拓寬科學(xué)探究活動的深度和廣度

陳玉寶 沈國酰

在科學(xué)課堂教學(xué)中，借助現(xiàn)有成熟的數(shù)字虛擬仿真技術(shù)助力傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以有效拓寬科學(xué)探究活動的深度和廣度，提高學(xué)生科學(xué)探究的能力和科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

一、傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)之“弊”

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的主要過程，對于發(fā)展小學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有重要的意義。但目前小學(xué)科學(xué)部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)存有諸多難題。

1.無法感知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)準(zhǔn)備上有難度、實(shí)驗(yàn)過程較長、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不明顯，或危險系數(shù)大根本無法實(shí)物呈現(xiàn);

2.受地理環(huán)境和條件的限制難以完成。如雨和霜的形成、霜和雪的關(guān)系和地層形成、卵石的形成、溫度對巖石的破壞的作用等;

3.在實(shí)驗(yàn)室演示時不易成功或操作容易錯誤，或現(xiàn)象不明顯，影響教學(xué)效果;

4.實(shí)驗(yàn)視場窄小，可見度低，影響學(xué)生的觀察;

5.實(shí)驗(yàn)難度較高、低趣性味，實(shí)驗(yàn)表面熱鬧實(shí)則機(jī)械的動手操作，失去培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的作用。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之“利”

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)借助于現(xiàn)代數(shù)字多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR或AR）等技術(shù)在計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。

數(shù)字化環(huán)境下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂中的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、及時采樣收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、時空被擴(kuò)大、智能交互、研究不受外來?xiàng)l件的影響和限制、可錄制和重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程、圖文并茂、動畫豐富，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式直觀性、立體感和動態(tài)感不足的現(xiàn)狀。

三、權(quán)衡利弊——真實(shí)或虛擬實(shí)驗(yàn)的合理取舍

1.是否更有助于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

真實(shí)實(shí)驗(yàn)有其天然的優(yōu)勢，科學(xué)教育中倡導(dǎo)親身經(jīng)歷的探究活動。但虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)使傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器擴(kuò)展了新的功能，為基本的科學(xué)實(shí)驗(yàn)賦予了新的內(nèi)容，突出了現(xiàn)代化測試手段和方法的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬了學(xué)生視野，增強(qiáng)了其適應(yīng)科技發(fā)展的能力，更有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2.是否與科學(xué)探究活動密切相關(guān)。

雖然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備的幾大優(yōu)點(diǎn)——仿真性、可控性、開放性、游戲趣味性等特點(diǎn)，能有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，但教學(xué)中不能脫離科學(xué)探究的本質(zhì)：（1）防止過度、不恰當(dāng)?shù)厥褂枚嗝襟w技術(shù)，能用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)解決的不選擇仿真實(shí)驗(yàn);（2）恰當(dāng)?shù)卮_定適宜學(xué)生的教學(xué)目標(biāo)，防止設(shè)計過高的教學(xué)目標(biāo);（3）課外容易得到探究材料不選擇;（4）要充分體現(xiàn)科學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，防止只看不做，通過實(shí)物模擬和虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生有了更深入地學(xué)習(xí)的機(jī)會。

3.是否更兼顧二者實(shí)驗(yàn)情境的切換，實(shí)現(xiàn)“無縫對接”。

數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建從課程上突破了演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的界限。通過對與科學(xué)探究活動相關(guān)的系列資源進(jìn)行統(tǒng)籌整合，使學(xué)生理解活動之間的必然聯(lián)系和意義，能夠不斷產(chǎn)生出“邊講邊實(shí)驗(yàn)”“隨堂實(shí)驗(yàn)”“小實(shí)驗(yàn)”等新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)。

4.是否有更豐富的課程資源供學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)。

新潮的科技帶來的新的教學(xué)效果，的確提高了課堂的有效性，但“土洋結(jié)合”能帶來更好的教學(xué)效果，需要教師們既不守舊，也不貪“潮” ，合理取舍。

四、虛實(shí)結(jié)合——虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)結(jié)合應(yīng)用策略

1.借助數(shù)字化平臺的現(xiàn)有成熟數(shù)字軟件和技術(shù)運(yùn)用的智慧學(xué)習(xí)策略，突破傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)對“時、空”的限制。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的交互性、沉浸感和智能化越來越強(qiáng)，已經(jīng)在各個領(lǐng)域顯示其強(qiáng)大功能，大膽的探索、跨越時空的想象必須要借助一個虛擬的平臺，人們的認(rèn)識才會更加完善。如谷歌地球（Google earth）、百度地圖3D街景，讓探究活動更直觀;虛擬天文館（Stellarium）讓科學(xué)觀測更深遠(yuǎn);智能移動App，讓科學(xué)學(xué)習(xí)更智慧;數(shù)字傳感與excel統(tǒng)計，讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確;高倍數(shù)字?jǐn)z像與微課微視頻，讓科學(xué)觀察更清晰;數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（DISLab），讓實(shí)驗(yàn)形式更豐富;Zspace 為代表的VR（AR）虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，讓實(shí)驗(yàn)更逼真。

2.虛擬仿真軟件創(chuàng)設(shè)身臨其境的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，再帶著科學(xué)問題回到真實(shí)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)以學(xué)習(xí)者中心的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境，喚起學(xué)生探究的欲望。

仿真實(shí)驗(yàn)是對直接實(shí)驗(yàn)的一個必要補(bǔ)充，集文字、聲音、圖形、動畫、視頻于一體，動感十足、交互性強(qiáng)，通過創(chuàng)設(shè)情境，有利于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3.借助虛擬實(shí)驗(yàn)建立模型，在將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果類推到真實(shí)原型上去。

科學(xué)課中的“模型”是對不易見到的事物或現(xiàn)象的具體體現(xiàn)，建立模型的目的就是為了解釋這些事物或現(xiàn)象。通過建模的方法給學(xué)生搭建一個過度“支點(diǎn)”，能夠幫助學(xué)生深刻地理解科學(xué)概念。

4.借助虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生的前概念顯露無遺，再在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生的錯誤概念得到顯性替換。

仿真實(shí)驗(yàn)不僅支持充分挖掘?qū)W生的前概念，更能即時保存、重現(xiàn)這些珍貴資源，形成認(rèn)知沖突，實(shí)現(xiàn)對前概念的有效糾正、完善和替換，最終形成科學(xué)概念。

5.借助虛擬實(shí)驗(yàn)對真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“預(yù)設(shè)”，學(xué)生思維可視，推理過程層層深入，讓真實(shí)探究任務(wù)變得短時而高效。

小學(xué)生正處于感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的過渡階段，認(rèn)知支架能更好展現(xiàn)學(xué)生的思維軌跡。仿真實(shí)驗(yàn)重在運(yùn)用技術(shù)直觀顯現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)背后的事物發(fā)展規(guī)律，實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的可視化。虛擬仿真還能提供動態(tài)重放的功能，促進(jìn)思維有效發(fā)展。

6.用虛擬實(shí)驗(yàn)的交互功能作為思維活動的有力支撐，通過多重交互，為真實(shí)實(shí)驗(yàn)探索鋪路搭橋。

仿真實(shí)驗(yàn)觸屏展現(xiàn)思維時，形成了多方交互：人機(jī)交互、生生交互、師生交互等，每個學(xué)生收到的形成性評價方式是及時的、持續(xù)的。

7.虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)交替進(jìn)行、互相補(bǔ)充，借助虛擬實(shí)驗(yàn)，讓海量信息隨機(jī)呈現(xiàn) ，幫助學(xué)生建立起以核心概念為主線的知識框架。

借助仿真軟件豐富的軟件資源庫和儲存的優(yōu)勢，可以打破時間和空間的障礙，通過對大量事實(shí)及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析、歸納、推理得出科學(xué)的概念和規(guī)律，既兼顧學(xué)生的意志出示信息，又使課堂研討省時高效、及時查漏補(bǔ)缺，

【作者單位：盱眙縣實(shí)驗(yàn)小學(xué)? 江蘇】