基于具身认知理论的VR情境下小学科学课教学活动设计

郁栋 李宏艺

摘  要  近年来，具身认知理论得到越来越多教育研究者的关注，但其在教育领域的实践应用仍处于探索阶段。虚拟现实技术的日益成熟和普及，为具身认知理论的落地提供了有利条件，小学科学作为一门可以培养小学生创新思维和科学素养的课程，可以成为具身认知理论和虚拟现实技术实践的课程基础。分析具身认知理论和VR技术应用于教育领域的现状，梳理前人构建的具身学习框架，将具身认知理论与VR技术相融合，构建VR

情境下小学科学课教学框架并据此设计教学活动，以期为具身认知理论、VR技术在小学科学课中的教学实践应用提供借鉴。

关键词  具身认知理论；虚拟现实；小学科学；教学框架；教学设计；学习环境

中图分类号：G622.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）16-0069-05

0  引言

近年来，教育领域的研究者越来越注重学习者与学习环境之间的交互。具身认知理论同样强调身体与环境进行交互以促进学习者心智的发展和成熟。杜威认为，教育是经验持续不断的改造或改组，经验这一概念包揽主体和客体、人和环境、精神和物质、知与行等内容[1]。杜威指出，任何经验都是个体与环境相互作用的结果，个体与环境的交互形成情境，情境和交互作用这两个概念密不可分[1]。具身认知理论强调情境性和具身性，主张身心合一，重视身体在学习过程中的作用和影响。

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是近年来的一项新兴事物，从各个层面、各个学段的课程实践上来说，VR情境下的教学实践应用仍需丰富，融合具身认知理论的思想改造现有课程教学模式，成为当前促进小学生认知水平和创造思维显著发展的有效方法与途径。VR情境下的具身认知教学，注重身体的作用，是培养小学生科学思维、科学素养和创新能力的重要载体。将这一理念融入小学科学课程教学中，对原有具身认知学习框架进行进一步的细化和完善，可以为VR情境下的小学科学课程的具身认知教学提供新的方法和思路，能够有效指导教师在VR情境下基于具身认知理论开展小学科学课程的教学。同时，能够充分发挥具身认知理论和VR技术的特点与优势，让学生利用身体与学习环境进行充分互动，从而激发其学习和创造的兴趣，主动完成新知识的意义建构，促进学生全面发展。

本文首先分析具身认知理论、VR技术在教育领域的应用现状，并将具身认知理论、VR技术的理念与当前小学科学课程的大纲要求、教育目标进行对比分析，从中分析当前小学科学课程教学中融合具身认知理论、利用VR技术的空间，从而尝试构建基于具身认知理论的VR情境下的小学科学课程教学框架。

1  研究背景

1.1  基于具身认知理论的教学现状分析

具身认知理论（the Theory of Embodied Cog-nition）也称为涉身认知，目前尚未有统一且明确的定义。具身认知理论的核心思想是认为建构知识的过程不仅仅由大脑控制，而是具身的，学习者身体的感受同样影响认知过程，身体与学习环境的交互对学习者的学习有极其重要的影响。

目前，国外有关具身认知理论在教育领域的研究取得显著成果，由于具身认知理论注重身体与环境的相互作用，因此，大多数研究与体感技术、手势等身体的运用相关。例如：美国的Abrahamason等[2-3]在具身认知理论的教学设计与应用方面作出许多探索与尝试，证明学生的身体动作可以有效辅助他们更加精准而深刻地理解和掌握知识；亚利桑那州立大学创办了SMALLab，创设具身学习环境，开发相应的K-12课堂与场馆学习项目，促进学生高效学习的发生[4-6]。

而国内教育领域的研究者也对具身认知理论进行了积极探索，提出许多有关课堂教学的教学设计框架和相应的教学原则，并尝试进行教学实践。例如：郑旭东等学者[7]指出具身认知理论既可以促使学生进行反思与总结，也可以帮助学生进一步掌握复杂科学的方法；杨南昌等[4]则结合案例表明了技术支持情境下在教学设计框架中融入具身思想的重要性；李海峰等[8]将具身认知理论用以指导构建教育游戏开发框架，并以“环卫斗士”为例，依托英语单词的学习过程开展实践研究，研究表明具身认知理论指导下的教育游戏可以有效促进学生产生学习动机，增强学习效果。

综上，国内外研究者对于具身认知的理论研究已经趋于成熟与完善，而有关具身认知理论在课堂教学中的实践应用方面仍处于探索阶段，身心合一的整体论对于学生提升学习兴趣和增强学习效果方面有着积极且重要的影响，而如何将具身认知理论更好地落实应用于课堂教学之中仍需进一步的尝试与研究。

1.2  VR技术支持下的教学现状分析

VR技术又称临境技术，是一种采用计算机技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的沉浸式交互环境的技术。20世纪50年代，VR技术发端于美国，目前已被广泛地应用于不同领域、不同科目的教学中。在美国，很多高校利用VR技术进行科学研究，如北卡罗来纳大学计算机系最早开始利用VR技术研究分子建模、模拟航空驾驶等[9]；也有的研究者将VR技术应用在特殊儿童的教育方面，如Horace等[10]提出在VR技术的支持下，针对自闭症儿童进行情感表达能力和社交能力的培养，并取得显著效果。

VR技术的研究在我国起步较晚，现在也正处于积极探索阶段。VR技术在我国的教学实践活动中主要应用于理工类学科教学，例如：浙江大学利用VR技术构建远程教学空间架构，进行跨国教学研究并获得良好的教学效果[11]；而在基础教育阶段，钟正等研究者[12]基于VR技术的特性，构建体验式学习环境设计框架并进行教学实践，取得一定的成效。

总而言之，VR技术的应用已经十分广泛，在国内外的教育领域都取得一定的成果。VR技术可以用以支持身体与学习的连接，从而激发学生的学习兴趣，增强学习效果，是具身认知理论落地的较好途径之一。

1.3  我国小学科学课程现状

我国小学科学课程教学主要以科学探究的方式进行，目的是在小学生的情感、态度、价值观尚未完全形成的时期培养他们的科学素养和探究思维。新课标要求小学科学课程要以探究的方式让儿童认识他周围的世界，从而激发其求知欲[13]。相比于其他课程而言，我国小学科学课程更具有趣味性和开放性，能够给小学生提供充分创造的机会和空间，不仅要使小学生获得与周围世界相关的科学知识，提高科学素养，更注重保护小学生的好奇心和探究欲[14-15]，强调培养他们对科学世界的兴趣以及良好的学习习惯与态度。通过小学科学课程的学习，小学生可以培养创造思维，增强动手能力，发展自主探索与协作学习的意识，从而进一步提升自身的科学素养。

2  研究设计

认知心理学领域的皮亚杰认知发展阶段理论认为，小学生的认知发展水平处于具体运算时期，处于这一时期的小学生对知识概念的认识和理解都离不开具体事物的支持，长时记忆也多与具体形象内容有关。从小学生认知发展的角度来说，小学科学课程的课堂教学不应该仅以书本上的抽象知识的教授为主，具身认知理论在教育领域的应用，为小学生思维的培养提供了理论基础。为了更好地促进小学生的认知发展水平、发展小学生的科学知识，小学科学课程应该利用计算机科学的相关技术支持教学过程。例如：VR技术依托计算机技术对抽象的火山、植物等概念知识进行成像，使知识更为形象具体，从而使小学生获得真实的知识体验。这种沉浸式学习可以消除时空造成的认知阻断，能够更加立体化地呈现知识内容，加深小学生对知识的认识和理解。

为改善我国小学科学课程教学现状，融合具身认知理论的内涵、特征与理念，结合VR技术的优势与特点，以小学生的心理特点和认知发展阶段特点为基础，结合我国小学科学课程的大纲要求和实际情况，综合前人已构建出的具身学习框架，对框架进行进一步的修改和细化，构建出基于具身认知理论的VR情境下的教学框架，见图1。该教学框架强调学习者的身体与学习环境（物理环境、虚拟环境、同伴交互环境）的交互，充分调动学生的积极性、主动性和能动性，让学生在与学习环境的交互过程中获得认知水平的发展，在教学活动的开展中深化对知识内容的理解。

具身认知理论和VR技术是支持小学科学课程更加有效开展的两个有利条件，小学科学课程的设计中配备学习与探究过程中需要的设备、空间布局与相应的教学资源，构建出适合学生积极开展知识探索的学习环境；多名教师在学生的学习和探究活动开展过程中进行引导和指导，为基于具身认知理论的VR情境下的教学实践提供支持和保障。

2.1  前端分析

前端分析为整个教学活动的顺利进行提供了坚实的基础，也是实现预期学习目标、达成良好学习效果的重要保证，主要包括学习者特征分析、教学内容分析和教学目标分析与设定。

学习者是整个学习活动的主体。建构主义理论将学习定义为学习者主动地对知识进行意义建构，主张学习者在学习中占据主体地位。因此，为了成功开展教学活动，首先需要把握学情，对学习者的学习风格、兴趣爱好、学习偏好、先验知识水平、学习能力等特征进行充分分析，针对具体的学情明确学习者的学习需求等，从而展开教学活动设计与实施。

对于教学活动而言，教学内容是中心，所有教学活动的主要目的都是使得学习者能够掌握并熟练运用所学内容。需要特别强调的是，技术是为教学而服务的，将新技术引入教学过程时，不能一味地为了追求技术而技术，舍本逐末，忽视原本的教学内容。因此，在进行教学设计时需要选取小学科学课程中适合运用具身认知理论的、可以使用VR技术进行支持的教学知识内容进行教学设计。

教学活动以教学目标为导向，良好的教学目标可以引导学习者完成既定的学习任务，因此，教学目标的分析和设定显得至关重要。在设定具体的教学目标时需要根据具体的学情，结合学习者的学习需求与实际的教学内容，从知识与技能，过程与方法，情感、态度与价值观这三个方面进行教学目标的设计。

2.2  创设VR支持下的具身学习情境

在进行教学设计时，由于教育研究者所依据的理论基础不同、借助的技术手段不同、切入点不同等，其创设的学习情境也有所不同。在本研究中，VR支持下的具身学习情境的创设主要分为三个部分：内容设计、VR情境创设和环境构建。

2.2.1  内容设计  在分析课程教材之后，要针对选取的教学内容，在计算机技术的支持下设计出VR教学所需的教学内容资源。

首先，整个教学内容设计要考虑小学生的实际情况，具有可操作性。

其次，为了激发小学生学习的兴趣，提高小学生学习的积极性和主动性，内容设计要具有趣味性，以更好地吸引学生的注意力。

再次，为了唤醒小学生先前的学习经验，刺激学生回忆、联想和调用已获得的知识内容，使他们能够充分认识、理解和应用新知识，在进行内容的设计时还要考虑知识内容的连续性和情境性，使学生在教学过程中能够将新知识与旧知识联系起来，并且能够在真实情境中进一步理解和运用新的知识内容。

最后，内容设计要兼具故事性，增加与日常生活情境的联系，这样能大大激发小学生学习科学、探索知识的好奇心与探究欲，从一定程度上培养学生的逻辑思维。

此外，由于小学生对于知识的理解依赖于具体事物，缺乏抽象思维，因此，在进行内容设计时还要考虑内容可视化，使教学活动内容能够更为直观地呈现给小学生，使小学生更加容易地获得对知识的理解。

2.2.2  VR情境创设

在开展教学过程之前，为激发小学生的学习兴趣，教师需要创设一个真实的学习情境，教学活动在真实的学习情境中展开，有助于学生在真实情境中实现对新知识的迁移与应用。VR技术为学生提供的技术支持是具有情境性的，在具身认知理论的指导下，借助VR设备为教学活动创设一个仿真的学习情境，通过教师的引导使学生完成对新知识的认识、理解和迁移应用。小学生的思维特点决定了他们倾向于更加直观地感受和理解知识，因此，在设计VR虚拟环境时要更加强调让学生形象、生动、直观地感知事物，注重学生的参与感。利用VR技术创设直观的学习情境，让学生参与教学活动，如通过扮演花匠等虚拟角色认识植物，充分吸引学生的注意力，使学生主动地建构内部认知过程。

2.2.3  环境构建

学习环境是学习者进行学习活动所必需的前提，是教学活动得以顺利开展、教学效果得以显著增强的重要保障。学习环境的构建又包含两个部分：物理环境的构建和同伴交互环境的构建。

1）物理环境的构建。在VR技术支持的教学环境中，物理环境的创设极其重要。物理环境必须为学习者提供学习活动所需的VR设备、投影屏幕，还必须提供相应的计算机技术支持。在后续的实证研究中，构建物理环境时还要在多个角度安装录像设备，方便采集学生在教学过程中连续发生的学习行为并进行观察、分析，以便进一步改进和完善基于具身认知理论的VR情境下的教学框架。此外，还要对教室布局进行重新布置。因为VR技术支持下的教学活动具有沉浸性，所以教室的桌椅布局一定要保证学生能够有充足的活动空间，避免出现磕碰现象，发生意外。

2）同伴交互环境的构建。VR情境下基于具身认知理论的教学活动同样要注重同伴交互，培养小学生的合作精神，让他们在协作学习中加深对知识内容的理解。在教学活动中，教师应该设置教学任务让学生之间进行充分互动，引导学生进行合作学习。例如：让小学生栽种植物并浇水，观察植物的生长；进行结伴虚拟旅行，在旅行中认识自然界的事物等。

内容设计、VR情境创设和环境构建并不是完全独立、相互割裂的，它们之间通过小学生的动作、手势及表情等进行交互与联系，且整个过程都要在VR技术的支持下进行。

2.3  开展教学活动

教学活动是整个教学框架的主体部分，在完成前期工作之后开展教学活动。首先，选取教学内容，明确教学目标；其次，根据教学内容、目标及学生学情选择教学方法，设计教学过程；最后，教学活动中要设置反思总结环节，旨在让学生通过反思总结本节课的学习内容，进一步深化巩固学生对知识内容的理解，从而更好地建构知识内容，完成对知识的内化。

2.4  形成性评价

为了在教学过程中更好地了解学生真实的学习情况，及时发现教学中的问题，设计在教学活动开展过程中进行形成性评价，设置及时反馈机制，以及时地根据客观的教学反馈情况对教学框架的各个环节进行教学修正，从而使教学活动达到更好的教学效果。

3  结束语

具身认知理论在我国教育领域的应用目前正在不断地发展与完善，而随着VR设备的推广，VR技术在教育领域的应用前景光明。基于具身认知理论的VR情境下的小学科学课程的教学，不仅要关注科学知识的传授，更重要的是让小学生通过身体与学习环境的交互去感知知识，在小学生的情感、态度和价值观尚未完全形成的时期，培养小学生的探究精神、创新思维和科学态度。资源的开源性、设备的成本降低等，使得本研究的教学应用实践成为可能，基于具身认知理论的VR情境下的小学科学课教学框架可以为小学开展VR支持下的具身认知教学提供参考。

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作者：郁栋，无锡市教师发展学院，中学一级教师，研究方向为教育信息化（214125）；李宏艺，杭州市余杭区良渚古墩路小学，研究方向为教育信息化（311112）。