基于虛擬技術(shù)的小學(xué)科學(xué)“虛實(shí)同頻”學(xué)習(xí)變革

摘 要：為更好地提升學(xué)生個(gè)性化、多樣化發(fā)展，彌補(bǔ)小學(xué)科學(xué)中真實(shí)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的不足，以虛擬實(shí)驗(yàn)為載體，設(shè)計(jì)虛實(shí)同頻的混合式學(xué)習(xí)模式。分別在真實(shí)實(shí)驗(yàn)下“可觸的學(xué)習(xí)”和虛擬實(shí)驗(yàn)下“不可觸的學(xué)習(xí)”培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)真實(shí)學(xué)習(xí)和虛擬學(xué)習(xí)雙向推進(jìn)學(xué)習(xí)路徑；結(jié)合三重場(chǎng)景為學(xué)生概念學(xué)習(xí)提供優(yōu)化環(huán)境，三維模式重構(gòu)學(xué)生探究活動(dòng)環(huán)節(jié)和三層課堂建構(gòu)滋生學(xué)生多感官、多腳手架和多拓展學(xué)習(xí)，主打真實(shí)體驗(yàn)，虛擬輔助，虛實(shí)結(jié)合的混合式學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)化學(xué)生科學(xué)思維和品質(zhì)，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué)；虛實(shí)同頻；混合式學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

義務(wù)教育科學(xué)課程是一門體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的綜合性基礎(chǔ)課程，具有實(shí)踐性，倡導(dǎo)學(xué)生研究自然、發(fā)現(xiàn)自然、挖掘自然，探索的方式和資源可多樣。《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中指出：科學(xué)課程資源是指有助于進(jìn)行科學(xué)教學(xué)活動(dòng)的各種資源。合理使用這些資源，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，提高教學(xué)活動(dòng)的質(zhì)量[1]。教師應(yīng)利用信息技術(shù)手段，如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等，讓學(xué)生比較直觀便捷地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。由此可見，開發(fā)與利用一套“符合課程標(biāo)準(zhǔn)要求，貼近教與學(xué)的實(shí)際，豐富教學(xué)內(nèi)容，推動(dòng)科學(xué)教學(xué)有效進(jìn)行”的課程資源是小學(xué)科學(xué)教學(xué)方式變革的現(xiàn)實(shí)需求。

一、問(wèn)題提出

目前教學(xué)中，存在“為學(xué)而學(xué)”“走走形式”，過(guò)多關(guān)注教學(xué)流程，忽略與真實(shí)生活情境的契合，忽略學(xué)生學(xué)習(xí)的深層理解等問(wèn)題，具體如下。

（一）“實(shí)踐研究”形式化，缺少真實(shí)探索模式

教材給定的實(shí)踐研究往往具有固定形式：提出問(wèn)題、猜想假設(shè)、合作探究、信息交流和得出結(jié)論。學(xué)生就像生產(chǎn)車間流水線上的員工，每一流程走一遍，實(shí)踐完詢問(wèn)學(xué)生體會(huì)到了什么，學(xué)生一片迷茫。實(shí)驗(yàn)變成為了探究而探究，與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題解決相分離，多元探索模式的缺少，讓實(shí)踐局限于形式化。

（二）“概念認(rèn)識(shí)”片面化，缺少深層抽象學(xué)習(xí)

核心概念數(shù)量不多，“少”但不表示學(xué)而不求“精”。小學(xué)科學(xué)教學(xué)過(guò)程中，一些教師對(duì)學(xué)生概念的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)偏離核心，使得學(xué)生學(xué)習(xí)游離于表層，只得一知半解，似懂非懂。學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)知?dú)埲辈粚?shí)，使學(xué)生收獲的也僅僅是一些沒(méi)有結(jié)構(gòu)、淺層的、散亂的“惰性知識(shí)”。

（三）“應(yīng)用遷移”單一化，缺少綜合應(yīng)用能力

一班多人，前概念認(rèn)知、實(shí)踐能力參差不齊，無(wú)法統(tǒng)一化實(shí)現(xiàn)學(xué)生沉浸式學(xué)習(xí)，造成大部分學(xué)生元認(rèn)知能力欠缺，學(xué)習(xí)內(nèi)化不足，轉(zhuǎn)變題型，學(xué)生就無(wú)法利用原理有效遷移解決，缺少綜合應(yīng)用能力。

因此，為發(fā)展學(xué)生學(xué)習(xí)能力和高階思維，使用教育部教育技術(shù)與資源發(fā)展中心（中央電化教育館）主導(dǎo)研制的虛擬技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”），實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)同頻”的混合式學(xué)習(xí)模式，主打真實(shí)體驗(yàn)，虛擬輔助，虛實(shí)結(jié)合。在“可觸的學(xué)”和“不可觸的學(xué)”中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，具體實(shí)施路徑如圖1所示。

二、真實(shí)實(shí)驗(yàn)：走向動(dòng)態(tài)表征的“具象感知”實(shí)踐

真實(shí)的演示、測(cè)量和探究實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)中必不可缺，具象感知實(shí)踐讓學(xué)習(xí)發(fā)生更真實(shí)接觸，真實(shí)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生的學(xué)習(xí)走向動(dòng)態(tài)。

（一）示范·接受：真實(shí)演示實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)面對(duì)面對(duì)話

由于小學(xué)科學(xué)課程某些內(nèi)容的特殊性，教師只能通過(guò)使用課件、錄像，或者教師單向操作實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)演示。教師按照既定實(shí)驗(yàn)步驟順序執(zhí)行，學(xué)生將獲取知識(shí)的情況反饋給教師。示范式的演示和被動(dòng)式的接受實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單化的面對(duì)面對(duì)話。

（二）變量·收集：真實(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)定量式比較

真實(shí)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究中不可或缺的一環(huán)，通過(guò)使用測(cè)量?jī)x器、方法或技術(shù)，對(duì)特定對(duì)象的某個(gè)或多個(gè)特征進(jìn)行定量的觀測(cè)和記錄。通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量與分析，學(xué)生收集獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，真實(shí)探究實(shí)現(xiàn)定量比較。

（三）直觀·思辨：真實(shí)探究實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)具象式體驗(yàn)

小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)中大部分實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生真實(shí)探究。在真實(shí)探究實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐、具身體驗(yàn)，促進(jìn)身體各個(gè)感官發(fā)出信息并相互融合。具身的動(dòng)態(tài)體驗(yàn)使學(xué)生認(rèn)知過(guò)程發(fā)生改變，能夠掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)原理和方法，進(jìn)而對(duì)認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新改造，即直觀親身實(shí)踐促發(fā)真實(shí)思辨，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)：觸發(fā)思維增值的“峰值體驗(yàn)”實(shí)踐

仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)在演示、測(cè)量和探究實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)不一樣的學(xué)習(xí)情境，虛擬實(shí)驗(yàn)觸發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)思維，增長(zhǎng)峰值體驗(yàn)。

（一）仿真·親身：從想象走向?qū)崪y(cè)的虛擬演示法

在真實(shí)演示實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生獲得更多的是現(xiàn)象，為了體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用，使學(xué)生有“真實(shí)”的體驗(yàn)，通過(guò)虛擬技術(shù)，打造仿真虛擬場(chǎng)景，學(xué)生借助仿真模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證自己的猜想，完成對(duì)事實(shí)的科學(xué)分析，這是學(xué)生對(duì)概念的矯正，學(xué)習(xí)從抽象想象走向真實(shí)觀測(cè)的過(guò)程。

（二）游戲·交互：從離散走向精準(zhǔn)的虛擬測(cè)量法

測(cè)量實(shí)驗(yàn)復(fù)雜程度參差不齊，借助央館虛擬技術(shù)構(gòu)建出相對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，最大限度確保學(xué)生在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)的準(zhǔn)確性。虛擬現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)功能讓學(xué)生在游戲性和交互性實(shí)驗(yàn)中，讓其實(shí)驗(yàn)結(jié)果從多變走向精準(zhǔn)，讓學(xué)生從定量的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獲得理性的認(rèn)知。

（三）沉浸·進(jìn)階：從低階走向高階的虛擬探究法

將虛擬技術(shù)的沉浸性、想象性特征同學(xué)習(xí)完美契合，還原現(xiàn)實(shí)生活，讓學(xué)生身臨其境地認(rèn)知理解新知識(shí)。當(dāng)學(xué)生不再是一個(gè)局外人時(shí)，就會(huì)積極思考、去質(zhì)疑，學(xué)習(xí)進(jìn)階從低階走向高階。

四、虛實(shí)同頻：培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的“混合學(xué)習(xí)”實(shí)踐

將虛擬技術(shù)和實(shí)際學(xué)習(xí)相融合，打造新型“虛實(shí)同頻課堂”。通過(guò)概念解構(gòu)、活動(dòng)重構(gòu)和課堂建構(gòu)三步驟，實(shí)現(xiàn)混合式學(xué)習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)素養(yǎng)發(fā)展。

（一）以虛補(bǔ)實(shí)：虛擬實(shí)驗(yàn)“三重場(chǎng)景”概念解構(gòu)學(xué)習(xí)

單憑教材常規(guī)學(xué)習(xí)，會(huì)出現(xiàn)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)概念、微觀概念和散點(diǎn)概念的理解不透。梳理這些概念課程，利用央館虛擬技術(shù)整合資源，創(chuàng)設(shè)虛擬可視場(chǎng)景、虛擬宏觀場(chǎng)景和虛擬長(zhǎng)程場(chǎng)景“三重場(chǎng)景”。

（1）虛擬可視場(chǎng)景——實(shí)際框架“結(jié)構(gòu)概念”學(xué)習(xí)

實(shí)際學(xué)習(xí)中，學(xué)生不易遷移的結(jié)構(gòu)概念，通過(guò)央館虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)定逼真的身體內(nèi)部環(huán)境、宇宙環(huán)境和空間集合環(huán)境等可視化虛擬場(chǎng)景，將其結(jié)構(gòu)化概念透明化，使難理解的結(jié)構(gòu)或抽象的、看不見、摸不到的物質(zhì)形象化，使課堂教學(xué)化難為易，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)概念的理解學(xué)習(xí)。

（2）虛擬宏觀場(chǎng)景——教材知“微觀概念”學(xué)習(xí)

宏觀場(chǎng)景是指將其微觀知識(shí)放大至場(chǎng)景，微觀轉(zhuǎn)換成龐大、巨大、擴(kuò)大的場(chǎng)面，延伸至學(xué)生可易觀察到的視角范圍。梳理教材中學(xué)生不易察覺(jué)的微觀概念，將其編輯成宏觀場(chǎng)景放入央館虛擬實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用央館虛擬實(shí)驗(yàn)宏觀場(chǎng)景技術(shù)最大化地呈現(xiàn)微觀概念，促進(jìn)學(xué)生對(duì)微觀概念的理解學(xué)習(xí)。

（3）虛擬長(zhǎng)期場(chǎng)景——學(xué)生認(rèn)知“零散概念”學(xué)習(xí)

厘清學(xué)生認(rèn)知過(guò)程中零散概念，用央館虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)集合零散情景，突破實(shí)驗(yàn)操作的空間和時(shí)間限制，創(chuàng)設(shè)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，呈現(xiàn)完整的實(shí)驗(yàn)、思維過(guò)程。利用虛擬仿真技術(shù)把條件有所限制的教學(xué)內(nèi)容放在理想化的情境中，在一堂課內(nèi)高效完成自主實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生可以隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)零散概念的整合學(xué)習(xí)。

（二）虛實(shí)結(jié)合：虛擬實(shí)驗(yàn)“三維模式”重構(gòu)學(xué)習(xí)

小學(xué)科學(xué)教學(xué)常有固有模式：提出問(wèn)題——探究解決——得出結(jié)論[2]，借助央館實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)入式虛擬模式、探究式虛擬模式和應(yīng)用式虛擬模式“三維模式”，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。

（1）導(dǎo)入模式：虛擬技術(shù)“現(xiàn)實(shí)情景化”探索

在小學(xué)科學(xué)課堂學(xué)習(xí)“導(dǎo)入環(huán)節(jié)”中放入虛擬實(shí)驗(yàn)探索，其學(xué)習(xí)模式如圖2。科學(xué)課的導(dǎo)入環(huán)節(jié)往往需要涉及多種器材、視頻等教學(xué)資源，且已有的資源作用有限，教具很難全面展示科學(xué)原理。所以，把沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)用于課堂情境創(chuàng)設(shè)與發(fā)現(xiàn)問(wèn)題中，導(dǎo)入形式多樣，提供不可替代的三維沉浸式體驗(yàn)，接近于逼真的“現(xiàn)實(shí)情景”，吸引學(xué)生高激情探索，在探究實(shí)踐過(guò)程中身臨其境地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有助于提高探究解決環(huán)節(jié)的有效性。

（2）探究模式：虛擬技術(shù)“現(xiàn)實(shí)問(wèn)題化”探索

在小學(xué)科學(xué)課堂學(xué)習(xí)“探究環(huán)節(jié)”中放入沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)探索，其學(xué)習(xí)模式如圖3。有很多科學(xué)猜想是很難動(dòng)手實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，把沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)用于探究解決問(wèn)題中，針對(duì)“現(xiàn)實(shí)問(wèn)題”思考虛擬化的問(wèn)題解決方法，探索解決過(guò)程，有助于發(fā)散學(xué)生科學(xué)思維，解決教學(xué)資源問(wèn)題，提供多樣化的問(wèn)題解決方式。

（3）應(yīng)用模式：虛擬技術(shù)“現(xiàn)實(shí)遷移化”探索

在小學(xué)科學(xué)課堂學(xué)習(xí)鞏固“應(yīng)用環(huán)節(jié)”中放入沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)探索，其學(xué)習(xí)模式如圖4。鞏固應(yīng)用環(huán)節(jié)形式比較單一，通常是以做紙質(zhì)習(xí)題為主。所以，將“現(xiàn)實(shí)遷移”放入虛擬情境驗(yàn)證中，在互動(dòng)完成拓展或探索體驗(yàn)后應(yīng)用虛擬技術(shù)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化，完成對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的遷移。學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索體驗(yàn)，有助于將概念知識(shí)轉(zhuǎn)化成學(xué)科素養(yǎng)內(nèi)涵，鞏固探究解決的思路與方法。

（三）虛實(shí)轉(zhuǎn)換：虛擬實(shí)驗(yàn)“三層”課堂建構(gòu)

在優(yōu)化場(chǎng)景中，重構(gòu)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)，在虛實(shí)結(jié)合中實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。虛擬表現(xiàn)層激活學(xué)生“多感官”學(xué)習(xí)，虛擬行為層引導(dǎo)學(xué)生“多腳手架”學(xué)習(xí)，虛擬創(chuàng)編層反饋學(xué)生“多拓展”素養(yǎng)生長(zhǎng)，建構(gòu)“三層”沉浸式課堂，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)轉(zhuǎn)換，使得學(xué)生的思維、能力發(fā)展不僅僅于表層。

（1）表現(xiàn)層，“多感官”學(xué)習(xí)激活生長(zhǎng)

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的“表現(xiàn)層”，可以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心生成一個(gè)三維空間的虛擬世界，借用設(shè)備為學(xué)生提供關(guān)于聽覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)的感官模擬，并通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備操作實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[3]。打破以講知識(shí)為主，或是以看圖片為主的科學(xué)課堂，學(xué)生接受多元化形式感官感知，從單方感知變?yōu)槎喾礁兄Y(jié)合，“多元感知”驅(qū)動(dòng)學(xué)生對(duì)小學(xué)科學(xué)更深層的學(xué)習(xí)。

（2）行為層，“多支架”學(xué)習(xí)探究生長(zhǎng)

虛擬實(shí)驗(yàn)中“行為層”的反饋設(shè)計(jì)即學(xué)習(xí)者與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間的交互。交互是學(xué)習(xí)者進(jìn)行知識(shí)傳遞的一種核心手段，通過(guò)可控部件（實(shí)驗(yàn)設(shè)備、按鈕、輸入框等）來(lái)支撐學(xué)習(xí)者與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間的交互操作，從而在平臺(tái)和用戶之間建立一種有機(jī)關(guān)系[3]?！岸嗄_手架”實(shí)踐具有顯著的引導(dǎo)性，向?qū)W習(xí)者傳遞更加明確、容易理解的反饋信息，使學(xué)習(xí)者獲得良好的情感體驗(yàn)。

（3）創(chuàng)編層，“多拓展”學(xué)習(xí)遷移生長(zhǎng)

學(xué)生學(xué)習(xí)以學(xué)生為主體，實(shí)驗(yàn)課堂的器材、步驟都是由教師限定好的，往往不利于學(xué)生知識(shí)的進(jìn)化構(gòu)建。可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)編功能開展研究性課題，布置一些課堂學(xué)習(xí)之后的拓展內(nèi)容，供學(xué)生自我思考。學(xué)生利用創(chuàng)編系統(tǒng)中的3D實(shí)驗(yàn)器材庫(kù)，自主設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案，并在平臺(tái)上不斷試錯(cuò)糾錯(cuò)、競(jìng)賽探索、發(fā)展創(chuàng)新。這樣的拓展學(xué)習(xí)可以拓寬學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生智力因素和非智力因素，提高學(xué)生思維、認(rèn)知、素養(yǎng)等學(xué)習(xí)能力。

虛擬技術(shù)賦能學(xué)習(xí)還是替代不了現(xiàn)實(shí)實(shí)踐，當(dāng)訓(xùn)練達(dá)到一定效果時(shí)仍然要回歸真實(shí)實(shí)踐。在虛實(shí)結(jié)合學(xué)習(xí)模式中，相輔相成，既有真實(shí)實(shí)踐體驗(yàn)，又有虛擬輔助補(bǔ)充，讓虛擬實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)探索學(xué)習(xí)中的不足，全面培養(yǎng)學(xué)生小學(xué)科學(xué)素養(yǎng)。

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（責(zé)任編輯：加順花）