初中物理中CVL微視頻學習資源設計模型的構建與應用的論文
摘要：該文運用二階診斷測試法對8年級學生在“光現象”單元學習之前的認知起點進行了測查。在借助具身認知理論對學習內容與學習者的認知狀況進行綜合分析后發現：由于學習者的視覺感知在明暗分辨能力、空間分辨能力和時間分辨能力等方面存在局限，學習者可能通過視覺獲得不準確或不全面的信息，并以這些信息為依據形成對“光現象”內容的偏差認知。為了從源頭上修正學習者的偏差認知，該文提出了以借助技術對視覺局限進行補償為核心，以改善學習、促進學習者偏差認知的轉變為目的，以綜合運用生理補償和心理補償為手段的微視頻學習資源設計模型，開發了“光現象”系列微視頻學習資源，并通過等組準實驗研究對模型及微視頻學習資源的效果進行了檢驗。教學實驗結果顯示，運用微視頻學習資源進行教學的實驗組在促進學習者偏差認知轉變方面顯著優于對照組。
關鍵詞：CTCL;具身認知；中學物理；視覺局限；微視頻；光現象。
近年來逐步興起的學習技術研究范式（簡稱CTCL）[1]主張在文化視域下，將學習者、學習內容和技術相統合，逐步形成以深入學科、關注學習者和技術改善學習等為特點的研究取向[2],為教育技術領域的研究提供了新的思路。面對“如何通過技術來改善學習”這一教育技術研究所關注的重要問題，CTCL研究范式認為“技術的運用應與學習者狀況以及學習內容相適應以期有效改善學習”[3].也就是說，有效運用技術的前提是深入學科、關注學習者，必須根據學習者與學習內容的具體情況，選擇適合的技術以及技術的用法，才能有效改善學習。
本研究運用CTCL研究范式，以微視頻學習資源開發作為切入點，以初中物理課程中“光現象”單元的學習為例，根據具身認知理論和對學習者認知起點的分析，提出了以借助技術對視覺局限進行補償為核心，以改善學習、促進學習者偏差認知[4][5]的轉變為目的，以生理補償和心理補償相結合為手段的微視頻學習資源設計模型。為驗證該模型的可行性與有效性，研究還運用該模型設計、制作了“光現象”系列微視頻學習資源，并通過教學實驗對其效果進行了檢驗。
一、具身認知理論與人的視覺局限。
具身認知（Embodied Cognition）[6][7]是近年來認知心理研究的新取向。傳統的認知主義傾向于認為認知與人自身的知覺運動經驗是相分離的，而具身認知理論則認為認知活動不僅離不開生物的大腦，而且與人類身體及其所處的環境密切相關[8].然而，人的生理機能并不完美。以人的視覺為例，人類所感知的信息中大約有80%是通過視覺獲得的，但人的視覺在光譜分辨能力、明暗分辨能力、空間分辨能力和時間分辨能力等方面存在局限[9].例如人的視覺只能感知特定頻段的電磁波、在強光環境下看不清弱光的變化、分辨不清遠處影像的細節、只能分辨靜止或運動速度較慢的目標等。
具身認知理論認為“心智之所以從根本上是具身的，并非僅僅因為心智的所有過程必須以神經活動為基礎，而是因為我們的知覺和運動系統在概念形成和理性推理中扮演了一種基礎性的角色”[10].視覺作為人體最重要的感覺之一，也會影響人的認知，而視覺的局限則有可能干擾科學知識的建構[11],對認知的過程和結果造成影響。
二、視覺局限影響學習者的認知起點。
為了了解視覺局限會對學習者產生哪些具體的影響，我們以初中物理“光現象”單元的學習為例，對學習者與“光現象”有關的認知起點進行了測查。
（一）學習者認知起點的測查。
本研究所關注的認知起點主要指學習者在學習物理課程前對相關概念、現象的認知，也就是通常意義上的前概念[12].前概念中的“概念”并不是嚴格意義上的狹義的概念，而是更接近于觀念，是頭腦中對某一對象（事物、現象、過程等）的觀點、看法[13].與初中生光學學習相關的前概念測查在國際上有比較成熟的研究可供借鑒[14-16],但對于這些前概念的本土化研究并不多見。因此，本研究一方面對國內外與光學內容相關的前概念研究進行了綜述，對常見的前概念、尤其是與科學觀念相悖的前概念進行了梳理，并將其作為認知起點的主要內容；另一方面，選取本土樣本，運用二階診斷測試[17]對學生進行相關前概念的測查，對綜述的結果進行驗證和補充，以保證認知起點的可靠性。
（二）視覺局限對認知起點的具體影響。
通過綜述、測查與分析，我們發現視覺局限對學習者的部分認知起點確實有影響。在對“光現象”的理解上，學習者把通過有局限的視覺所獲取的信息作為對“光現象”進行解讀的依據。這些信息未必能完整、真實地反映客觀世界，但卻能支持相關前概念，促使學習者形成難以轉變的偏差認知。如下表所示，對“光現象”內容的理解產生較為明顯影響的是視覺在明暗分辨能力、空間分辨能力和時間分辨能力方面存在的局限。
例如，學生認為“有的物體能夠反射光，有的物體不能反射光”,他們的判斷依據主要分為兩類：一類是根據物體的視覺效果進行判斷，例如“明亮”“影子（虛像）”“反照（反光）”等，能明顯觀察到上述現象的物體就被認為是能反射光的，現象不明顯的、不易被觀察到的物體就會被認為不能反射光；另一類是將一些能反射光的物體的特性提取出來作為判斷依據的。不論是哪種判斷依據，都和人的視覺感知有關，但人的視覺在明暗分辨能力方面是有局限的，當周圍環境比較明亮時，那些較弱的反射現象就不容易被人察覺，一些物體因此就被認為不能反射光。
在判斷一個物體是不是光源時，也有類似的情況。例如，有些學生認為“星星都是光源”,因為他們看起來都差不多，都很明亮，這是由于人的視覺在空間分辨能力方面的局限，當物體距離較遠時，僅憑視覺我們無法分辨這些星體中哪些是自身發光的，哪些是反射其他星體發出的光，在缺乏足夠信息的情況下，也容易產生有偏差的認知。再如，有些學生認為“光的傳播不需要時間”“ 可以瞬間到達”,但他們還認為光有速度，而且速度極快。即便是小學生，在已知速度和路程的情況下也可以計算出光的傳播是需要花費時間的，但為什么這些中學生會認為“光的傳播不需要時間”呢？一種可能的解釋是，在生活中，學習者聽說過“光速”一詞，或許也知道真空中光速的數值，但由于人的視覺在時間分辨能力方面存在局限，不能直接通過肉眼觀察到正在高速、穩定運動著的光，所以感覺不到光是運動的。在這種情況下，學習者為了調和科學知識與感性認識之間的沖突，便產生了上述有偏差的認知。
三、CVL微視頻學習資源設計模型的理論建構。
（一）視覺局限補償（Compensation for Visual Limitations）的機理。
通過前述研究，我們發現有局限的視覺可能會為“光現象”學習內容的理解提供不準確或不完整的信息，促使學習者形成與科學觀念相左的偏差認知。如何消除視覺局限對學習者的負面影響呢？我們不妨先來打個比方，有局限的視覺就像是“近視眼”,它讓我們看不清視力表上字母“E”的開口方向。為了消除“近視眼”的影響，最簡便的方法就是帶上一副針對“近視”量身打造的“眼鏡”,補償“近視”對信息獲取造成的負面影響。同理，要消除有局限的視覺對學習者所造成的負面影響，也需要一副“眼鏡”對視覺局限進行補償。
由于視覺局限存在于學習者的生理層面，所以視覺局限補償也理應針對生理層面來進行。例如，在觀察月球對太陽光的反射時，可以借助長焦攝影等視覺增強技術來進行拍攝，對視覺在空間分辨能力上的局限進行補償，使學習者獲得更為全面和準確的信息。但學習者多年來一直是以有局限的視覺作為信息的來源，他們已經獲得的那些不可靠的視覺信息容易促使學習者形成有偏差的認知，而這些有偏差的認知又會被用來解讀新獲得的視覺信息，進一步形成新的偏差認知。因此，單純從生理層面對視覺局限進行補償是不夠的，還需要對心理層面進行補償，修正學習者的偏差認知。我們可以將這種視覺局限補償的機理概括為“從生理到心理，從感知到認知”.
（二）CVL微視頻學習資源設計模型的構成。
為實現視覺局限補償，開發能切實有效地修正學習者偏差認知的微視頻學習資源，本文運用“從生理到心理，從感知到認知”的視覺局限補償機理，提出了以借助技術進行視覺局限補償為核心的微視頻學習資源設計模型（簡稱CVL微視頻學習資源設計模型）。
如圖1所示，模型由三個層次和六種功能組成。三個層次由外向內依次是技術層、生理層和心理層。這是因為，技術為生理上的視覺局限補償提供直接的技術支持；而心理上的視覺局限補償也需要技術的支持，但由于視覺局限對心理層的影響源于生理層，技術只能通過生理層的中介作用為心理層提供間接的技術支持，所以在模型中技術層在最外層、生理層在中間、心理層在內層。六種功能分別是在生理層上對視覺的空間分辨能力進行補償的功能、對時間分辨能力進行補償的功能和對明暗分辨能力進行補償的功能，以及在心理層面喚醒學習者視覺經驗的功能、獲取新的視覺經驗的功能和修正偏差認知的功能。
（三）對CVL微視頻學習資源設計模型中六種功能的解析。
模型中的六種功能是指需要借助技術實現的六種有助于視覺局限補償的功能。其中三種生理層面的功能屬于直接補償，另外三種心理層面的功能屬于間接補償。
在生理層面，借助各種技術，以視頻的形式提供“技術增強后”的視覺信息。例如，采用變焦技術，借助長焦或微距，使學習者能夠獲得距離較遠的物體或是微小物體的細節，實現空間分辨能力的補償；采用控制環境光線、展示局部細節、數字濾鏡增強等方式，讓學習者能夠感知到平時不易察覺的光影變化，實現明暗分辨能力的補償；采用超高速攝影和延時攝影技術，幫助學習者了解光現象的發生過程，實現時間分辨能力的補償。
在心理層面，需要對與學習內容相關的視覺經驗進行一系列的操作，使學習者意識到視覺局限的存在及其危害，獲得對光現象的正確認識，修正學習者的偏差認知。為實現這些目標，需要微視頻學習資源具備以下三種功能：
其一，喚醒學習者的視覺經驗，讓學習者意識到自身視覺是存在局限的，促使他們對從視覺獲得的信息進行重新評估。大多數情況下，學習者通過視覺獲取的信息都能為學習者的各種活動提供積極的支持，因此，在學習者頭腦中“眼見為實”的觀念仍然占主導地位。在學習者的實際生活中，由視覺局限造成的偏差認知同樣存在，只是這些偏差認知并沒有給學習者的生活帶來多大困擾。為了讓學習者意識到視覺局限的存在，可以幫助學習者喚醒記憶中已經存在的、由視覺局限造成的偏差認知，使其意識到“眼見未必為實”.
其二，獲取豐富、客觀的視覺信息，形成符合客觀實際的視覺認知。由于視覺局限的存在，學習者所獲取的關于客觀世界的信息往往是不全面的，例如，不能獲得足夠的細節來判斷金星是不是自身發光；不能捕捉光的運動過程來判斷光的運動到底需不需要花費時間。微視頻學習資源需要借助前述的各種技術，為學習者提供更為豐富的、蘊含事物細節的信息，為他們進行分析、判斷提供足夠的依據。
其三，修正偏差認知，形成科學認知。學習者頭腦中存在很多有偏差的認知，這些認知相互支撐形成網狀的結構，因此針對個別偏差逐一進行修正的方式既不經濟也未必有效。應當尋找這些偏差認知中的上位觀念，重新評估其可靠性，并通過“技術增強后的視覺”獲取豐富、客觀的視覺信息以修正這類上位的認知，再根據認知網絡的結構，逐級修正有偏差的認知。
需要說明的是，在運用該模型設計微視頻學習資源時，往往需要綜合運用生理補償與心理補償，使其相互配合以達到補償視覺局限、修正偏差認知的目的，最終促進學習者的學習。
四、CVL微視頻學習資源設計模型的實踐檢驗。
為了檢驗CVL微視頻學習資源設計模型的可行性和有效性，本研究運用該模型，針對“光現象”單元的學習內容開發了一組微視頻學習資源，并運用這組學習資源在C市某普通初級中學的兩個平行班中進行了等組前、后測準實驗研究。
為保證實驗組和對照組基本滿足同質性的要求，實驗選取的A、B班均為中等水平的平行班，兩個班級前測結果無顯著性差異；所有學生均未在課內或課外輔導班學習過“光現象”部分的相關內容；物理課由同一位教師任教。我們將A班作為實驗組，運用微視頻學習資源進行教學；B班作為對照組，運用常規教學資源進行教學。教學實驗結果顯示，運用微視頻學習資源的實驗組在促進學習者概念轉變的效果上顯著優于使用常規教學的對照組[18].下面將以針對明暗分辨能力和時間分辨能力進行補償的部分微視頻學習資源的設計機理與教學效果的實踐檢驗為例，說明如何運用該模型來設計有效的微視頻學習資源。
（一）“反射的普遍性”微視頻學習資源的設計解析與教學效果的實踐檢驗。
部分學習者認為“有的物體能夠反射光，有的物體不能反射光”.物體反射光線的能力與物體表面的形狀、粗糙程度、顏色等諸多因素相關，與鏡子、水面等物體表面對光的反射能力相比，大部分物體反射光的能力都比較弱，而人眼在明暗分辨能力方面又存在局限，因此在日常較為明亮的環境中不易覺察到由于物體對光的反射而產生的微弱的明暗變化，從而形成有偏差的認知。
針對這一偏差認知，研究設計了一條名為“反射的普遍性”的微視頻學習資源。在微視頻學習資源的設計中，我們通過選用高亮度光源、降低背景環境亮度、縮短反射距離、調節視頻圖像的對比度等技術手段使學習者更容易觀察到反射現象，彌補視覺在生理方面的局限。而在心理層面，則以學習者熟悉的經驗作為起點，通過觀察光線經表面光滑的物體反射后在背景墻上形成明亮的“光斑”這一現象，喚醒學習者關于有些物體能夠反射光線的經驗。接著利用相同的場景，依次將表面光滑的物體換成不同顏色的布料、不同種類的紙板、人的皮膚、動物毛皮、黑色的皮革等不同材質、顏色的物體，讓光線照射這些物體的表面，仍然通過觀察背景墻上的反射“光斑”來證明這類物體也能反射光，從而幫助學習者獲得“生活中常見的物體都能反射光”這一視覺經驗，修正自身有偏差的認知。
如圖2、圖3所示，在對“衣服、水泥地面、墻壁、小狗”這些物體能否反射光的測查中，前測數據顯示，不論是實驗組還是對照組，認為這些物體能夠反射光的學生比例均較低；而后測數據顯示，實驗組與對照組中認為這些物體能夠反射光的學生比例均有所增長，實驗組的增長量明顯高于對照組。也就是說，實驗組中有更多的學習者修正了原有的有偏差的認知，形成了科學的認知。
（二）“我看到了光的運動”微視頻學習資源的設計解析與教學效果的實踐檢驗。
有部分學習者認為“光的傳播不需要花費時間”,這是由于光的運動速度極快，人的視覺在時間分辨能力方面存在局限，無法捕捉到光的運動過程，所以形成有偏差的認知。針對這一偏差認知，研究設計了一條名為“我看到了光的運動”的微視頻學習資源。在微視頻學習資源的設計中，我們借助由MIT媒體實驗室Camera Culture小組所開發的超高速攝影技術[19]展示光的運動過程，以彌補視覺在生理方面的局限。在心理層面，則先通過讓學習者“犯錯誤”的方式--即錯誤地判斷穩定流動水流的運動狀態，使其意識到視覺局限可能會讓人做出錯誤的判斷；接著將水流與光束進行類比，提出檢驗光是否運動的實驗方案與技術；最后，運用前述的超高速攝影技術，展示光的真實運動情況，修正學習者的偏差認知。
如下頁圖4所示，在對“光的運動是否需要花費時間”這一觀念進行測查的試題中，前測數據顯示，實驗組和對照組均有約50%的學習者認為光的運動需要花費時間，而后測數據顯示，實驗組中認為“光的傳播需要花費時間”的比例上升至68.8%,對照組不但沒有提升還略有下降，在轉變學生這一偏差認知方面，實驗組比對照組效果好。
五、研究結論。
教學實驗的研究結果顯示，根據CVL微視頻學習資源設計模型所開發的初中物理“光現象”微視頻學習資源能夠有效修正學習者的偏差認知，提升學業水平，這說明CVL微視頻學習資源設計模型具有引導資源開發者設計優質學習資源的潛質。通過對CVL微視頻學習資源設計模型的建構與應用歷程的反思，我們可以將這個過程中的主要研究思想概括為以下四點：
（一）“偏差認知的形成與自身經驗有關”的研究論斷。
模型的建構始于對學習者與初中物理“光現象”內容相關的認知起點的測查，測查結果顯示在學習者的前概念中存在一些與科學事實不符的偏差認知。這些偏差認知的成因比較復雜，一些學者曾嘗試從不同的角度建構理論來解釋偏差認知的成因[20-22],但都沒有獲得學界的廣泛認同，但有一點是比較明確的，那就是這些偏差認知跟學習者的經驗有關，學習者的經驗常為偏差認知提供支持[23].
（二）“視覺局限可能促使偏差認知的生成”的理論假設。
本研究引入學習科學中的具身認知理論，對這些偏差認知的成因進行分析。根據“人的生理因素會影響人的心理”這一理念，我們認為使學習者產生偏差認知的生理因素很可能是學習者存在局限的視覺感知能力。視覺是學習者獲取信息的重要渠道，但有局限的視覺可能使學習者獲得不準確的信息，而這些不準確的信息又會形成不準確的經驗，最終形成有偏差的認知。這一理論假設也能在一定程度上解釋“有些偏差認知難以轉變”“概念轉變的效果難以持久”[24]等現象。以經典的波斯納的概念轉變策略為例，其核心是使學習者懷疑偏差認知的可靠性、相信科學認知的合理性[25],從而實現偏差認知的轉變，但由于視覺局限的存在，學習者幾乎每天都會從視覺渠道獲得支持偏差認知的視覺經驗，這種日積月累的強化是科學認知和經典概念轉變策略所不具備的，因此概念轉變難以實現，其效果也難以長期保持。
（三）“從生理到心理，從感知到認知”的設計機理。
本研究的學習資源設計模型提出了一條？“從生理到心理，從感知到認知”的偏差認知轉變路徑，一方面通過技術彌補學習者在視覺上的局限，使學習者意識到“眼見未必為實”,阻斷偏差認知的強化途徑；另一方面，通過“技術增強后的視覺”提供豐富、客觀的視覺經驗，并對原有的視覺經驗重新進行科學的解讀，化“敵”為“友”,使其轉變為支持科學觀念的經驗，最終使偏差認知得以修正，科學認知得以保持。
（四）“技術改善學習”的適切機遇。
這一路徑的提出得益于具身認知理論的觀點，而這一路徑的實現則得益于技術的發展，尤其是各類感覺增強技術的發展。例如，本研究使用了一段通過超高速攝影技術所拍攝的、用以展示光運動情況的視頻素材設計了一條微視頻學習資源，并通過這條微視頻學習資源使學習者意識到光是運動的、光的運動需要花費時間，只是由于光的運動速度極快，我們的視覺捕捉不到而已。在超高速攝影技術出現之前，我們只能通過精密的物理儀器和復雜的實驗設計證明光是運動的，但這種方式與簡潔、直觀的超高速攝影技術相比顯然要遜色不少，而這類與學習文化、學習者需求以及具體學習內容都適切的、能夠使學習者更容易理解和接受科學事實的新技術或許正是我們在技術的海洋中苦苦追尋的“能夠改變教育的技術”,而本研究剛好處在這類技術不斷涌現的時代，趕上了這一機遇。
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