虛擬仿真實驗融入小學科學教學探究

運用信息技術手段模擬真實實驗被稱為虛擬仿真實驗，它是實驗教學的有效補充。小學科學課是一門實踐性較強的綜合性基礎課程，課程教學旨在培養學生的科學素養。實驗教學是重要的教學內容，是培養人才的重要途徑。虛擬仿真實驗的應用豐富了實驗教學的手段和方式。為使虛擬仿真實驗有效地融入小學科學實驗教學，筆者以“我們是怎樣聽到聲音的”為例開展應用探究。

一、應用虛擬仿真實驗的必要性

（一）傳統實驗教學存在不足

皮亞杰將兒童的思維發展分為四個階段：感覺運動階段、前運演階段、具體運演階段和形式運演階段。學生在小學階段思維發展處于皮亞杰講的具體運演階段。小學生需要從具體事物的表象深入進而解決問題，從現實情境獲取知識。脫離具體情境學習抽象知識，對于小學生來說是沒有吸引力的。在傳統的小學科學教學中，很多教學內容很難適應學生體驗式學習的需要。如學習人體器官的內部構造時，受距離和空間限制，學生只能通過想象或者實物模擬去探究。這會造成學生對知識的理解出現偏差。

（二）虛擬仿真實驗可促進學生學習

虛擬仿真實驗是信息技術模擬真實情境的典型代表，它是一種應用廣泛的科學實驗方式，是依托虛擬現實技術而產生和發展的實驗模式。劉清堂等人在《虛擬實驗對學生學習效果的影響研究》一文中指出虛擬實驗對不同學段的學生的學習具有促進作用^[1]，這說明虛擬仿真實驗教學在一定程度上能夠促進學生學習，通過信息技術模擬現實世界環境，讓學生如身臨其境去體驗、學習，對提升學生建構知識的效果有一定幫助。虛擬仿真實驗與傳統科學課堂實驗相比，存在差異，有以下幾點特征（見表1）。

二、教學策略分析

虛擬仿真實驗就是運用信息技術手段模擬自然實驗，它是對實驗教學的有效補充。開展虛擬仿真實驗不是取代常規教學，而是在傳統實驗教學基礎上，利用它更好地解決難題，從而有效地突破重難點，達成教學目標。在虛擬仿真實驗室建設的過程中，教師要有這樣的認識：作為常態科學課，虛擬仿真實驗的融入是為了輔助解決教學難點，而不是取代所有的講解內容。

（一）課前調查分析學情，將設計融入虛擬仿真實驗

教師開展虛擬仿真實驗教學不單要組合應用現代教育技術，還需要將一系列軟硬件、操作系統、教學內容、教學設計有機組合，實現教學創新、學科的融合及延伸，為學生營造“自主學習”的環境，寓教于樂，讓學生主動探究，進而收獲顯著的學習效果^[2]。教師首要考慮的問題是如何將虛擬仿真實驗合理地融入具體的教學內容中，不能為了開展虛擬仿真實驗而開展虛擬仿真實驗，而應在課前對教材內容和學生的學習情況進行分析，課堂上借助虛擬仿真實驗解決教學重難點問題。“我們是怎樣聽到聲音的”是教科版小學《科學》四年級上冊第一單元第4課，學生通過前面三節課的學習，已經知曉聲音由物體的振動產生。教師通過課前調查得知大部分學生對耳的認識存在不足，他們能看見耳郭和部分外耳道，能說出耳里有耳膜，但是對耳其他各部分結構與功能不甚了解。由于生命體結構特征原因，學生也無法直接看到鼓膜的振動，學習效果會受影響。

為彌補傳統教學的不足，教師在課前設計的過程中應用虛擬仿真實驗幫助學生認識耳的結構，并借助VR技術創設虛擬環境，讓學生分組合作，利用VR設備觀看耳的結構并探究鼓膜的振動，使內容的呈現更加直觀、生動、形象，這才是虛擬仿真實驗服務教學的有效應用（見表2）。在探究耳郭的作用方面，教師采用常規實驗材料讓學生探究，通過游戲激發學生學習的興趣。

（二）開展虛擬仿真實驗，突破教學空間限制

學生對耳的結構有清晰的認識才能更好地探究聲音在耳里的傳播路徑，解釋人為什么能夠聽到聲音。以往，教師一般是運用教學模型或者掛圖展示耳的結構，由于空間受限，教學模型和掛圖展示的是平面的耳的結構，缺乏立體感。在虛擬仿真實驗技術支持下，學生運用VR技術觀看耳的結構，點擊“解鎖”，可以清晰地看到耳各部分結構，點開“語音”功能了解耳的各個部分的名稱和功能;點擊“鎖定”功能，可以看到整體耳的結構，打開“鎖定”能夠將耳各部分結構分離開來，清晰地看到耳結構，還能夠聽到對耳各部分結構的介紹。點擊“聲源”，可以清楚、直觀地看到聲音在耳里的傳播過程以及在這個過程中鼓膜的振動。教師借助VR技術，讓原本肉眼看不見的耳的結構和內容在學生面前一覽無余地展示，同時也使肉眼無法直觀觀察到的中耳、內耳立體呈現。

（三）融入虛擬仿真實驗，實現教學重難點可視化

在探究鼓膜振動的時候，學生運用常規實驗材料做實驗，敲擊音叉產生振動，進而引起模擬“鼓膜”的振動現象。學生在操作的過程中，受實驗材料和操作方式影響，有一些小組觀察到模擬“鼓膜”振動非常微弱甚至無法觀察到模擬“鼓膜”的振動現象。教師引導學生運用VR技術探究聲音的變化對鼓膜振動強弱的影響，點擊汽車產生的噪聲，讓學生直觀地看到鼓膜的振動幅度比較大。選擇點擊小鳥的叫聲，學生也直觀地看到鼓膜振動幅度比較小。在探究距離遠近對鼓膜振動產生的影響時，點擊“遠”選項，學生可以看到鼓膜振動幅度比較大，點擊“近”選項，學生可以看到鼓膜振動幅度比較小。由此學生很容易直觀地得出相關的結論：聲源距離鼓膜越遠，振動越弱;聲源距離鼓膜越近，振動越強（如圖1）。通過對比發現，利用虛擬仿真實驗有效地解決了常規實驗中實現現象不是很明顯的難題，使教學重難點內容觀察結果可視化，達成了教學目標，有效突破了重難點。

（四）利用傳統實驗材料，增強教學內容的趣味性

在探究耳郭的功能時，教師采用傳統的紙質材料做成喇叭的方式，讓學生以游戲的方式兩兩合作去聽聲音的變化，這樣既提高了課堂學習的趣味性，又提高了學習效率。學生通過實驗很容易得出結論：耳旁邊有喇叭，聽到的聲音大;耳旁邊沒有喇叭，聽到的聲音小，耳郭的作用是匯集聲音。

“虛”“實”實驗的結合既豐富了學生的學習內容、增強了課堂學習內容的趣味性，又提高了學生參與課堂活動的積極性。

三、課后開展學習評價，提升學生學習效果

認知主義學習理論認為，人的知識不是由外部刺激直接給予的，而是外部刺激和認知主體的內容心理過程相互作用的結果，刺激作用于學習者感官，使神經系統產生相應的活動^[3]。教師應重視對學生課堂學習評價，及時發現新技術使用過程中的問題，在后續教學中不斷改進、提升。學習評價是對學生學習過程和效果的評價^[4]。教師基于最初的學情分析，針對教學目標，開展課上和課后的學習效果評價。

（一）課堂觀察，注重過程性評價

課堂觀察是教師收集信息、整理評價數據、促進學生深度學習的主要手段之一^[5]。在導入、新授、探究、拓展和應用各個環節，學生都能夠積極投入課堂學習活動中。學生通過分組探究，積極參與實驗活動，發表觀點，完成實驗。

為幫助學生學習科學知識，教師設計了判斷題，運用班級優化大師隨機選學生分組答題競賽，借助互動游戲檢測學生學習效果。教師查看檢測結果，正確率達100%。被點名的學生對相關知識掌握得很好。

（二）紙筆測驗，注重思維能力評價

為了全面檢測學生學習效果，課后教師參考紙筆測驗評價的主要內容并結合本節課的學習主要內容，設計了學生學習評價表，題型包括知識題、技能題、解決問題（分析應用題）以及綜合題^[6]（見表3）。在學生完成學習內容后教師及時對學生進行評價。

全班39個學生的紙筆測驗分析結果如下：科學知識題維度的1和2題作答中，第1題回憶與識記正確率為100%;第2題分析中，正確率達92.3%;在科學技能題作答中，第3題（控制變量）正確率達100%，第4題（觀察維度，鼓膜的作用）有35個學生作答正確，正確率是89.7%;第5題（應用維度）有37人作答正確，正確率達94.8%。

在解決問題維度，第6題中，有90%的學生懂得了運用正確的方法去保護耳，如不亂挖耳、遇到較強聲音要捂住耳、遠離噪聲等，有1個學生沒有作答。第7題中，有75%的學生認為用虛擬仿真實驗上課很好，很有趣，學習的內容有立體感，有利于直觀學習知識。80%的學生認為利用虛擬仿真實驗可以高效學習科學知識，看到表象以外的東西。尤其是在耳的結構方面，正常情況下，肉眼只能看到外耳郭和部分耳道，通過虛擬仿真實驗技術可以看到耳的其他結構，糾正了以前的認知偏差。65%的學生認為虛擬仿真實驗很真實，有利于活躍課堂氛圍，讓學生在快樂的活動中習得知識。68%的學生從認知層面感受到了科技的力量，認識到有了科技的支撐，科學學習方式和學習內容更加豐富多樣。12%的學生認為，VR技術支持的課堂教學很有趣，但是沉浸時間久了會頭暈，應控制時長。

在綜合題維度，第8題中，學生運用了本節課所學知識，如不能嘲笑聽力有障礙的人，根據檢查的結果了解是人耳的哪部分結構出了問題，進而對其進行科學治療。此題綜合考查了學生對人耳各部分結構和功能的認識，也有助于學生合理運用所學知識解決現實生活中遇到的科學問題。

通過學生學習評價反饋，教師能夠深入了解學生已有的水平和目前達到的水平、在課堂上聽課的情感體驗和情感變化、課堂學習的效果和學習過程中遇到的困惑以及課堂教學需要改進的地方，從而有效發揮學生的主體作用，兼顧學生個性特點，實現教學的多樣化。

隨著信息技術的發展，虛擬仿真實驗技術融入科學課堂教學是大勢所趨，但是基于虛擬仿真實驗創設的虛擬情境并不是萬能的，依其所創建的教學法則不是放之四海而皆準的，也有一定局限性。教師要努力創建與學習有關的真實世界的情境，注重讓學生解決現實問題，培養學生運用虛擬仿真實驗解決現實問題的能力，還應當思考如何使用虛擬現實技術帶給學生跨學科的學習體驗，如何進行學生道德素養等方面的培養，如何培養學生的創新能力等。同時，合理運用虛擬仿真實驗和真實實驗，在實驗教學中進行“虛”“實”交替，把握好虛擬仿真實驗和真實實驗的應用比例，可以更好地培養學生的綜合能力，包括智力和學習興趣、動機、意志等非智力因素。

對小學科學學科來講，虛擬仿真實驗融入課堂教學不是取代常規實驗教學，而是將其融入教學活動中，在恰當的環節用于突破重難點，從而有效地達成教學目標。為使虛擬仿真實驗有效融入小學科學課堂教學，教師需要在課前調查分析學情，設計融入虛擬仿真實驗;課上綜合運用虛擬實驗和傳統實驗，做到“虛”“實”結合突破教學重難點;課后對學生學習情況進行評價，關注學生的學習效果，系統思考、科學設計教學各環節，提升學生在科學知識、科學探究、科學技能及解決問題的能力，培養學生的綜合素養。

注：本文系廣東省教育科學“十三五”規劃2020年度研究項目（德育專項）“新時代背景下小學‘互聯網+課程思政’實施路徑探究”（2020JKDY002）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 劉清堂，馬晶晶，余舒凡，等.虛擬實驗對學生學習效果的影響研究——基于30項實驗與準實驗研究的元分析[J].中國遠程教育，2021（1）：12.

[2] 成艷萍.虛擬現實技術在小學科學教學中應用的探究[J].教育信息技術，2019（11）：76.

[3] 張芹芹.運用信息技術創設小學科學虛擬情境的研究[D].南京：南京師范大學，2011.

[4][6] 張軍霞.小學科學的學生學習評價方法[J].中國教育學刊，2007（12）：60，62.

[5] 丁邦平.以學習性評價促進探究式教學[J].科學課，2007（5）： 5-6.

（作者系華南理工大學東區華工附校小學部教師）

責任編輯：祝元志