張 睆，胡衛(wèi)平

(1.山西師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041004；2.陜西師范大學(xué) 現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710062)

作為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展終身所需的必備品格和關(guān)鍵能力，科學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)包括科學(xué)觀念與應(yīng)用、科學(xué)思維與創(chuàng)新、科學(xué)探究與交流、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。其中，科學(xué)思維是貫穿上述四類科學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵要素[1]?？茖W(xué)思維一般包括科學(xué)抽象與模型建構(gòu)、科學(xué)推理與決策、科學(xué)論證與反駁、科學(xué)質(zhì)疑與創(chuàng)新等心理過程，這些過程與科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)密不可分。具體來說，個(gè)體無(wú)論從自然現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中抽象出科學(xué)觀念，還是運(yùn)用科學(xué)觀念預(yù)測(cè)和解決現(xiàn)實(shí)問題；無(wú)論是在科學(xué)探究中通過科學(xué)推理形成科學(xué)假設(shè)，并設(shè)計(jì)科學(xué)研究檢驗(yàn)假設(shè)，還是在科學(xué)交流中對(duì)特定科學(xué)觀點(diǎn)進(jìn)行論證與反駁，都需要通過科學(xué)抽象與推理、決策、論證、反駁、質(zhì)疑與創(chuàng)新來完成。因此，科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的核心，就是科學(xué)思維。

盡管目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(簡(jiǎn)稱VR)被應(yīng)用于多種科學(xué)教學(xué)場(chǎng)景。目前研究者和開發(fā)者也大都聚焦于VR技術(shù)對(duì)各類教育場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)路線。然而從科學(xué)核心素養(yǎng)的“思維”內(nèi)涵來看，簡(jiǎn)單追求VR技術(shù)在教育場(chǎng)景中的沉浸式體驗(yàn)，未必有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。那么，對(duì)于教師來說，什么樣的VR情境才能有效促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)？我們需要暫時(shí)懸置對(duì)VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑的追尋，從有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)這一教學(xué)需求視角出發(fā)，探討有效的科學(xué)學(xué)習(xí)和教學(xué)究竟需要怎樣的虛擬教學(xué)情境，創(chuàng)設(shè)這樣的教學(xué)情境應(yīng)遵循怎樣的教學(xué)原則。

一、有效的虛擬教學(xué)情境依賴學(xué)生的思維投入

當(dāng)代情境學(xué)習(xí)理論提出，知識(shí)須在特定情境中習(xí)得和運(yùn)用?？茖W(xué)教育者一直致力于將真實(shí)世界和真實(shí)問題帶入學(xué)校和課堂，使學(xué)生能在學(xué)校中體驗(yàn)“真實(shí)”的情境。虛擬教學(xué)情境(VR)為解決這一問題提供了新的技術(shù)手段。當(dāng)前的虛擬教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)，是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和傳感器提供真實(shí)的視覺、聽覺刺激與觸動(dòng)覺反饋，為學(xué)習(xí)者構(gòu)建富有“臨場(chǎng)感”的學(xué)習(xí)情境和逼真的沉浸式體驗(yàn)，使個(gè)體在觀察和操縱虛擬對(duì)象時(shí)具有一種親身參與的感受，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)區(qū)別于其他教育技術(shù)的關(guān)鍵特征。[2]這種基于VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬教學(xué)情境突破了傳統(tǒng)教學(xué)情境在時(shí)空、安全、成本等方面的限制，著眼于促進(jìn)學(xué)生的觀察、操作、互動(dòng)等學(xué)習(xí)過程，被視為一種強(qiáng)有力的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)工具。

通過對(duì)470項(xiàng)研究的元分析，Hew和Cheung發(fā)現(xiàn)目前VR主要有三類教學(xué)用途。[3]第一，通過模擬物理空間呈現(xiàn)教學(xué)材料，便于學(xué)生觀察學(xué)習(xí)。對(duì)學(xué)習(xí)者在日常條件下難以觀察的客觀事物，如遙遠(yuǎn)的宇宙、微觀的細(xì)胞和分子結(jié)構(gòu)、年代久遠(yuǎn)的歷史場(chǎng)景和事件等，均可使用VR技術(shù)呈現(xiàn)，使學(xué)生對(duì)事物的結(jié)構(gòu)、功能和發(fā)展變化過程產(chǎn)生更直觀的認(rèn)識(shí)。第二，通過模擬體驗(yàn)空間來創(chuàng)設(shè)應(yīng)用情境，便于學(xué)生操作學(xué)習(xí)。通過構(gòu)建各類虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，如科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、臨床醫(yī)學(xué)、制造加工、技能實(shí)訓(xùn)等，學(xué)習(xí)者可以在更為安全的條件下反復(fù)練習(xí)，提高知識(shí)應(yīng)用能力。第三，通過模擬溝通空間搭建教學(xué)平臺(tái)，便于學(xué)生互動(dòng)學(xué)習(xí)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與遠(yuǎn)距離多用戶同步交互技術(shù)相結(jié)合，可以在模擬現(xiàn)實(shí)社交環(huán)境時(shí)不受現(xiàn)實(shí)空間條件的局限，因此非常適于構(gòu)建虛擬教學(xué)互動(dòng)情境，包括各類虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)、仿真校園和虛擬教室。

然而，僅著眼于創(chuàng)設(shè)富有臨場(chǎng)感的沉浸式情境，未必有助于促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維。特定教育技術(shù)能否有效促進(jìn)科學(xué)思維，關(guān)鍵要看該技術(shù)創(chuàng)設(shè)的情境引發(fā)學(xué)習(xí)者怎樣的學(xué)習(xí)過程?？茖W(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)主要涉及兩類認(rèn)知過程。一類是以感知覺、表象、記憶等為代表的低階認(rèn)知過程，一類是以思維活動(dòng)等為代表的高階認(rèn)知過程。[4]大量理論和研究表明，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的關(guān)鍵是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否進(jìn)行了積極主動(dòng)的思考。虛擬現(xiàn)實(shí)情境雖然可以為學(xué)生的觀察、模仿、操作、互動(dòng)提供“身臨其境”的感受，但并不意味著它必然能引發(fā)積極思考，產(chǎn)生有效學(xué)習(xí)。例如：一項(xiàng)涵蓋了K12年級(jí)的元分析表明，在77項(xiàng)實(shí)證研究中，僅有43項(xiàng)發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)情境可以有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，同時(shí)，與僅僅用于材料呈現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)視覺世界相比，包含大量探究任務(wù)的虛擬現(xiàn)實(shí)教育游戲更有利于促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)。[5]這意味者，只有當(dāng)學(xué)生仔細(xì)觀察，基于證據(jù)進(jìn)行推理，并對(duì)思維過程進(jìn)行自我反思時(shí)，或者說，只有當(dāng)學(xué)生積極進(jìn)行科學(xué)思維時(shí)，VR學(xué)習(xí)情境才能有效促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)。

二、基于思維型教學(xué)原理優(yōu)化虛擬現(xiàn)實(shí)情境

培養(yǎng)科學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵在于促進(jìn)科學(xué)思維，教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)的目的在于有效激發(fā)學(xué)習(xí)者的積極思考和主動(dòng)學(xué)習(xí)。那么，如何才能在教學(xué)中有效促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)思維呢？思維型教學(xué)理論認(rèn)為，以認(rèn)知沖突激發(fā)思維、以自主建構(gòu)組織思維、以自我監(jiān)控調(diào)節(jié)思維、以遷移應(yīng)用深化思維，是促進(jìn)學(xué)生積極思維投入、有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一般教學(xué)原理。[6]據(jù)此，虛擬科學(xué)教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)應(yīng)符合促進(jìn)學(xué)生積極思維的一般教學(xué)原理，通過提升VR情境的交互性、探索性、支架性和多樣性，有效促進(jìn)學(xué)生積極思維投入。

(一)構(gòu)建虛擬交互，引發(fā)認(rèn)知沖突

認(rèn)知沖突是指?jìng)€(gè)體對(duì)認(rèn)知結(jié)構(gòu)與環(huán)境間，或認(rèn)知結(jié)構(gòu)不同成分間不一致關(guān)系的覺知。由于人們有保持其認(rèn)知結(jié)構(gòu)和環(huán)境一致的需求，當(dāng)出現(xiàn)認(rèn)知沖突時(shí)，個(gè)體會(huì)通過一系列思維活動(dòng)來理解和解決沖突，因此，認(rèn)知沖突有利于激發(fā)學(xué)生的思維。例如，當(dāng)兒童發(fā)現(xiàn)視頻中的小球運(yùn)動(dòng)軌跡違背牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí)，會(huì)引發(fā)更積極持久的科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究。[7]

學(xué)生認(rèn)知過程的激活包括感知水平和思維水平兩個(gè)不同層次。在虛擬現(xiàn)實(shí)情境中，提高情境的似真性有利于激活學(xué)生的感知，而提高情境的交互性，則有利于引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生積極思維。交互式情境并非將問題直接拋給學(xué)習(xí)者，而是讓學(xué)習(xí)者通過與情境的交互而主動(dòng)識(shí)別問題所在，進(jìn)而產(chǎn)生認(rèn)知沖突。具體來說，虛擬現(xiàn)實(shí)情境可以通過兩類交互來引發(fā)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知沖突：一類是通過人與人的交互，譬如討論甚至辯論過程，學(xué)習(xí)者會(huì)在與他人的互動(dòng)中發(fā)現(xiàn)彼此間觀點(diǎn)的差異，從而產(chǎn)生自己與他人觀念間的認(rèn)知沖突；一類是通過人與物的交互，譬如操作和探究過程。學(xué)習(xí)者在嘗試性操作中發(fā)現(xiàn)已有預(yù)期與環(huán)境反饋間的不一致，從而產(chǎn)生自身判斷與事實(shí)之間的認(rèn)知沖突。

虛擬情境技術(shù)在交互性方面具有優(yōu)勢(shì)。在虛擬的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和虛擬社區(qū)等學(xué)習(xí)情境中，學(xué)習(xí)者需要對(duì)操作結(jié)果或他人觀點(diǎn)做出預(yù)測(cè)，當(dāng)事實(shí)違背先前預(yù)測(cè)，或者他人觀點(diǎn)與自己相左時(shí)，就會(huì)促使學(xué)習(xí)者體驗(yàn)到認(rèn)知沖突。該沖突會(huì)促使學(xué)習(xí)者不斷修正其假設(shè)，并最終得到滿意的答案。例如，美國(guó) NASA 資助開發(fā)的科學(xué)空間項(xiàng)目(Science Space)包含有一系列力學(xué)和電磁學(xué)的虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)。這些平臺(tái)是通過操作—反饋的過程來激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。在虛擬的力學(xué)“牛頓世界”中，學(xué)習(xí)者可以利用一只虛擬手來發(fā)射和接住不同質(zhì)量的彈球，如果預(yù)期錯(cuò)誤，便無(wú)法接住彈球，從而引發(fā)認(rèn)知沖突，促使學(xué)習(xí)者探究彈球受力與其運(yùn)動(dòng)軌跡間的關(guān)系。研究表明，與傳統(tǒng)的課堂演示實(shí)驗(yàn)相比，這種基于操作—反饋—沖突的學(xué)習(xí)模式，更有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和知識(shí)理解水平。

(二)設(shè)計(jì)探究情境，促進(jìn)自主建構(gòu)

傳統(tǒng)的學(xué)校教學(xué)往往遵循“傳遞”模式，教學(xué)以“專家發(fā)現(xiàn)，教師傳遞，學(xué)生接受”的方式進(jìn)行組織。這種教學(xué)過程對(duì)學(xué)生的認(rèn)知要求主要包括熟練記憶教師傳遞的知識(shí)技能，對(duì)這些知識(shí)做出規(guī)范的解釋，按照老師傳授的規(guī)則直接應(yīng)用知識(shí)解決問題等低階認(rèn)知過程，而鮮于涉及分析、綜合、評(píng)價(jià)、批判、創(chuàng)新等高階認(rèn)知過程。與“傳遞”教學(xué)相比，“自主建構(gòu)”教學(xué)則遵循“交互”模式，教學(xué)是以基于項(xiàng)目的“師生合作、自主探究”的方式進(jìn)行組織，在完成項(xiàng)目所必須的合作探究等學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生的分析、綜合、評(píng)價(jià)等高階認(rèn)知過程被有機(jī)組織在一起，

自主建構(gòu)的教學(xué)原理，意味著VR情境應(yīng)富于探究性。探究性的學(xué)習(xí)情境是基于現(xiàn)實(shí)性問題設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)項(xiàng)目，以學(xué)習(xí)者為中心，且往往包含了多種可能性，而非單一情節(jié)。學(xué)習(xí)者需要通過假設(shè)檢驗(yàn)、分析對(duì)比、判斷決策等思維活動(dòng)才能理解其中的運(yùn)行規(guī)則和機(jī)制，進(jìn)而完成項(xiàng)目。相對(duì)于傳統(tǒng)的課堂學(xué)習(xí)情境而言，虛擬情境十分便于創(chuàng)設(shè)這樣的探索性世界。它應(yīng)該是一個(gè)多用戶的游戲化虛擬情境，包含復(fù)雜的自然與社會(huì)系統(tǒng)，涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，學(xué)習(xí)者可以在其中形成假設(shè)性主張，并進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和社會(huì)互動(dòng)來檢驗(yàn)和論證自己的主張，例如，虛擬小鎮(zhèn)江城(River City)是哈佛大學(xué)教育學(xué)院開發(fā)的多用戶游戲化的探究性課程，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)了進(jìn)行科學(xué)探究和實(shí)驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)情境。學(xué)生在進(jìn)入“江城”后，被告知該城鎮(zhèn)爆發(fā)了某種大規(guī)模疾病，需要學(xué)習(xí)者以團(tuán)隊(duì)合作的方式探索其原因。然后，學(xué)習(xí)者可以在江城中四處走動(dòng)，查看任何對(duì)象，并與虛擬世界中的人物角色交流。在這一過程中，學(xué)習(xí)者形成了關(guān)于居民疾病暴發(fā)原因的假設(shè)，并可以在江城中進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其假設(shè)。譬如在江城游戲中有水質(zhì)監(jiān)測(cè)站，學(xué)生可以將河流、水井、池塘中得到的水體樣本帶到這里，檢驗(yàn)其中病菌的種類和數(shù)量。在經(jīng)歷反復(fù)探究，并與他人充分交流之后，學(xué)習(xí)者最后要給江城的鎮(zhèn)長(zhǎng)寫一封信闡述自己的主張，并給出支持這一主張的證據(jù)和理由。

(三)搭建認(rèn)知腳手架，促進(jìn)自我監(jiān)控

探究性包含了多種認(rèn)知過程的協(xié)調(diào)，例如，分析問題情境，設(shè)置有意義的學(xué)習(xí)目標(biāo)，為不同的可能性選擇不同的探索策略。要協(xié)調(diào)這些認(rèn)知過程以完成學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)習(xí)者需要對(duì)其進(jìn)行有效監(jiān)控和調(diào)節(jié)。人類思維的一大特點(diǎn)，是能對(duì)自己的認(rèn)知過程進(jìn)行再思考，即元思維。元思維即對(duì)思維的思維，包括離線元思維和在線元思維兩種認(rèn)知過程。離線元思維指關(guān)于自身思維過程的靜態(tài)知識(shí)，而在線元思維是對(duì)自身思維過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和調(diào)節(jié)。[8]。自我監(jiān)控原則強(qiáng)調(diào)了教師在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)引發(fā)學(xué)生的在線元思維過程，即學(xué)習(xí)者對(duì)自身思維的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程。在科學(xué)學(xué)習(xí)中，自我調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)過程往往伴隨主動(dòng)的計(jì)劃與目標(biāo)設(shè)置、檢查、評(píng)價(jià)和反思等一系列高階思維活動(dòng)。[9]

由于個(gè)體自身可能并不具備完善的自我監(jiān)控能力，因此，可以通過在虛擬現(xiàn)實(shí)情境中提供“腳手架”來支持學(xué)習(xí)者的自我調(diào)節(jié)和監(jiān)控過程。具體而言，虛擬的“學(xué)習(xí)助手”會(huì)在每一個(gè)學(xué)習(xí)階段為學(xué)習(xí)者提出自我反思、自我修正的建議和策略，并提供項(xiàng)目進(jìn)程管理和修改的工具。這種“腳手架”可以有效地促進(jìn)學(xué)生的自我監(jiān)控。以水晶島(Crystal island)為例，這是一個(gè)基于項(xiàng)目的、游戲化的沉浸式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。在水晶島上爆發(fā)了大規(guī)模疫情，項(xiàng)目要求學(xué)習(xí)者擔(dān)當(dāng)生物學(xué)家的角色，通過采集數(shù)據(jù)，以及與一系列游戲角色(如護(hù)士、病人、廚師和科學(xué)家等)對(duì)話，探索傳染性細(xì)菌的來源和特性，在項(xiàng)目中，元認(rèn)知支架鑲嵌于任務(wù)情節(jié)之中，游戲會(huì)提醒學(xué)生制定計(jì)劃，設(shè)定子目標(biāo)，并且每隔90秒，系統(tǒng)就會(huì)提示學(xué)習(xí)者評(píng)估其計(jì)劃完成的進(jìn)度。[10]

(四)情境多樣化，促進(jìn)遷移應(yīng)用

以遷移應(yīng)用來深化思維?？茖W(xué)學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題。知識(shí)的應(yīng)用包括直接應(yīng)用和遷移應(yīng)用兩種方式。直接應(yīng)用意味著學(xué)生僅僅需要遵從教師的傳授，按照教師的要求執(zhí)行任務(wù)，通過模仿教師示范來解決問題。例如，照抄老師的答案，或者按照教材例題的解法解決相似練習(xí)題。而遷移應(yīng)用是將熟悉情境中習(xí)得的知識(shí)技能應(yīng)用于陌生的問題情境中，此時(shí)，學(xué)生面臨不熟悉的目標(biāo)和問題情境，無(wú)法通過直接應(yīng)用教師傳授的技能解決新問題，而需要重新解釋問題情境，在新舊問題情境間進(jìn)行對(duì)比分析，嘗試不同的解決方法，對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行選擇、組合和修正。因此，知識(shí)的遷移應(yīng)用更有利于深化學(xué)生思維。實(shí)驗(yàn)表明，在完成“農(nóng)場(chǎng)狂想曲”的教育游戲任務(wù)過程中，當(dāng)學(xué)生僅僅是直接應(yīng)用所學(xué)知識(shí)時(shí)，其認(rèn)知活動(dòng)往往停留在記憶和理解等低階水平，而當(dāng)學(xué)生能試圖將所學(xué)知識(shí)遷移引用到不同的任務(wù)情境中時(shí)，則往往伴隨著分析、綜合、評(píng)價(jià)等高階思維活動(dòng)。[11]

情境學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)，知識(shí)應(yīng)用受制于其初始的獲得情境，從單一情境中獲得的知識(shí)，往往難以運(yùn)用到其他不同的情境中。例如，街頭的兒童商販能準(zhǔn)確快速地算賬找零，卻無(wú)法在課堂情境中解決類似的數(shù)學(xué)運(yùn)算問題。兒童在動(dòng)作游戲中獲得的快速反應(yīng)能力，也難以遷移到其他動(dòng)作任務(wù)中。反之，與單一的學(xué)習(xí)情境相比，在多樣化學(xué)習(xí)情境中獲得的知識(shí)，更易于遷移應(yīng)用于不同情境。這是由于多樣性的學(xué)習(xí)情境，更易于引發(fā)兒童對(duì)多種問題情境的比較，不僅可以抽象出一般的規(guī)則，而且這一規(guī)則與多種問題情境均有聯(lián)系，從而對(duì)同一知識(shí)建構(gòu)出多種情境表征。

由此可知，虛擬學(xué)習(xí)情境的沉浸式特征并不必然有利于知識(shí)的遷移應(yīng)用，一方面，由于虛擬學(xué)習(xí)情境可以提供沉浸式體驗(yàn)，有利于學(xué)生將在虛擬情境中所掌握的知識(shí)直接應(yīng)用于類似的真實(shí)情境中。另一方面，沉浸式體驗(yàn)也會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)的過度情境化，從而使得學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)情境中習(xí)得的知識(shí)難以遷移到不同的真實(shí)情境中。因此，創(chuàng)設(shè)虛擬學(xué)習(xí)情境在注重情境真實(shí)性的同時(shí)，更應(yīng)注重情境的多樣性，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)活動(dòng)提供“豐富的情境供應(yīng)”，而且這些情境應(yīng)盡可能體現(xiàn)學(xué)習(xí)者在真實(shí)生活中會(huì)遇到的典型任務(wù)。同時(shí)，多個(gè)任務(wù)情境在難度上應(yīng)有進(jìn)階，設(shè)計(jì)者甚至可以創(chuàng)設(shè)混合式虛擬學(xué)習(xí)情境，將真實(shí)的學(xué)習(xí)情境與虛擬學(xué)習(xí)情境相混合，這些都有利于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的遷移。

三、未來的研究展望

當(dāng)前VR情境創(chuàng)設(shè)的主要形式有材料呈現(xiàn)、知識(shí)應(yīng)用和教學(xué)互動(dòng)等?；谒季S型教學(xué)理論，我們提出，在保證VR情境的交互性、探索性、支架性和多樣性的條件下，才能有效促進(jìn)學(xué)生的積極思維。未來的研究中，要基于這些原則優(yōu)化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)和虛擬教室等教學(xué)系統(tǒng)，不僅需要在技術(shù)層面研究相應(yīng)的環(huán)境與人物建模，立體顯示、觸覺反饋，表情和動(dòng)作交互，教學(xué)內(nèi)容與任務(wù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成等的技術(shù)和算法，更須著重探討以下問題。

第一，虛擬現(xiàn)實(shí)情境中的科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)情境的交互性、探究性、支架性和多樣性是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的設(shè)計(jì)原則，在虛擬現(xiàn)實(shí)情境中開發(fā)具備相應(yīng)特征的科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)則是上述原則“落地”的關(guān)鍵。例如，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的STEM游戲活動(dòng)，富于探究性與交互性，有助于促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維。那么，如何將STEM游戲任務(wù)與思維型教學(xué)原則相整合，從而設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)奶摂M現(xiàn)實(shí)科學(xué)游戲，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的最有效培養(yǎng)，尚需進(jìn)一步研究。

第二，整合虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)，課堂教學(xué)是學(xué)校教育的主要形式，這意味著，學(xué)校教育中理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是將其融入到課堂教學(xué)中, 這對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)情境中的科學(xué)學(xué)習(xí)任務(wù)是以學(xué)生為中心組織的，而傳統(tǒng)課堂教學(xué)中教師承擔(dān)著學(xué)習(xí)任務(wù)組織的角色，在教學(xué)中二者如何實(shí)現(xiàn)有效銜接與整合？進(jìn)一步研究尚需從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過程與教學(xué)資源設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行深入研究。

第三，虛擬現(xiàn)實(shí)情境中對(duì)學(xué)生科學(xué)思維過程和能力的有效評(píng)估。虛擬教學(xué)情境的有效性體現(xiàn)為對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力的促進(jìn)。驗(yàn)證這種有效性，需要對(duì)虛擬情境中學(xué)生的思維能力和過程進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。虛擬情境中學(xué)習(xí)評(píng)估方式與傳統(tǒng)紙筆測(cè)驗(yàn)評(píng)估和課堂行為評(píng)估有很大不同。傳統(tǒng)的紙筆測(cè)驗(yàn)中，問題以文字和圖表形式呈現(xiàn)，學(xué)生通過閱讀理解問題，并通過寫出解題過程來評(píng)估思維過程。傳統(tǒng)的課堂評(píng)估中，教師通過直接觀察學(xué)生的行為反應(yīng)(比如眼神和表情)來評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，而虛擬學(xué)習(xí)情境中，一方面教師無(wú)法在真實(shí)或虛擬情境下觀察到學(xué)生的學(xué)習(xí)反應(yīng)，無(wú)法區(qū)分學(xué)生是在積極思考還是沉浸于玩耍中；另一方面，虛擬情境中問題以“沉浸式”情境呈現(xiàn)，這種評(píng)估不易被學(xué)習(xí)者察覺，更容易評(píng)估到學(xué)習(xí)者的日常表現(xiàn)。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,但目前虛擬學(xué)習(xí)情境中的思維評(píng)估大都依賴于學(xué)習(xí)者的自我報(bào)告和事后的紙筆測(cè)試，尚需進(jìn)一步研究如何通過數(shù)據(jù)流中學(xué)習(xí)者行為數(shù)據(jù)的挖掘分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者思維的在線評(píng)估。

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