虛擬實驗在探究性學習中的實踐研究

吳國華

《小學科學課程標準》指出：科學探究式學習是學生學習科學的重要方式。探究式學習是指在教師的指導、組織和支持下，讓學生主動參與、動手動腦、積極體驗，經歷科學探究的過程，以獲取科學知識、領悟科學思想、學習科學方法為目的的學習方式。

一、現實因素制約著學生開展探究性學習

學生進行探究式學習的一個重要方式是實驗，而在平常的科學教學過程中，常常會遇到各種因素而影響學生開展實驗探究。

（一）學校資金短缺

目前，小學普遍存在著實驗經費不足、設施設備老化、實驗資源匱乏的問題，特別是農村小學，現象尤其突出。

（二）教師精力有限

在實驗過程中，教師最為擔心的問題是實驗的安全問題。班級中過多的學生導致教師不能對學生的實驗操作進行一一指導，或許一個小小的疏忽會造成實驗器材的損壞甚至發生實驗事故，造成嚴重的后果。為了避免實驗安全事故，教師往往只會讓學生觀察演示實驗或視頻，或用講解的方式替代實驗，讓學生失去探究的機會。

（三）學生能力不足

小學生無論是科學知識，還是動手能力，相對來說都比較薄弱。對于一些較為復雜、需要經過積極思維的實驗，學生常常無從下手，有時為了應付教師的任務而漫無目標地實驗，往往一節課下來，學生探究看似熱火朝天，其實什么也沒體驗到，什么知識也沒學到，造成實驗效率低下。

（四）教材內容不易探究

科學課程的內容涵蓋物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程四大領域。科學課程中探究生命科學方面的內容如《骨骼》《肌肉》《大腦》《神經》《它們是怎樣繁殖后代的》等，學校實驗室原有的軟硬件設施已經跟不上課程發展的需要。而提高學生的科學素養，培養科學態度，必須要讓他們經歷探究過程。

二、虛擬實驗成為學生新的探究方式

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》明確指出：信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視。要充分利用先進技術，構建先進、高效、實用的虛擬實驗室。要提高教師應用信息技術水平，鼓勵學生利用信息手段主動學習、自主學習，增強運用信息技術分析解決問題能力，提高教學效果。

《小學科學課程標準》同時指出：以計算機、網絡為基礎的現代教學媒體及技術正成為科學課堂上師生重要的認知工具，不僅可以為科學知識的學習服務，也可以為科學探究的學習服務。

隨著越來越多的技術被引入到課堂中，虛擬科學實驗正在成為學生積極探究的方式。

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。

目前，國內外已經出現了數量眾多的支持學生開展虛擬實驗的網站和系統軟件，為學生利用數字化資源進行虛擬實驗探究提供了技術保障。

（一）NOBOOK虛擬仿真實驗軟件

NOBOOK虛擬仿真實驗支持多終端跨平臺訪問。不僅支持教師任意組裝實驗、不用受實驗步驟的限制，而且所有實驗操作均可呈現準確的實驗數據以及逼真的實驗現象，是一款不可多得的真正完全具備探索性的虛擬實驗軟件。

（二）Frog Dissection，利用此系統青蛙解剖可以虛擬完成

系統中有豐富的資源、詳細的說明和操作流程，方便學生開展相關實驗。在具體實驗過程中，學生可以充分按照探究的任務，發揮自己的興趣愛好和特長進行自由設計，獨特的實驗思路和實驗方法，極大地激發學生的學習熱情，為學生提供廣闊的自由發展空間，促進學生全面發展。

（三）PhET

這一程序由諾貝爾獎獲得者卡爾·威曼于2002年創立，PhET互動仿真程序計劃由科羅拉多大學的團隊專項運營，旨在創建免費的數學和科學互動程序。PhET 是基于拓展型教育的相關研究并且激勵學生在直觀的、游戲化的環境中進行探索和發現。

三、虛擬實驗在學生科學探究中的運用

如果進行適當的準備和恰當的設計，虛擬科學實驗可以令人難以置信地支持學生的科學探究活動，協助學生完成探究任務，降低實驗操作成本，提高實驗效率，增加學生對探究的興趣，促進學生思維的發展。

（一）實驗準備

進行虛擬實驗，首先要選擇有一個虛擬平臺，并且保證平臺能正常運行。由于實驗的主體是小學生，所以平臺的操作必須簡單方便。實驗前，老師要對學生進行必要的培訓，以便學生掌握虛擬實驗平臺的使用方法，如怎樣登錄平臺，如何在虛擬環境下進行探究。老師還要對學生進行實驗紀律教育，培養學生良好的實驗習慣，形成專注的探究態度。

（二）虛擬實驗探究

蘇教版五年級科學上冊《簡單電路》一課，在創設圣誕樹上的小燈泡是怎么亮起來的情境后，引發學生回憶生活經驗。根據以往經驗，學生大多知道需要導線、電池、小燈泡等材料，但他們對這些物體是怎樣組裝的、為什么亮起來并不十分清楚。此時，如果提供材料給學生探究，有些學生會成功地將材料連接成電路，但也有些學生會因為連接方法錯誤而導致短路，引發電池發燙、導線發熱冒煙，甚至發生電池爆炸和火災。

解決這一問題的方法可以是：引導學生借助PhET平臺，進入電路組建程序進行虛擬實驗，當學生掌握電路的連接方法之后再進行動手實際操作。

學生在虛擬實驗過程中，可以采用拖、拉的方式，在工具欄中方便地選擇導線、電池、小燈泡，并可任意移動位置、將導線拉長、組合。在虛擬實驗后，學生基本掌握了正確的電路連接方法，在實際操作過程中減少了短路發生。

在掌握了電路連接方法后，開展拓展活動，讓學生將多個小燈泡接入電路，以此來增強學生對電路的認識。學生在真實實驗中，會面臨導線、小燈泡、開關任何一個部位的松動或生銹而實驗失敗的現象，而學生始終弄不明白到底是連接方法不對還是器材的原因。此時，先讓學生通過虛擬實驗，掌握電路連接的方法，再動手實驗，培養學生動手能力和深入探究的能力，讓學生體會到成功的快樂。

四、虛擬實驗在教學實踐中的優勢

虛擬實驗能夠突破傳統實驗對“時、空”的限制，學生可以自由地上網進入虛擬實驗室，操作儀器，進行各種實驗，培養學生的觀察能力和動手能力。在實踐中發現，相對于真實實驗，主要有四點優勢。

（一）寓教于樂

虛擬實驗與傳統只能做單向知識傳遞的“視頻教學”模式完全不同，用動畫的形式，在仿真環境中進行實際操作，實現人機雙向良性互動，激發起學生強烈的探究欲望。

（二）實驗安全

在虛擬實驗中教師不用擔心實驗安全，可以讓學生充分發揮自己的動手能力，在虛擬環境中盡情地探究，提高了學生的學習興趣。

（三）環境理想

虛擬實驗在虛擬的實驗環境下，不受時間和空間限制，不受溫度、溫度影響，沒有外部不良因素的干擾，讓學生實現幾乎和真實實驗一樣的體驗。

（四）效果直觀

傳統實驗很難全方位動態展示實驗效果以及內部的邏輯關系，比如電路，無法展示電路中各元器件之間的動態邏輯關系。虛擬實驗形象地展示出電路中電流在電池、導線、開關、小燈泡中動態運動關系，效果逼真。

隨著科技的發展，虛擬實驗越來越接近真實實驗的效果，在小學科學探究中發揮著越來越大的作用。但是，虛擬實驗并不能完全替代真實實驗，畢竟，虛擬實驗與真實實驗還是有許多差別的，探究時的感覺是不同的，效果也不一樣。在平時的教學實踐中，需要鼓勵和提倡學生進行實際的操作，虛擬實驗只能作為探究的一種輔助手段，而不能作為探究的全部，也就是做到能實不虛、虛實結合。

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