以虛擬現(xiàn)實技術改善實驗教學

〔摘" "要〕" 隨著新課改的頒布、信息技術與基礎教育的深度融合和發(fā)展，傳統(tǒng)的實驗教學方式及儀器設備不能很好地呈現(xiàn)核心概念所亟待表露的特征，從而不能很好地完成小學科學的教學內容。以虛擬現(xiàn)實技術改善實驗教學，能夠在一定程度上彌補和完善傳統(tǒng)實驗教學的不足。借助虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢，資源能夠重復利用、過程可以反復驗證等，更好地開展實驗探究教學，創(chuàng)新探究實踐路徑，促進學生科學核心素養(yǎng)的發(fā)展，落實立德樹人的根本任務。

〔關鍵詞〕" 小學科學；虛擬現(xiàn)實技術；實驗教學

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " "〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）" 11" " 088-003

《義務教育科學課程標準（2022年版）》的頒布和《教育部等十八部門關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》的提出，將實驗教學提到新的高度，指出要在中小學科學教育中，實施啟發(fā)式、探究式教學。在傳統(tǒng)實驗教學中，由于實驗材料、條件、時空等方面的限制，使得實驗教學的質量受到一定程度的影響。因此，需要探索利用虛擬現(xiàn)實技術改善實驗教學。隨著科技的不斷發(fā)展，虛擬實驗作為一種新型的實驗教學手段，逐漸受到人們的關注。一般認為，虛擬實驗是一種利用多媒體、仿真、計算機、互聯(lián)網(wǎng)以及虛擬現(xiàn)實（VR）等多種技術而產生和發(fā)展的一種實驗模式，起源于20世紀末，是以計算機為控制中心，利用軟件技術構建系統(tǒng)的邏輯結構模型，傳統(tǒng)的實驗方式存在成本高、耗時長的問題。因此，探究虛擬實驗在促進小學科學實驗教學研究中的應用路徑成為一個具有挑戰(zhàn)性但又迫切需要解決的問題。近年來，在基礎教育領域，我國常見的虛擬實驗平臺主要包括NOBOOK實驗交互平臺、3D儀器建模的仿真實驗平臺、由Flash或Html5制作的實驗交互探究動畫、虛擬現(xiàn)實（VR）技術的仿真實驗室和中央電教館開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)等，本文所指的虛擬實驗意指中央電教館的虛擬實驗系統(tǒng)，主要從探究實踐的角度出發(fā)，探究虛擬實驗在小學科學實驗教學中的實踐特征與路徑。

一、虛擬現(xiàn)實技術在小學科學實驗教學中運用的實踐特征

虛擬實驗是指利用計算機模擬技術和虛擬現(xiàn)實技術來重現(xiàn)真實的實驗過程和結果。通過虛擬實驗，學生可以在電腦或其他設備上進行各種科學實驗，觀察實驗現(xiàn)象、收集數(shù)據(jù)、分析結果，并通過交互式操作來進行控制和調整。相比傳統(tǒng)實驗教學，虛擬實驗具有自身的實踐特征，重復使用的資源、豐富多彩的場景使得實驗過程能反復驗證，收集精準、重復的數(shù)據(jù)，從而讓學生更好地建構科學觀念，輔助落實課堂教學目標，促進學生科學核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（一）資源重復使用

虛擬實驗在促進深度學習的過程中扮演著重要的角色。首先，虛擬實驗可以顯著節(jié)約成本和資源。傳統(tǒng)的實驗往往需要大量的實驗設備和材料，而虛擬實驗則可以通過模擬環(huán)境來替代實際的硬件設備，降低實驗成本并減少資源的浪費。如在《物體在斜面上運動》一課中，中央電教館中的虛擬實驗系統(tǒng)里面有五種物體、高度40厘米坡度的選擇，可以讓學生多次、反復利用材料觀察物體在斜面上的運動情況，而且五種物體從六棱柱、長方體、正方體到圓柱，形狀越趨向于圓，物體的運動情況越傾向于滾動，而且坡度的高低選擇差異大，讓學生能夠更好地觀察物體在斜面上的運動情況，豐富學生建立物體運動模型的多樣性，促進學生的深度學習。

（二）場景豐富多彩

虛擬實驗呈現(xiàn)了在傳統(tǒng)實驗中難以呈現(xiàn)的場景，在教學中可以利用虛擬實驗來演示一些難以直觀展示的實驗現(xiàn)象，如原子結構或電路的工作原理等；也可以用虛擬實驗來模擬一些危險的實驗操作，如高溫高壓實驗或化學反應等。此外，更能夠突破時空限制、改變植物的生長周期，如水的蒸發(fā)、古代生物的多樣性、鳳仙花的生長、綠豆種子的發(fā)芽等內容，探究完成的實驗需要比較長的時間，時間長度的分散不利于學生觀察到完整的探究過程和效果，而利用虛擬實驗則能夠呈現(xiàn)更加逼真、生動、具體的實驗效果，提高學生的實驗能力和科學素養(yǎng)。

（三）過程反復驗證

虛擬實驗提供了可重復性和可控制性的實驗環(huán)境。在傳統(tǒng)實驗中，由于實驗器材等方面的限制以及實驗數(shù)據(jù)的難以獲取，學生可能無法親自參與到實驗中，或者只能進行簡單的操作，很難精確地進行重復實驗以驗證結果的有效性。而運用虛擬實驗，學生可以隨時隨地進行實驗操作，并且可以反復嘗試和探索，從而更好地理解科學知識。此外，虛擬實驗還可以模擬各種復雜的實驗現(xiàn)象和過程，讓學生更深入地了解科學的本質和規(guī)律。如《水沸騰了》這一節(jié)課，在操作過程中，由于安全的問題，操作時帶來很大的限制和不確定性，而虛擬實驗則可以反復觀察水在沸騰時的變化，產生的水汽、氣泡以及隨著水溫升高數(shù)據(jù)的變化等能直觀地呈現(xiàn)出來，而且可以在需要停止時按下暫停鍵，還能通過調整參數(shù)和場景來重復實驗，使實驗結果更加可靠和可信。

二、以虛擬現(xiàn)實技術改善實驗教學的路徑

當前在小學科學教學實驗中，依據(jù)實驗結果的類型，主要分為兩大類：驗證性實驗和探究性實驗。因此，根據(jù)虛擬實驗在教學過程的不同功能，可以分為驗證性虛擬實驗和探究性虛擬實驗，兩種虛擬實驗類型由于性質不同，實驗操作和要求也有所側重。不管是哪種形式，都離不開學生的探究實踐。探究實踐是學生養(yǎng)成科學素養(yǎng)的主要途徑，同時它也是一種關鍵能力。因此，在課堂教學中利用虛擬實驗以虛助實，提升學生的動手實踐能力從而帶動其他素養(yǎng)的提升，是課堂教學的要求所在。依據(jù)虛擬實驗表現(xiàn)的特點，可以采取以下實施路徑，從激發(fā)學生的學習態(tài)度、目標的建構和探究形式的轉變等方面，促進學生科學核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（一）態(tài)度激發(fā)：激發(fā)學習動機，引導學生沉浸式參與

虛擬實驗利用電腦、平板等設備開展，能創(chuàng)設相應的知識情境、生活情境和活動情境，呈現(xiàn)實時交互、動態(tài)生成以及可視化表征等，同時通過數(shù)據(jù)變化，讓抽象化為具體，能夠激發(fā)學生主動參與的興趣，引發(fā)學生的有意注意。如在《聲音的傳播》這個實驗中，由于條件和材料的限制，加上空氣不可見的特點，傳統(tǒng)實驗中學生很難把聲音的產生與空氣建立對應的關系，對于聲音在空氣中傳播的概念建構不足。而在虛擬實驗系統(tǒng)中，把聲音的產生與空氣的多少建立了直觀的聯(lián)系，可以實時顯示空氣的多少與聲音的大小之間一一對應的關系：不斷地充入空氣，鬧鐘發(fā)出的聲音越來越大，而隨著空氣慢慢地被抽走，聲音也越來越小，直至沒有空氣的時候，聲音也不存在了。動態(tài)畫面的呈現(xiàn)，以及可視化、可調節(jié)的動態(tài)數(shù)據(jù)，激發(fā)了學生深入學習的興趣，更好地參與課堂教學，從情感態(tài)度、概念建構到探究實踐都有所提升和發(fā)展，從而更高質量地完成課堂教學的目標，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（二）目標建構：引發(fā)認知沖突，深入理解科學觀念

虛擬實驗提供標準的實驗環(huán)境，與真實實驗環(huán)境形成情境沖突，從而引發(fā)學生的認知沖突，全面理解和建構科學觀念。在《水的沸騰》一課中，為了更好地讓學生掌握水沸騰概念的內涵與外延，理解環(huán)境對水沸騰的影響，在課堂教學中，教師采取了虛實相結合的探究實驗教學方式：一半的小組開展基于真實環(huán)境的實驗，另一半的小組開展虛擬實驗。在教學中，基于真實情境開展實驗的學生發(fā)現(xiàn)，水沸騰的溫度并不一定是在100℃，每個小組測得的數(shù)據(jù)都有所不同，而通過虛擬實驗測得的水沸騰的溫度均為100℃，出現(xiàn)沸騰溫度不一致的數(shù)據(jù)，這會使得學生感到困惑，并產生探究下一個環(huán)節(jié)的愿望，從而引發(fā)學生的認知沖突，進一步思考和探索為什么會出現(xiàn)多種不同的數(shù)據(jù)。接著，教師出示相關的資料，讓學生依據(jù)資料進行分析和歸納，最終找到兩種環(huán)境下沸騰數(shù)據(jù)不一致的原因：水沸騰的溫度會受大氣壓的影響，水在標準大氣壓下，沸騰時的溫度為100℃，然而在真實環(huán)境中很難達到這樣的理想環(huán)境，而虛擬實驗則能提供一個標準的實驗環(huán)境，測出來的標準大氣壓下水的沸騰溫度為100℃，而且測出的溫度可以不斷重復和驗證，在此認知沖突的環(huán)境下，讓學生更全面、深入地理解和建構水沸騰的科學觀念。

（三）形式轉變：從虛擬到真實，實現(xiàn)有效探究

虛擬情境要運用到真實情境，才能體現(xiàn)虛擬實驗的教學用意。在虛擬實驗中，學生通過仿真的界面，自主操控實驗進程，或觀察畫面的變化、思考其發(fā)生的原因并做出合理的分析和得出結論；或帶著問題與假設，仔細觀察實驗的現(xiàn)象、思考最終的實驗結果，并與實際生活進行比較，了解虛擬到真實的過程。因此，需要教師注重引導學生從虛擬的實驗過程獲得新知，并將虛擬結果運用到實際生活中來，多從實際出發(fā)體會虛擬實驗的結論，讓學生感受到實驗的快樂與收獲。如在《物體在斜面上運動》一課中，學生通過虛擬實驗觀察到物體隨著斜面坡度的改變出現(xiàn)運動狀況的改變，到真實情境中斜面的運用，如高層住宅救生梯、飛機上緊急滑梯等，更加明確虛擬是在真實的基礎上開展，而不是脫離生活，引導學生思考虛擬實驗結果與實際生活的聯(lián)系，讓學生意識到虛擬實驗的現(xiàn)實意義和應用價值；完成虛擬實驗后，引導學生對實驗結果進行總結和歸納，以加深他們對概念和原理的理解，并幫助他們建立起知識的框架和思維模式。

三、結語

在課堂教學中，虛擬實驗是小學科學教育中彌補傳統(tǒng)實驗中受時空條件限制的有效保障。通過融入虛擬實驗，可以讓小學生在安全、經(jīng)濟和友好的環(huán)境下進行科學探究活動，不僅能激發(fā)小學生的學習動機和興趣，還能培養(yǎng)他們的科學思維和實踐能力。而且，由于虛擬實驗技術的不斷發(fā)展，兒童友好的虛擬實驗操作界面也越來越多，使得學生能夠更輕松地進行虛擬實驗。然而，虛擬實驗無法完全替代傳統(tǒng)實驗，因為傳統(tǒng)實驗可以提供更直觀和真實的實驗體驗，以及與物質之間的實際互動。因此，在小學科學教育中，隨著技術賦能教學的深入發(fā)展，及其帶來的強有力的效果，應該將虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗結合起來，以虛助實，助力小學科學課堂教學的高質量發(fā)展，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展，落實立德樹人的根本任務。

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