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基于反思文本分析虚拟实验深度学习研究

2024-03-07 14 上传者：管理员

摘要：虚拟实验是一种新兴的教学工具。其沉浸性、交互性，以及可跨时空创设情境的优点使其在教学过程中被广泛应用。实践研究表明，在主题探究、任务驱动、合作交流和虚拟实验平台为“脚手架”的深度教学情境下，学习者经历了积极主动、交流互动、概念理解、反思调控和积极情感体验等深度学习体验过程；学习者的反思内容体现了知识整合、问题解决、判断分析、反思改进和迁移应用等深层学习认知过程。

关键词：
内容分析法
反思文本
可跨时空创设情境
深度学习
虚拟实验
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一、引言

随着虚拟现实技术的发展，虚拟实验作为一种新兴的教学工具，在教学过程中的应用越来越广泛。通过虚拟实验操作，不仅可以使学生重现传统实验，还可以对实验条件进行多次调整，实现多次实验，同时，虚拟实验的沉浸性、交互性和可跨时空创设情境的优点，可以将学科理论教学和实践过程深入地融合。虚拟实验可以通过增强实验现象、提供“脚手架”等精细化教学交互设计，促进学生理解复杂概念，达到深度学习。然而，关于学生在虚拟实验深度学习过程中具有哪些特征，已有的研究中并没有给出明确答案。因此，文章基于深度学习的视角，采用反思文本分析法挖掘学生在虚拟实验学习过程中的元认知能力，为虚拟实验教学提供启示。

二、虚拟实验深度学习模型

深度学习是一种生成过程，其要求学生积极地理解新信息，包括激活与新信息相关的现有知识、识别现有知识和新信息之间的差距，以及将新信息与现有知识整合成一个连贯的系统等。生成过程需要学生通过探索和实践不断更新认知结构，并逐渐形成更深层次的理解。张浩等人认为，深度学习是在合作探究学习环境中，学习主体主动建构个人知识体系并迁移应用到合作探究学习环境中，最终促进深度学习目标的达成[1]。课堂中，深度学习是如何发生的呢？郭华认为，课堂中学生发生深度学习需要教师做好以下几项工作。第一，具有清晰明确的教学目标，并根据教学目标准备符合学生学习特点的结构化材料；第二，要有合理完整的教学环节，教学任务需要按照计划有目的地完成；第三，营造安全、平等、合作、互动的学习氛围；第四，要有即时评价，同时根据教学反馈信息对教学环节及活动做出相应调整[2]。李洪修等人构建了虚拟环境下的深度学习模型，并从深度学习的准备、知识迁移与建构和深度学习评价3个阶段阐述了虚拟环境下深度学习模型的运行机制[3]。茹婷婷等人将虚拟实验微课程融入实验教学实践发现，此模式可以促进学生深度学习[4]。周小燕基于B.布鲁姆（B.Bloom）的教育目标分类理论，在实验研究课程中融入物理实验推文来激发学生参与实验学习的积极性，促进学生深度学习[5]。吴秀娟等人构建了基于反思的深度学习过程模型，认为学习者的反思贯穿整个学习过程，可通过对学习过程及结果的调控来促进问题解决，而反思作为一种重要的高阶思维能力可以促进深度学习[6]。

B.布鲁姆的教育目标分类理论认为，学习者获得知识的过程要经历记忆、理解、应用、分析、评价和创造这种由低至高的6个层次的认知过程。这与深度学习中学习者的认知发展过程基本一致。基于此，本研究构建了基于反思的虚拟实验深度学习模型（图1）。

图1虚拟实验深度学习模型

三、研究实施过程

本研究中的虚拟实验深度学习过程是由教师根据教学目标，选择虚拟实验探究主题。学生了解虚拟实验的原理、任务和目标；教师讲授虚拟实验平台的操作方法；学生通过小组合作探究，并进行虚拟实验交流、虚拟实验教学实践、虚拟实验创新设计等。虚拟实验的每个环节，教师都会引导学生分析、反思，整个过程循环迭代。最后，教师要求每个学生根据学习过程写一份反思文本。

学生的学习反思文本最能体现个人的真实思维发展过程，是深度学习的一个很关键的环节。卜彩丽等人研究发现，学生的学习反思日记可以有效促进学生元认知能力的发展，撰写反思日记可作为提升学生元认知能力的重要策略[7]。综上所述，学生的反思文本可以体现深度学习过程，是学生元认知能力发展最有力的依据，因此，教师通过分析学生的学习反思文本，可以挖掘学生参与深度学习的过程。

四、研究样本和分析方法

本研究以GD省LN高等师范院校科学教育专业大三年级46名学生为研究对象，对“数字化科学实验研究”课程的反思文本进行调查研究。作为课程考查的一部分，反思文本内容包括：对虚拟实验学习的真实感受、收获、体会和想法；虚拟实验探究过程中遇到的问题、解决方法、是否得到收获；实验设计如何创新、迁移等。

本研究主要采用内容分析法，并利用分析工具对反思文本进行编码归类与分析，具体操作步骤为：将个人反思文本批量导入NVivo 12 Plus（专业级的质性数据分析和编码）软件中；反复阅读反思文本，根据内容分析编码表建立各个节点，完成节点编码。同时，为了避免主观因素对研究结论产生争议，邀请两位研究助理对此进行编码，结合对比发现，三者的编码结果一致，说明本研究内容分析有较高一致性信度。

五、反思文本内容分析

（一）深度学习体验分析

从课堂教学角度来看，深度学习就是学生在教师的帮助下，依据某主题，全身心参与、体验、获得发展的有意义的学习过程。在浅层学习中，学生能注意到某种现象并在情感上做出简单反应，其情感水平停留在较低的“接受、反应”层次。但在深度学习中，学生有着强烈的学习兴趣、内在的学习动机、积极的情感投入，能正确评估某种现象的价值，其情感水平处于较高的“价值评价、组织、价值体系个性化”层次。基于此，深度学习体验应该包括主动学习，师生、生生之间保持有效互动，学习材料、时间和空间得到充分保障，学生对知识形成真正的理解，学生的自我监控和反思能力得到培养，学生获得积极的情感体验等内容。本研究基于以上理论，分析反思文本中的深度学习体验（表1），分析单元为一份文本。

通过反思文本分析（图2），有91.30%的学生认为“能够在虚拟实验学习过程中进行主动学习”，在反思文本中出现了“自主”“自觉”等词，体现了学生能够积极主动地参与到虚拟实验学习中去；89.13%的学生认为“虚拟实验学习过程中有很多师生、生生互动，可以向老师询问、跟组员一起交流”等；有80.43%的学生认为“这种虚拟学习材料能够得到充分保障”，这也体现了虚拟实验教学方式能够提供丰富的教学资源；有84.78%的学生认为“虚拟实验深度学习过程可以帮助我们理解知识，虚拟实验通过反复做，实验中的物理知识就能深刻理解”；有82.60%的学生认为在虚拟学习过程中他们有很好的自我监控和反思能力，“一开始实验达不到目标要求，原因是虚拟砝码质量没有选择对，要搞明白实验原理和步骤，实验才会比较顺利”；有86.95%的学生认为在虚拟实验学习中获得了积极的情感体验，“这种虚拟学习很有意思，不用担心实验不成功又要重复做，不用担心器材不足，很有趣，像是在玩游戏，很治愈”。综上可知，反思文本体现了学生在虚拟实验学习过程中能够主动参与，获得了比较积极的情感体验，真正理解了知识，在学习过程中提升了自我监控和反思能力，学习过程中有较多的师生和生生互动，这些都从侧面反映了学生在虚拟实验学习环节达到了深度的学习体验。

表1深度学习体验文本分析

图2反思文本深度学习体验人数比例

（二）反思文本认知过程分析

B.布鲁姆的教育目标分类理论认为，学习者个体获得知识的过程要经历记忆、理解、应用、分析、评价和创造这种由低至高的6个层次的认知过程，其中，深度学习是一种以高水平思维为核心特征的高阶学习，要求学习者运用分析、综合、评价、创造等高阶认知技能来开展学习活动。因此，反思文本中可以体现认知过程（表2）。本研究基于以上理论分析反思文本中的认知过程，以一份分析反思文本为一个分析单元，以出现的相关的认知过程细目语言为准。

通过反思文本认知过程分析（图3），记忆类的文本占比为11.25%，明确实验要求的接受类的文本占比为9.84%，说明学生在概念识记、现象描述、实验结果、接受和明确任务等浅层学习上的文本占比为21.09%；整合多元信息资源以解决问题的文本占比为12.18%，表明学生有意识地对问题及信息资源进行剖析、分辨，以更好地组织和补充知识网络；关于问题解决的描述类的文本占比为15.09%，表明学生在虚拟实验过程中描述、分析问题，并提出多种解决的方法；关于分析判断的文本占比为17.21%，表明学生在遇到问题或困难时能够理性分析，并充分利用身边的资源，找到合适的问题解决方案；关于反思改进的文本占比为15.74%，表明学生对探究活动的有关知识内容和涉及的实验进行了深入的思考，客观地对其内容进行批判，并针对不足，结合资料提出改进创新方法，充分体现了学生的学习积极性和求知的渴望，并表现出学生的深度学习能力正在不断发展中；关于跨情景迁移的文本占比为18.69%，表明学生对知识的理解、对问题与困难的看法、对探究过程与实验内容等的反思已不再局限于表面，而是能够主动进行多方面迁移、多层次的深度学习。

六、研究结论

经过对一个学期的虚拟实验学习课程中46篇课程反思文本的分析，围绕研究问题，本研究的结论如下。

第一，关于深度学习体验，有91.30%的学生认为“能够主动参与学习”；有89.13%的学生认为“跟老师、跟同学、跟组员有交流和互动”；有80.43%的学生认为“虚拟实验学习可以确保学习材料，不担心实验器材损耗”；有84.78%的学生认为“虚拟实验学习帮助其理解科学概念，通过反复虚拟演示，帮助其理解实验中的概念”；有82.60%的学生认为“在学习过程中，其自我监控和反思能力得到了提升”；有86.95%的学生认为“虚拟实验学习让他们获得了比较积极的情感体验，能积极主动地、批判性地整合新知识，将理解知识用于解决问题和迁移到新情境中”。

第二，关于认知过程，有11.25%的文本是关于记忆认知的，其中主要的是关于概念或实验现象描述的，有9.84%的文本是描述接受，主要是明确实验活动的要求，而在B.布鲁姆的教育目标分类理论中，记忆和接受属于浅层学习过程，可见，学生在本研究的虚拟学习过程中，共有21.09%的反思文本是描述了他们的浅层学习。关于整合资源以解决问题的文本占比为12.18%，表明学生在虚拟实验学习中有意识地对多种资源进行剖析、分辨和整合用于解决学习中遇到的问题。有15.09%的文本是描述问题解决，即描述对问题的分析，对问题方法的比较和选择等认知过程。关于分析判断的文本占比为17.21%，显示学生在遇到问题或困难时，能够理性分析、逻辑推理，并充分利用身边的资源，通过与同伴合作找到合适的问题解决方案。关于迁移应用和反思改进的文本占比为34.43%，表明学生对知识的理解、对问题与困难的看法、对探究过程与实验内容等的反思已不再局限于表面，而是能够主动进行多方面迁移、多层次的深度学习。

表2认知过程分析

图3反思文本认知过程分析图

七、结束语

虚拟实验作为一种新兴的教学工具，其沉浸性、交互性和可跨时空创设情境等的优点使其在教学过程中被广泛应用。只要教学设计科学合理，学生在虚拟实验学习过程中就可以达成较好的深度学习目标。本实践研究表明，在主题探究、任务驱动、合作交流、虚拟实验的深度教学设计情境下，学生经历了积极主动、交流互动、概念理解、反思调控等深度学习体验过程。在学生的反思文本语言描述中，大部分内容是关于整合、问题解决、判断分析、反思改进、迁移应用等深层学习认知过程，这也反映了在虚拟实验探究过程中学生经历了深度学习。

参考文献:

[1]张浩,吴秀娟.深度学习的内涵及认知理论基础探析[J].中国电化教育,2012(10):7.

[2]郭华.深度学习及其意义[J].课程·教材·教法,2016(11):30.

[3]李洪修,李美莹.基于虚拟现实环境的深度学习模型构建[J].中国电化教育,2019(9):68.

[4]茹婷婷,金石.“虚拟实验微课程”在“物理化学实验”教学中的应用研究:以“蔗糖水解反应动力学”实验为例[J].黑龙江教育(理论与实践),2022,76(2):77.

[5]周小燕.基于物理实验推文创作的深度学习研究[J].物理实验,2020,40(9):15.

[6]吴秀娟,张浩,倪厂清.基于反思的深度学习:内涵与过程[J].电化教育研究,2014,35(12):24.

[7]卜彩丽,李飒,王静,等.为深度学习而思:反思日志促进大学生元认知发展的实证研究[J].现代教育技术,2022(9):74.

基金资助:2022年广东省教育厅线上线下一流课程“‘STEM教育与创客教育’”(粤教高函[2022]33号); 2020年广东省高等教育教学改革项目“基于雨课堂的科学实验深度教学研究和改革实践”(粤教高函[2020]20号); 2023年岭南师范学院筑峰计划专项项目资助“小学科学教师跨学科素养现状与提升路径研究”(岭南师范学院基研院[2023]4号); 2022年岭南师范学院基础教育改革项目“湛江市小学科学实验教学现状研究”(岭南师范学院教务[2022]128号);

文章来源:周小燕.虚拟实验深度学习研究——基于反思文本分析[J].黑龙江教育(理论与实践),2024(03):25-28.