基于VR的論證教學對初中生科學學習的影響研究

管玨琪 張悅 吳哲 陳宇峰 張堅勇

[摘? ?要] 論證教學可以促進學生對科學概念的學習，論證教學的充分開展有待于優化教學設計和實施。研究者已指出，適宜的教學策略和互動技術能進一步提升學生的學習效果。研究將VR整合于科學論證教學，并應用于七年級“科學”課中“地球與宇宙”單元，開展準實驗研究以探究該方法對初中生科學學習的影響。兩個班80名七年級學生參與本次實驗，其中，一個班級的40名學生為實驗組，使用基于VR的方式展開學習;另一個班的40名學生為控制組，在一般教室環境下開展論證式學習。實驗結果表明，整合VR的科學論證教學更能促進學生對科學概念的理解，有助于學生在論證過程中提供證據和反證，提升學生在論證學習過程中的集體效能、批判性思維傾向，而論證教學過程中使用VR并未顯著影響學生的認知負荷。研究將為VR應用于科學教學提供參考和更多實踐證據。

[關鍵詞] 虛擬現實; 論證教學; 科學概念學習; 集體效能; 批判性思維傾向

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 管玨琪（1986—），女，江蘇常州人。講師，博士，主要從事信息化教學創新研究。E-mail：guanjueqi2008@126.com。

一、引? ?言

概念學習是科學教育研究的核心內容，初中科學教學內容涉及物理、化學、生物、地理多個領域，其中，與地理相關的教學內容包羅萬象、概念抽象。如何促進學生獲得和掌握科學知識，不斷重構和發展對科學概念的理解是科學教學的重要內容之一。論證是學習科學概念的重要工具[1];已有研究一致表明，論證教學可以促進學生對科學概念的學習。有效參與論證是表達概念理解的途徑，證實或證偽觀點的能力是建構知識的基礎[2]。然而，科學論證教學并未得到充分開展[3]，如何優化教學設計和實施以促進學生有效參與論證是科學論證教學關注的重要內容[4]。

學者們指出，不同的互動技術可以應用于不同的教育活動[5]。在眾多新興技術中，虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術為獨特而有效的教學實施提供了契機。VR技術最早于20世紀90年代早期引入K-12和高等教育，近期VR已應用于K-12中的英語、數學、科學等學科的教學。VR的應用將為學習者提供主動參與學習的機會，促進主動學習、項目化學習等的開展[6]。如Chen等在STEM教育中實踐基于VR的主動學習，發現10年級學生對抽象科學概念的理解和其他學習表現有所提升[7]。

VR技術為學習者擬真難以達到或體驗的場景/活動，增強學習者的直觀體驗;提供“沉浸、交互、構想”的學習空間，實現與自然對象交互。科學教育中，這將促使學生更好地觀察科學現象，通過多維感知和身心參與，在實踐體驗和互動交流中提升對科學知識的理解以及基于此經驗的反思，幫助學生深入開展論證。在此背景下，本研究將VR整合于科學論證教學，并在“科學”（七年級下冊）課中“地球與宇宙”單元展開應用實踐，探討其對初中生科學學習的影響。具體研究問題包括：

（1）基于VR的科學論證教學是否有助于提高學生的科學概念學習效果？

（2）基于VR的科學論證教學是否有助于改善學生的科學論證表現？

（3）基于VR的科學論證教學是否對學生的認知負荷、集體效能、批判性思維有積極影響？

二、文獻綜述

（一）科學論證教學

庫恩（Kuhn）于1933年首次提出“科學即論證”的觀點。2011年，美國頒布的科學教育文件《K-12科學教育框架：實踐、跨領域概念和核心概念》和課程標準《下一代科學教育標準》都傳遞了論證服務并促進探究的教學構想[8]。論證的本質是一個利用資料和根據等證據以不斷消除主張的不確定性的、言語上的邏輯與推理過程[9]。科學論證教學主要是指在科學教學中突出“論證”特征的教學[3]，使學生經歷類似科學家的論證過程來理解科學概念和科學本質，并促進其思維發展[10]。從表達形式上看，科學論證可以分為書面科學論證和口頭科學論證。

國際科學論證研究形成了多個具有指導性的科學論證實踐模式，如用于實驗探究教學的ADI（Argument-Driven Inquiry，論證驅動的探究）模式，適用于核心概念教學的PCRR（Present-Critique-Reflect-Refine，呈現—批判—反思—提煉）模式。這些實踐模式共有的顯著特征是促進生生合作，引發多樣觀點[11]。國內學者在實踐已有的科學論證模式基礎上，也探索形成了比較典型的論證式教學操作程序，如王星喬等基于圖爾敏論證模型，整合社會建構主義理論、論證理論和學習監控理論提出的論證式教學模式的操作程序[10]。

論證教學已應用于科學概念學習、實驗探究教學，并產生了積極影響。研究者提出科學論證教學能促進科學概念的理解，提升探究學習的質量和成效[11]。科學論證教學也將發展學生的批判性思維，提升學生科學學習過程中的主體性。宋歌開展的一項元分析結果顯示，論證教學對學生科學概念學習具有高度的正向影響（效應量為0.934），但論證教學對科學概念學習的影響效應受教學時長、教學模式、論證形式和學習環境等調節變量的影響[12]。在實際科學課堂中，科學論證教學還未能得到充分開展。而技術的發展為在課堂教學中開展論證教學提供了新的機會。

（二）VR與科學教學

VR是幫助用戶創建虛擬世界并獲得仿真體驗的計算機環境，給予用戶沉浸式的交互體驗。通過沉浸獲取的臨場感是教育中應用VR的一項主要推動力[13]。

科學教學中，VR可以擬真現實世界中無法抵達的場景，使得學習者參與抽象概念的虛擬觀察和自然交互，提升學習者對抽象事物的認知與理解。已有研究提出，VR對教學形式創新有著較好的應用前景;VR環境下的學習者被寄希望于轉變其學習方式[14]。例如：張影在小學科學教學中應用VR實踐游戲化教學[15];Southgate應用深度學習概念框架，架構基于VR的高中科學學習[16]。

已有研究表明，VR在教育領域的應用有著較好的效果[17]。Merchant等的一項元分析顯示，VR在K-12或高等教育領域的應用對提升學習效果有著積極作用[18]。研究發現，科學教學中VR環境可以促進學習者對科學概念的理解，例如：在Hansen等人的研究中，三維計算模型支持學生發展對動態天文現象的科學合理的理解[19];在Sun等人的研究中，三維虛擬現實模型提高了小學生抽象科學概念的成績[20];在Kozhevnikov等人的研究中，沉浸式環境下的學生對相對運動本質的概念理解較為深刻[21];代依伶[22]、柳瑞雪[23]的研究也發現，沉浸式虛擬現實課堂能夠幫助學生更好地掌握科學知識。同時，科學教學中沉浸式虛擬環境能夠顯著增強學生的自我效能和集體效能[24]，提高學生的學習動機和學習興趣，使學生更積極地參與學習[25]。但VR應用的積極影響也強調學習策略的整合，正如Parong等的研究發現，添加生成性學習策略后，沉浸式虛擬環境才顯著提高了學生的學習效果[25]。

三、基于VR的科學論證教學設計

圖爾敏論證模型的六個要素（主張、資料、根據、支援、限定詞和反駁）為論證過程提供了腳手架;王星喬等基于該論證模型構建的論證式教學模式的操作程序包括：引入論題、獲取證據、闡釋主張、辯證主張、獲得結論，并將學習共同體的反思與評價（內部監控）放置在內部中心，將教師的組織、引導（外部監控）置于外圍[10]。而適用于概念教學的PCRR模式，主要有創建并呈現論點與論證過程、批判性討論、反思同伴建議和提煉四個環節，體現了持續論證氛圍的營造和學習者概念理解過程的迭代提煉。本研究以上述操作程序為框架，整合PCRR模式在概念教學中闡述與辯論主張階段的環節設計，結合VR學習環境對獲取證據和闡述、辯論主張的支持，融合書面和口頭科學論證，形成如圖1所示的基于VR的科學論證教學過程。

教師“教”的活動主要包括設計論證任務、課堂知識講解以及組織和引導論證活動。論證任務指向科學概念學習過程中學生需完成的論證內容，由教師基于科學現象創設問題情境;組織和引導論證活動是教師對學生整個學習活動的外部監控，包括調控課堂對話、反饋和延伸學生觀點、引導論證圍繞有意義的知識建構持續進行。

學生“學”的活動主要包括科學論題引入、獲取證據、學生闡述主張、學生辯證主張和獲得結論。其中科學論題的引入主要是來自教師的論證任務。獲取證據中的“證據”主要來自基于沉浸式環境的觀察體驗和自然交互，基于此經驗或理論的小組討論、自我反思，以及學生已有的科學知識等;同時，學生在此階段基于小組討論填寫任務單完成書面論證。在闡述主張、辯證主張階段，強調圖爾敏論證模型的六個要素，并凸顯PCRR模式中的前三個環節，即通過小組討論，班級討論的參與結構，學生使用上述證據闡釋自己的觀點及其理由和反證，質疑和評估他人的觀點。在該學習過程中，如果各小組在闡述主張階段已經達成一致意見，并且教師也認為達到預期的學習目標，可以直接進入獲得結論階段[10]。

VR學習環境支持學習者獲取觀察體驗、參與小組討論（如圖2所示）。硬件方面，為每一組學生至少提供兩個VR頭顯設備（Pico VR一體機）和支持與學習場景互動的VR操作手柄。以“地球與宇宙”單元中的部分資源為例，借助頭顯設備，學生通過視角的選取（地球視角、太空側方視角）可以在太空中觀察發生日食時日、地、月三者之間的位置關系，了解發生不同類型日食時日、地、月三者之間的距離關系;可以使用VR操作手柄，觀察星球表面的信息點、探索星球內部結構。

四、實驗設計

（一）研究樣本

實驗的參與者是80名來自浙江某中學七年級兩個班的學生。研究中兩個班級隨機分為兩組：實驗組中40名學生采用基于VR的科學論證方式進行學習，控制組中40名學生未借助VR，而是基于文本資料完成書面論證。兩個組中的學生隨機分成由4～5名學生組成的學習小組。為了避免授課教師對實驗結果的影響，兩個組由同一位科學教師組織學習過程，而實驗組有1位技術人員幫助學生使用VR系統。

（二）實驗過程

“地球與宇宙”單元包括“太陽和月球”“月相”“日食和月食”“太陽系”等教學主題。這部分知識內容抽象，教學過程中存在學生認知阻礙大、教學手段單一、教學延伸困難等問題。根據教學實際，確定了實驗教學安排，見表1，教學主題實踐如圖1所示的設計。以“太陽系”一課為例，課堂教學實施過程為：教師導入課堂教學，并引入論題;學生基于教師提供的框架，借助VR收集資料以了解八大行星的特征，并小組討論形成主張，填寫書面論證任務單，同時對書面論證進行評價;隨后，在教師的組織、引導下，學生結合VR體驗闡述、辯論主張，從而獲得結論、修改書面論證任務單;最后進行課堂拓展與總結。

為期兩周的實驗過程（每周三次課），如圖3所示。實驗開始前，對學生進行了知識前測，并讓學生填寫了有關集體效能、批判性思維傾向的前測問卷。實驗過程中，實驗組在基于VR的科學論證教學方式中學習相關科學知識。教學開始時，研究團隊成員首先向學生介紹VR設備的功能與基本使用方法，并示范操作。在“獲取證據”階段，實驗組中每位小組成員都有機會體驗沉浸式虛擬場景，并協作填寫學習任務單完成書面論證;控制組學生則基于文本資料完成書面論證。兩組學生每次課中的學習內容均相同。

學習活動結束后，學生完成“地球與宇宙”知識后測，并完成認知負荷、集體效能、批判性思維傾向的后測問卷。

（三）研究工具

1. 問卷

本研究的研究工具包括測量兩組學生的認知負荷、集體效能和批判性思維傾向的問卷。認知負荷問卷參考Hwang等人制定的量表[26]，共有8個題項。集體效能問卷源于Wang等開發的問卷[27]，柳瑞雪的研究中將其譯為中文[24]，包含8個題項。批判性思維傾向的測量使用了Chai等開發的批判性思維子量表[28]，由3個題項組成。上述問卷采用的均為較成熟的量表，已應用于不同研究情境;各題項在施測時都為中文表述，語句表達在英文表述基礎上由研究者根據研究需求進行了改動。問卷均采用李克特5點計分方式（“5”代表十分同意，“1”代表十分不同意）。各問卷的α系數在0.889～0.948之間，表示問卷題項內部一致性可接受。

2. 書面論證分析框架

參考鄧陽關于書面科學論證評價的研究[11]，從主張、證據、理由、反證（有的任務無需考察反證）四個結構要素維度分析學生論證任務單，每個維度包括不同水平層次（相應計分0～3分）。研究根據鄧陽的評價標準針對每個論證任務制定了相應維度的評價項目，從對不同水平的具體評價項目的內容描述和表現標準兩個方面呈現。以任務“太陽系中是否有適合我們生存的第二個‘地球”為例，可形成表2所示的分析設計。研究團隊成員根據表現標準完成對學生書面論證情況的判定。

此外，研究使用學生前一單元的測驗結果作為科學知識前測。后測題目來自“地球與宇宙”這一單元，由20道選擇題和2道說明題組成;各試題的分值根據對應知識點的重要程度進行設計，總分為100分;選擇題部分考察學生對基礎知識的識記和理解，說明題考察學生對知識的理解和應用。科學知識的前測和后測由執教教師設計。

五、實驗結果

分析實驗結果前，T檢驗統計結果顯示，實驗組和控制組學生的科學知識前測沒有顯著性差異（t=0.966，p=0.337>0.05）。實驗前兩組學生填寫的集體效能、批判性思維傾向問卷也表明，兩組學生在這些方面沒有顯著性差異（t=0.750，p=0.455>0.05;t=1.822，p=0.071>0.05）。

（一）科學概念學習結果分析

使用協方差分析以了解不同的方法是否對學生的科學概念學習結果有顯著性影響。對兩組學生的后測成績進行方差同質性檢驗，其顯著性遠大于0.05，滿足方差齊性要求，表明可進行協方差分析。

以知識前測成績作為協變量，知識后測成績作為因變量，對兩組學生的測驗成績進行協方差分析。結果顯示，實驗組知識后測成績的修正均值和標準誤差分別為71.91和1.506，控制組為66.19和1.506。兩組學生之間知識后測成績存在顯著性差異（F=7.149，p=0.009<0.05），使用基于VR的科學論證方法的學生，其單元學習后的知識測驗結果要顯著高于未使用VR的學生。

（二）科學論證表現

研究中對論證任務“太陽的結構是怎樣的”（任務1）、“太陽系中是否有適合我們生存的第二個‘地球”（任務2）進行分析。數據結果顯示，學生在任務2（難度高于任務1）中提出主張相對困難，但此時實驗組學生在水平1的主張的比例（33.33%）要明顯高于控制組（9.09%）。實驗組學生在任務1的證據方面，89.47%的學生能夠提出“光球層—對流層—輻射層—內核層”這一對太陽內部結構的正確描述來支撐所繪制的結構示意圖，明顯高于控制組。在任務2中，實驗組學生提供證據的比例略高于控制組，兩組學生中均僅有少部分學生能夠提出支持“火星”主張的充分、完整證據。實驗組學生在任務1和任務2中提出水平2的理由均高于控制組。而在反證方面，實驗組學生在水平2的比例（44.44%）要明顯高于控制組（9.09%）。上述描述性數據結果表明，實驗組學生在VR學習環境中更能提供證據和反證。

（三）認知負荷、集體效能、批判性思維傾向分析

為了解基于VR的科學論證教學是否對學生的認知負荷、集體效能、批判性思維有顯著影響，對兩組學生的后測問卷結果進行獨立樣本T檢驗。結果發現（見表3），實驗組與控制組的認知負荷不存在顯著差異（t=1.364，p=0.17>0.05）;實驗組集體效能均值（M=4.52）高于控制組均值（M=4.23），實驗組批判性思維傾向均值（M=4.21）高于控制組（M=3.83），且都存在顯著性差異（t=2.005，p=0.048<0.05;t=2.154，p=0.034<0.05）。由此表明，基于VR的科學論證教學能夠提升學習者在科學學習過程中的集體效能、批判性思維。

六、討論與總結

（一）基于VR的科學論證教學對初中生科學學習的積極作用

實驗結果發現，基于VR的科學論證教學更能促進學生對科學概念的理解，提高學習成績。這一研究結果符合已有研究討論的具身參與有助于學生更好理解復雜科學場景或概念的觀點[29];也與Kozhevnikov等人在相對運動概念理解[21]、柳瑞雪在“人體之旅”一課中應用VR的研究發現一致[23]。結合書面科學論證任務的分析，我們也可發現，基于VR體驗更有助于學生在論證過程中提供證據和反證;而在更為開放性的任務中，學生更能提出明確的主張。體驗和觀察是獲取證據的重要途徑，本研究中VR創設的“沉浸、交互、想象”空間有助于學生對太陽結構、太陽系等科學場景和抽象科學概念的體驗和觀察，這將激發學生更好地參與論證，在語言和思維的碰撞中反思和完善對科學概念的理解。這也在一定程度上印證了已有研究指出的不同科學論證內容（如不同的地質學資料）會影響科學論證的教學效果的觀點[11]。

同時，實驗結果表明，基于VR的科學論證教學增強了學生在科學論證過程中的集體效能，這與Chen等將多用戶虛擬環境應用于中學科學教學[30]，以及柳瑞雪將沉浸式環境應用于小學四年級科學教學中的研究結果一致[24]。已有研究證實集體效能與小組表現顯著相關[31];高集體效能將對學習者討論行為和小組表現產生積極影響，而論證強調班級或小組的參與結構，這在一定程度上也可解釋學生在基于VR的科學論證教學中取得更好的學習結果和表現的原因。

此外，科學學習需要學生有機會主動地參與到批判思維的發展過程中[11]，論證教學本身有利于培養學習者的批判性思維。已有研究表明，虛擬技術有助于學生的批判性思維發展[5];本研究中VR體驗有助于學生獲取證據，在個體認知反思和群體討論過程中想象和明確可能的證據，以不斷強化或削弱一個主張，這正是批判性思維不斷發展的過程。

盡管Macias-diaz指出，虛擬環境中豐富的場景會干擾學習者對重要內容的注意，以至難以將注意力集中于學習活動[32]。但本研究中，論證教學中整合VR并未顯著增加學生的認知負荷。

（二）研究局限與未來研究

本研究中提出并實踐基于VR的科學論證教學，發現將VR整合于科學論證教學有助于提高學生科學概念學習效果、改善科學論證表現，積極影響學生的集體效能、批判性思維傾向;研究為VR整合于教與學提供了更多實踐證據。然而研究也存在不足：（1）由于VR資源的局限，并未能在本實驗的每個教學主題中提供沉浸式體驗;實驗單元各主題間存在緊密的知識結構關系，當月食這部分教學內容未使用VR資源時，實驗組學生將基于前期VR體驗與控制組在同樣的環境下開展學習。（2）課堂開展論證教學需要規范的話語體系，師生都有待進一步適應科學課堂論證，以更為有效地參與科學論證。（3）學生科學論證表現的分析僅關注書面論證，且為群體概況，尚需關注話語互動視角的口頭論證內容。（4）實驗組學生此前未使用過VR技術，對他們而言，在學習過程中使用VR是全新體驗，這可能對其學習結果和過程表現產生影響。根據羅森塔爾效應，即新技術的引入最初能刺激學習者的學習動機，但隨之在學習歷程中逐漸消失。因此，需要更多的研究跟蹤基于VR的學習對學習者學習結果的影響。

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