華子荀

摘要：基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開(kāi)展的動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)是一種可以調(diào)動(dòng)人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等多種感官認(rèn)知的學(xué)習(xí)過(guò)程，對(duì)人類(lèi)的認(rèn)知發(fā)展具有促進(jìn)作用。然而，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)，既是技術(shù)的問(wèn)題，也是教學(xué)方法的問(wèn)題。該研究在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境及其支持的STEM教育現(xiàn)狀研究的基礎(chǔ)上，以認(rèn)知學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，抽取“同化”“順應(yīng)”“機(jī)械學(xué)習(xí)”“意義學(xué)習(xí)”四類(lèi)關(guān)鍵要素，提出了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的學(xué)習(xí)者動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制框架（RM2A），包含：同化知識(shí)的機(jī)械學(xué)習(xí)（RAl）、順應(yīng)知識(shí)的機(jī)械學(xué)習(xí)（RA2）、同化知識(shí)的意義學(xué)習(xí)（MAl）和順應(yīng)知識(shí)的意義學(xué)習(xí)（MA2），設(shè)計(jì)了STEM融合知識(shí)的交互模塊結(jié)構(gòu)、路徑與軟硬件實(shí)現(xiàn)方式，并根據(jù)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制框架開(kāi)展了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的STEM項(xiàng)目實(shí)證研究。案例選擇美國(guó)某州立大學(xué)的“CSS”STEM項(xiàng)目，通過(guò)雙組前后測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析得到實(shí)驗(yàn)組成績(jī)高于對(duì)照組成績(jī)并且差異顯著的結(jié)論，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程，發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制與學(xué)生能力發(fā)展的諸多關(guān)系，使得該研究提出的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制的理論框架得到了驗(yàn)證。因此該研究既為虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響機(jī)制提供了理論解釋和實(shí)踐驗(yàn)證，也豐富了STEM實(shí)踐研究范例，具有重要的理論價(jià)值與實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制;學(xué)習(xí)認(rèn)知：STEM教育

中圖分類(lèi)號(hào)：CJ434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、研究背景

《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出：“應(yīng)利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)教學(xué)中‘進(jìn)不去、看不見(jiàn)、動(dòng)不了、難再現(xiàn)的難題”，虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)具有利用軀體與周?chē)h(huán)境進(jìn)行互動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)作模仿、技能訓(xùn)練、情境演練、動(dòng)態(tài)展示等使學(xué)生利用交互式技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外，STEM教育是中、美等國(guó)家共同關(guān)注的教育理念，源于其促進(jìn)技術(shù)發(fā)展、推動(dòng)學(xué)科融合和促進(jìn)教育持續(xù)發(fā)展等方面的重要作用。因此，在STEM教育理念下開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的教學(xué)應(yīng)用，既在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的STEM教育實(shí)踐中促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知發(fā)展，也實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與STEM教育的深度融合，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和STEM教學(xué)實(shí)踐兩個(gè)方面都具有較高的理論價(jià)值和實(shí)踐研究意義。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以體感設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、頭戴眼鏡等為代表，包含了互動(dòng)設(shè)備、互動(dòng)資源和互動(dòng)內(nèi)容，文字、圖形、動(dòng)畫(huà)、聲音和視頻是最早的互動(dòng)媒體形式，并且存在相互獨(dú)立開(kāi)展教學(xué)的問(wèn)題，現(xiàn)代的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所支持的教學(xué)過(guò)程具有整合多種媒體資源的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，通過(guò)較強(qiáng)的感官沉浸再到意識(shí)沉浸，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并能夠?yàn)閷W(xué)生提供真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)和技能的強(qiáng)化。

動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)（Kinematic Learning）是一種通過(guò)肢體運(yùn)動(dòng)感覺(jué)進(jìn)行學(xué)習(xí)的方式，是對(duì)身體各部位位置和運(yùn)動(dòng)狀況的感知進(jìn)行學(xué)習(xí)認(rèn)知的過(guò)程，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)的主要實(shí)現(xiàn)方式就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。自維果茨基在20世紀(jì)70年代提出機(jī)器學(xué)習(xí)的概念，研究者就開(kāi)始關(guān)注互動(dòng)性媒體對(duì)學(xué)生認(rèn)知的影響，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要作用是能夠讓學(xué)習(xí)者綜合性地調(diào) 動(dòng)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等感官活動(dòng)開(kāi)展學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)覺(jué)性學(xué)習(xí)過(guò)程（Kinesthetic Leaming Activity，KIA）。VR在教學(xué)資源設(shè)計(jì)中的融合性應(yīng)用方法、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的SIEM教學(xué)法是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行結(jié)合的主要教學(xué)方法。

（二）STEM教育的研究現(xiàn)狀

STEM教育是一種重視實(shí)踐的多學(xué)科融合教育理念，是對(duì)科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四個(gè)科目的縮寫(xiě)，最早由美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)Yakman于1990年在美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)（NSF）上提出，STEM教育旨在加強(qiáng)基礎(chǔ)教育階段學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)素養(yǎng)和解決真實(shí)問(wèn)題的能力，具有跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性等特征，該理念強(qiáng)調(diào)整合的教學(xué)方式，注重實(shí)踐和過(guò)程、解決真實(shí)問(wèn)題、知識(shí)與能力并重，倡導(dǎo)“做中學(xué)”、創(chuàng)新與創(chuàng)造力培養(yǎng)、知識(shí)的跨學(xué)科遷徙及其與學(xué)習(xí)者之間的關(guān)聯(lián)。

近年來(lái)，“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)、3D打印融ASTEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、STEM與創(chuàng)客空間互鑒、STEAM融人多工具智創(chuàng)空間等理念成為熱點(diǎn)，產(chǎn)生了中國(guó)本土化的STEM教育實(shí)踐路徑。但是，中國(guó)化的STEM教育依然存在問(wèn)題，表現(xiàn)比較突出的有：缺乏課程資源與硬件環(huán)境支撐、對(duì)利用STEM培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的呼吁、未能真正實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)與能力的整合等。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的STEM教育

STEM教育不是對(duì)單一知識(shí)型學(xué)科的學(xué)習(xí)，而是更為關(guān)注真實(shí)世界情境中的真實(shí)問(wèn)題，通過(guò)互動(dòng)式學(xué)習(xí)技術(shù)開(kāi)展STEM的教與學(xué)的活動(dòng)，能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)認(rèn)知發(fā)展。

動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)工具尤其是體感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于STEM教學(xué)過(guò)程中，源于體感技術(shù)支持的教學(xué)過(guò)程，能夠提高學(xué)習(xí)者在動(dòng)作模仿、技能訓(xùn)練等方面的能力，充分利用體感技術(shù)可以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)，可以幫助教師創(chuàng)造多感官互動(dòng)學(xué)習(xí)活動(dòng);互動(dòng)體感技術(shù)可供選擇的設(shè)備非常多樣，研究者普遍關(guān)注厲動(dòng)體感控制器（Leap Motion）的教學(xué)應(yīng)用，該體感控制器在曲率特性（CurvatureFeatures）、距離特性（Distance Features）、相關(guān)特性（Correlation Features）、連接特性（Connected Features）四個(gè)方面具有較好的表現(xiàn)。通過(guò)體感設(shè)備的選擇、軟件的設(shè)計(jì)，在認(rèn)知一行為主義（Cognitive-Behavior）、建構(gòu)主義（Social Constructivist）等學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，能夠使體感技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合。

將體感技術(shù)融人課堂教學(xué)，探索體感技術(shù)支持的STEM教學(xué)法，發(fā)現(xiàn)體感技術(shù)支持的STEM課堂教學(xué)能夠給予學(xué)生自我展示、交流討論和解決應(yīng)用問(wèn)題的機(jī)會(huì)。創(chuàng)客空間中，可以將APPInventor、Scratch、機(jī)器人、3D打印等技術(shù)引入到中小學(xué)的課堂，使得學(xué)生能夠動(dòng)腦動(dòng)手創(chuàng)造出具有創(chuàng)意的作品，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力發(fā)展方面具有重要作用。有學(xué)者基于創(chuàng)客文化設(shè)計(jì)了一個(gè)基于沙箱游戲“Minecraft”的教學(xué)項(xiàng)目，通過(guò)創(chuàng)客空間讓學(xué)生利用電腦、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在創(chuàng)作作品的過(guò)程中進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí);也有一種基于創(chuàng)客媒體教育的新形式，讓學(xué)生在混合項(xiàng)目中通過(guò)實(shí)際操作提高高階思維能力;STEAMtrax是由3D打印機(jī)制造商3D系統(tǒng)公司（3D Systems Inc.）設(shè)計(jì)的面向中小學(xué)的一種科技創(chuàng)新課程，在創(chuàng)客空間中將3D打印技術(shù)和工程設(shè)計(jì)整合到科學(xué)、數(shù)學(xué)的核心知識(shí)實(shí)踐體驗(yàn)中，在相關(guān)的學(xué)習(xí)情境里，培養(yǎng)問(wèn)題解決、協(xié)作、溝通和批判性思維的基本技能等。這些案例都能夠?yàn)榛谔摂M現(xiàn)實(shí)環(huán)境的STEM實(shí)踐項(xiàng)目提供指導(dǎo)。

（四）研究啟示與目標(biāo)

根據(jù)上述文獻(xiàn)綜述提出以下研究目標(biāo)：

（1）動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)是一種有效的互動(dòng)性學(xué)習(xí)方式，能夠促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，本研究將選擇虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)過(guò)程，并且在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備和資源的自主設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)STEM教育的實(shí)踐過(guò)程現(xiàn)狀研究，發(fā)現(xiàn)協(xié)作學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)、學(xué)科整合式項(xiàng)目教學(xué)、創(chuàng)客空間都是行之有效的STEM實(shí)踐路徑，本研究將結(jié)合已有的實(shí)踐路徑，采取知識(shí)融合性項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的STEM實(shí)踐開(kāi)展案例研究。

（3）根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的STEM教育研究現(xiàn)狀，在STEM教育實(shí)踐中，應(yīng)充分利用視聽(tīng)虛擬技術(shù)、互動(dòng)式體感技術(shù)、手勢(shì)交互設(shè)備、創(chuàng)客空間的技術(shù)和教學(xué)特性，創(chuàng)新性地呈現(xiàn)STEM中的學(xué)科融合性知識(shí)，本研究將選擇創(chuàng)客空間場(chǎng)室，利用手勢(shì)互動(dòng)設(shè)備、三維虛擬軟件和3D打印機(jī)支撐STEM項(xiàng)目的開(kāi)展。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的STEM融合知識(shí)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制研究

本研究利用文獻(xiàn)研究法收集近年來(lái)國(guó)內(nèi)外期刊、專(zhuān)著及網(wǎng)絡(luò)期刊數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與STEM教育的相關(guān)研究，關(guān)注其分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用與評(píng)價(jià)過(guò)程，通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的收集、整理，得到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知產(chǎn)生影響的因素。研究虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的STEM學(xué)科融合性知識(shí)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)的相關(guān)機(jī)制，與STEM教育的項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合，系統(tǒng)分析動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)理解、學(xué)習(xí)認(rèn)知、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作學(xué)習(xí)的動(dòng)因。

對(duì)行為主義學(xué)習(xí)理論、認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論進(jìn)行內(nèi)容分析，借鑒皮亞杰在學(xué)習(xí)認(rèn)知方面的理論，抽取互動(dòng)式技術(shù)影響學(xué)習(xí)者認(rèn)知的因素為同化（Assimilation，AS）和順應(yīng)（Accommodation.AC），研究奧蘇貝爾關(guān)于學(xué)習(xí)行為方面的理論，抽取了機(jī)械學(xué)習(xí)（Rote Learning，RL）和意義學(xué)習(xí)（Meaningful Learning，ML）的影響因素。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的認(rèn)知學(xué)習(xí)過(guò)程根據(jù)同化與順應(yīng)、機(jī)械學(xué)習(xí)與意義學(xué)習(xí)四個(gè)要素，提出本研究四元素相結(jié)合的學(xué)生認(rèn)知學(xué)習(xí)過(guò)程（如圖1所示），包括：機(jī)械學(xué)習(xí)過(guò)程（Rote Learning To Assimilation，RAl）、順應(yīng)知識(shí)的機(jī)械學(xué)習(xí)過(guò)程（Rote LearningTo Accommodation，RA2）、同化知識(shí)的意義學(xué)習(xí)過(guò)程（Meaningful Learning To Assimilation， MAl）、順應(yīng)知識(shí)的意義學(xué)習(xí)過(guò)程（Meaningful Learning ToAccommodation，MA2）。通過(guò)對(duì)以上四組認(rèn)知學(xué)習(xí)過(guò)程描述和定義，為后續(xù)的STEM動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制影響因素分析提供變量基礎(chǔ)。

當(dāng)分析得到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的認(rèn)知學(xué)習(xí)過(guò)程后，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用流程進(jìn)一步分析學(xué)生使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的學(xué)習(xí)步驟，應(yīng)包括“任務(wù)設(shè)計(jì)一交互模塊一肢體互動(dòng)一動(dòng)作捕捉一系統(tǒng)處理一任務(wù)完成一促進(jìn)認(rèn)知”七個(gè)步驟，進(jìn)而分析各個(gè)流程對(duì)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的影響。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)習(xí)過(guò)程根據(jù)其交互的特點(diǎn)分為了認(rèn)知層面、交互層面和交互認(rèn)知層面。在認(rèn)知層面上，學(xué)生根據(jù)任務(wù)提示理解交互模塊的知識(shí)，根據(jù)知識(shí)與學(xué)習(xí)者已有認(rèn)知的匹配，實(shí)現(xiàn)同化知識(shí)（AS）或順應(yīng)知識(shí)（AC）的過(guò)程;在交互層面上，學(xué)習(xí)者根據(jù)同化或順應(yīng)知識(shí)的理解，進(jìn)行肢體互動(dòng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，在交互過(guò)程中，學(xué)習(xí)者可能會(huì)根據(jù)任務(wù)進(jìn)行機(jī)械學(xué)習(xí)（RA），或者根據(jù)理解程度進(jìn)行意義學(xué)習(xí)（MA）;在交互認(rèn)知層面上，學(xué)習(xí)者已經(jīng)在認(rèn)知層面上進(jìn)行了同化知識(shí)或順應(yīng)知識(shí)的步驟，并且在交互層面進(jìn)行了機(jī)械學(xué)習(xí)或意義學(xué)習(xí)的步驟，最后通過(guò)學(xué)習(xí)者的互動(dòng)，交互系統(tǒng)進(jìn)行處理并給予學(xué)生反饋，到達(dá)交互認(rèn)知層面，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)反饋對(duì)反饋結(jié)果的進(jìn)一步的理解，促進(jìn)了學(xué)習(xí)者的認(rèn)知，在此過(guò)程中，學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)了在認(rèn)知層面和交互層面各學(xué)習(xí)過(guò)程的交互融合，實(shí)現(xiàn)了上述RA1、RA2、MA1、MA2的四種學(xué)習(xí)認(rèn)知過(guò)程，如圖2所示。

四、STEM融合知識(shí)的交互模塊結(jié)構(gòu)與路徑設(shè)計(jì)研究

交互模塊結(jié)構(gòu)與路徑設(shè)計(jì)部分研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所構(gòu)成的環(huán)境特點(diǎn)，構(gòu)建STEM學(xué)科融合知識(shí)的互動(dòng)性模塊結(jié)構(gòu)與路徑，發(fā)現(xiàn)促進(jìn)學(xué)生多元學(xué)習(xí)認(rèn)知的最優(yōu)解結(jié)構(gòu)。

（一）基于ISM方法建構(gòu)知識(shí)交互模塊的學(xué)習(xí)路徑

根據(jù)STEM動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知影響因素的分析，得到四個(gè)影響因子中的四個(gè)類(lèi)別認(rèn)知學(xué)習(xí)過(guò)程，而每一個(gè)類(lèi)別又包含S、T、E、M四類(lèi)知識(shí)內(nèi)容，因此交互模塊可以包含32個(gè)知識(shí)內(nèi)容。例如同化知識(shí)（AS）類(lèi)別包含了Sl、Tl、El、Ml四個(gè)交互模塊。然而，針對(duì)交互性的學(xué)習(xí)過(guò)程，不可能在短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)完所有32個(gè)交互模塊，需要根據(jù)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，交互模塊學(xué)習(xí)路徑構(gòu)建選擇了解釋結(jié)構(gòu)模型法展開(kāi)。

STEM項(xiàng)目的交互模塊路徑過(guò)程基于以上解釋結(jié)構(gòu)模型法過(guò)程，將交互模塊定義為Node，而交互模塊Node由各要素構(gòu)成的矩陣計(jì)算構(gòu)成，路徑Path則通過(guò)區(qū)域分解和級(jí)間分解確定其層級(jí)關(guān)系，形成交互模塊路徑Path。

本研究選擇Ucinet軟件實(shí)現(xiàn)解釋結(jié)構(gòu)模型法過(guò)程，通過(guò)結(jié)構(gòu)方程分析得到潛變量及子因素，運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型法構(gòu)建以上因素的可達(dá)矩陣并進(jìn)行區(qū)域分解和級(jí)間分解，求得各因素的層級(jí)結(jié)構(gòu)，即STEM動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)實(shí)踐項(xiàng)目的交互模塊路徑（如圖3所示），所形成的層級(jí)結(jié)構(gòu)表示虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中學(xué)生利用體感設(shè)備與虛擬模塊進(jìn)行互動(dòng)的流程。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的軟硬件實(shí)現(xiàn)

本研究計(jì)劃選擇Leap Motion體感控制器和Oculus Rift虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備組成虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，基于Unity3D軟件實(shí)現(xiàn)Leap Motion手勢(shì)控制，利用Leap Motion的SDK開(kāi)發(fā)者語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，對(duì)手勢(shì)命令進(jìn)行定義（如圖4所示），定義命令包括：手掌位置（Palm Position）、手掌速度（Palm Velocity）、手掌法向量（Palm Normal），方向（Direction）、球心（SphereCenter）、球半徑（Sphere Radius）、長(zhǎng)度（Length）、寬度（Width）、指尖位置（Tip Position）、指尖速度（TipVelocity）、畫(huà)圓動(dòng)作（Circle）、揮動(dòng)動(dòng)作（Swipe）、點(diǎn)擊動(dòng)作（Key Tap）、觸屏動(dòng)作（Screen Tap）。

在Unity3D中加入定義的Leap Motion手勢(shì)命令，設(shè)計(jì)“3D模型設(shè)計(jì)與制作”虛擬現(xiàn)實(shí)交互程序，利用Leap Motion對(duì)3D模型進(jìn)行手勢(shì)控制和操作，將制作的模型繼續(xù)優(yōu)化，形成學(xué)生作品，如圖5所示。

五、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的STEM實(shí)踐項(xiàng)目實(shí)證研究

（一）STEM實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

為研究虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境與STEM實(shí)踐項(xiàng)目相融合的過(guò)程，探索所建構(gòu)的學(xué)科融合知識(shí)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)模型對(duì)STEM實(shí)踐項(xiàng)目的相關(guān)作用，將基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的“3D模型設(shè)計(jì)與制作”STEM動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)項(xiàng)目應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，在本項(xiàng)目前期已經(jīng)對(duì)其他實(shí)驗(yàn)組開(kāi)展了“3D模型設(shè)計(jì)與制作”STEM實(shí)踐項(xiàng)目中“3D建模軟件” “Form l+3D” “Sculpting建模軟件”的案例研究，積累了較多關(guān)于VR教學(xué)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，取得較好的教學(xué)效果，本項(xiàng)目只加入體感控制設(shè)備，如圖6所示，加入的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將進(jìn)一步提高學(xué)生操作的體驗(yàn)性和交互性，同時(shí)也有利于開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的STEM動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制研究。

（二）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本研究在美國(guó)某州立大學(xué)教育學(xué)院開(kāi)展，所有參與的志愿者都是該校理工、科學(xué)、技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，如下頁(yè)表1所示，在58個(gè)參與者中，男性占比67%，女性占比37%，參與者被隨機(jī)分配為實(shí)驗(yàn)組（30人）和對(duì)照組（28人），在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前參與者都是自愿參加本次實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或者體感技術(shù)的認(rèn)識(shí)水平處于基本認(rèn)知的狀態(tài)。

作為“3D模型設(shè)計(jì)與制作”實(shí)踐項(xiàng)目的一部分，本研究開(kāi)展“Cyber Science Skull”STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程，如圖7所示。為期三周的學(xué)習(xí)過(guò)程分為五個(gè)部分，針對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)都配備了Leap Motion體感控制器、Form l+3D打印機(jī)和計(jì)算機(jī)及設(shè)備構(gòu)成的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，前兩個(gè)部分雙組教學(xué)計(jì)劃一致，為學(xué)生提供了前測(cè)測(cè)試、LeapMotion基本教學(xué)、準(zhǔn)備知識(shí)和以小組為單位的學(xué)習(xí)指導(dǎo)過(guò)程，從第三部分雙組實(shí)施策略開(kāi)始不同，對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行“CSS”STEM項(xiàng)目的知識(shí)講解和小組訓(xùn)練指導(dǎo)，第四部分為“CSS”STEM項(xiàng)目的知識(shí)建構(gòu)指導(dǎo)和基于社交網(wǎng)絡(luò)APP的協(xié)作學(xué)習(xí)指導(dǎo)，第五部分體感控制、3D打印、虛擬現(xiàn)實(shí)操作的組合知識(shí)指導(dǎo)、3D打印過(guò)程指導(dǎo)和后測(cè)，對(duì)照組在后三個(gè)部分僅提供了基本的設(shè)備指導(dǎo)，無(wú)實(shí)踐操作指導(dǎo)和小組協(xié)作指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組在設(shè)備方面條件一致，僅在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的指導(dǎo)和小組協(xié)作指導(dǎo)方面存在差異，其目的為驗(yàn)證學(xué)生提高程度來(lái)源于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的STEM融合知識(shí)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制的策略，而非虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境本身。

（三）實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與結(jié)果

本研究根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境要素和實(shí)驗(yàn)過(guò)程評(píng)價(jià)，吸收虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境、21世紀(jì)技能與STEM教育評(píng)價(jià)、ICT技能自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決、創(chuàng)新能力發(fā)展和數(shù)字學(xué)習(xí)技能的評(píng)價(jià)要素，設(shè)計(jì)了“虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的學(xué)習(xí)”五維調(diào)查問(wèn)卷（GBTLS），包括虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)（GL）、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的使用便利度（GT）、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的資源有效性（GR）三個(gè)部分共六項(xiàng)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)設(shè)計(jì)了“虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的STEM融合知識(shí)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知”五維調(diào)查問(wèn)卷（RM2A-GBT），包括動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的技術(shù)熟練度（RM2A-GU）、動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的自主學(xué)習(xí)（RM2A-SL）、動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的協(xié)作學(xué)習(xí)（RM2A-CL）、動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的問(wèn)題解決（RM2A-PS）、動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的創(chuàng)新發(fā)展（RM2A-CD）五個(gè)部分共15個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在正式使用問(wèn)卷前對(duì)問(wèn)卷進(jìn)行了試測(cè)，選擇了13位同類(lèi)專(zhuān)業(yè)背景的志愿者學(xué)生在了解實(shí)驗(yàn)背景后填答問(wèn)卷，其a信度分別為0.79和0.72，根據(jù)Gall對(duì)問(wèn)卷信度評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，0.79和0.72介于0.69和0.88之間，證明兩套問(wèn)卷具有較高信度。

1.雙組前后測(cè)成績(jī)結(jié)果

對(duì)學(xué)生的前測(cè)評(píng)價(jià)得到雙組平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和t檢驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。根據(jù)結(jié)果顯示雙組前測(cè)成績(jī)分別為2.37和2.12，表明雙組基礎(chǔ)處于對(duì)等水平，后測(cè)成績(jī)對(duì)照組平均值為3.61、標(biāo)準(zhǔn)差為0.906，實(shí)驗(yàn)組平均值為4.39、標(biāo)準(zhǔn)差為0.936.且雙組后測(cè)成績(jī)的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)在假設(shè)方差齊性條件下，其顯著性P值為0.002（小于0.05），證明雙組后測(cè)具有顯著差異，實(shí)驗(yàn)組表現(xiàn)好于對(duì)照組。

2.學(xué)習(xí)態(tài)度調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行后測(cè)調(diào)查的GBTLS和RM2A-GBT兩套問(wèn)卷的結(jié)果如下頁(yè)表3所示，得到了兩套問(wèn)卷各一級(jí)指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)于GBTLS調(diào)查問(wèn)卷來(lái)說(shuō)，關(guān)注于被試在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和資源使用情況，指標(biāo)“虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)（GL）”和“虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的資源有效性（GR）”均達(dá)到較高的水平（均值=4.55，標(biāo)準(zhǔn)差=0.379;均值=4.28，標(biāo)準(zhǔn)差=0.639），而“虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的使用便利度（GT）”相對(duì)較低（均值=3.91，標(biāo)準(zhǔn)差=0.658），這表明學(xué)習(xí)者在利用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和資源學(xué)習(xí)體驗(yàn)較好，而互動(dòng)使用的便利性相對(duì)一般，但總體來(lái)說(shuō)三項(xiàng)指標(biāo)依然達(dá)到較高水平。

對(duì)于RM2A-GBT調(diào)查問(wèn)卷來(lái)說(shuō)（如表4所示），關(guān)注于學(xué)習(xí)者在利用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)的動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)過(guò)程，指出動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)所能夠涉及到的學(xué)生能力發(fā)展的部分。指標(biāo)“動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的技術(shù)熟練度（RM2A-GU）” “動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的自主學(xué)習(xí)（RM2A-SL）”“動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的創(chuàng)新能力發(fā)展（RM2A-CD）”三項(xiàng)指標(biāo)均值均大于4，達(dá)到了較高水平，表明學(xué)生在動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠達(dá)到較好的技術(shù)熟練度，并且進(jìn)行較好的自主學(xué)習(xí)，達(dá)到了創(chuàng)新發(fā)展的目的;而“動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的協(xié)作學(xué)習(xí)（RM2A-CL）”和“動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的問(wèn)題解決（RM2A-PS）”相對(duì)得分一般，表明學(xué)生在使用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開(kāi)展協(xié)作式動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)依然存在難點(diǎn)，并且對(duì)于問(wèn)題的解決過(guò)程成為其亟待突破的部分。但是總體來(lái)說(shuō)，動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)的五項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)依然達(dá)到較高水平，表明參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生能夠利用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開(kāi)展有效的動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)過(guò)程。

3.學(xué)習(xí)態(tài)度評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性分析

為探究虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展、學(xué)生能力發(fā)展及其與動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)的關(guān)系，對(duì)GBTLS和RM2A-GBT兩套問(wèn)卷進(jìn)行了相關(guān)性分析，得到如表5所示的相關(guān)性分析結(jié)果。結(jié)果表明，GR與GL、RM2A-GU與GL、RM2A-GU與GR、RM2A-SL與RM2A-GU、RM2A-CD與RM2A-SL、CL、PS存在較顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性不能夠指出因果關(guān)系，但通過(guò)分析表明虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的資源有效性促進(jìn)了學(xué)生虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的技術(shù)熟練度促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和資源的有效性，動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)的自主學(xué)習(xí)過(guò)程反過(guò)來(lái)促進(jìn)了技術(shù)的熟練度，最后動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的創(chuàng)新能力發(fā)展促進(jìn)了自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)和問(wèn)題解決的發(fā)展。

總體來(lái)說(shuō)，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)以技術(shù)的熟練度為基礎(chǔ)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和資源有效性，以動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)中的創(chuàng)新能力發(fā)展為關(guān)鍵突破點(diǎn)，通過(guò)促進(jìn)這一能力的發(fā)展能夠同時(shí)促進(jìn)自主學(xué)習(xí)能力、協(xié)作學(xué)習(xí)能力和問(wèn)題解決能力的極大提高。

在比較GBTLS和RM2A-GBT兩套問(wèn)卷的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)性分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更傾向于機(jī)械學(xué)習(xí)的過(guò)程（RA1、RA2），如技術(shù)的熟練度促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和資源的有效性，表明在實(shí)驗(yàn)初期，學(xué)生需要更多的時(shí)間開(kāi)展自主學(xué)習(xí)，促進(jìn)其技術(shù)熟練度，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和資源有效性;但是意義學(xué)習(xí)的結(jié)果實(shí)驗(yàn)后期產(chǎn)生較大效應(yīng)（MA1、MA2），如創(chuàng)新能力發(fā)展促進(jìn)了自主學(xué)習(xí)能力、協(xié)作學(xué)習(xí)能力和問(wèn)題解決能力的提高，表明以機(jī)械學(xué)習(xí)過(guò)程為基礎(chǔ)，達(dá)到一定學(xué)習(xí)進(jìn)度后，學(xué)生能夠自然地適應(yīng)技術(shù)和資源的支撐促進(jìn)其能力的發(fā)展，但是這個(gè)過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間。以上結(jié)論回應(yīng)了本研究的目標(biāo)，即虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的作用是通過(guò)機(jī)械學(xué)習(xí)促進(jìn)意義學(xué)習(xí)，由技術(shù)熟練到促進(jìn)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和資源有效性發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)能力提高，通過(guò)創(chuàng)新能力發(fā)展促進(jìn)其他能力的進(jìn)一步提高的過(guò)程。

六、研究結(jié)論

本研究為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的聯(lián)系提供了理論框架，在文獻(xiàn)綜述、認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上提出了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制，即虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的STEM融合知識(shí)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制，設(shè)計(jì)了STEM融合知識(shí)的交互模塊結(jié)構(gòu)、路徑與軟硬件實(shí)現(xiàn)方式，并根據(jù)學(xué)習(xí)機(jī)制與路徑開(kāi)展了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持的STEM實(shí)踐項(xiàng)目的實(shí)證研究。實(shí)證研究為美國(guó)某州立大學(xué)的“CSS”STEM項(xiàng)目，通過(guò)雙組前后測(cè)分析得到實(shí)驗(yàn)組成績(jī)高于對(duì)照組成績(jī)，并且差異顯著，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后得到GBTLS和RM2A-GBT兩套問(wèn)卷的分析結(jié)果，表明基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的STEM項(xiàng)目對(duì)學(xué)生的短期學(xué)習(xí)過(guò)程中的機(jī)械學(xué)習(xí)促進(jìn)效果較好，即技術(shù)的熟練度促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和資源的有效性，如果能在一個(gè)較長(zhǎng)的學(xué)習(xí)周期中開(kāi)展研究，基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的STEM項(xiàng)目可以逐漸有效地促進(jìn)學(xué)生開(kāi)展意義學(xué)習(xí)過(guò)程，即創(chuàng)新能力發(fā)展促進(jìn)了自主學(xué)習(xí)能力、協(xié)作學(xué)習(xí)能力和問(wèn)題解決能力的提高。

本研究實(shí)證過(guò)程依然存在不足，通過(guò)前期三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)積累虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，“CSS”STEM項(xiàng)目的實(shí)施為3周，對(duì)于利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知學(xué)習(xí)的過(guò)程來(lái)說(shuō)依然具有時(shí)間局限性，在后續(xù)研究需要進(jìn)一步開(kāi)展更長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐研究;另外，本研究所提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制模型以認(rèn)知學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，模型元素在呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容、知識(shí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過(guò)程與技術(shù)本身的關(guān)系方面依然有待深化，因此，該模式可在國(guó)內(nèi)開(kāi)展針對(duì)不同學(xué)段和內(nèi)容的研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證RM2A理論模型的有效性，同時(shí)也能夠?qū)趧?dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)的學(xué)生認(rèn)知促進(jìn)機(jī)制開(kāi)展國(guó)內(nèi)外對(duì)比研究。

通過(guò)本研究，為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展提供了聯(lián)系，為VR、AR、MR等技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者的促進(jìn)作用提供了理論框架并進(jìn)行了驗(yàn)證，為國(guó)內(nèi)外同類(lèi)研究的教學(xué)實(shí)踐提供了參考，豐富了關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)學(xué)習(xí)者動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制和認(rèn)知能力發(fā)展的理論內(nèi)涵和實(shí)踐意義。總體來(lái)說(shuō)，本研究在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、STEM教育、學(xué)習(xí)者認(rèn)知等領(lǐng)域具有較高的理論價(jià)值和實(shí)踐研究意義。

*本文系中國(guó)博士后科學(xué)基金第65批面上資助項(xiàng)目“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的STEM學(xué)科融合知識(shí)動(dòng)覺(jué)學(xué)習(xí)機(jī)制研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2019M652945）、廣州市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)發(fā)展“十三五”規(guī)劃2019年度羊城青年學(xué)人課題“教育信息化2.0背景下粵港澳大灣區(qū)教育質(zhì)量提高與均衡發(fā)展效益輻射模式研究”（課題編號(hào)：2019CZQN20）研究成果。