虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的學習者動覺學習機制研究

華子荀

摘要：基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境開展的動覺學習是一種可以調(diào)動人的視覺、聽覺等多種感官認知的學習過程，對人類的認知發(fā)展具有促進作用。然而，應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展動覺學習，既是技術(shù)的問題，也是教學方法的問題。該研究在虛擬現(xiàn)實環(huán)境及其支持的STEM教育現(xiàn)狀研究的基礎(chǔ)上，以認知學習理論為指導，抽取“同化”“順應”“機械學習”“意義學習”四類關(guān)鍵要素，提出了虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的學習者動覺學習機制框架（RM2A），包含：同化知識的機械學習（RAl）、順應知識的機械學習（RA2）、同化知識的意義學習（MAl）和順應知識的意義學習（MA2），設(shè)計了STEM融合知識的交互模塊結(jié)構(gòu)、路徑與軟硬件實現(xiàn)方式，并根據(jù)動覺學習機制框架開展了虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的STEM項目實證研究。案例選擇美國某州立大學的“CSS”STEM項目，通過雙組前后測實驗結(jié)果，分析得到實驗組成績高于對照組成績并且差異顯著的結(jié)論，通過統(tǒng)計分析過程，發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的動覺學習機制與學生能力發(fā)展的諸多關(guān)系，使得該研究提出的虛擬現(xiàn)實環(huán)境動覺學習機制的理論框架得到了驗證。因此該研究既為虛擬現(xiàn)實等技術(shù)對學生學習的影響機制提供了理論解釋和實踐驗證，也豐富了STEM實踐研究范例，具有重要的理論價值與實踐意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);動覺學習機制;學習認知：STEM教育

中圖分類號：CJ434

文獻標識碼：A

一、研究背景

《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出：“應利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)教學中‘進不去、看不見、動不了、難再現(xiàn)的難題”，虛擬現(xiàn)實等技術(shù)具有利用軀體與周圍環(huán)境進行互動的特點，通過動作模仿、技能訓練、情境演練、動態(tài)展示等使學生利用交互式技術(shù)進行學習。另外，STEM教育是中、美等國家共同關(guān)注的教育理念，源于其促進技術(shù)發(fā)展、推動學科融合和促進教育持續(xù)發(fā)展等方面的重要作用。因此，在STEM教育理念下開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的教學應用，既在虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的STEM教育實踐中促進了學生的學習認知發(fā)展，也實現(xiàn)了信息技術(shù)與STEM教育的深度融合，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)和STEM教學實踐兩個方面都具有較高的理論價值和實踐研究意義。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)與動覺學習

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以體感設(shè)備、虛擬現(xiàn)實設(shè)備、頭戴眼鏡等為代表，包含了互動設(shè)備、互動資源和互動內(nèi)容，文字、圖形、動畫、聲音和視頻是最早的互動媒體形式，并且存在相互獨立開展教學的問題，現(xiàn)代的虛擬現(xiàn)實技術(shù)所支持的教學過程具有整合多種媒體資源的獨特優(yōu)勢，通過較強的感官沉浸再到意識沉浸，提高了學生的學習積極性，并能夠為學生提供真實的學習體驗，促進學生對所學知識和技能的強化。

動覺學習（Kinematic Learning）是一種通過肢體運動感覺進行學習的方式，是對身體各部位位置和運動狀況的感知進行學習認知的過程，當前實現(xiàn)動覺學習的主要實現(xiàn)方式就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。自維果茨基在20世紀70年代提出機器學習的概念，研究者就開始關(guān)注互動性媒體對學生認知的影響，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要作用是能夠讓學習者綜合性地調(diào) 動視覺、聽覺、動覺等感官活動開展學習，實現(xiàn)動覺性學習過程（Kinesthetic Leaming Activity，KIA）。VR在教學資源設(shè)計中的融合性應用方法、虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的SIEM教學法是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學活動進行結(jié)合的主要教學方法。

（二）STEM教育的研究現(xiàn)狀

STEM教育是一種重視實踐的多學科融合教育理念，是對科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）四個科目的縮寫，最早由美國弗吉尼亞理工大學Yakman于1990年在美國國家科學委員會（NSF）上提出，STEM教育旨在加強基礎(chǔ)教育階段學生跨學科知識素養(yǎng)和解決真實問題的能力，具有跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性等特征，該理念強調(diào)整合的教學方式，注重實踐和過程、解決真實問題、知識與能力并重，倡導“做中學”、創(chuàng)新與創(chuàng)造力培養(yǎng)、知識的跨學科遷徙及其與學習者之間的關(guān)聯(lián)。

近年來，“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下學生的學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)、3D打印融ASTEM項目式學習、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，產(chǎn)生了中國本土化的STEM教育實踐路徑。但是，中國化的STEM教育依然存在問題，表現(xiàn)比較突出的有：缺乏課程資源與硬件環(huán)境支撐、對利用STEM培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的呼吁、未能真正實現(xiàn)跨學科知識與能力的整合等。

（三）虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的STEM教育

STEM教育不是對單一知識型學科的學習，而是更為關(guān)注真實世界情境中的真實問題，通過互動式學習技術(shù)開展STEM的教與學的活動，能夠提高學生的創(chuàng)新實踐能力和學習認知發(fā)展。

動覺學習工具尤其是體感技術(shù)被廣泛應用于STEM教學過程中，源于體感技術(shù)支持的教學過程，能夠提高學習者在動作模仿、技能訓練等方面的能力，充分利用體感技術(shù)可以調(diào)動學習者的聽覺和視覺，可以幫助教師創(chuàng)造多感官互動學習活動;互動體感技術(shù)可供選擇的設(shè)備非常多樣，研究者普遍關(guān)注厲動體感控制器（Leap Motion）的教學應用，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）四個方面具有較好的表現(xiàn)。通過體感設(shè)備的選擇、軟件的設(shè)計，在認知一行為主義（Cognitive-Behavior）、建構(gòu)主義（Social Constructivist）等學習理論的指導下，能夠使體感技術(shù)與教學內(nèi)容相結(jié)合。

將體感技術(shù)融人課堂教學，探索體感技術(shù)支持的STEM教學法，發(fā)現(xiàn)體感技術(shù)支持的STEM課堂教學能夠給予學生自我展示、交流討論和解決應用問題的機會。創(chuàng)客空間中，可以將APPInventor、Scratch、機器人、3D打印等技術(shù)引入到中小學的課堂，使得學生能夠動腦動手創(chuàng)造出具有創(chuàng)意的作品，促進學生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力發(fā)展方面具有重要作用。有學者基于創(chuàng)客文化設(shè)計了一個基于沙箱游戲“Minecraft”的教學項目，通過創(chuàng)客空間讓學生利用電腦、網(wǎng)絡平臺在創(chuàng)作作品的過程中進行協(xié)作學習;也有一種基于創(chuàng)客媒體教育的新形式，讓學生在混合項目中通過實際操作提高高階思維能力;STEAMtrax是由3D打印機制造商3D系統(tǒng)公司（3D Systems Inc.）設(shè)計的面向中小學的一種科技創(chuàng)新課程，在創(chuàng)客空間中將3D打印技術(shù)和工程設(shè)計整合到科學、數(shù)學的核心知識實踐體驗中，在相關(guān)的學習情境里，培養(yǎng)問題解決、協(xié)作、溝通和批判性思維的基本技能等。這些案例都能夠為基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的STEM實踐項目提供指導。

（四）研究啟示與目標

根據(jù)上述文獻綜述提出以下研究目標：

（1）動覺學習是一種有效的互動性學習方式，能夠促進學生學習積極性和學習體驗，本研究將選擇虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)動覺學習過程，并且在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上進行設(shè)備和資源的自主設(shè)計。

（2）根據(jù)STEM教育的實踐過程現(xiàn)狀研究，發(fā)現(xiàn)協(xié)作學習、基于項目的學習、基于問題的學習、學科整合式項目教學、創(chuàng)客空間都是行之有效的STEM實踐路徑，本研究將結(jié)合已有的實踐路徑，采取知識融合性項目式學習的STEM實踐開展案例研究。

（3）根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的STEM教育研究現(xiàn)狀，在STEM教育實踐中，應充分利用視聽虛擬技術(shù)、互動式體感技術(shù)、手勢交互設(shè)備、創(chuàng)客空間的技術(shù)和教學特性，創(chuàng)新性地呈現(xiàn)STEM中的學科融合性知識，本研究將選擇創(chuàng)客空間場室，利用手勢互動設(shè)備、三維虛擬軟件和3D打印機支撐STEM項目的開展。

三、虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的STEM融合知識動覺學習機制研究

本研究利用文獻研究法收集近年來國內(nèi)外期刊、專著及網(wǎng)絡期刊數(shù)據(jù)庫中關(guān)于動覺學習、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與STEM教育的相關(guān)研究，關(guān)注其分析、設(shè)計、開發(fā)、應用與評價過程，通過對文獻的收集、整理，得到虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)W生的學習認知產(chǎn)生影響的因素。研究虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的STEM學科融合性知識動覺學習的相關(guān)機制，與STEM教育的項目實踐相結(jié)合，系統(tǒng)分析動覺學習機制促進學生的知識理解、學習認知、實踐能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作學習的動因。

對行為主義學習理論、認知主義學習理論、建構(gòu)主義學習理論進行內(nèi)容分析，借鑒皮亞杰在學習認知方面的理論，抽取互動式技術(shù)影響學習者認知的因素為同化（Assimilation，AS）和順應（Accommodation.AC），研究奧蘇貝爾關(guān)于學習行為方面的理論，抽取了機械學習（Rote Learning，RL）和意義學習（Meaningful Learning，ML）的影響因素。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的認知學習過程根據(jù)同化與順應、機械學習與意義學習四個要素，提出本研究四元素相結(jié)合的學生認知學習過程（如圖1所示），包括：機械學習過程（Rote Learning To Assimilation，RAl）、順應知識的機械學習過程（Rote LearningTo Accommodation，RA2）、同化知識的意義學習過程（Meaningful Learning To Assimilation， MAl）、順應知識的意義學習過程（Meaningful Learning ToAccommodation，MA2）。通過對以上四組認知學習過程描述和定義，為后續(xù)的STEM動覺學習機制影響因素分析提供變量基礎(chǔ)。

當分析得到虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的認知學習過程后，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的使用流程進一步分析學生使用虛擬現(xiàn)實設(shè)備的學習步驟，應包括“任務設(shè)計一交互模塊一肢體互動一動作捕捉一系統(tǒng)處理一任務完成一促進認知”七個步驟，進而分析各個流程對學生認知發(fā)展的影響。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的學習過程根據(jù)其交互的特點分為了認知層面、交互層面和交互認知層面。在認知層面上，學生根據(jù)任務提示理解交互模塊的知識，根據(jù)知識與學習者已有認知的匹配，實現(xiàn)同化知識（AS）或順應知識（AC）的過程;在交互層面上，學習者根據(jù)同化或順應知識的理解，進行肢體互動實現(xiàn)人機交互，在交互過程中，學習者可能會根據(jù)任務進行機械學習（RA），或者根據(jù)理解程度進行意義學習（MA）;在交互認知層面上，學習者已經(jīng)在認知層面上進行了同化知識或順應知識的步驟，并且在交互層面進行了機械學習或意義學習的步驟，最后通過學習者的互動，交互系統(tǒng)進行處理并給予學生反饋，到達交互認知層面，學生根據(jù)系統(tǒng)反饋對反饋結(jié)果的進一步的理解，促進了學習者的認知，在此過程中，學習者實現(xiàn)了在認知層面和交互層面各學習過程的交互融合，實現(xiàn)了上述RA1、RA2、MA1、MA2的四種學習認知過程，如圖2所示。

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

交互模塊結(jié)構(gòu)與路徑設(shè)計部分研究了虛擬現(xiàn)實技術(shù)所構(gòu)成的環(huán)境特點，構(gòu)建STEM學科融合知識的互動性模塊結(jié)構(gòu)與路徑，發(fā)現(xiàn)促進學生多元學習認知的最優(yōu)解結(jié)構(gòu)。

（一）基于ISM方法建構(gòu)知識交互模塊的學習路徑

根據(jù)STEM動覺學習認知影響因素的分析，得到四個影響因子中的四個類別認知學習過程，而每一個類別又包含S、T、E、M四類知識內(nèi)容，因此交互模塊可以包含32個知識內(nèi)容。例如同化知識（AS）類別包含了Sl、Tl、El、Ml四個交互模塊。然而，針對交互性的學習過程，不可能在短時間內(nèi)學習完所有32個交互模塊，需要根據(jù)學習者的認知水平和學習需要進行動態(tài)路徑規(guī)劃，交互模塊學習路徑構(gòu)建選擇了解釋結(jié)構(gòu)模型法展開。

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

本研究選擇Ucinet軟件實現(xiàn)解釋結(jié)構(gòu)模型法過程，通過結(jié)構(gòu)方程分析得到潛變量及子因素，運用解釋結(jié)構(gòu)模型法構(gòu)建以上因素的可達矩陣并進行區(qū)域分解和級間分解，求得各因素的層級結(jié)構(gòu)，即STEM動覺學習實踐項目的交互模塊路徑（如圖3所示），所形成的層級結(jié)構(gòu)表示虛擬現(xiàn)實環(huán)境中學生利用體感設(shè)備與虛擬模塊進行互動的流程。

（二）虛擬現(xiàn)實環(huán)境的軟硬件實現(xiàn)

本研究計劃選擇Leap Motion體感控制器和Oculus Rift虛擬現(xiàn)實設(shè)備組成虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境，基于Unity3D軟件實現(xiàn)Leap Motion手勢控制，利用Leap Motion的SDK開發(fā)者語言進行軟件開發(fā)，對手勢命令進行定義（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）、長度（Length）、寬度（Width）、指尖位置（Tip Position）、指尖速度（TipVelocity）、畫圓動作（Circle）、揮動動作（Swipe）、點擊動作（Key Tap）、觸屏動作（Screen Tap）。

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

五、虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的STEM實踐項目實證研究

（一）STEM實踐項目的設(shè)計

為研究虛擬現(xiàn)實環(huán)境與STEM實踐項目相融合的過程，探索所建構(gòu)的學科融合知識動覺學習模型對STEM實踐項目的相關(guān)作用，將基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的“3D模型設(shè)計與制作”STEM動覺學習項目應用于實踐教學，在本項目前期已經(jīng)對其他實驗組開展了“3D模型設(shè)計與制作”STEM實踐項目中“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教學的實際經(jīng)驗，取得較好的教學效果，本項目只加入體感控制設(shè)備，如圖6所示，加入的虛擬現(xiàn)實技術(shù)將進一步提高學生操作的體驗性和交互性，同時也有利于開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的STEM動覺學習機制研究。

（二）實驗過程

本研究在美國某州立大學教育學院開展，所有參與的志愿者都是該校理工、科學、技術(shù)類專業(yè)學生，如下頁表1所示，在58個參與者中，男性占比67%，女性占比37%，參與者被隨機分配為實驗組（30人）和對照組（28人），在實驗開始前參與者都是自愿參加本次實驗，并且對虛擬現(xiàn)實技術(shù)或者體感技術(shù)的認識水平處于基本認知的狀態(tài)。

作為“3D模型設(shè)計與制作”實踐項目的一部分，本研究開展“Cyber Science Skull”STEM項目式學習過程，如圖7所示。為期三周的學習過程分為五個部分，針對實驗組和對照組的實驗都配備了Leap Motion體感控制器、Form l+3D打印機和計算機及設(shè)備構(gòu)成的虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境，前兩個部分雙組教學計劃一致，為學生提供了前測測試、LeapMotion基本教學、準備知識和以小組為單位的學習指導過程，從第三部分雙組實施策略開始不同，對實驗組進行“CSS”STEM項目的知識講解和小組訓練指導，第四部分為“CSS”STEM項目的知識建構(gòu)指導和基于社交網(wǎng)絡APP的協(xié)作學習指導，第五部分體感控制、3D打印、虛擬現(xiàn)實操作的組合知識指導、3D打印過程指導和后測，對照組在后三個部分僅提供了基本的設(shè)備指導，無實踐操作指導和小組協(xié)作指導。實驗組與對照組在設(shè)備方面條件一致，僅在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的指導和小組協(xié)作指導方面存在差異，其目的為驗證學生提高程度來源于虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的STEM融合知識動覺學習機制的策略，而非虛擬現(xiàn)實環(huán)境本身。

（三）實驗評價與結(jié)果

本研究根據(jù)虛擬現(xiàn)實環(huán)境要素和實驗過程評價，吸收虛擬現(xiàn)實環(huán)境、21世紀技能與STEM教育評價、ICT技能自主學習、協(xié)作學習、問題解決、創(chuàng)新能力發(fā)展和數(shù)字學習技能的評價要素，設(shè)計了“虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的學習”五維調(diào)查問卷（GBTLS），包括虛擬現(xiàn)實環(huán)境的學習動機（GL）、虛擬現(xiàn)實環(huán)境的使用便利度（GT）、虛擬現(xiàn)實環(huán)境的資源有效性（GR）三個部分共六項二級評價指標，同時設(shè)計了“虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的STEM融合知識動覺學習認知”五維調(diào)查問卷（RM2A-GBT），包括動覺學習中的技術(shù)熟練度（RM2A-GU）、動覺學習中的自主學習（RM2A-SL）、動覺學習中的協(xié)作學習（RM2A-CL）、動覺學習中的問題解決（RM2A-PS）、動覺學習中的創(chuàng)新發(fā)展（RM2A-CD）五個部分共15個二級評價指標。在正式使用問卷前對問卷進行了試測，選擇了13位同類專業(yè)背景的志愿者學生在了解實驗背景后填答問卷，其a信度分別為0.79和0.72，根據(jù)Gall對問卷信度評價的標準，0.79和0.72介于0.69和0.88之間，證明兩套問卷具有較高信度。

1.雙組前后測成績結(jié)果

對學生的前測評價得到雙組平均值、標準差和t檢驗結(jié)果，如表2所示。根據(jù)結(jié)果顯示雙組前測成績分別為2.37和2.12，表明雙組基礎(chǔ)處于對等水平，后測成績對照組平均值為3.61、標準差為0.906，實驗組平均值為4.39、標準差為0.936.且雙組后測成績的獨立樣本t檢驗在假設(shè)方差齊性條件下，其顯著性P值為0.002（小于0.05），證明雙組后測具有顯著差異，實驗組表現(xiàn)好于對照組。

2.學習態(tài)度調(diào)查評價結(jié)果

對實驗組進行后測調(diào)查的GBTLS和RM2A-GBT兩套問卷的結(jié)果如下頁表3所示，得到了兩套問卷各一級指標的均值和標準差，對于GBTLS調(diào)查問卷來說，關(guān)注于被試在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的學習體驗和資源使用情況，指標“虛擬現(xiàn)實環(huán)境的學習動機（GL）”和“虛擬現(xiàn)實環(huán)境的資源有效性（GR）”均達到較高的水平（均值=4.55，標準差=0.379;均值=4.28，標準差=0.639），而“虛擬現(xiàn)實環(huán)境的使用便利度（GT）”相對較低（均值=3.91，標準差=0.658），這表明學習者在利用虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的學習動機和資源學習體驗較好，而互動使用的便利性相對一般，但總體來說三項指標依然達到較高水平。

對于RM2A-GBT調(diào)查問卷來說（如表4所示），關(guān)注于學習者在利用虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行學習的動覺學習過程，指出動覺學習所能夠涉及到的學生能力發(fā)展的部分。指標“動覺學習中的技術(shù)熟練度（RM2A-GU）” “動覺學習中的自主學習（RM2A-SL）”“動覺學習中的創(chuàng)新能力發(fā)展（RM2A-CD）”三項指標均值均大于4，達到了較高水平，表明學生在動覺學習過程中能夠達到較好的技術(shù)熟練度，并且進行較好的自主學習，達到了創(chuàng)新發(fā)展的目的;而“動覺學習中的協(xié)作學習（RM2A-CL）”和“動覺學習中的問題解決（RM2A-PS）”相對得分一般，表明學生在使用虛擬現(xiàn)實環(huán)境開展協(xié)作式動覺學習依然存在難點，并且對于問題的解決過程成為其亟待突破的部分。但是總體來說，動覺學習的五項一級指標依然達到較高水平，表明參與實驗的學生能夠利用虛擬現(xiàn)實環(huán)境開展有效的動覺學習過程。

3.學習態(tài)度評價指標的相關(guān)性分析

為探究虛擬現(xiàn)實環(huán)境對學生認知發(fā)展、學生能力發(fā)展及其與動覺學習的關(guān)系，對GBTLS和RM2A-GBT兩套問卷進行了相關(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，但通過分析表明虛擬現(xiàn)實環(huán)境的資源有效性促進了學生虛擬現(xiàn)實技術(shù)的學習動機，動覺學習中的技術(shù)熟練度促進了學生的學習動機和資源的有效性，動覺學習的自主學習過程反過來促進了技術(shù)的熟練度，最后動覺學習中的創(chuàng)新能力發(fā)展促進了自主學習、協(xié)作學習和問題解決的發(fā)展。

總體來說，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的動覺學習以技術(shù)的熟練度為基礎(chǔ)，促進了學生對虛擬現(xiàn)實環(huán)境的學習動機和資源有效性，以動覺學習中的創(chuàng)新能力發(fā)展為關(guān)鍵突破點，通過促進這一能力的發(fā)展能夠同時促進自主學習能力、協(xié)作學習能力和問題解決能力的極大提高。

在比較GBTLS和RM2A-GBT兩套問卷的均值、標準差和相關(guān)性分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，學生更傾向于機械學習的過程（RA1、RA2），如技術(shù)的熟練度促進了學生的學習動機和資源的有效性，表明在實驗初期，學生需要更多的時間開展自主學習，促進其技術(shù)熟練度，進而提高學習動機和資源有效性;但是意義學習的結(jié)果實驗后期產(chǎn)生較大效應（MA1、MA2），如創(chuàng)新能力發(fā)展促進了自主學習能力、協(xié)作學習能力和問題解決能力的提高，表明以機械學習過程為基礎(chǔ)，達到一定學習進度后，學生能夠自然地適應技術(shù)和資源的支撐促進其能力的發(fā)展，但是這個過程需要較長的時間。以上結(jié)論回應了本研究的目標，即虛擬現(xiàn)實環(huán)境對學生認知發(fā)展的作用是通過機械學習促進意義學習，由技術(shù)熟練到促進學習動機和資源有效性發(fā)展，進而促進能力提高，通過創(chuàng)新能力發(fā)展促進其他能力的進一步提高的過程。

六、研究結(jié)論

本研究為虛擬現(xiàn)實技術(shù)與學生認知發(fā)展的聯(lián)系提供了理論框架，在文獻綜述、認知主義學習理論的基礎(chǔ)上提出了虛擬現(xiàn)實環(huán)境促進學生認知的動覺學習機制，即虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的STEM融合知識動覺學習機制，設(shè)計了STEM融合知識的交互模塊結(jié)構(gòu)、路徑與軟硬件實現(xiàn)方式，并根據(jù)學習機制與路徑開展了虛擬現(xiàn)實環(huán)境支持的STEM實踐項目的實證研究。實證研究為美國某州立大學的“CSS”STEM項目，通過雙組前后測分析得到實驗組成績高于對照組成績，并且差異顯著，實驗結(jié)束后得到GBTLS和RM2A-GBT兩套問卷的分析結(jié)果，表明基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的STEM項目對學生的短期學習過程中的機械學習促進效果較好，即技術(shù)的熟練度促進了學生的學習動機和資源的有效性，如果能在一個較長的學習周期中開展研究，基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的STEM項目可以逐漸有效地促進學生開展意義學習過程，即創(chuàng)新能力發(fā)展促進了自主學習能力、協(xié)作學習能力和問題解決能力的提高。

本研究實證過程依然存在不足，通過前期三項實驗積累虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的教學實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，“CSS”STEM項目的實施為3周，對于利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進學生認知學習的過程來說依然具有時間局限性，在后續(xù)研究需要進一步開展更長時間的實踐研究;另外，本研究所提出虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的動覺學習機制模型以認知學習理論為基礎(chǔ)，模型元素在呈現(xiàn)學習內(nèi)容、知識內(nèi)容、學習過程與技術(shù)本身的關(guān)系方面依然有待深化，因此，該模式可在國內(nèi)開展針對不同學段和內(nèi)容的研究，以進一步驗證RM2A理論模型的有效性，同時也能夠?qū)趧佑X學習的學生認知促進機制開展國內(nèi)外對比研究。

通過本研究，為虛擬現(xiàn)實環(huán)境和學生的認知發(fā)展提供了聯(lián)系，為VR、AR、MR等技術(shù)對學習者的促進作用提供了理論框架并進行了驗證，為國內(nèi)外同類研究的教學實踐提供了參考，豐富了關(guān)于虛擬現(xiàn)實環(huán)境對學習者動覺學習機制和認知能力發(fā)展的理論內(nèi)涵和實踐意義?？傮w來說，本研究在虛擬現(xiàn)實技術(shù)、STEM教育、學習者認知等領(lǐng)域具有較高的理論價值和實踐研究意義。

*本文系中國博士后科學基金第65批面上資助項目“基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的STEM學科融合知識動覺學習機制研究”（項目編號：2019M652945）、廣州市哲學社會科學發(fā)展“十三五”規(guī)劃2019年度羊城青年學人課題“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：2019CZQN20）研究成果。