基于VR的论证教学对初中生科学学习的影响研究

管珏琪 张悦 吴哲 陈宇峰 张坚勇

[摘   要] 论证教学可以促进学生对科学概念的学习，论证教学的充分开展有待于优化教学设计和实施。研究者已指出，适宜的教学策略和互动技术能进一步提升学生的学习效果。研究将VR整合于科学论证教学，并应用于七年级“科学”课中“地球与宇宙”单元，开展准实验研究以探究该方法对初中生科学学习的影响。两个班80名七年级学生参与本次实验，其中，一个班级的40名学生为实验组，使用基于VR的方式展开学习;另一个班的40名学生为控制组，在一般教室环境下开展论证式学习。实验结果表明，整合VR的科学论证教学更能促进学生对科学概念的理解，有助于学生在论证过程中提供证据和反证，提升学生在论证学习过程中的集体效能、批判性思维倾向，而论证教学过程中使用VR并未显著影响学生的认知负荷。研究将为VR应用于科学教学提供参考和更多实践证据。

[关键词] 虚拟现实; 论证教学; 科学概念学习; 集体效能; 批判性思维倾向

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 管珏琪（1986—），女，江苏常州人。讲师，博士，主要从事信息化教学创新研究。E-mail：guanjueqi2008@126.com。

一、引   言

概念学习是科学教育研究的核心内容，初中科学教学内容涉及物理、化学、生物、地理多个领域，其中，与地理相关的教学内容包罗万象、概念抽象。如何促进学生获得和掌握科学知识，不断重构和发展对科学概念的理解是科学教学的重要内容之一。论证是学习科学概念的重要工具[1];已有研究一致表明，论证教学可以促进学生对科学概念的学习。有效参与论证是表达概念理解的途径，证实或证伪观点的能力是建构知识的基础[2]。然而，科学论证教学并未得到充分开展[3]，如何优化教学设计和实施以促进学生有效参与论证是科学论证教学关注的重要内容[4]。

学者们指出，不同的互动技术可以应用于不同的教育活动[5]。在众多新兴技术中，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术为独特而有效的教学实施提供了契机。VR技术最早于20世纪90年代早期引入K-12和高等教育，近期VR已应用于K-12中的英语、数学、科学等学科的教学。VR的应用将为学习者提供主动参与学习的机会，促进主动学习、项目化学习等的开展[6]。如Chen等在STEM教育中实践基于VR的主动学习，发现10年级学生对抽象科学概念的理解和其他学习表现有所提升[7]。

VR技术为学习者拟真难以达到或体验的场景/活动，增强学习者的直观体验;提供“沉浸、交互、构想”的学习空间，实现与自然对象交互。科学教育中，这将促使学生更好地观察科学现象，通过多维感知和身心参与，在实践体验和互动交流中提升对科学知识的理解以及基于此经验的反思，帮助学生深入开展论证。在此背景下，本研究将VR整合于科学论证教学，并在“科学”（七年级下册）课中“地球与宇宙”单元展开应用实践，探讨其对初中生科学学习的影响。具体研究问题包括：

（1）基于VR的科学论证教学是否有助于提高学生的科学概念学习效果？

（2）基于VR的科学论证教学是否有助于改善学生的科学论证表现？

（3）基于VR的科学论证教学是否对学生的认知负荷、集体效能、批判性思维有积极影响？

二、文獻综述

（一）科学论证教学

库恩（Kuhn）于1933年首次提出“科学即论证”的观点。2011年，美国颁布的科学教育文件《K-12科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念》和课程标准《下一代科学教育标准》都传递了论证服务并促进探究的教学构想[8]。论证的本质是一个利用资料和根据等证据以不断消除主张的不确定性的、言语上的逻辑与推理过程[9]。科学论证教学主要是指在科学教学中突出“论证”特征的教学[3]，使学生经历类似科学家的论证过程来理解科学概念和科学本质，并促进其思维发展[10]。从表达形式上看，科学论证可以分为书面科学论证和口头科学论证。

国际科学论证研究形成了多个具有指导性的科学论证实践模式，如用于实验探究教学的ADI（Argument-Driven Inquiry，论证驱动的探究）模式，适用于核心概念教学的PCRR（Present-Critique-Reflect-Refine，呈现—批判—反思—提炼）模式。这些实践模式共有的显著特征是促进生生合作，引发多样观点[11]。国内学者在实践已有的科学论证模式基础上，也探索形成了比较典型的论证式教学操作程序，如王星乔等基于图尔敏论证模型，整合社会建构主义理论、论证理论和学习监控理论提出的论证式教学模式的操作程序[10]。

论证教学已应用于科学概念学习、实验探究教学，并产生了积极影响。研究者提出科学论证教学能促进科学概念的理解，提升探究学习的质量和成效[11]。科学论证教学也将发展学生的批判性思维，提升学生科学学习过程中的主体性。宋歌开展的一项元分析结果显示，论证教学对学生科学概念学习具有高度的正向影响（效应量为0.934），但论证教学对科学概念学习的影响效应受教学时长、教学模式、论证形式和学习环境等调节变量的影响[12]。在实际科学课堂中，科学论证教学还未能得到充分开展。而技术的发展为在课堂教学中开展论证教学提供了新的机会。

（二）VR与科学教学

VR是帮助用户创建虚拟世界并获得仿真体验的计算机环境，给予用户沉浸式的交互体验。通过沉浸获取的临场感是教育中应用VR的一项主要推动力[13]。

科学教学中，VR可以拟真现实世界中无法抵达的场景，使得学习者参与抽象概念的虚拟观察和自然交互，提升学习者对抽象事物的认知与理解。已有研究提出，VR对教学形式创新有着较好的应用前景;VR环境下的学习者被寄希望于转变其学习方式[14]。例如：张影在小学科学教学中应用VR实践游戏化教学[15];Southgate应用深度学习概念框架，架构基于VR的高中科学学习[16]。

已有研究表明，VR在教育领域的应用有着较好的效果[17]。Merchant等的一项元分析显示，VR在K-12或高等教育领域的应用对提升学习效果有着积极作用[18]。研究发现，科学教学中VR环境可以促进学习者对科学概念的理解，例如：在Hansen等人的研究中，三维计算模型支持学生发展对动态天文现象的科学合理的理解[19];在Sun等人的研究中，三维虚拟现实模型提高了小学生抽象科学概念的成绩[20];在Kozhevnikov等人的研究中，沉浸式环境下的学生对相对运动本质的概念理解较为深刻[21];代依伶[22]、柳瑞雪[23]的研究也发现，沉浸式虚拟现实课堂能够帮助学生更好地掌握科学知识。同时，科学教学中沉浸式虚拟环境能够显著增强学生的自我效能和集体效能[24]，提高学生的学习动机和学习兴趣，使学生更积极地参与学习[25]。但VR应用的积极影响也强调学习策略的整合，正如Parong等的研究发现，添加生成性学习策略后，沉浸式虚拟环境才显著提高了学生的学习效果[25]。

三、基于VR的科学论证教学设计

图尔敏论证模型的六个要素（主张、资料、根据、支援、限定词和反驳）为论证过程提供了脚手架;王星乔等基于该论证模型构建的论证式教学模式的操作程序包括：引入论题、获取证据、阐释主张、辩证主张、获得结论，并将学习共同体的反思与评价（内部监控）放置在内部中心，将教师的组织、引导（外部监控）置于外围[10]。而适用于概念教学的PCRR模式，主要有创建并呈现论点与论证过程、批判性讨论、反思同伴建议和提炼四个环节，体现了持续论证氛围的营造和学习者概念理解过程的迭代提炼。本研究以上述操作程序为框架，整合PCRR模式在概念教学中阐述与辩论主张阶段的环节设计，结合VR学习环境对获取证据和阐述、辩论主张的支持，融合书面和口头科学论证，形成如图1所示的基于VR的科学论证教学过程。

教师“教”的活动主要包括设计论证任务、课堂知识讲解以及组织和引导论证活动。论证任务指向科学概念学习过程中学生需完成的论证内容，由教师基于科学现象创设问题情境;组织和引导论证活动是教师对学生整个学习活动的外部监控，包括调控课堂对话、反馈和延伸学生观点、引导论证围绕有意义的知识建构持续进行。

学生“学”的活动主要包括科学论题引入、获取证据、学生阐述主张、学生辩证主张和获得结论。其中科学论题的引入主要是来自教师的论证任务。获取证据中的“证据”主要来自基于沉浸式环境的观察体验和自然交互，基于此经验或理论的小组讨论、自我反思，以及学生已有的科学知识等;同时，学生在此阶段基于小组讨论填写任务单完成书面论证。在阐述主张、辩证主张阶段，强调图尔敏论证模型的六个要素，并凸显PCRR模式中的前三个环节，即通过小组讨论，班级讨论的参与结构，学生使用上述证据阐释自己的观点及其理由和反证，质疑和评估他人的观点。在该学习过程中，如果各小组在阐述主张阶段已经达成一致意见，并且教师也认为达到预期的学习目标，可以直接进入获得结论阶段[10]。

VR学习环境支持学习者获取观察体验、参与小组讨论（如图2所示）。硬件方面，为每一组学生至少提供两个VR头显设备（Pico VR一体机）和支持与学习场景互动的VR操作手柄。以“地球与宇宙”单元中的部分资源为例，借助头显设备，学生通过视角的选取（地球视角、太空侧方视角）可以在太空中观察发生日食时日、地、月三者之间的位置关系，了解发生不同类型日食时日、地、月三者之间的距离关系;可以使用VR操作手柄，观察星球表面的信息点、探索星球内部结构。

四、實验设计

（一）研究样本

实验的参与者是80名来自浙江某中学七年级两个班的学生。研究中两个班级随机分为两组：实验组中40名学生采用基于VR的科学论证方式进行学习，控制组中40名学生未借助VR，而是基于文本资料完成书面论证。两个组中的学生随机分成由4～5名学生组成的学习小组。为了避免授课教师对实验结果的影响，两个组由同一位科学教师组织学习过程，而实验组有1位技术人员帮助学生使用VR系统。

（二）实验过程

“地球与宇宙”单元包括“太阳和月球”“月相”“日食和月食”“太阳系”等教学主题。这部分知识内容抽象，教学过程中存在学生认知阻碍大、教学手段单一、教学延伸困难等问题。根据教学实际，确定了实验教学安排，见表1，教学主题实践如图1所示的设计。以“太阳系”一课为例，课堂教学实施过程为：教师导入课堂教学，并引入论题;学生基于教师提供的框架，借助VR收集资料以了解八大行星的特征，并小组讨论形成主张，填写书面论证任务单，同时对书面论证进行评价;随后，在教师的组织、引导下，学生结合VR体验阐述、辩论主张，从而获得结论、修改书面论证任务单;最后进行课堂拓展与总结。

为期两周的实验过程（每周三次课），如图3所示。实验开始前，对学生进行了知识前测，并让学生填写了有关集体效能、批判性思维倾向的前测问卷。实验过程中，实验组在基于VR的科学论证教学方式中学习相关科学知识。教学开始时，研究团队成员首先向学生介绍VR设备的功能与基本使用方法，并示范操作。在“获取证据”阶段，实验组中每位小组成员都有机会体验沉浸式虚拟场景，并协作填写学习任务单完成书面论证;控制组学生则基于文本资料完成书面论证。两组学生每次课中的学习内容均相同。

学习活动结束后，学生完成“地球与宇宙”知识后测，并完成认知负荷、集体效能、批判性思维倾向的后测问卷。

（三）研究工具

1. 问卷

本研究的研究工具包括测量两组学生的认知负荷、集体效能和批判性思维倾向的问卷。认知负荷问卷参考Hwang等人制定的量表[26]，共有8个题项。集体效能问卷源于Wang等开发的问卷[27]，柳瑞雪的研究中将其译为中文[24]，包含8个题项。批判性思维倾向的测量使用了Chai等开发的批判性思维子量表[28]，由3个题项组成。上述问卷采用的均为较成熟的量表，已应用于不同研究情境;各题项在施测时都为中文表述，语句表达在英文表述基础上由研究者根据研究需求进行了改动。问卷均采用李克特5点计分方式（“5”代表十分同意，“1”代表十分不同意）。各问卷的α系数在0.889～0.948之间，表示问卷题项内部一致性可接受。

2. 书面论证分析框架

参考邓阳关于书面科学论证评价的研究[11]，从主张、证据、理由、反证（有的任务无需考察反证）四个结构要素维度分析学生论证任务单，每个维度包括不同水平层次（相应计分0～3分）。研究根据邓阳的评价标准针对每个论证任务制定了相应维度的评价项目，从对不同水平的具体评价项目的内容描述和表现标准两个方面呈现。以任务“太阳系中是否有适合我们生存的第二个‘地球”为例，可形成表2所示的分析设计。研究团队成员根据表现标准完成对学生书面论证情况的判定。

此外，研究使用学生前一单元的测验结果作为科学知识前测。后测题目来自“地球与宇宙”这一单元，由20道选择题和2道说明题组成;各试题的分值根据对应知识点的重要程度进行设计，总分为100分;选择题部分考察学生对基础知识的识记和理解，说明题考察学生对知识的理解和应用。科学知识的前测和后测由执教教师设计。

五、实验结果

分析实验结果前，T检验统计结果显示，实验组和控制组学生的科学知识前测没有显著性差异（t=0.966，p=0.337>0.05）。实验前两组学生填写的集体效能、批判性思维倾向问卷也表明，两组学生在这些方面没有显著性差异（t=0.750，p=0.455>0.05;t=1.822，p=0.071>0.05）。

（一）科学概念学习结果分析

使用协方差分析以了解不同的方法是否对学生的科学概念学习结果有显著性影响。对两组学生的后测成绩进行方差同质性检验，其显著性远大于0.05，满足方差齐性要求，表明可进行协方差分析。

以知识前测成绩作为协变量，知识后测成绩作为因变量，对两组学生的测验成绩进行协方差分析。结果显示，实验组知识后测成绩的修正均值和标准误差分别为71.91和1.506，控制组为66.19和1.506。两组学生之间知识后测成绩存在显著性差异（F=7.149，p=0.009<0.05），使用基于VR的科学论证方法的学生，其单元学习后的知识测验结果要显著高于未使用VR的学生。

（二）科学论证表现

研究中对论证任务“太阳的结构是怎样的”（任务1）、“太阳系中是否有适合我们生存的第二个‘地球”（任务2）进行分析。数据结果显示，学生在任务2（难度高于任务1）中提出主张相对困难，但此时实验组学生在水平1的主张的比例（33.33%）要明显高于控制组（9.09%）。实验组学生在任务1的证据方面，89.47%的学生能够提出“光球层—对流层—辐射层—内核层”这一对太阳内部结构的正确描述来支撑所绘制的结构示意图，明显高于控制组。在任务2中，实验组学生提供证据的比例略高于控制组，两组学生中均仅有少部分学生能够提出支持“火星”主张的充分、完整证据。实验组学生在任务1和任务2中提出水平2的理由均高于控制组。而在反证方面，实验组学生在水平2的比例（44.44%）要明显高于控制组（9.09%）。上述描述性数据结果表明，实验组学生在VR学习环境中更能提供证据和反证。

（三）认知负荷、集体效能、批判性思维倾向分析

为了解基于VR的科学论证教学是否对学生的认知负荷、集体效能、批判性思维有显著影响，对两组学生的后测问卷结果进行独立样本T检验。结果发现（见表3），实验组与控制组的认知负荷不存在显著差异（t=1.364，p=0.17>0.05）;实验组集体效能均值（M=4.52）高于控制组均值（M=4.23），实验组批判性思维倾向均值（M=4.21）高于控制组（M=3.83），且都存在显著性差异（t=2.005，p=0.048<0.05;t=2.154，p=0.034<0.05）。由此表明，基于VR的科学论证教学能够提升学习者在科学学习过程中的集体效能、批判性思维。

六、讨论与总结

（一）基于VR的科学论证教学对初中生科学学习的积极作用

实验结果发现，基于VR的科学论证教学更能促进学生对科学概念的理解，提高学习成绩。这一研究结果符合已有研究讨论的具身参与有助于学生更好理解复杂科学场景或概念的观点[29];也与Kozhevnikov等人在相对运动概念理解[21]、柳瑞雪在“人体之旅”一课中应用VR的研究发现一致[23]。结合书面科学论证任务的分析，我们也可发现，基于VR体验更有助于学生在论证过程中提供证据和反证;而在更为开放性的任务中，学生更能提出明确的主张。体验和观察是获取证据的重要途径，本研究中VR创设的“沉浸、交互、想象”空间有助于学生对太阳结构、太阳系等科学场景和抽象科学概念的体验和观察，这将激发学生更好地参与论证，在语言和思维的碰撞中反思和完善对科学概念的理解。这也在一定程度上印证了已有研究指出的不同科学论证内容（如不同的地质学资料）会影响科学论证的教学效果的观点[11]。

同时，实验结果表明，基于VR的科学论证教学增强了学生在科学论证过程中的集体效能，这与Chen等将多用户虚拟环境应用于中学科学教学[30]，以及柳瑞雪将沉浸式环境应用于小学四年级科学教学中的研究结果一致[24]。已有研究证实集体效能与小组表现显著相关[31];高集体效能将对学习者讨论行为和小组表现产生积极影响，而论证强调班级或小组的参与结构，这在一定程度上也可解释学生在基于VR的科学论证教学中取得更好的学习结果和表现的原因。

此外，科学学习需要学生有机会主动地参与到批判思维的发展过程中[11]，论证教学本身有利于培养学习者的批判性思维。已有研究表明，虚拟技術有助于学生的批判性思维发展[5];本研究中VR体验有助于学生获取证据，在个体认知反思和群体讨论过程中想象和明确可能的证据，以不断强化或削弱一个主张，这正是批判性思维不断发展的过程。

尽管Macias-diaz指出，虚拟环境中丰富的场景会干扰学习者对重要内容的注意，以至难以将注意力集中于学习活动[32]。但本研究中，论证教学中整合VR并未显著增加学生的认知负荷。

（二）研究局限与未来研究

本研究中提出并实践基于VR的科学论证教学，发现将VR整合于科学论证教学有助于提高学生科学概念学习效果、改善科学论证表现，积极影响学生的集体效能、批判性思维倾向;研究为VR整合于教与学提供了更多实践证据。然而研究也存在不足：（1）由于VR资源的局限，并未能在本实验的每个教学主题中提供沉浸式体验;实验单元各主题间存在紧密的知识结构关系，当月食这部分教学内容未使用VR资源时，实验组学生将基于前期VR体验与控制组在同样的环境下开展学习。（2）课堂开展论证教学需要规范的话语体系，师生都有待进一步适应科学课堂论证，以更为有效地参与科学论证。（3）学生科学论证表现的分析仅关注书面论证，且为群体概况，尚需关注话语互动视角的口头论证内容。（4）实验组学生此前未使用过VR技术，对他们而言，在学习过程中使用VR是全新体验，这可能对其学习结果和过程表现产生影响。根据罗森塔尔效应，即新技术的引入最初能刺激学习者的学习动机，但随之在学习历程中逐渐消失。因此，需要更多的研究跟踪基于VR的学习对学习者学习结果的影响。

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