具身認知學習理論下虛擬仿真實驗教學資源建設研究

摘要：本文明確了具身認知學習理論與虛擬仿真實驗教學的核心概念，并基于此，提出了兩者相互融通的研究思路。在進一步明晰建設要素的基礎上，構(gòu)建出融合具身認知學習理論的軌道交通類虛擬仿真實驗教學資源，并結(jié)合建設實例具體闡述了“三位一體”實驗教學模式和相應建設成效，以期為虛擬仿真實驗教學的資源設計與實驗開展提供參考。

關鍵詞：具身認知；學習理論；虛擬仿真實驗；建設路徑

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和教育教學模式的轉(zhuǎn)變，虛擬仿真實驗教學資源成為教育領域的熱點研究。同時，由于具身認知學習理論在高等教育領域的不斷深入和應用，一種基于虛擬仿真的教學模式逐漸嶄露頭角。具身認知學習理論認為，學習過程中的感知、認知和行動是相互聯(lián)系的，學習者通過與環(huán)境互動和身體行動來建立對知識和概念的理解[1-3]。在此背景下，虛擬仿真實驗教學資源的建設成為提高學習效果和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的關鍵途徑之一。

本研究旨在探討如何利用虛擬仿真技術(shù)，建設具有具身認知特征的教學資源，以提升學生的學習體驗和認知水平。同時，將對具身認知視域下虛擬仿真實驗教學資源的應用進行深入探討，分析其對學生成績、學習興趣和創(chuàng)新能力等方面的影響。旨在推動教育教學模式的轉(zhuǎn)變，提高學生的學習效果，為學校教育提供新的教學模式和手段，為學生的知識掌握和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)做出積極貢獻。

一、核心觀點

（一）具身認知學習理論

具身認知學習理論強調(diào)學習者通過與環(huán)境互動和身體行動來建立知識和概念的理解。該理論將感知、認知和行動三者視為相互聯(lián)系的要素，認為知識不僅存在于大腦中，還體現(xiàn)在身體的互動和環(huán)境中。感知是學習者通過感官接收信息的過程，認知是對信息進行處理和理解，而行動是學習者對信息做出反應的方式。具身認知學習理論主張學習者通過參與實際活動、體驗和探索來深化對知識的理解和掌握[4-5]。

具身認知學習理論的關鍵觀點之一是環(huán)境互動的重要性。學習者與環(huán)境之間的互動不僅是知識獲取和建構(gòu)的過程，同時也是認知過程的重要組成部分。通過與真實或虛擬環(huán)境的互動，學習者可以更好地理解抽象概念，培養(yǎng)解決問題的能力，并將理論知識應用到實際情境中。因此，提供具身認知特征的學習環(huán)境和資源對于促進學生的學習效果至關重要[6]。

綜上所述，具身認知學習理論強調(diào)學習者通過感知、認知和行動的互動建構(gòu)知識，并強調(diào)環(huán)境在學習過程中的重要作用。將該理論運用于虛擬仿真實驗教學資源的設計和開發(fā)中，有助于提升學生的學習效果和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，為教育教學領域的發(fā)展提供了新的視角和方法。

（二）虛擬仿真實驗教學資源

虛擬仿真實驗教學資源是一種通過計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬真實實驗場景的教學資源。虛擬仿真實驗教學資源可以基于現(xiàn)代“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)提供更加靈活的學習時間和空間，通過利用計算機生成的虛擬環(huán)境和交互式的仿真實驗，學生可以根據(jù)自己的學習進度和興趣進行學習，不受實驗室時間和地點的限制，從而為學生提供了更加安全、靈活和高效的實驗學習體驗[7]。

此外，虛擬仿真實驗教學資源還能夠大大降低實驗成本，減少實驗材料和設備的損耗。它可以提供個性化的學習體驗，根據(jù)學生的需求和特點進行調(diào)整和定制。學生可以根據(jù)自己的興趣和學習目標選擇不同的實驗內(nèi)容和難度級別，從而激發(fā)學習積極性和動力性。其次，虛擬仿真實驗教學資源可以為跨學科教學提供有利條件。虛擬環(huán)境可以模擬多種實驗場景，幫助學生深入了解不同學科之間的相互關系和交叉點，促進跨學科思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[8]。

二、虛擬仿真實驗教學資源與具身認知學習理論的融通之處

虛擬仿真實驗教學資源與具身認知理論的融通具有重要意義。

1.虛擬仿真實驗教學資源可以模擬真實世界的情境，讓學生在虛擬環(huán)境中進行實際操作和觀察，從而提升學生的實踐能力。具身認知理論強調(diào)個體通過自身的身體經(jīng)驗來獲取知識，因此虛擬仿真實驗可以幫助學生通過身體感知和操作加深對知識的理解，促進具身認知的形成。

2.虛擬仿真實驗教學資源可以提供個性化學習體驗，根據(jù)學生的不同需求和進度調(diào)整教學內(nèi)容和難度。具身認知理論認為個體的認知過程與其身體經(jīng)驗相關，因此個性化的虛擬仿真實驗可以更好地滿足學生的認知需求，激發(fā)學生的學習興趣和動力。

3.虛擬仿真實驗教學資源還可以提供多樣化的學習環(huán)境和互動方式，促進學生的多方面發(fā)展。具身認知理論認為個體通過感知、行動和思考來建構(gòu)認知，因此虛擬仿真實驗的多樣化環(huán)境和互動形式可以激發(fā)學生不同方面的認知功能，促進全面發(fā)展。

綜上所述，通過整合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機圖形學和人機交互等技術(shù)，設計具有具身認知特征的虛擬仿真實驗教學資源，可以為學生提供更為身臨其境的學習體驗。因此，虛擬仿真實驗教學資源與具身認知學習理論的融通為教育領域帶來了新的可能性和機遇，有助于提高教學效果和學生的學習體驗。

三、具身認知學習理論視角下虛擬仿真實驗課程的建設要素

具身認知學習理論強調(diào)學習者通過與環(huán)境互動獲得知識，強調(diào)感知與行動的統(tǒng)一。因此，在設計虛擬仿真實驗教學資源時，需要考慮以下幾個要素。

1.有效的虛擬仿真實驗教學資源應該具備真實性和互動性。真實性指的是虛擬環(huán)境必須模擬真實的情境和場景，使學習者感覺仿佛置身于實際環(huán)境中。互動性則是指學習者能夠與虛擬環(huán)境進行交互，通過操作和實驗來獲得知識。這種真實性和互動性能夠有效地促進學習者的具身認知過程。

2.個性化和差異化是虛擬仿真實驗教學資源建設的重要要素。具身認知的視角下，不同學習者具有不同的學習風格和需求，因此虛擬資源應該支持個性化學習路徑和體驗，以滿足學習者的個性化需求。差異化設計能夠更好地激發(fā)學習者的學習興趣和積極性。

3.引導性和反饋性也是虛擬仿真實驗教學資源建設的關鍵要素。引導性設計能夠幫助學習者更好地理解虛擬實驗的目標和任務，提供清晰的學習指引；而及時地反饋則可以幫助學習者快速糾正錯誤，加強對知識的理解和掌握，提升學習效果。

4.在具身認知的視角下，可定制性和可擴展性同樣也是虛擬仿真實驗學資源的重要因素。可定制性指的是虛擬資源應該支持教師和設計者對內(nèi)容和功能進行定制和調(diào)整，以適應不同的教學場景和需求；可擴展性則是指虛擬資源應該具備良好的可擴展性，便于隨著教學需求的變化進行更新和擴展。

四、建設實例

筆者所在單位江蘇師范大學設有“軌道交通信號與控制”國家級虛擬仿真實驗教學中心，近年來，研究團隊一直致力于結(jié)合具身認知理論開發(fā)軌道交通專業(yè)相關虛擬仿真實驗教學資源。

（一）資源簡介

“軌道交通列車運行控制虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)”融合了具身認知理論和新工科教育理念，旨在提供一全新的學習體驗。該系統(tǒng)首先基于具身認知理論，通過仿真技術(shù)實現(xiàn)學習者與虛擬列車控制操作的互動。學習者可以通過軟件接觸到真實的軌道交通運行環(huán)境，包括列車駕駛控制、車輛駕駛過程中的基本操作和各種突發(fā)情況的應對訓練。這種直觀的互動使學習者能夠身臨其境地體驗列車運行的復雜性和變化性，從而更加深入地理解和掌握相關知識。其次，該系統(tǒng)秉承新工科教育理念，強調(diào)理論與實踐的結(jié)合，除了提供仿真環(huán)境外，軟件還包括理論知識講解、案例分析和實際應用場景模擬，幫助學習者在學習過程中建立起理論與實際操作的橋梁。例如，學習者可以學習到軌道交通的基本原理、安全規(guī)范、緊急情況處理等內(nèi)容，并通過虛擬仿真場景進行實際操作和仿真決策。此外，該系統(tǒng)還支持多種學習模式和個性化學習路徑，根據(jù)學習者的不同需求和學習進度進行調(diào)整和優(yōu)化，無論是初學者還是專業(yè)技術(shù)人員，都能夠在這個系統(tǒng)上找到適合自己的學習內(nèi)容和學習進度。

（二）實驗教學模式

在具身認知學習理論的指導下，研究團隊構(gòu)建了“三位一體”的創(chuàng)新型實驗教學模式，探索了協(xié)同化、多元化、個性化的設計理念。

1.協(xié)同化：將理論教學與實驗教學相協(xié)同，將科學原理與工程應用相協(xié)同。通過技術(shù)、系統(tǒng)、工程等綜合實驗載體，學以致用，學生可以實現(xiàn)基于問題、案例的原理、技術(shù)和應用的有機結(jié)合實驗。這種方法讓學生在學習中汲取知識的精華，在探究中領悟知識的真諦，在實踐中感受知識的魅力。

2.多元化：實驗的目的不僅是獲得期望的實驗結(jié)果，更要引導學生觀察實驗過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象。在實驗過程中，期待學生“遭遇”問題，并利用所學知識思考實驗中出現(xiàn)的問題，探求現(xiàn)象背后的原理，尋求多元化的問題解決方法。同時，通過半實物仿真、虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)，實現(xiàn)教學形式的多元化。

3.個性化：實驗教學應以人為本，兼顧普適性與個性。因材施教，鼓勵有特長的學生脫穎而出，以培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才。同時，允許學生有選擇性地進行實驗，以實驗目標為基準，選擇自己感興趣的實驗模塊，進行自主式、合作式、探究式學習，完成相關實驗內(nèi)容，最終達成對應畢業(yè)要求指標點。

在教學實踐中，基于具身認知理論的實驗教學模式展現(xiàn)了多重優(yōu)勢。首先，這種實驗教學模式強調(diào)學習者與環(huán)境的互動性，鼓勵學生以小組形式探索和解決問題，從而增強了合作和團隊精神。其次，該模式允許學生以多樣的方式理解和應用知識，因而能夠更好地滿足不同學習者的需求和學習風格。最后，基于個性化的教學設計，該模式側(cè)重于每位學生的個體差異，通過個性化的學習路徑和資源匹配，提升了學習的效果和動機。總體而言，基于具身認知理論的實驗教學模式通過協(xié)同化、多元化和個性化的教學方法，有效地促進了學生的學習體驗和學術(shù)成就，為教育改革和教學實踐提供了新的視角和方法。

（三）建設效果

具身認知學習理論強調(diào)身體在認知過程中的重要性，認為知識的構(gòu)建與身體的經(jīng)驗密切相關。在虛擬仿真實驗教學中，將具身認知學習理論融入教學設計，有效提升了學生的學習效果和參與度。在建設與實踐“軌道交通列車運行控制虛擬仿真教學系統(tǒng)”的過程中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，具身體驗有效提高了學生的記憶力和理解能力。當學生在虛擬環(huán)境中進行實驗時，他們需要通過身體動作與虛擬對象進行互動，這種親身體驗促進了知識的內(nèi)化。此外，虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)還為學生提供了安全的實踐平臺，讓學生可以在無風險的情況下進行實驗操作，培養(yǎng)了他們的動手能力和問題解決能力。綜上所述，結(jié)合具身認知學習理論的虛擬仿真實驗教學，不僅提升了學生的學習積極性，還促進了深度學習和技能掌握。

五、結(jié)束語

本文明確了具身認知學習理論與虛擬仿真實驗教學的核心概念，并基于此，提出了兩者相互融通的研究思路。在進一步明晰建設要素的基礎上，構(gòu)建出融合具身認知學習理論的軌道交通類虛擬仿真實驗教學資源，并結(jié)合建設實例具體闡述了“三位一體”實驗教學模式和相應建設成效，以期為虛擬仿真實驗教學的資源設計與實驗開展提供參考。