深度学习视域下中学理科实验VR教学模式研究开题报告

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1研究目的

高度信息化知识经济时代需要大批人才，这些人才应具备能够快速适应社会进步、深度加工知识信息、深度领会复杂概念、深度明晰内在联系进而构建个性情境化的知识体系用以解决实际复杂问题的终生学习的能力。过去的浅层学习、机械学习的方法必将不能适应这种新型知识经济的要求，这就要求当今时代培养出来的人才需要有深度学习的能力。同时，随着消费能力的升级，教育消费已成为家庭重点，并已逐渐成为刚性需求，象征着教育行业也将迎来更大的机遇和挑战，也将中国教育产业推向了一个新高潮。就拿中学实验课来说，初中生普遍喜欢实验，非常喜欢的约占97%左右，也只有当学生对学习产生浓厚的兴趣和强烈的情感时，才能对学科产生亲切感和广泛的好奇心，进而产生持之以恒的巨大内驱力，智力因素才能得到充分发挥。因此，激发学生们的学习兴趣，养成爱学习的习惯，对发展学生的智力和能力以及提高成绩可以产生定向推动和激励作用。

以前的课堂上，实验课通常是由老师一边进行操作一边为同学讲解知识点。而现在学生可以通过网络上的视频来了解实验课的操作流程，当然直播也是一种实验课的教学方法。2013年，中央电视台于6月20日10：04—10：55进行了现场直播，授课内容为太空环境下的科学实验。这是一次绝无仅有的授课活动。其意义不仅仅在于王亚平所站讲台的高度以及我国青少年因此得到的太空知识，更在于它向世界传递了我国在航天科技方面的独特探索——正如此次太空授课围绕“微重力”这一太空科学重大命题所设计的实验活动，既是航空科技的基础，也一直是各国太空科技竞赛的主题。除吃之外，根据《2019中国教育产业研究报告》，该报告对中国教育产业的发展态势做了洞察分析，对教育产业的新机遇进行深度研究，并对教育产业的未来发展趋势进行展望。如VR/AR的发展，将提供沉浸式生动、逼真的内容呈现方式，以及交互性体验，提高学习效率。将为低龄人群教学、特殊工作教学、技能实操等领域带来新的教学渠道。随着技术的不断完善，VR/AR 教育的渗透率将不断提升。传统的“被动接受式”教学模式转为“自主探索式”。

除了让人眼花缭乱的教学手段之外，教学模式也有不少，比如信息加工教学模式、人格（人性）发展教学模式、社会交往教学模式、行为修正教学模式等。不过这些手段与方式都是为了学生在获得基础知识与基本技能的同时，能够参与学习的过程，学会学习，学会思考与质疑，从而培养每个学生的个性，完善健全的人格；新的教学模式不仅要求学生学会知识，还更注重培养学生收集、处理、整合、分析信息的能力，培养学生解决问题的能力和与同伴交流与合作的能力。同时要求针对性地培养学生的科学素养，着重于学生学习方式的转变，大力倡导学生科学探究的精神和动手操作的能力。这也说明了我们的教育要加强学生深度学习的能力。那么这个时候问题来了，我们该如何确定深度学习对学生学习效果的提升呢？深度学习视域下理科实验课教学模式有哪些？他们分别对应那种教学情境呢？因此，本次研究的主要目的就是分析深度学习视域下中学理科实验课教学模式，选择适合各种教学情况下的教学方法，从而获得最好的学习效果。

1.2研究意义

在物理、化学、生物中高考题中，选择题必有关于实验操作的题目，在后面的非选择题部分，也必然有关于实验的流程题，并且在其他题目中也会杂糅一些实验的问题，鉴于此，教师和学生都高度重视实验。但是，不可否认，他们的重视仅仅是停留在试卷上，通过做大量的实验题，让学生死记硬背下所谓的“套路”，而不是让学生真真切切地去做实验，去感受实验的每个过程。而随着课程改革不断深入，人们逐渐认识到实验的重要性，各高中学校也在积极购进实验仪器，希望学生能够多动手，提高他们的动手能力和科学探究能力。但是，在学生进行实验的过程中，学生仅仅是按照课本上的实验步骤按部就班地进行操作，并没有进行思考，像这种实验其实不做也罢，实验的目的除了要提高学生的动手能力之外，还要提高其科学探究能力。但这种机械操作而没有任何思考的实验并没有改善当前实验教学的弊病。所以，我们要选择好合适的教学模式。除此之外，不少实验的操作十分复杂或者根本就无法进行实验。比如在物理中的天体运动、生物中的有丝分裂、化学中的微观反应变化模型。这些知识点，不同人的想像不同，理解不同，最后所带来的的学习效果自然也是不同的。抽象的概念的理解，复杂的知识规律的参悟，理想的实验环境的模拟一直是学生学习和教师教学的难点。因此，我们就可以通过多媒体即使或虚拟现实技术来辅助科学实验课的进行。学生通过多媒体教学模式或者是VR教学模式不仅可以培养良好的动手实践能力，而且也可以身临其境获得更好的学习效果。深度学习视域下知识是相互联系和多学科融合的，反对仅仅把知识仅仅看作孤立、不相关信息事实。深度学习注重营造以学生为中心的学习环境，要求通过预评估了解学生已有的知识经验，根据学生的知识背景确定教学起点，使教学活动更有针对性，注重引导学生通过自主学习和小组协作学习完成知识的意义建构，并借助思维导图、概念图整合新旧知识，促进知识系统化和可视化，所以深度学习是契合建构主义理念的学习方式。

1.3国内外研究现状

国内关于理科科学实验课教学模式的研究多集中于提出问题——猜想假设——设计方案---- 实验观察---分析现象--- 归纳结论--- 实践应用，涉及的层面涵盖了物理、化学、生物等。不少学者通过教学实例、分析现状总结出各种教学模式下科学实验课的各种表现形式以及优缺点以及改善措施。就深度学习研究来说，这些多数集中在对深度学习的理论研究、信息技术支持研究及策略研究等方面，对深度学习过程和评价研究的研究较少。

从物理来说，吴双在《基于深度学习的高中物理教学策略研究》中，论述了实施深度教学的必要性和深度教学内涵，提出运用理解性教学策略，问题导向教学策略，回应性教学策略三个核心策略促进学生深度学习。李昊霖在《虚拟现实技术探究“三体运动”》一文中运用VR技术开展高中万有引力定律教学的实证研究，他从教学课件的开发以及学生的操作指南入手，通过调查问卷和访谈数据的分析，得出了以下结论：学生对VR有了解，有体验，但是占比不多；学生们表示对VR教学有很积极的态度；师生对VR教学教具的满意度极高；师生对VR教学教具效果的评价很好。从这个方面来说VR在物理的科学实验教学中有着十分重要的作用，它能使师生得到很好的教学效果。在化学层面来说，张倩的《深度学习视域下高中有机化学教学研究》概括出，学习者应该根据自身的实际情况，采用相应的学习方法来将浅层学习与深度学习结合起来。李中强在《虚拟现实技术支持下高中化学实验教学的开展》也提到了VR在化学实验课的积极意义：促进学生动手操作能力、促进学生个性化学习，以及激发学生的学习兴趣。同时，VR科学实验课使得实验变得更加安全，不会出现危害学生健康的现象。实验产物也变得更加易得。更重要的使用，使用VR进行实验十分的环保。不过话虽如此，VR教学还是有一定问题存在，比如头戴式显示设备的更新速率太慢，容易造成视觉停留，影响学生的体验；硬件设备体积和重量大，但是观看的视野范围却比较窄，不能进行长时间佩戴；设备的数据传输目前还是靠长长的数据线来实现，造成学生行动困难；显示器完全封闭，导致学生无法看到现实中的情形，做笔记也很难。同时VR科学实验教学的教学效果观察也没有那么的明显，缺乏很直观的数据作为支撑。除了VR教学模式之外，通过多媒体模式教学，比如使用PPT，视频等一系列手段可以激发学生的学习兴趣和发挥认知主体作用、有利于知识的获取与保持、拓宽了人们的认知领域和途径。这种教学模式比传统的教学节约了时间，比VR教学节约了成本，当然它也存在一定的缺点，交互性就没有那么强。

以理论视角看，弗莱维尔认为深度学习强调反思对学生掌握复杂概念的重要性，反思属于元认知范畴，注重渗透元认知策略，深度学习与元认知能力是相互促进的关系。一方面元认知能力的发展依赖于学生的知识背景，深度学习需要学生不断整合新旧知识经验，形成新的或更复杂的认知结构，注重对学习过程的反思和调控，从而促进元认知能力和学习能力的发展。另一方面元认知的发展能够促进深度学习，学习者利用元认知对自身的认知过程进行监控和调整，并采取相应的策略修正认知过程存在的问题，提高对复杂概念、原理的理解程度。在VR教育的信息交互场中，受VR技术影响，作为传统教育信息交互场中主要参与者的教师与学生，正在遭受着多方质疑。作为数据时代的教育参与者——教师与学生，其合法性和有效性存在诸多争议：一方面，学界对VR教育研究抱有极大热情的背后，是对VR虚拟现实特性无限可能的预判；另一方面，VR对教育变革的影响，已经突破了简单技术辅助层面，形成从创新教学方法到教师角色定位的研究重点。教师创新教学方法层面，VR创新教师概念及其教学方法主要集中在“教与学的概念”(Concepts of Teaching andLearning)、“教学模式和方法”(Pedagogical Models andMethods)以及“学习环境”(Learning Environment)。教师方面，Liu、Hsin-Hun、Yang学者通过对《阿凡达》虚拟现实技术与受众的分析，提出“VR教育中教师(Teacher)要具有角色表演戏剧能力的新议题”。学生方面，Huang、Hsiu-Mei学者通过研究虚拟现实的三个特征间的关系，并借助案例和问卷调查方式，指出“虚拟环境中学习者(Learner)具有明显的学习意愿(A Positive Impact onPerceived Usefulness)，感知有用性更积极(Perceived Ease of Use)”。同时教学领域研究主要是利用V R技术特性和教育原理，探寻新技术环境下的新教学模式和方法。美国教育心理学大师布鲁纳认为：学习是对环境的适应，是一个主动的过程。人的认知过程正是通过主动地把进入感官的事物进行选择、转换、储存和应用，才得以向环境学习，并适应以致改造环境。

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究的基本内容：

（1）分析各种教学模式

第一类是信息加工教学模式。这类教学模式依据信息加工理论，把教学看作是一种创造性的信息加工过程。它着眼于知识的获得和智力的发展。主要有以信息处理能力的发展研究为基础的模式（皮亚杰）；以学习理论为基础的模式（加涅）；概念获得模式（布鲁纳）。

第二类是个性教学模式。这类教学模式的理论依据是个别化教学理论与人本主义的教学思想。其核心是强调学生在教学中的主观能动性，着眼于个人潜力和人格的发展。如罗杰斯的非指导性教学模式，杜威的“活动教学模式”。

第三类是合作教学模式。这类教学模式依据的是社会互动理论，强调教师与学生、学生与学生的相互影响和人际交往，着眼于人的社会性品格的培养，如前苏联戈盖巴维利等一批学者创立的合作教育学。

第四类是行为控制教学模式。这类教学模式依据的是行为主义心理学理论，它把教育看作一种行为不断修正的过程。它通过操作方法的自我控制并驾驭自己的环境，来提高目标行为质量和减少不适应的行为。如程序教学模式（斯金纳），以“智力行为多阶段形成理论”为基础的教学模式（加里培林）等。

（2）分析各种教学模式对应的教学手段

主要是对深度学习视域下科学实验课的教学模式与教学手段的搭配，比如，传统实验课教学，多媒体实验课教学，直播线上教学，VR/AR教学等。以达到最好的教学效果。

2.2研究目标

（1）通过查看资料，了解各种教学模式的特点。

（2）了解各种教学方法的特点。

（3）分析如何是深度学习视域下中学理科教学模式达到最好的学习效果。

2.3拟采用的技术方案及措施

研究方案

本次研究将查阅资料和文献了解不同教学模式和教学手段，并通过分析从而得到各种教学模式的特点。研究主要分为以下几个步骤：

1. 通过查阅资料的形式，了解教学模式的有关特点。

2. 通过查阅资料的形式，了解教学方法的有关特点。

3. 通过问卷的形式，了解学生对教学模式的选择。