力促虛實(shí)結(jié)合 完善科學(xué)實(shí)驗(yàn)

李冬

隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，信息技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛;隨著教育現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，信息技術(shù)開發(fā)與利用已勢在必行。《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》中明確提出：“要大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)中的普遍應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程整合，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)方式、學(xué)生學(xué)習(xí)方式、教學(xué)方式和師生互動方式的變革，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具。”近年來，信息技術(shù)在小學(xué)自然教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，它慢慢滲入到教學(xué)中，成為自然教學(xué)中不可或缺的教學(xué)工具、教學(xué)資源。虛擬實(shí)驗(yàn)就是利用信息技術(shù)的科學(xué)算法和大數(shù)據(jù)為技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新興實(shí)驗(yàn)手段，是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的重要應(yīng)用成果。虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)于課堂教學(xué)，能為學(xué)校的小學(xué)自然實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的選擇，也是教育信息化服務(wù)于課堂教學(xué)的重要應(yīng)用。

一、小學(xué)自然實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施的困擾與缺憾

近年來，為了提升小學(xué)自然學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，小學(xué)自然實(shí)驗(yàn)課在實(shí)驗(yàn)器材的設(shè)置、任課教師的配備等方面已經(jīng)有了很大程度的改變，但是傳統(tǒng)小學(xué)自然學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式仍存在一些不足。

1.備課環(huán)節(jié)準(zhǔn)備不足，影響課堂教學(xué)的效果

小學(xué)自然作為一門綜合性的科學(xué)學(xué)科，需要大量的實(shí)驗(yàn)操作輔助教學(xué)。因需要教師在課前花費(fèi)更多時間和精力，導(dǎo)致部分教師積極性降低，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)變成了紙上談兵。

2.實(shí)驗(yàn)場地及器材的使用安排受限，打亂實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)需要專門的實(shí)驗(yàn)室，而現(xiàn)階段學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間相對集中，給學(xué)校實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)室的安排帶來了一定壓力，表現(xiàn)為很多實(shí)驗(yàn)教學(xué)流于表面，該進(jìn)行群體實(shí)驗(yàn)的活動變成了教師演示實(shí)驗(yàn)。

3.實(shí)驗(yàn)時長與教學(xué)效果之間不協(xié)調(diào)，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的客觀性

由于小學(xué)自然課一節(jié)課只有35分鐘，一些實(shí)驗(yàn)受時間限制往往很難產(chǎn)生顯著的效果，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的結(jié)論顯示不明顯，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的客觀性大受影響。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的案例

“短路”是四年級第一學(xué)期小學(xué)自然牛津版教材的教學(xué)內(nèi)容，也是“家庭用電”單元的重要一課，但由于短路對電源和電池的損耗極大，短路現(xiàn)象發(fā)生時也會產(chǎn)生一定的安全隱患，出于安全等方面的考慮，很少會開展實(shí)物實(shí)驗(yàn)連接和問題分析。下面將以短路情況的連接和問題分析為例，來闡述如何在小學(xué)自然課堂上實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.軟硬件準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

實(shí)驗(yàn)室需要有最基本的教學(xué)電腦，然后進(jìn)入NOBOOK官方網(wǎng)站，先免費(fèi)注冊，然后按照網(wǎng)站提示下載安裝NB物理實(shí)驗(yàn)軟件。

2.教學(xué)內(nèi)容相關(guān)環(huán)境準(zhǔn)備

打開軟件后，主界面有一些預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，選擇簡單電路并進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)境頁面。在這個模擬環(huán)境中，簡單電路的待選元件里已經(jīng)包含了標(biāo)準(zhǔn)燈泡、電池組、開關(guān)、導(dǎo)線等多種實(shí)驗(yàn)中需要的實(shí)驗(yàn)器材。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)行

（1）學(xué)習(xí)使用標(biāo)準(zhǔn)燈牌、電池組等連接簡單電路，復(fù)習(xí)舊知導(dǎo)入教學(xué)，按步驟操作。操作過程和操作真實(shí)器材很類似，只需要點(diǎn)選“合上開關(guān)”，就能通過燈泡是否發(fā)光來判斷電路連接是否正確。（如圖1）

（2）提出短路設(shè)想——如果在簡單電路中，電流不流經(jīng)用電器，而是直接連接電源兩極，會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？可以從旁邊的待選元件中再選擇一根導(dǎo)線，將電池組正負(fù)極直接進(jìn)行連線練習(xí)，連接完畢后打開開關(guān)觀察發(fā)生的現(xiàn)象。（如圖2）

（3）家庭電路短路模擬。可以點(diǎn)選一個開關(guān)，把火線和零線接入開關(guān)內(nèi)，打開開關(guān)能清楚地看到，短路使保險絲熔斷。此外，還能進(jìn)行保險絲的更換和參數(shù)修改操作。

（如圖3、圖4）

（4）探究。通過短路實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流過大，可以看到保險絲燒黑熔斷的過程，并聽到熔斷的聲音，這就為下一節(jié)課繼續(xù)探究保險絲的作用埋下了伏筆。

4.實(shí)驗(yàn)素材的保存和再用

實(shí)驗(yàn)時的場景可以及時保存，下次使用時可以直接調(diào)用。

實(shí)驗(yàn)完成后只需要關(guān)閉軟件，關(guān)閉電腦，對器材幾乎沒有任何損耗，學(xué)生可以親自去嘗試和觀察。可見，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)生活中的現(xiàn)象，學(xué)生學(xué)習(xí)知識點(diǎn)也能印象更加深刻。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)在小學(xué)自然實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

教育部《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》指出，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目可以推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間和空間，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平。在實(shí)踐中，筆者感到至少有以下幾點(diǎn)功用。

1.突破限制，打破時空局限

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的思路是力求人在解決問題的過程中有身臨其境之感。正是基于這樣的考慮，在自然教學(xué)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所創(chuàng)設(shè)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，突破了時空界限，將古今中外、天南海北數(shù)千萬的事物和現(xiàn)象壓縮在“此時此地”。創(chuàng)設(shè)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境可以有效沖破空間限制，讓學(xué)生身臨其境，獲得逼真的視聽體驗(yàn)。

2.強(qiáng)調(diào)靈活，促進(jìn)自主探究

在虛擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境中，教師和學(xué)生可以分別通過教師端和學(xué)生端的程序使每個實(shí)驗(yàn)器材“活”起來。學(xué)生可以自由擺放、任意組裝、靈活變更，將實(shí)驗(yàn)過程化整為零，或讓實(shí)驗(yàn)停留在某一步驟上進(jìn)行反復(fù)“操作”，極大地增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的靈活性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，將學(xué)生置于一種快樂的學(xué)習(xí)情境之中，從而在探究、趣味、多樣、科學(xué)和安全等多維度融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，建立起“嘗試—思考—調(diào)整—再嘗試—得出結(jié)論”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過模式的運(yùn)用啟迪學(xué)生的思維。

3.立足仿真，提升科學(xué)素養(yǎng)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是小學(xué)自然教學(xué)中的重要內(nèi)容，常見的酒精燈的使用、電路的短路、溫度計的使用等，都可以通過仿真實(shí)驗(yàn)程序讓學(xué)生在逼真的實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)反復(fù)操作、觀察和多次采集數(shù)據(jù)。操作過程中也會有真實(shí)實(shí)驗(yàn)中所生成的各種誤差和可能出現(xiàn)的各種故障，這有利于學(xué)生以一個研究者的姿態(tài)去面對現(xiàn)實(shí)問題，然后試著在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中找出設(shè)計的缺陷、事故的成因，去思考解決問題的辦法，獲得一定的經(jīng)驗(yàn)，然后再應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)中去，對培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和正確的科學(xué)價值觀都是有幫助的。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用的原則

1.真實(shí)性原則：以實(shí)為主，虛實(shí)結(jié)合

NB虛擬實(shí)驗(yàn)的最大優(yōu)點(diǎn)在于對“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)”的理想化處理。虛擬實(shí)驗(yàn)雖然可以通過采取理想化處理的手段使被觀察對象“完美出現(xiàn)”，給了學(xué)生反復(fù)進(jìn)行觀察研究的機(jī)會，但也因過于“完美”使得學(xué)生缺乏直觀認(rèn)知。過于依賴這種“完美”的實(shí)驗(yàn)，會妨礙學(xué)生正確理解科學(xué)方法;長期不經(jīng)選擇地使用虛擬實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)也會弱化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全意識，其結(jié)果就會違背教學(xué)實(shí)踐性的規(guī)律，造成教育安全隱患。所以，在實(shí)際應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)時必須注意真實(shí)和虛擬一定要相互補(bǔ)充，凡是“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)”中能夠體現(xiàn)效果的，必須優(yōu)先考慮真實(shí)實(shí)驗(yàn)，絕不能因?yàn)橛辛颂摂M實(shí)驗(yàn)而擯棄真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)該作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充和便捷途徑而展開。

2.恰當(dāng)性原則：擇機(jī)使用，把握適當(dāng)

學(xué)習(xí)科學(xué)是一種能動的過程，是要學(xué)生親自動手做而不是要別人做給他們看的事情。雖然虛擬實(shí)驗(yàn)程序的出現(xiàn)為小學(xué)生學(xué)習(xí)自然科學(xué)提供了極富動態(tài)感的實(shí)驗(yàn)操作平臺，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的樂趣，但也絕不能盲目使用，使用的時機(jī)非常重要。比如：在使用的時間上需要適時，虛擬實(shí)驗(yàn)程序更可用于課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí);同樣，在不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上我們也需做適當(dāng)調(diào)整，有些貼近學(xué)生生活的自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)更能激發(fā)學(xué)生的探究意識。教師還需扎實(shí)地做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，選用合理適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式，將現(xiàn)代化的教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)有效結(jié)合，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

總之，小學(xué)自然教學(xué)離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟發(fā)和幫助，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)程序的出現(xiàn)能解決一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法解決的教學(xué)問題。此外，在初高中物理、化學(xué)、生命科學(xué)等諸多學(xué)科中也逐步出現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用。虛擬實(shí)驗(yàn)推動了教育的重心從說教轉(zhuǎn)向創(chuàng)造性探究，學(xué)生在使用虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中充分實(shí)現(xiàn)虛擬化平等參與的效果，展現(xiàn)了教育信息化2.0階段的發(fā)展活力。當(dāng)然，如何合理使用虛擬實(shí)驗(yàn)還是個有待深入探討的問題。在使用現(xiàn)代化信息技術(shù)的同時，一定要把握好實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程和方法的適切性，不能一味“為用而用”，而應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)類型、功能和特點(diǎn)找準(zhǔn)切入點(diǎn)，把握“真實(shí)”和“適當(dāng)”，只有這樣，才能真正達(dá)到技術(shù)為教學(xué)服務(wù)的最終目的。