基于虛擬仿真平臺開展初中信息科技實驗教學(xué)的實踐探索

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674—2117（2025）13-0066-04

引言

《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）倡導(dǎo)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”的理念，鼓勵通過實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，提升數(shù)字素養(yǎng)，提出了“運用線上實驗、模擬、仿真等方式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)”的教學(xué)建議。因此，改進信息科技教學(xué)方式，科學(xué)設(shè)計實驗教學(xué)活動，將虛擬仿真平臺和初中信息科技課程中的物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索模塊有效整合，對提升學(xué)生信息科技學(xué)科素養(yǎng)和工程實踐關(guān)鍵能力具有重要作用，值得一線教師深人研究教學(xué)設(shè)計，不斷探索實現(xiàn)路徑。

明現(xiàn)狀：初中信息科技學(xué)科實驗教學(xué)的現(xiàn)狀分析

1.開展信息科技實驗教學(xué)已成為必然趨勢

開展信息科技實驗教學(xué)活動已成為教師教學(xué)的重要探索方向，同時也成為學(xué)生有效、有趣的學(xué)習(xí)方式。從課程內(nèi)容來分析，《中小學(xué)實驗教學(xué)基本目錄（2023年版）》在信息科技學(xué)科主題中，共提煉初中實驗活動31個。其中，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新模塊的部分實驗可在傳統(tǒng)機房完成，而小型網(wǎng)絡(luò)搭建等實驗及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等模塊均需專用設(shè)備支持。從學(xué)生需求角度分析，調(diào)查顯示，筆者所在學(xué)校 68% 的學(xué)生對實驗教學(xué)表現(xiàn)出強烈興趣，認為其能深化知識理解并提升學(xué)習(xí)動力，反映出學(xué)生對實踐性學(xué)習(xí)機會的迫切需求。這一趨勢既體現(xiàn)了新課標的要求，也順應(yīng)了學(xué)生數(shù)字化能力培養(yǎng)的時代需求。

2.多元化實驗類型適應(yīng)信息科技教學(xué)需求

常見的理化實驗類型包括教師演示實驗、學(xué)生分組實驗、控制性實驗、觀察性實驗、檢驗類實驗、虛擬仿真實驗等；而根據(jù)魏雄鷹老師的提煉總結(jié)，信息科技實驗可分類為驗證性實驗、探究性實驗、創(chuàng)新應(yīng)用性。在新課標的課程體系中，初中階段的內(nèi)容模塊為“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”“人工智能與智慧社會”。因此，不同模塊的教學(xué)內(nèi)容與不同形式的教學(xué)實驗相結(jié)合，有助于落實教學(xué)內(nèi)容要求，達到通過原理認知提升學(xué)生素養(yǎng)、通過動手實踐錘煉學(xué)生技能的育人目標。

3.信息科技實驗教學(xué)場所和資源嚴重不足

實驗教學(xué)在教育中扮演著至關(guān)重要的角色，它通過實際操作幫助學(xué)生更好地理解和掌握理論知識。但是由于受實驗資源、場地、儀器、安全性，以及課時設(shè)置等因素的影響，實驗教學(xué)往往難以在日常課堂中廣泛開展。

尋價值：基于虛擬仿真平 臺開展實驗教學(xué)的意義

1.虛擬實驗教學(xué)概述

虛擬實驗依托仿真平臺構(gòu)建高度仿真的實驗環(huán)境和對象，學(xué)生可通過計算機完成實驗操作。該技術(shù)以現(xiàn)代信息技術(shù)為基石，綜合運用網(wǎng)絡(luò)通信、虛擬交互、虛擬模擬等技術(shù)手段，在數(shù)字化平臺上實現(xiàn)實驗過程。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以精準復(fù)現(xiàn)真實實驗的操作流程和反應(yīng)機制，使實驗者獲得近乎真實的實驗體驗，體現(xiàn)了人機交互技術(shù)的深度融合，是信息技術(shù)賦能教育創(chuàng)新的重要實踐。

2.虛擬實驗教學(xué)優(yōu)勢

虛擬實驗具有虛擬性、交互性、靈活性、開放性、安全性等特點。學(xué)生通過操縱鼠標可以使用實驗設(shè)備，設(shè)置和修改參數(shù)，安全、高效地開展實驗操作。虛擬實驗產(chǎn)生的實驗結(jié)果完全模擬真實實驗，對于反應(yīng)迅速或不易觀察的實驗現(xiàn)象及相對應(yīng)的實驗結(jié)果，計算機能夠及時捕捉或放大，減少因?qū)嶒炦^程中其他因素的干擾造成的誤差，最大限度地保證了實驗的順利呈現(xiàn)。

教師可以將虛擬實驗用于實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，如實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗復(fù)習(xí)或?qū)嶒炘u價等階段，學(xué)生也可以在課前、課后利用虛擬實驗平臺反復(fù)進行實驗，從而掌握學(xué)習(xí)的主動權(quán)，提高學(xué)習(xí)效率。

3.實驗教學(xué)引發(fā)變革

（1）做中學(xué)深化原理認知

驗證性實驗教學(xué)通過實際操作，將抽象的理論知識具體化，使學(xué)生在動手過程中深刻理解信息科技的原理。

（2）用中學(xué)探索過程方法

探究性實驗鼓勵學(xué)生主動設(shè)計和操作實驗，發(fā)現(xiàn)問題并提出假設(shè)進行驗證。這種自主探索的過程有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、分析思維和創(chuàng)新意識，提升解決實際問題的能力。

（3）創(chuàng)中學(xué)實現(xiàn)問題解決

創(chuàng)新應(yīng)用性實驗旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實際應(yīng)用能力。學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于真實場景，進行創(chuàng)新性改進和應(yīng)用。

探路徑：物聯(lián)網(wǎng)模塊虛擬實驗教學(xué)方案設(shè)計

在教學(xué)過程中，要結(jié)合不同的實驗類型特點進行分析，有針對性地選擇適宜的虛擬仿真平臺開展實驗教學(xué)。同時，無論是何種學(xué)習(xí)模塊，開展實驗教學(xué)的實踐路徑都有共同之處，都要遵循一定的原則。例如，在“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊的虛擬實驗教學(xué)中，可從以下幾方面進行設(shè)計。

1.學(xué)習(xí)場域：融通課內(nèi)課外、打通線上線下

虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)場域包含線上和線下兩種形式。這不僅打破了傳統(tǒng)實驗室的空間限制，還通過高度仿真的實驗環(huán)境，使得學(xué)生能夠在課前進行充分的預(yù)習(xí)，對實驗內(nèi)容有更深入的理解；課后，學(xué)生還可以通過線上平臺進行創(chuàng)新項目設(shè)計拓展學(xué)習(xí)，進一步鞏固和深化課堂上學(xué)到的知識。這種方式有效地延伸了教學(xué)時間和空間，極大地拓展了實驗教學(xué)的深度和廣度，為學(xué)生提供了更加豐富、多元的學(xué)習(xí)體驗。

2.設(shè)計思路：多元協(xié)同教學(xué)、直擊學(xué)科思維

在虛擬實驗教學(xué)中，要遵循多元協(xié)同的教學(xué)設(shè)計思路。 ① 通過啟發(fā)性教學(xué)激發(fā)學(xué)生的學(xué)科思維，如緊密圍繞“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊的核心內(nèi)容和目標設(shè)計問題鏈，實驗要求從簡單到復(fù)雜、從單一到系統(tǒng)設(shè)置一系列問題，這些問題之間應(yīng)具有內(nèi)在的邏輯關(guān)系，形成一條清晰的思考路徑。 ② 通過直觀性教學(xué)手段豐富學(xué)科思維，如人工智能機器學(xué)習(xí)模擬動畫演示等，豐富學(xué)生的學(xué)科認知，幫助他們更深入地理解抽象概念。 ③ 通過實踐性教學(xué)鍛煉學(xué)生學(xué)科思維，如讓學(xué)生親手操作進行模擬組網(wǎng)，鍛煉他們的動手能力和解決問題的能力。

3.實施策略：模擬真實情境、建構(gòu)物聯(lián)原型

（1）以問題為導(dǎo)向，設(shè)置基于情境的問題鏈條

通過模擬實際應(yīng)用場景中遇到的問題，設(shè)計一系列相關(guān)聯(lián)的問題，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入思考和探索。例如，在智能家居系統(tǒng)中，可以設(shè)置如何實現(xiàn)遠程控制、如何保證數(shù)據(jù)傳輸安全等問題，形成一條完整的問題鏈條。

（2）以實驗為載體，開展揭示原理的實驗探究

根據(jù)問題鏈條中的每個問題，設(shè)計相應(yīng)的實驗項目，讓學(xué)生通過動手操作來驗證假設(shè)和理論。例如，針對遠程控制問題，可以設(shè)計一個使用無線通信協(xié)議進行設(shè)備控制的實驗；對于數(shù)據(jù)傳輸安全問題，則可以通過加密算法的應(yīng)用實驗來加深理解。

（3）以建模為路徑，搭建虛擬仿真的物聯(lián)系統(tǒng)

利用計算機軟件工具，如linkboy平臺，建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真環(huán)境。在這個虛擬平臺上，學(xué)生可以自由地調(diào)整參數(shù)、觀察系統(tǒng)行為的變化，從而更直觀地理解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理和性能優(yōu)化方法。通過這種方式，不僅能夠加深學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的理解，還能培養(yǎng)他們的實踐能力和創(chuàng)新思維。

研課例：聲控?zé)籼摂M仿真實驗教學(xué)設(shè)計

下面，筆者基于新課標第四學(xué)段（7～9年級）的“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊，以“聲控?zé)粼O(shè)計制作”為主題，進行虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計。

在本實驗中，學(xué)生將通過虛擬仿真實驗平臺進行聲控?zé)舻脑O(shè)計與元器件及設(shè)備的模擬連接，通過實踐體驗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，進一步了解不同類別傳感器的作用，并明確在應(yīng)用傳感器時設(shè)備選擇的重要性。整體設(shè)計如圖1所示。

1.學(xué)情分析

七年級學(xué)生的認知能力和抽象思維能力正在發(fā)展，因此在教學(xué)中教師需要簡化物聯(lián)網(wǎng)的概念，并且通過具體、直觀的實例進行解釋，才能讓學(xué)生理解。而物聯(lián)網(wǎng)作為一個與日常生活緊密相關(guān)的領(lǐng)域，可以通過智能家居、智能穿戴設(shè)備等實例激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該年齡段學(xué)生喜歡動手操作和實踐活動，可以讓學(xué)生通過親身體驗來理解和掌握概念。

2.教學(xué)目標

① 感受物聯(lián)網(wǎng)家居智慧應(yīng)用給人們學(xué)習(xí)、生活和工作帶來的改變。 （信息意識）

② 能根據(jù)需求，設(shè)計和搭建智能聲控?zé)簦w驗其中選擇合適的傳感器搭建應(yīng)用并進行控制和反饋的方法和過程。（計算思維）

③ 在學(xué)習(xí)過程中，利用視頻微課進行自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，利用虛擬實驗室支持物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)，進行硬件搭建和編程實現(xiàn)。（數(shù)字化學(xué)習(xí)）

④ 了解自主可控對國家安全以及物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要意義。（信息社會責(zé)任）

3.教學(xué)重難點

重點：傳感器的選擇和應(yīng)用。

難點：智能應(yīng)用的搭建和實現(xiàn)。

4.數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境與素材

虛擬仿真實驗平臺：linkboy。

數(shù)字化學(xué)習(xí)資源包：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用視頻、虛擬實驗室啟動指南（微課）、聲控?zé)舸罱皩崿F(xiàn)操作指南（微課）。

5.三段六環(huán)實驗教學(xué)過程（如 圖2）

（1）課前自學(xué)

知平臺一 熟悉linkboy平臺使用。

課前通過線上形式上傳學(xué)習(xí)資源，有條件的學(xué)生可以通過資源包中的虛擬仿真實驗室指南，了解虛擬實驗平臺的使用方法，為在課堂中開展教學(xué)做好鋪墊。

（2）課中導(dǎo)學(xué)

設(shè)情境—智慧家居應(yīng)用場景。

實驗活動一：觀看智慧家居應(yīng)用視頻。從資源包提供的智慧家居應(yīng)用中選擇其一，根據(jù)親身經(jīng)驗和網(wǎng)絡(luò)搜索，討論這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用的傳感器，完成導(dǎo)學(xué)案，并進行師生課堂交流。

探新知—智慧家居創(chuàng)意設(shè)計。

驅(qū)動性問題：如何在智慧家居領(lǐng)域做出有創(chuàng)意的設(shè)計？

問題鏈：為誰設(shè)計？—解決什么問題？一選擇什么傳感器？—怎樣實現(xiàn)功能？

實驗活動二：智慧家居創(chuàng)意設(shè)計。小組討論，完成導(dǎo)學(xué)案，并進行師生課堂交流。

練技能—聲控?zé)舸罱ㄅc實現(xiàn)。

實驗活動三：聲控?zé)舸罱ㄅc實現(xiàn)。通過虛擬實驗平臺完成聲控?zé)舻拇罱?；通過編程模塊實現(xiàn)聲控?zé)艄δ堋?/p>

評效果—多維評價測增量。

以育人導(dǎo)向、素養(yǎng)導(dǎo)向、工程導(dǎo)向為原則，編制檢測題和評價量表。通過線上答題的形式檢驗學(xué)生的原理認知達成度和學(xué)科知識掌握情況；通過實驗過程評價單及實驗結(jié)果記錄單，實現(xiàn)過程性評價和結(jié)果評價相結(jié)合，以此來評價學(xué)生實驗技能和學(xué)科素養(yǎng)的提升增量。

（3）課后延學(xué)

拓本領(lǐng)——聲控?zé)暨M階設(shè)計與搭建。

課后延學(xué)活動：智慧生活物聯(lián)網(wǎng)原型設(shè)計與搭建。課內(nèi)及時進行反思復(fù)盤，通過問題引導(dǎo)引出課后延學(xué)活動，并通過學(xué)習(xí)視頻、進階幫助文檔等數(shù)字資源提供學(xué)習(xí)支架。

結(jié)語

隨著技術(shù)的不斷進步，虛擬仿真平臺已經(jīng)成為現(xiàn)代教育和研究的重要工具，它能夠模擬真實世界的復(fù)雜環(huán)境，讓學(xué)生在沒有風(fēng)險的情況下測試和驗證各種假設(shè)和理論，為信息科技教學(xué)領(lǐng)域的研究和實踐提供了無限的可能性，是推動科技創(chuàng)新和教育發(fā)展的重要力量。

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