摘要：虛擬科學探究學習作為一種虛擬實驗環(huán)境與科學探究活動有效融合的新型學習形式，在培養(yǎng)學習者科學素養(yǎng)方面具有重要作用。但目前缺乏對虛擬科學探究學習的概念、價值和實施方式等問題的深入探索和準確認識，這阻礙了其在實踐中的有效應用和價值發(fā)揮。虛擬科學探究學習的本質是以學習者的自主探究實踐為中心，通過創(chuàng)設虛實融合的學習環(huán)境，設計探究性的學習活動，提供適應性的過程支持等，促進學習者的科學觀察具象化、探究過程有序性、知識獲取整合性和能力發(fā)展遷移性。設計虛擬科學探究學習活動，應堅持以探究式教學理念為引領、以交互式學習環(huán)境為支撐、以過程性學習評價為助力、以智能化學習干預為保障的設計原則，構建以數(shù)智技術為底座，融合環(huán)境、活動和過程要素，支持學習者開展虛擬環(huán)境下交互式科學探究活動的實施框架，實現(xiàn)科學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。未來研究應在強基固本、育人為先、精準賦能和人機協(xié)同等方面加強理論和實踐探索，為我國高質量虛擬科學探究學習的有效開展提供有益參考。

關鍵詞：虛擬科學探究學習；科學教育；核心特征；設計原則；實施框架

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5195（2024）05-0016-09 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2024.05.002

基金項目： 2023年度國家自然科學基金面上項目“虛擬實驗環(huán)境下科學探究過程自動監(jiān)測與適應性反饋研究” （62377005）；2023年度教育部人文社會科學研究規(guī)劃基金“智能技術賦能虛擬科學探究學習過程性評價與動態(tài)支持研究”（23YJA880086）。

作者簡介：鄭婭峰，博士，研究員，北京師范大學（珠海校區(qū)）教育科技中心（廣東珠海 519087）。

一、引言

讓學習者參與科學探究學習是當前全球科學教育改革的核心內容（Schwartz et al.，2021），也是我國落實科學課程新標準的關鍵舉措?？茖W探究學習是指讓學習者以科學家認識世界的方式發(fā)現(xiàn)科學問題、了解科學現(xiàn)象、掌握科學方法、形成科學觀念、發(fā)展科學思維（Ｍarshall et al.，2017）。國際上已有多個國家將科學探究學習確定為推動K-12階段科學教育改革的核心舉措（Pruitt，2014）。近年來，隨著科技的快速發(fā)展，越來越多的教育研究者提倡利用可視化仿真、3D建模等技術幫助學習者學習復雜的科學知識，逐步形成了虛擬科學探究學習這一新的研究領域（Wen et al.，2020）。

虛擬科學探究學習不僅有助于改善傳統(tǒng)教室或實驗室場景中科學探究學習面臨的實驗設備不足、資金耗材較高、教師指導費時費力等問題（Aditomo et al.，2020），還能夠將無法大規(guī)模實施的科學實驗或難以直接觀察的實驗結果等直觀生動地呈現(xiàn)給學習者，幫助其理解科學現(xiàn)象（陳錢錢等，2018）。基于這些優(yōu)勢，虛擬科學探究學習已經(jīng)被越來越多地應用到國際科學教育研究與實踐當中，成為推動科學教育高質量發(fā)展的有效途徑（Zheng et al.，2024）。然而，由于國內對虛擬科學探究學習的概念、價值和實施方式等缺乏系統(tǒng)梳理和深入探討，導致教育實施者在面對技術支持下形式多樣的科學探究活動時，難以有效把握其教育本質和實施方法。其實踐表現(xiàn)為，我國雖然近幾年在虛擬科學探究資源建設方面不斷發(fā)力，但基于數(shù)字化虛擬資源的探究學習方法和實踐應用仍處于起步階段。自2018年起，我國教育部以立項的形式確立了約4000個示范性虛擬仿真實驗教學項目，教育部教育技術與資源發(fā)展中心（中央電化教育館）也推出了涵蓋3000余個實驗資源的中小學虛擬實驗教學服務系統(tǒng)。然而，當前基于虛擬資源的科學探究教學仍舊停留于簡單觀看、重復實驗、機械性操作等淺層應用，未能在科學概念深度理解、探究技能提升、高階科學素養(yǎng)培養(yǎng)等方面發(fā)揮應有的作用。

為此，本文梳理了國際虛擬科學探究學習的發(fā)展歷程，對其概念內涵和核心特征進行了界定，明確了虛擬科學探究學習在科學觀察具象化、探究過程有序性、知識獲取整合性和能力發(fā)展遷移性四大方面的價值。同時，本文為更進一步促進虛擬科學探究學習在實踐中的具體應用，一是構建了“環(huán)境—活動—評價—干預”一體化的虛擬科學探究學習設計原則；二是以數(shù)智技術為底座，融合環(huán)境、活動和過程要素，支持學習者開展交互式科學探索活動的實施框架，以期為我國高質量虛擬科學探究學習的有效開展提供理論基礎和實踐方向指引。

二、虛擬科學探究學習的內涵與特征

1.概念的緣起與發(fā)展

虛擬科學探究學習的概念經(jīng)歷了逐步發(fā)展和演化的過程，其核心概念探究性學習（Inquiry-Based Learning，IBL）來源于約翰·杜威（John Dewey）的教育哲學。該哲學強調了問題解決過程和批判性思維的重要性。1961年，美國芝加哥大學教授約瑟夫·施瓦布（Joseph J. Schwab）在哈佛大學作了《作為探究的科學教學》（Teaching of Science of Enquiry）的報告，標志著探究學習在科學教育領域被正式提出和倡導?？茖W探究學習強調學習者主動參與，通過提出問題、猜想與假設、實驗設計與實施、數(shù)據(jù)收集與分析、推理論證和表達交流等活動，學習科學知識、發(fā)展科學態(tài)度與精神、提升對科學本質的理解。這一以學習者為中心的學習方式，迅速得到了國際科學教育領域的認可，并在隨后的教育改革中得到了推廣和應用。

20世紀80、90年代，隨著計算機仿真技術的進步，科學教育領域開始出現(xiàn)基于仿真的實驗軟件和虛擬實驗室（Smetana et al.，2012）。De Jong等（2013）在《科學》（Science）期刊上撰文稱，與物理實驗室相比，虛擬實驗環(huán)境能夠通過突出重要信息、刪除令人困惑的細節(jié)、簡化模型特征等，使復雜科學現(xiàn)象的理解和解釋更為容易。此外，這些軟件和虛擬實驗室為實驗者提供了一種安全、經(jīng)濟和便捷的方式，拓展了科學探究學習的邊界和適用性。但該階段虛擬實驗設備和實驗室的應用主要解決實驗設備落后或不足的問題，少有與教學內容和教學環(huán)節(jié)有效整合的探索。

進入21世紀以來，伴隨互聯(lián)網(wǎng)、可視化、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、3D仿真等技術的發(fā)展及其與教學過程的深度融合，WISE、PhET、Model-It、Inq-ITS等國際著名虛擬實驗平臺、工具和系統(tǒng)等逐漸被廣泛應用在探究性科學教育活動中，成為課堂科學學習的重要補充。由于虛擬仿真設備和技術資源的差異，基于網(wǎng)絡的科學探究（Cui et al.，2022）、基于仿真的科學探究（Huang et al.，2017）、基于虛擬實驗室的科學探究（Faour et al.，2018）、虛擬現(xiàn)實（Wu et al.，2021）/增強現(xiàn)實支持的科學探究（Lin et al.，2022）等同質不同名的學術概念在研究中使用開來。與傳統(tǒng)探究學習相比，這些研究都詳細闡述了在不同技術環(huán)境下基于各種腳手架支持的探究學習效果，但還未形成統(tǒng)一的概念界定。

盡管當前因為技術資源差異而導致的虛擬科學的探究學習領域概念不一，但其教學本質具有顯著的共同性特征。即，無論以哪種虛擬資源或環(huán)境支持探究學習過程，其本質都是以學習者為主體，借助虛擬實驗環(huán)境中的技術資源開展基于人機交互和人際交互的探究活動，目的都是促進學習者自主知識建構的達成。這一過程涉及學習者概念理解、技能習得、社會交互、情感投入等要素，這些要素持續(xù)作用于學習者與虛擬實驗環(huán)境的互動和反饋過程，進而促進學習者科學素養(yǎng)的深度發(fā)展。虛擬實驗資源只有與科學探究活動有效整合，才能發(fā)揮資源、環(huán)境與學習活動的融合優(yōu)勢，更好地達成科學教育的核心目標。

因此，本文以“虛擬科學探究學習”概念來界定虛擬實驗環(huán)境與科學探究活動有效融合的新型學習形式，其以學習者的自主探究實踐為中心，在虛擬實驗環(huán)境的支撐下，支持學習者開展設計實驗、選擇儀器、調整變量、觀察記錄、推理論證等探究活動。同時，其還融合了合作交流、反思評價等學習策略，是學習者形成科學觀念、發(fā)展科學思維、培育科學精神的重要學習方式。值得注意的是，這里的虛擬實驗環(huán)境是指基于數(shù)字媒體、圖形建模、計算機仿真、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等技術構建的本地或在線的交互式仿真實驗環(huán)境，可支持學習者進行鼠標鍵盤等交互操作與實驗結果觀察分析。

2.核心特征

與傳統(tǒng)基于物理實驗的科學探究不同，虛擬科學探究學習在環(huán)境、活動和過程上呈現(xiàn)出了自身的獨特之處，特別是在學習環(huán)境創(chuàng)設、探究活動設計和探究過程支持上具有明顯優(yōu)勢，可以有效促進學習者的知識建構。

（1）虛實融合學習環(huán)境創(chuàng)設

以虛擬實驗環(huán)境為基礎的虛擬科學探究學習，旨在為學習者提供探索、調查和理解復雜概念或現(xiàn)象的機會，支持以探究為基礎、以學習者為中心的教學（Wang et al.，2021），其環(huán)境特征包括豐富性、靈活性、驗證性和情境性四個方面。

豐富性是指與傳統(tǒng)以文本描述、圖片、音頻和視頻等單向信息傳遞的實驗資源不同，在虛擬實驗環(huán)境中，學習者可以利用2D/3D等多樣的交互式探究動畫、建模工具、仿真軟件等多種數(shù)字化資源進行自主實驗探究，尋找與科學現(xiàn)象有關的變量，識別這些變量之間的關聯(lián)關系，從虛擬探究學習環(huán)境中提取更微觀、更細致的實驗數(shù)據(jù)，構建更豐富的信息量和多樣性關系（Zhu et al.，2020），并且可以通過可視化的方法將抽象的科學概念具象化，來體驗生活中不易觀察到的現(xiàn)象。

靈活性是指學習者在利用虛擬仿真軟件進行實驗時，能夠在時間、進度和復雜性方面自由調整。學習者可以按照自己的節(jié)奏探索模擬實驗，還可以隨時改變實驗條件，觀察動態(tài)的實驗現(xiàn)象，并利用多次實驗收集到的數(shù)據(jù)，歸納、總結得出實驗結論。這一過程不僅能夠使學習者學習到科學知識，更有利于學習者的知識遷移和應用，促進學習者積極參與問題解決過程，提升高階思維。

驗證性是指學習者可以通過虛擬實驗環(huán)境，對復雜現(xiàn)象的實驗條件進行精確控制和重復，從而確保實驗結果的可靠性和穩(wěn)定性。虛擬實驗環(huán)境還能夠提供詳細的數(shù)據(jù)記錄和分析，使實驗結果可以被重復驗證和復現(xiàn)，增強了科學探究的可信度和科學性。除此以外，虛擬實驗環(huán)境還降低了傳統(tǒng)課堂中的實驗復雜性，增強了學習者得到有意義結論的能力（Chen et al.，2019）。

情境性體現(xiàn)在虛擬環(huán)境對真實世界問題的模擬和呈現(xiàn)上，其通常以現(xiàn)實生活中的科學問題為背景，模擬生成融合實驗器材、過程及現(xiàn)象的動態(tài)模型，為學生提供貼近真實世界、沉浸式和可視化的科學探究環(huán)境。虛擬科學探究學習通過可視化和動態(tài)化的手段再現(xiàn)真實的科學場景，能夠增強學習者的沉浸感和參與度，豐富學生的學習體驗，降低學生的認知負荷。除此以外，其還可通過對不同地域、社會背景等場景的仿真模擬，使學習者理解科學在不同環(huán)境中的應用和影響，促進學生將科學知識和探究技能向其他情境的遷移應用（Charney et al.，2007）。

（2）探究性學習活動設計

虛擬科學探究學習以虛擬科學探究學習活動為依托，旨在促進學習者對科學概念的理解和對科學本質的掌握，并在此過程中幫助學習者提高科學探究能力（黃紅濤等，2018）。虛擬科學探究學習活動包括學習者在科學探究的過程中發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、收集證據(jù)、開展實驗、分析數(shù)據(jù)、得出結論、評估進展、總結反思等一系列活動，具有要素的完整性、活動的階段性和內容的探究性三個特征。

要素的完整性是指在虛擬實驗環(huán)境下，虛擬科學探究學習活動可以整合科學探究活動理論所要求的必備要素。我國《義務教育科學課程標準（2022版）》將以探究實踐為主要方式開展的教學活動歸納為提出問題、作出假設、制定計劃、搜集證據(jù)、處理信息、得出結論、表達交流和反思評價等環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)環(huán)境中，由于時空和設備的限制，這些要素往往難以在一個活動中體現(xiàn)。而在虛擬實驗環(huán)境中，借助自動化的數(shù)據(jù)采集、智能化的過程支持和可視化的呈現(xiàn)方式，科學探究學習各個環(huán)節(jié)都可以便捷實施，保障了探究學習活動的要素完整性。

活動的階段性是指虛擬科學探究學習活動并不是將各要素一次性呈現(xiàn)給學習者，而是按照科學探究過程，引導學習者分階段進行不同活動。典型的虛擬科學探究學習活動階段包括提出問題、作出假設、實施觀察、得出結論和交流反思等階段。在不同的階段，虛擬科學探究學習環(huán)境將分別提供多媒體展示、交互探究操作、引導反饋等支持，幫助學習者更好地完成相應的學習任務，最終實現(xiàn)學習目標。

內容的探究性是指虛擬科學探究學習的活動內容需要滿足學習者在科學探究學習過程中多樣化的探究需求。利用虛擬實驗環(huán)境的可重復操作性，學習者可以通過多樣化的交互方式，按計劃執(zhí)行探究實驗、收集數(shù)據(jù)、理解或發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關系，驗證研究結果與初始假設是否一致、向其他學習者或者老師表達他們的發(fā)現(xiàn)、傾聽其他人的發(fā)現(xiàn)和結論，反思調查的合理性，并進行學習改進等（Zacharia et al.，2015）。

（3）適應性探究過程支持

虛擬科學探究學習獨特的環(huán)境特征和活動設計，使虛擬科學探究學習路徑較傳統(tǒng)科學探究學習更加多樣。同時，在數(shù)智技術的支持下，虛擬科學探究學習也表現(xiàn)出更強的支持力度與更好的可解釋性。

首先，相較于傳統(tǒng)科學探究學習，虛擬實驗環(huán)境可以幫助學習者在探究學習過程中，根據(jù)需要在不同階段之間進行跳轉，自選學習路徑。這賦予學習者更大的學習自主性，能夠讓學習者在反復嘗試的過程中深入理解科學概念，提高科學探究能力。

其次，虛擬科學探究學習環(huán)境可以內置儀表盤、信息呈現(xiàn)、過程提示、啟發(fā)式對話、安全預警等多樣的過程性支持工具，這些工具可以在虛擬科學探究學習中為學習者提供過程指導支持、自我調節(jié)支持和自動評價與反饋，促進學習者有目的、有意識地參與探究活動。

最后，在虛擬實驗環(huán)境下，學習者的探究學習過程數(shù)據(jù)可以被完整地記錄、回溯和分析。在此基礎上，教師及研究人員利用可解釋人工智能技術，可以對學習者的學習過程進行分析，探究學習者的科學概念、實驗技能、探究能力和情感態(tài)度等的動態(tài)演化趨勢；也可利用可視化技術對學習者的學習過程進行可視化呈現(xiàn)，幫助學習者監(jiān)控學習過程、反思學習問題、優(yōu)化學習策略（Cavalcanti et al.，2021）。

三、虛擬科學探究學習的應用價值

近年來，國際上越來越多的教育研究者提倡利用計算機仿真技術幫助學習者完成復雜的科學知識學習（Wen et al.，2020）。而當前國內研究多以初步的應用探索為主，關注如何基于虛擬技術和資源進行實驗教學、激發(fā)學習者學習動機、彌補設備不足等基礎性問題，較少關注其在科學概念理解、探究技能發(fā)展、整合知識建構等高階能力上的培養(yǎng)潛力。事實上，虛擬科學探究學習在科學觀察、探究過程、知識獲取、能力發(fā)展四個方面都有較大的應用價值，其對科學教育發(fā)展起著重要的作用。

1.科學觀察：由“抽象”轉向“具象”，促進學習者概念理解

虛擬科學探究學習為學習者提供了具象化的學習內容、可交互操作的技術支持，能夠超越課堂中對概念的講解方式，幫助學習者通過虛擬實驗環(huán)境觀察科學概念的發(fā)生與演變過程，從而降低其在概念感知上的認知負荷，促進學習者對概念的理解和深化。使用虛擬環(huán)境開展的科學探究學習，可以實現(xiàn)抽象科學概念的可視化，提升學習者對科學的興趣（Jaakkola et al.，2020），促進其對科學概念、科學現(xiàn)象的理解（Olympiou et al.，2013）。同時，虛擬科學探究學習還能夠突破實驗操作的時間和空間限制，將需要較長周期才能觀察到的物質變化過程在短期內可視化呈現(xiàn)（Hallgren et al.，2016），從而提升對長周期現(xiàn)象的具象化認識。

2.探究過程：由“無序”轉向“有序”，強化學習者技能訓練

虛擬科學探究學習將一系列探究活動的實驗設計、實驗觀察、實驗操作等進行整合，使原有開放、無序的探究過程變得更明確和有序。從學習流程上看，學習者可以按照提出問題、設計實驗、觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)、得出結論、反思交流等有序規(guī)范的科學探究流程展開學習。在此過程中，可以通過監(jiān)控和調節(jié)學習者的探究活動，如提供時間進度提醒、操作誤差提醒等使學習者能夠有目的、有意識地監(jiān)控和調節(jié)他們探究學習過程中的認知、動機和行為，實現(xiàn)學習的目標（Pintrich，2000）。此外，虛擬科學探究學習還可以通過突出關鍵信息和消除令人困惑的細節(jié)來簡化學習（Trundle et al.，2010），并給予必要的知識補充和反饋指導，或讓學習者有針對性地修改模型特征，如時間尺度等，使現(xiàn)象解釋更容易、變量關系更易理解（Olympiou et al.，2013）。

3.知識獲?。簭摹胺稚ⅰ鞭D向“整合”，深化學習者知識建構

虛擬科學探究學習強調學習者通過自我導向的科學發(fā)現(xiàn)過程實現(xiàn)知識獲取（De Jong et al.，1998）。研究表明，學習者通過經(jīng)歷一個類似于科學家所做的調查過程，可以發(fā)展更連貫的科學知識和技能并增進對探究過程本身的理解。在模擬仿真的環(huán)境中，時間變化可以加快或減慢，抽象的概念可以變得具體，隱性的過程可以變得可見。當現(xiàn)實世界的環(huán)境被簡化、事件的因果關系被明確解釋、外部的認知負荷通過模擬被減少時，學習者可以將更多的注意力集中在重要的學習目標上。知識在個體與虛擬環(huán)境相互作用的過程中得以建構。這一過程不僅體現(xiàn)了學習者對客觀知識的主觀能動學習，更重要的是學習者在運用多學科知識解決復雜問題的過程中，能夠產(chǎn)生新的知識聯(lián)結，以此來強化對所學知識的理解和掌握。

4.能力發(fā)展：從“習得”轉向“遷移”，助力學習者素養(yǎng)培育

虛擬科學探究學習復雜、不確定的學習情境，對學習者的問題解決能力提出了更高要求，需要學習者整合多個學科的知識和技能，以提出創(chuàng)造性的問題解決方案，并在解決實際問題的過程中逐步提升高階思維能力和跨學科素養(yǎng)。具體來講，在虛擬環(huán)境支持的交互探究過程中，學習者需要綜合運用數(shù)學、物理、化學、生物等多個學科的知識和技能，解決復雜、非良構的現(xiàn)實問題。這有助于他們形成全面的學科素養(yǎng)和綜合應用能力（Lin et al.，2022）。通過這種應用和實踐，學習者能夠將所學的知識和技能內化為自己的能力，靈活地運用到不同情境和領域中，促進課堂知識和技能向現(xiàn)實世界遷移（林曉凡等，2019）。

四、虛擬科學探究學習的實施框架

1.設計原則

（1）以探究式教學理念引領學習活動設計

虛擬科學探究學習兼具“虛擬實驗環(huán)境”和“探究式學習”的屬性，因此其活動設計和實施具有較高的復雜性，需要充分考慮虛擬科學探究學習中主體、環(huán)境、內容、資源的特性，以實現(xiàn)多元主體要素的深度耦合。因此，虛擬科學探究學習的開展需要以探究式學習理念為指引，明確虛擬科學探究活動在學習目標、學習環(huán)境、實施過程、評價方法等方面的核心特征，確保學習活動的設計能夠與學習環(huán)境、學習內容、學習資源相契合，提升學習者的學習體驗和學習效果。

（2）以交互式學習環(huán)境支撐深度科學探究

當前虛擬科學探究學習仍多以知識概念的理解為主要目標，因此學習環(huán)境的設計也仍然以促進學習者的知識理解為要，探究過程相對簡單，探究深度不足，無法有效支撐新課標背景下學習者核心素養(yǎng)的培育。虛擬科學探究學習環(huán)境的設計，應更多采用虛擬化、游戲化、沉浸式、體驗式等前沿設計理念，增強環(huán)境的交互性、開放性和自由度，豐富探究活動的呈現(xiàn)形式，促進人機智能協(xié)同，實現(xiàn)科學探究過程中對個體認知、動機、行為等的深度調節(jié)，提升探究學習過程中學習者的探究意愿、情感態(tài)度和學習體驗，讓學習者成為探究過程的積極參與者，提升學習者的科學核心素養(yǎng)。

（3）以過程性學習評價助力實時精準反饋

虛擬科學探究學習開放性和自主性的特質在一定程度上增加了學習活動的不確定性。如果不加干預地放任學習者“天馬行空”地自由探索，將使虛擬科學探究學習過程嚴重脫離教師的掌控，降低和弱化虛擬科學探究學習的效果。因此，在虛擬科學探究學習的開展過程中需要重視過程性學習評價的導向作用。例如，利用人工智能技術對學習者探究過程中的學習行為、認知投入、情緒動機等進行實時精準的建模分析，利用可視化分析技術以直觀、易理解的方式展示探究學習情況，幫助師生快速、準確地了解學習過程與學習狀態(tài)，為改進學習者探究學習過程提供支撐。事實上，虛擬實驗環(huán)境對學習過程進行的實時、精準的監(jiān)測分析，能夠有效挖掘科學探究學習過程中學習者的行為特征，并構建學習行為與學科能力之間的動態(tài)映射關系，幫助教師及時掌握學習者的學習情況并提供適宜的個性化指導，以此提高教學效果、優(yōu)化學習體驗。

（4）以智能化學習干預保障科學探究成效

虛擬科學探究學習的發(fā)展需要推動人工智能技術與科學探究過程的深度融合，充分發(fā)揮智能技術在進度監(jiān)控、任務提醒、過程評價、自我調節(jié)、自動反饋、智能干預等方面的重要作用，將動態(tài)評價和過程支持嵌入虛擬科學探究活動中，探索虛擬科學探究學習中教師和機器的協(xié)同機制，實現(xiàn)人機協(xié)同支持的精準干預和智能反饋，以促進學習者科學探究能力的有效提升。此外，虛擬科學探究學習的開展還需要整合人工智能、學習分析等理論和方法，推動學習行為的智能表征、學習成效的動態(tài)測評、學習機理的科學分析、學習干預的精準實施，以此促進科學探究學習設計、分析、評價與干預的有效聯(lián)結，為虛擬科學探究學習的開展提供可靠保障。

2.實施框架

基于設計原則，結合虛擬科學探究學習的價值定位和核心特征，本研究構建了虛擬科學探究學習的實施框架。該框架以數(shù)智技術為底座，融合環(huán)境、活動和過程要素，用于支持學習者深度參與探究學習，開展虛擬實驗環(huán)境下的交互式科學探究活動。在邏輯上，該框架可以劃分為四個層次，分別是基座層、環(huán)境層、探究層和目標層，如圖1所示。

在該框架中，基座層融合了相關軟硬件技術，是構建虛擬實驗環(huán)境、實現(xiàn)虛擬科學探究學習活動、支持學習者虛擬科學探究學習的數(shù)據(jù)、技術和功能基礎。具體來說，基座層包括通用配置、數(shù)據(jù)層、決策分析層和技術支持層四個子模塊。其中，通用配置層可對虛擬科學探究學習環(huán)境的探究環(huán)節(jié)、對話角色、調節(jié)策略、可視化呈現(xiàn)和過程支持等基礎功能進行配置；數(shù)據(jù)層可對平臺日志、學習者信息、探究交互和學習生成等探究學習過程數(shù)據(jù)進行采集；決策分析層可利用學習分析技術，對相關數(shù)據(jù)進行預處理、計算等工作，并對學習過程進行評價和反饋；技術支持層可利用人工智能技術，在決策分析的基礎上，實現(xiàn)對學習者適應性的過程支持、自動調節(jié)、自動評價和自動反饋等功能。

在基座層的基礎上，環(huán)境層、活動層分別從虛擬科學探究學習環(huán)境和虛擬科學探究學習活動兩個方面，支持虛擬科學探究學習的有效實施。在環(huán)境方面，運用虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實、人機交互等技術，可實現(xiàn)虛擬探究學習環(huán)境虛擬仿真、過程交互、情境創(chuàng)設和重復驗證等功能。在活動方面，運用軟件模塊或網(wǎng)頁技術，可實現(xiàn)虛擬科學探究學習的各個活動環(huán)節(jié)，保證活動的完整性。探究層則面向學習者，綜合其他各邏輯層的功能，引導學習者開展問題預測、作出假設、探究實施、得出結論、交流反思等活動并及時反饋，實現(xiàn)對虛擬科學探究學習全過程的支持。最終，目標層呈現(xiàn)學習者通過虛擬科學探究學習達成的科學課程核心素養(yǎng)目標。這些目標不僅強調了知識層面的重要性，如科學觀念中跨學科概念的理解和深化、對科學本質的認識，也關注了學習者推理論證、創(chuàng)新思維等能力層面的發(fā)展。

五、總結與展望

隨著教育數(shù)字化、智能化進程加快，在虛擬實驗環(huán)境中開展多樣化的科學探究活動將是未來科學學習的重要形式。本研究詳細闡述了虛擬科學探究學習的概念內涵和核心特征，論述了虛擬科學探究學習的設計原則和實施框架，旨在為虛擬科學探究學習的深入發(fā)展提供理論指導和實踐借鑒。鑒于當前虛擬科學探究學習不斷深化的研究趨勢，未來可進一步完善虛擬科學探究學習環(huán)境的理論基礎與技術支撐，促使虛擬科學探究學習更好地應用于真實課堂實踐，促進科學教育高質量發(fā)展。

1.強基固本，重視認知加工的規(guī)律與機制

技術與教育的整合水平顯著影響了技術對學習的有效性（Zhai et al.，2019）。隨著以大語言模型為代表的新一代人工智能技術的快速發(fā)展，虛擬科學探究學習在環(huán)境創(chuàng)設、活動設計、過程支持等方面均會迎來新的發(fā)展機遇。在智能技術不斷深化的大背景下，研究者應該更深入地挖掘虛擬科學探究學習環(huán)境和探究過程之間的復雜關系，厘清學習者在不同探究階段的特殊認知需求，更好地規(guī)劃前沿技術支持下的學習過程設計與腳手架支持。研究者還應重視認知科學理論的引領和驅動作用，通過深入剖析虛擬科學探究學習背后潛在的認知過程，更清晰地理解其學習的發(fā)生機理，設計更有效的技術支持和干預措施。例如，通過研究學習者在探究過程中的注意力、問題解決、反思等認知過程，研究人員可以據(jù)此為學習者提供更有針對性的學習資源和學習策略。

2.育人為先，凸顯素養(yǎng)導向的設計與評價

2022年，我國基礎教育科學課程新課標發(fā)布，強調了科學教育中科學觀念、科學思維、探究實踐和態(tài)度責任四大核心素養(yǎng)，為我國科學教育高質量發(fā)展指明了方向。虛擬仿真環(huán)境在提升學習效果上具有巨大潛力，可以將復雜的科學概念具象化，幫助學習者獲得真實的學習體驗；強化學習者的自主探究過程，在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程中，發(fā)展科學思維、形成科學觀念、理解科學方法。但如何利用這些環(huán)境資源，設計更加行之有效的虛擬科學探究學習活動，幫助學習者提出假設、制定計劃、建立模型、調整參數(shù)、收集數(shù)據(jù)和解釋結果，以助力學習者的能力發(fā)展和素養(yǎng)培育，是虛擬科學探究學習需要著力解決的重要問題。此外，科學素養(yǎng)評價是基礎教育階段科學教育改革的“指揮棒”，應利用虛擬科學探究學習在數(shù)據(jù)采集、分析方面的先天優(yōu)勢，開展智能技術賦能的科學素養(yǎng)評價研究，通過信息跟蹤挖掘、數(shù)字回溯分析、科學監(jiān)測評價等，描繪學習者素養(yǎng)發(fā)展軌跡，為學習者科學素養(yǎng)的評價提供有效依托。

3.精準賦能，豐富學習過程的感知與診斷

利用學習分析技術對虛擬科學探究學習的過程性數(shù)據(jù)進行實時采集與智能分析，是深入研究虛擬科學探究學習規(guī)律、實現(xiàn)精準干預的基礎保障。虛擬科學探究學習包含虛擬實驗操作、提出假設、調整參數(shù)、驗證假設、記錄結果、給出解釋等諸多復雜環(huán)節(jié)，其學習結果受到學習者自我調節(jié)能力、興趣動機、實驗技能等多元要素的影響?，F(xiàn)有對探究學習過程登錄時間、完成課時數(shù)、測評正確率等數(shù)據(jù)的記錄與分析，難以支持對虛擬科學探究學習過程的深入理解。因此，在虛擬探究學習環(huán)境中，應提升對學習過程的深度感知，通過對學習者話語、表情、身體姿態(tài)、生理信息、學業(yè)成就、人機交互數(shù)據(jù)的精準化采集分析，實現(xiàn)對學習困難的精準診斷、對實驗技能的伴隨性評價、對科學探究態(tài)度的智能感知以及對學習動機的實時監(jiān)測，為學習者高質量科學探究活動的開展提供數(shù)據(jù)支撐。

4.人機協(xié)同，探索智能環(huán)境的反饋與支持

為學習者提供適應性的學習支持服務是確保學習者有效開展虛擬科學探究學習的關鍵舉措。當前，隨著生成式人工智能技術的進一步迭代，多模態(tài)大模型展露頭角，必將引起新一輪的教育實踐轉變。區(qū)別于一般的生成式人工智能技術，多模態(tài)大模型能夠綜合處理文本、圖像、視頻、音頻等多種類型的數(shù)據(jù)，將對多類型虛擬資源支持下的探究學習的反饋與支持帶來新的機遇。在此背景下，如何利用多模態(tài)人工智能在語言理解、人機對話方面的潛在優(yōu)勢，開發(fā)教育智能體，通過人機智能協(xié)同的方式為學習者提供適切、精準的學習支持服務，是未來虛擬科學探究學習需要著力解決的關鍵問題。因此，未來生成式人工智能與虛擬科學探究學習的結合，需要充分發(fā)揮多模態(tài)大模型在學習環(huán)境創(chuàng)設與優(yōu)化、學習資源生成與聚合、學習活動設計與監(jiān)測、學習評價實施與反饋、學習干預生成與推送等方面的核心優(yōu)勢，為學習者虛擬科學探究學習的開展提供全方位支持。

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收稿日期 2024-03-24 責任編輯 汪燕

Virtual Science Inquiry Learning： Essential Connotation，

Value Orientation and Implementation Framework

ZHENG Yafeng

Abstract： Virtual science inquiry learning， as a new form of learning that effectively integrates virtual experiment environment with scientific inquiry activities， plays an important role in cultivating learners’ scientific literacy. However， the lack of in-depth exploration and accurate understanding of the concept， value and mode of implementation of virtual science inquiry learning has hindered its effective application and value realization in practice. The essence of virtual science inquiry learning is centered on learners’ independent inquiry practice. It promotes concretization of scientific observation， systematicity of inquiry process， integration of knowledge acquisition and transferability of ability development by creating a learning environment integrating virtuality and reality， designing exploratory learning activities and providing adaptive process support. When designing virtual science inquiry learning activities， it is essential to adhere to design principles that ensure the activities are guided by inquiry-based teaching， supported by interactive learning environments， facilitated by process-oriented learning assessment， and guaranteed by intelligent learning intervention. The implementation framework should be constructed on a foundation of digital intelligence technology， integrating elements of environment， activity and process， to support learners in conducting interactive scientific inquiry activities within a virtual environment， thereby achieving the goals of cultivating core scientific literacy. Future research should strengthen theoretical and practical exploration in the aspects of strengthening the foundation， educating people first， accurate empowerment and man-machine collaboration， so as to provide useful references for the effective development of high-quality virtual science inquiry learning.

Keywords： Virtual Science Inquiry Learning; Science Education; Core Characteristics; Design Principles; Implementation Framework