚拟现实技术则倾向于未知领域的自主探索、实践创造与问题解决。由此，虚拟现实技术融入学科教学有其必要性与适切性，在学科知识学习过程中的价值具体表现为以下方面：

（一）内容支持：直观学习资源

虚拟现实技术精准、全息地快速操作、搭建、成型，能为学习者赋予学科知识多态、直观的学习资源，提供学习者经历全方位观察、感知体验等有效操作的机会。让学习者通过操作视角与距离的动态变换过程来观察事物的具体形态、细节展现，感悟学科知识在其中的体现与应用，以满足学习者认知结构形成过程中对真实具体事物的认知需求，促使学习者认知结构从主体物质动作结构过渡到内部心智活动结构的发展。

（二）方法过程：知识有效应用

虚拟现实技术具有强交互特性，能够有效支持学习者的“做中学”过程，使其依据一定的项目任务应用学科知识来制作、完成相应的模型。首先，在虚拟仿真环境中学习者能够将先前习得的知识应用于模型设计、制作等过程，在建模操作中将抽象的知识现象、逻辑推理等转化为可视化的具体过程，使学习者不断丰富与深化对知识的已有认知。其次，学习者的创意设计转变为虚拟制品，能够有效激发学习者知识应用的积极性，使其在学科知识与虚拟制品之间建立相关的对比反思、模型转换、深入思考等。

（三）结果体现：培养学科思维

虚拟现实技术融入学科教学首先支持学习者进入虚拟现实场景进行感知体验，感悟学科知识的价值所在，并进一步改进和深化大脑中已有知识经验结构，使其更为符合真实场景中的应然样态。其次，在学习者应用知识进行虚拟环境操作与建立模型的过程中，能够在知识与实物表象间进行抽象和概括、记忆和联想、对比和加工过程，从而理解知识的本质属性，并在知识应用过程中培养问题发现与解决的心理发展过程。这样，学习者在经历情境感知、模拟应用、实践反思等系列操作后，会意识到知识的获取过程离不开真实场景，知识的最终指向为真实场景中的有效应用，并逐渐在学习的方法、过程、结果层面融入真实场景，甚至发现并解决真实场景中存在的问题，形成学科思维。

三、作用方式：虚拟现实助力

学科教学的具体类型

当前虚拟现实技术主要存在桌面式虚拟现实（Desktop VR）、完全沉浸式虚拟现实（Fully-immersive VR）与分布式虚拟现实（Distributed VR）等三种类型[6]：桌面式虚拟现实是在电脑屏幕、平板或其他桌面式显示设备呈现出三维虚拟环境，让用户通过触摸、鼠标或手柄等进行感知交互;完全沉浸式虚拟现实需要用户佩戴沉浸式的体验设备（如头盔、眼镜等），以增强沉浸感;分布式虚拟现实是利用互联网将独立分散的虚拟现实系统进行有效联结，使用统一的协议、标准与数据库，以突破时空限制形成多方协同、耦合互動的一体化系统。其中，桌面式与完全沉浸式虚拟现实强调单一独立的沉浸体验，分布式虚拟现实注重分布统一的协调交互，因此，虚拟现实作用于学科教学存在独立式与分布式两种不同类型。同时，结合虚拟现实有效融入学科教学的应用取向与推进逻辑，其主要存在指向知识获得的学科本位与指向知识应用、学科思维的项目融合等两种方式。综上所述，虚拟现实作用于学科教学的具体类型见表2。

（一）独立式学科本位型，获取单一学科知识

独立式学科本位型是当前虚拟现实技术在教育应用中的常态，即通过桌面式或头戴式设备为学习者呈现学科知识或创设知识情境，促使学习者参与到逼真的学习环境中进行感知、操作，借助丰富的个性化学习资源帮助自身学习与掌握知识。其以学科知识为主要学习内容，以知识获取为学习目标，以学习者在虚拟现实环境中的感知体验为学习过程，其核心在于利用虚拟现实技术的真实、沉浸与交互等特性来丰富知识的表征形式，提升学习者的动机、投入与学习效果。

（二）分布式学科本位型，获取多元学科知识

分布式学科本位型是在互联网技术的支持下，汇集联结多方虚拟现实系统，实现协同管理、资源共享等，以形成多元一体的自组织学习场域，促使学习者通过体验多方共享资源来全面地获取学科知识。其仍以获取学科知识为主要目标，但在实践应用过程中存在两种形态：单学科分布式虚拟现实系统，能够支持学习者不受时空限制来获取多方资源、进行沟通交流等，最终形成学习共同体来完成学习任务;跨学科分布式虚拟现实系统，促使学习者在不同学科知识间进行交流互动，体验在同一场景、系统中不同学科知识间的联系，以形成跨学科知识。

（三）独立式项目融合型，培养一般学科思维

独立式项目融合旨在让学习者参与到虚拟现实中的项目任务中来，在完成任务的同时学习学科知识，以形成应用知识解决问题的学科思维。其在以学科知识获取为目标的基础上，强调项目完成过程中的知识应用与问题解决能力，主要学习过程为学习者在虚拟现实环境中进行相关操作、体验来逐步完成任务，在不断发现问题与解决问题的过程中培养知识应用意识，逐步在知识与真实情境间建立紧密联系。有研究表明，虚拟现实的游戏项目能对学习效果产生更大的促进作用[7]，说明学习者的自主探究与完成任务过程能够产生更好的学习体验与学习效果。独立式项目融合型具体表现为在感知虚拟现实环境中发现问题、自主探究形成问题解决策略、实践操作解决问题等。

（四）分布式项目融合型，培养复杂学科思维

分布式项目融合型是虚拟现实技术在教育领域应用中的理想形态，其拥有更大集群的学科（同一或不同学科）资源，能够与项目进行更为有效、深入的融合，以催生出蕴含多学科知识与复杂问题解决的综合型项目，促进学习者在学习过程中跨越学科边界，培养综合运用学科知识来解决问题的能力。在学习过程中注重学习者的具身体验、协作交流、情感状态与问题解决等项目化学习思维，在掌握知识的基础上进一步拓展、应用知识，形成综合、复杂的学科思维。分布式项目融合型虚拟现实以项目任务为贯通相关学科内容的主线，能够在重构学科内容与共建共享资源的过程中消除学科壁垒，实现真正意义上的学科融合[8]。同时，对于在线教育而言，其能够有效优化当前存在的不足与弊端[9]，为身处异地的学习者提供多样化的交互方式、构想化的教学场景、泛在化的学习体验活动等[10]。

四、实践路径：虚拟现实助力

学科教学的价值实现

虚拟现实技术能够在学习过程中呈现多态的场景、模型以给予学习者直观的感知体验，赋予学习者真实的“做中学”平台来置身参与，实现知识的实践应用，并通过问题解决过程来培养学科思维。因此，本研究依据虚拟现实的直观学习资源、知识有效应用以及培养学科思维的学科教学价值与学科本位（独立式与分布式）、项目融合（独立式与分布式）的学科教学类型，尝试融入虚拟现实技术来优化原有学科教学范式，构建如图1所示虚拟现实助力学科教学的实践路径，并推动虚拟现实技术在学科教学中从基础应用向深度融合过渡，实现技术促进学习的核心价值。

（一）直观资源的操作体验，指向知识内容有效获得

从知识的表征形式来看，可以分为抽象表征（抽象层面的普遍规律）与具象表征（实践层面的直接经验）。以往的学习范式中学习者普遍获得的是抽象表征，受学习空间制约难以获得具象表征，学习者并未真切地感受到知识的“存在”，不能实现知识与真实事物间的有效关联。研究显示，抽象学科知识与具体事例结合起来能够产生更为有效的学习结果[11]。因此，在虚拟现实的支持下，学习者能够进行相关操作来感知信息与获取直接活动经验，在建构抽象概念的同时感知知识的现实存在形态，增加知识表征的丰富性与完备度，以形成更加稳固、全面的认知结构。

1. 动态操作，感受知识的丰富表征

学习者对虚拟现实系统中物品、环境的操作，能够获得主体性动作经验，以弥补文字、言语、视听符号的不足，并且在不断更新与加深对客体知识的认识过程中实现双向对象化，在具备知识抽象概括能力的同时又能将其对应到具体事物中去。

在新知学习阶段，通过适宜的示范或引导，鼓励学习者对虚拟现实物品进行缩放、移动、旋转等显性直观操作来获得知识的具象表征，从而形成基于观察与操作的直接经验在知识理解阶段，仅凭大脑的抽象思考并不能有效理解与内化，同时还会降低学习者的积极性，而通过对虚拟现实物品的有效操作能够激发学习者的兴趣，提高他们的学习动机与学习投入，从而在探索与操作、交流与思考的过程中形成对知识的深入理解与拓展延伸。此外，在假设验证阶段，学习者对于已有概念、定理等存在的困惑、质疑，可以通过直观操作，在具体实物中寻找依据或验证其合理性，理解知识的同时形成尊重事实、追求证据的科学态度。

2. 具身学习，身体感官的有效参与

具身认知认为，大脑中认知的产生依赖于身体各个感觉运动器官的协调发挥，身体的参与性越多，这些通路就会越活跃，感觉系统就会感知到更多的信息，形成的认知也会更加丰富[12]。因此，认知的形成依赖大量直接经验与感性经验，需要身体感觉运动器官参与到学习过程中进行感知体验与共情理解。学习者对虚拟物品的操作，是一种以身体经验为基础的具身学习，即通过“体认”的方式来建立对外界事物的知觉映像和初级概念，达成与外部事物的实质性关联。研究表明，抽象的认知植根于身体感官与体验[13]，通过身体经验建立的具体事物与抽象概念间的关联，有助于提高对学科知识的理解[14]。经由身体感知、体验信息的多样存在形式，学习者能够有效实现抽象表征与具象表征的融合。学习者通过对语言、文字、图片等抽象符号的加工（隐性操作）过程获得对直观事物的普遍本质认识，同时结合对虚拟现实的感知操作（显性操作）来获得直观认识，在不断的显性操作与隐性操作下，逐渐建立丰富表征并加深自己的认识。此外，在感知操作过程中学习者通过触觉、视觉等多感官通道感知信息，改进和丰富了信息在大脑中的编码层次与水平，从而加强知识记忆的稳固性和长久性。

（二）模拟情境的知识应用，促进知识向能力的转化

模拟情境的知识应用是学习者在虚拟现实技术呈现的虚拟实验室、虚拟场馆等模拟环境中进行探索、交互以完成相应的项目任务，通过“边做边学”的过程来培养知识应用意识，使学习者在自主探究与完成任务的过程中经历与建立认知冲突，并通过不断的交互调解来深化理解、完善学习者的已有知识结构，获得个人经验能力。

1. 逼真的模拟项目，引发持续认知冲突

在虚拟现实模拟情境中的学习，重在使学习者通过“自主探究”“合作学习”等多元学习方式来亲身实践，完成相应的逼真项目任务，并形成一定的模拟制品。学习者在不断的设计制作与感悟体验过程中，能够深化对知识的理解，逐渐形成并丰富个人经验;同时，也将产生一系列区别于面授课堂中的认知冲突。对于知识的学习，只有经历并通过不断调节解决认知冲突后，才能促使学习者的认知活动不断丰富与发展[15]。学习者在虚拟现实环境中进行自主探究与完成任务的过程中，将不断产生新的认知冲突：首先，虚拟现实模拟情境的丰富性与交互性能够使学习者感受到知识的情境属性与社会文化价值所在，其“在场感”与“沉浸感”能够帮助学习者实现对知識的全面理解;其次，学习者生成制品的过程需要将抽象符号转化为形象具体的三维模型建立，其相同内容的不同表征形式会带给学习者一定的认知冲突;最后，学习者完成项目任务、形成三维制品与应有模型资源间的对比反差，会使学习者在模型设计过程中的思考方式、解决策略与模型搭建等方面建立认知冲突。认知冲突打破了知识作为既有的规定性抽象符号观念，其调解过程需要在与环境事物不断的交互过程中主动建构，即通过持续的生成，促进已有认识的不断修正、完善与深化，从而形成更为全面的认知结构。

2. 临场的知识应用，形成个人经验能力

学习者在模拟情境中完成项目任务是对学科知识的深度理解与价值追求，其实质在于激发、引导学习者的知识应用意识，在临场的知识应用过程中形成个人经验能力。因此在完成虚拟任务的过程中，首先要鼓励学习者自主探究与大胆尝试，促使其在动手操作的过程中发散思维，形成多样的知识应用方式，培养其综合、创新运用知识的能力。其次要确立反思维度，以帮助学习者进行有效的阶段性反思。在学习者项目计划、模型设计的过程中，依据学习者的实时表现与学习体验，引导其对面临困惑、可行策略、优化完善等进行“在行动中反思”，促进学习者形成即时的反思—修改动态循环机制;在项目结束后，从知识应用、操作流程、部件匹配、结构搭建等维度出发，促使学习者进行“对行动的反思”，以修改不足与总结经验。最后通过回顾、总结与提升，形成个人经验能力。在完成项目的过程中，让学习者有意识地记录下关于知识理解与应用、项目计划与实施过程中的直觉或顿悟等关键点，同时将这些关键点进行归纳与整理，总结出核心的知识理解、应用以及项目完成的方式方法等。在此过程中，学习者的个人知识经验得以渐次形成，深层次概念意义得到充分建构，促使知识理解向个人能力的转化。

（三）真实场景的问题解决，实现知识向思维的通达

虚拟现实技术在教育领域中的应用需要抓住现实情境线索，转化真实学习场景[16]。就虚拟现实的本质而言，其是作为真实世界场景的缩影，是我们感知体验信息、知识学习应用与实践解决问题的中介场或实习场，因而能够有效加强知识学习与真实场景间的关联;同时，虚拟场景中的感知体验与问题解决并非为虚拟现实的全部价值，其最终价值应该促进学习者由虚拟场景学习自然地回归于真实场景学习，使其能够在真实场景中迁移延伸与深入思考，运用学科知识来审视、思考与解决真实场景中的未知问题，逐渐形成学科思维。

1. 虚拟—真实场景的关联感知

指向真实场景的问题解决，强调要将真实世界中存在的问题在虚拟场景中进行显现与解决。这样，学习者的知识应用并非为脱离真实场景与物体的想象，而是带着真实场景问题去经历现实原型的观察、感知、体验、操作等亲身实践过程，使知识应用与问题解决过程更为符合真实场景中的应然样态。同时，引导学习者建立知识与真实场景间的相关联想，对知识的情境、文化、社会属性等进行重点关注，使知识理解并不限于自身固有形式，在有效拓宽知识边界的同时，促进知识在不同情境间的迁移。在此过程中，学习者能够实现抽象知识的具体化与真实性还原，扩充知识的丰富性与全面性，进一步理解学科知识的问题解决价值所在。

2. 个人—社会活动的问题解决

真实场景的问题解决过程并非仅为个体的独立活动，而是自主探究与群体协作相结合的社会性活动。因此，要促进学习者形成面向真实场景解决未知问题的能力，在虚拟现实场景中就要促使学习者的问题解决过程从个人活动上升为社会活动。相应地，在虚拟现实环境中具体表现为主题聚焦（Thematic Focus）、认知吸取（Cognitive Absorption）、社会参与（Participation）、社会结构（Social Structure）的问题解决过程[17]。主题聚焦是在学习者进入虚拟现实环境后，让其对环境中的物体进行感知、洞察、内化后产生对实物原型或学科知识的再思考，促使他们在质疑与发现问题的过程中增加对当前知识点的精深理解，并同时聚焦于某个现象或问题;认知吸取指利用来自虚拟现实环境的刺激作用于学习者，从而激发学习者的学习内驱力，促使他们产生好奇、沉浸、享受甚至忽略时间等“心流”体验，集中精力投入到问题分析、策略设计等自主探究或合作学习等过程中;社会参与是让学习者个人参与到小组、群体中进行经验与观点的分享、讨论、交流、评价、互助等社会互动，以形成认知共同体来促使问题更好地被解决;社会结构是指在整个问题解决过程中不同学习者需要承担不同的角色，通过专家与新手角色的不断对话与交互来达到小组、群体内认知结构的平衡。

3. 知能—心智结构的学习结果

项目融合以真实场景中的问题为出发点，能够让学习者运用学科知识进行问题发现、资料收集、构思策略、模型设计等来解决现实问题或实现改进创新。因此，学习者先前获取的学科知识构成学习者的知能结构，当其运用构建的知能结构去解决外部问题时，所形成的作用于外部客体的认识结果形成了心智结构[18]。心智是个体在与外部环境世界交互过程中形成的维持自身機能和促进发展的系列认知能力，它促使个体采取行动来解决问题或实现目标[19]。学习者综合利用虚拟现实环境资源，在与环境的交互过程中不断深化与丰富已有的知能结构;同时运用所学知识来发现、解决环境中存在的问题，在此过程中逐步建立起一套面向未来、适应未知环境的“知能—心智”结构，形成有效的认知结果。

4. 知识—生活逻辑的学科思维

学科知识“生活化”是学科思维的重要表征形式，需要学习者融入生活环境中，运用学科“透镜”去观察、解决现实生活中的现象及问题，让知识的学习与应用回归生活世界，加强知识与现实生活间的联系。虚拟现实技术融入学科教学，能够使学习者掌握的学科知识与真实环境更好地建立关联，从而在解决真实场景中的问题过程中，促使学习者的知识学习从“学校知识”逐渐走向“生活世界”，实现知识“生活化”，形成学科思维。总体而言，学科知识的来源和应用都不能脱离学习者的生活经验与生活实践，虚拟现实技术能够支持寻求与生活经验建立必要平衡的过程。

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