虛擬實驗教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)力的影響

◇鄭碧娟 江 鴻 周 麗（福建：閩江師范高等專科學(xué)校附屬實驗小學(xué)）

2019年發(fā)布的《教育部關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》提出，要構(gòu)建與課程標準要求相統(tǒng)一的實驗教學(xué)體系，加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)工作。王若冰等人基于2017年國家科學(xué)教育質(zhì)量監(jiān)測四年級數(shù)據(jù)分析得出實驗教學(xué)有效促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)整體性發(fā)展的結(jié)論。但在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，科學(xué)實驗教學(xué)較為封閉，絕大多數(shù)以演示實驗代替學(xué)生分組實驗，結(jié)果教師起了主導(dǎo)作用而學(xué)生的主體地位未能得到體現(xiàn)。在實驗教學(xué)評價方面，最終也只能以紙質(zhì)考試成績來反饋，存在評價主體缺位、內(nèi)容不全、方式單一等問題，不利于促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展和實驗教學(xué)質(zhì)量的不斷提升。

新型冠狀病毒肺炎疫情的暴發(fā)給教育界帶來了巨大的變化，為響應(yīng)教育部“停課不停教、停課不停學(xué)”的號召，遠程科學(xué)教育逐漸成為現(xiàn)代科學(xué)教學(xué)的主要研究方向。結(jié)合信息化2.0 時代，虛擬仿真實驗教學(xué)成為近幾年實驗教學(xué)的研究熱點，不僅彌補了一些基礎(chǔ)實驗的不足，而且使得實驗教學(xué)更具有智能化、個性化和泛在化。

本研究基于中央電化教育館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)的教學(xué)資源開展小學(xué)科學(xué)實驗對比教學(xué)，以期優(yōu)化虛擬實驗教學(xué)設(shè)計，提升小學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)力，為小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量的提升提供參考。

一、虛擬實驗教學(xué)在小學(xué)科學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2021年國家教育部發(fā)布的《關(guān)于大力加強中小學(xué)線上教育教學(xué)資源建設(shè)與應(yīng)用的意見》提出，中小學(xué)教師要積極學(xué)習(xí)借鑒國家級互聯(lián)網(wǎng)平臺提供的優(yōu)質(zhì)課程案例，結(jié)合課程案例推動線上線下混合教學(xué)，從而創(chuàng)新教學(xué)方式。科學(xué)實驗教學(xué)是小學(xué)科學(xué)教育必不可少的環(huán)節(jié)，是學(xué)生發(fā)展科學(xué)創(chuàng)新設(shè)計思維的重要切入點。結(jié)合國家信息化2.0 時代的發(fā)展及國際共同抗疫的形勢背景，虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)實踐在各院校領(lǐng)域取得了較好的效果。為了探究虛擬實驗教學(xué)能否助力小學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)力的提升，筆者嘗試借助中央電化教育館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)實驗資源進行對照實驗教學(xué)，探究提升小學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)力的虛擬實驗教學(xué)模式，希望對一線科學(xué)教師有所啟發(fā)和幫助，促進信息技術(shù)與科學(xué)實驗的深度融合。

二、學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)力的內(nèi)涵及評價維度

近幾年，“學(xué)習(xí)力”一詞逐漸成為教育領(lǐng)域的研究話題之一。綜合近幾年有關(guān)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域內(nèi)學(xué)習(xí)力研究的文獻綜述，教育學(xué)者對學(xué)習(xí)力的內(nèi)涵及評價維度說法不一。郭黎巖等人將中小學(xué)生學(xué)習(xí)力分為5 個一級維度，即學(xué)習(xí)動力、學(xué)習(xí)毅力、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化力和學(xué)習(xí)創(chuàng)造力。裴娣娜詮釋了學(xué)習(xí)力是學(xué)生的生長力，建立三層次六要素結(jié)構(gòu)模型。縱觀研究者們的觀點，學(xué)習(xí)動力、學(xué)習(xí)毅力和學(xué)習(xí)能力構(gòu)成學(xué)習(xí)力三個基本核心要素。王碧梅基于15個國家課程標準和38位教師深度訪談內(nèi)容進行分析，建構(gòu)出科學(xué)核心素養(yǎng)和要素——科學(xué)觀念與應(yīng)用、科學(xué)思維與創(chuàng)新、科學(xué)探究與交流、科學(xué)責(zé)任與態(tài)度四個素養(yǎng)和41 個觀測指標。章潞妮將學(xué)習(xí)力分解為3個一級指標（學(xué)習(xí)驅(qū)動力、學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維能力）、11 個二級指標共三大層次的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。所編制的初中生科學(xué)學(xué)習(xí)力問卷調(diào)查較好地結(jié)合了學(xué)習(xí)力及科學(xué)學(xué)科素養(yǎng)內(nèi)涵，可作為本研究的調(diào)查工具。

三、研究設(shè)計

（一）研究內(nèi)容

1．虛擬實驗教學(xué)和學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)力的理論研究

通過梳理國內(nèi)外有關(guān)虛擬實驗教學(xué)和小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)力文獻，對科學(xué)學(xué)習(xí)力的內(nèi)涵、評價維度及虛擬實驗教學(xué)實踐應(yīng)用案例進行研究。

2．優(yōu)化虛擬實驗教學(xué)設(shè)計和教學(xué)模式

探究傳統(tǒng)課堂和虛擬實驗課堂對學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)力的影響。

結(jié)合課程資源及學(xué)科素養(yǎng)融合點，問卷調(diào)查傳統(tǒng)課堂和虛擬實驗課堂中學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)力。同時指出實施過程中的困難之處，創(chuàng)新教學(xué)模式和教學(xué)設(shè)計。

（二）研究方法

1．文獻分析法

通過查閱相關(guān)文獻和政策，了解國內(nèi)外有關(guān)小學(xué)科學(xué)虛擬實驗教學(xué)對科學(xué)學(xué)習(xí)力影響的最新理論和實踐動態(tài)，形成研究理論的支撐框架。

2．問卷調(diào)查法

本文參考章潞妮針對初中生科學(xué)學(xué)習(xí)力所編制的問卷。研究中的一個變量為教學(xué)方式的不同，實驗前后調(diào)查問卷應(yīng)保持一致性。通過前后測對比學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)力的變化，從而檢驗虛擬實驗教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)力各維度影響的顯著性。

表1 實驗變量控制表

（三）研究過程

1．實驗對象

三年級共7 個班級，通過詢問班主任和科學(xué)教師，了解7 個班級的學(xué)情、男女比例和科學(xué)成績，最終選取三年級（1）班、（3）班、（4）班、（5）班的全體學(xué)生作為實驗對象，其中三年級（4）班、（5）班為對照班，三年級（1）班、（3）班為實驗班。為保證實驗的可信度，實際教學(xué)中盡量保持相同的教學(xué)課時以避免實驗誤差。

表2 實驗變量控制表

2．實驗平臺

中央電化教育館虛擬實驗服務(wù)系統(tǒng)實驗資源涵蓋小學(xué)到高中。實驗資源類型主要有演示視頻、實拍、3D 課件和VR 課件，其中3D 和VR課件登錄賬號并安裝插件可進行線上虛擬實驗操作；實驗測試分為練習(xí)和測試兩個模塊，后臺會記錄學(xué)生每次練習(xí)或測試的情況，生成操作明細表和評價雷達圖，筆者用于學(xué)生操作技能的考核，取得一定的成效；創(chuàng)編系統(tǒng)中含有豐富的器材庫，可實現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計實驗，包括器材、步驟、原理、數(shù)據(jù)記錄等信息。

圖1 實驗測試練習(xí)界面（用天平測量物體質(zhì)量為例）

圖2 實驗操作得失分明細

圖3 實驗測試評價雷達圖

3．教學(xué)案例

結(jié)合科學(xué)課程標準、學(xué)情及學(xué)校的實際教學(xué)進度，與科學(xué)組商議后選定三年級上冊第一單元“認識空氣”和三年級下冊第一單元“植物的一生”進行教學(xué)設(shè)計，開展后續(xù)的虛擬實驗教學(xué)，所使用的虛擬資源見文后附表。

四、研究結(jié)果與討論

實驗開始前對三年級7 個班的學(xué)生進行測試，分別下發(fā)《科學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)力水平調(diào)查問卷》和《學(xué)習(xí)態(tài)度及學(xué)習(xí)策略相關(guān)調(diào)查表》問卷共計692 份，其中剔除無效問卷35 份，回收的有效問卷共為657 份。實驗結(jié)束后，同時對實驗對象的4個班級進行后測，分別下發(fā)問卷共計396份，其中剔除無效問卷15 份，回收的有效問卷共為381份。

表4 小學(xué)生科學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)水平及學(xué)習(xí)態(tài)度成對樣本t檢驗成對樣本檢驗

在進行虛擬實驗教學(xué)前后測小學(xué)生科學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)水平及學(xué)習(xí)態(tài)度各項差值序列的平均分為學(xué)習(xí)驅(qū)動力（2.135）、學(xué)習(xí)能力（2.245）、科學(xué)思維（4.649）、學(xué)習(xí)態(tài)度（2.561），說明通過虛擬實驗教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)驅(qū)動力、學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維和學(xué)習(xí)態(tài)度均有所提升。

從計算出的t 統(tǒng)計結(jié)果來看，科學(xué)思維和學(xué)習(xí)態(tài)度的成對樣本T檢驗的顯著性均低于0.01，說明虛擬實驗教學(xué)模式極其顯著地提升了學(xué)生的科學(xué)思維和學(xué)習(xí)態(tài)度；學(xué)習(xí)驅(qū)動力和學(xué)習(xí)能力的成對樣本t 檢驗的顯著性均低于0.05，說明虛擬實驗教學(xué)模式顯著地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)驅(qū)動力和學(xué)習(xí)能力。

由此可見，通過一個學(xué)年的虛擬實驗教學(xué)，小學(xué)生科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)力及學(xué)習(xí)態(tài)度的各個維度均得到了顯著提升。

學(xué)生對虛擬實驗平臺存在較大的興趣，能調(diào)動學(xué)生的積極性。4月初因疫情調(diào)整為線上教學(xué)，但學(xué)生仍可利用賬號進行相關(guān)實驗的探究，從平臺提交率看顯著高于線下，一定程度上激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)驅(qū)動力和學(xué)習(xí)態(tài)度。

在虛擬實驗課堂實施的過程中，科學(xué)教師在設(shè)計虛擬教學(xué)時深度挖掘了課程資源與課堂的結(jié)合點。同時利用學(xué)科融合，如語文習(xí)作《我的植物朋友》+科學(xué)《植物的一生》、英語《嫦娥四號》+科學(xué)《月球》、科學(xué)《觀測天氣》+體育運動會活動設(shè)計課例，真正將知識運用到生活情境中，利于學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升，使得虛擬實驗教學(xué)方式比傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式更能提高學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度。

虛擬實驗中實驗測試模塊無須準備過多的器材，卻能夠輻射每一位學(xué)生。結(jié)合后臺數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，如托盤天平、量筒、測溫計等工具使用，確保每一位學(xué)生能夠通過實驗儀器操作，從而進一步提高學(xué)生知識技能操作能力。

虛擬實驗中創(chuàng)編模塊能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的實驗設(shè)計，擁有豐富的器材庫，能夠?qū)嶒炍锲愤M行更換，將實驗原理舉一反三達到實驗的考核目的，促進能力和思維的發(fā)展。

五、研究結(jié)論和展望

本研究實驗基于虛擬實驗教學(xué)下的小學(xué)科學(xué)實驗課為學(xué)生提供一個可行的實施方案，并對教學(xué)設(shè)計的有效性進行實證研究，通過一年的教學(xué)實踐現(xiàn)已完成前后測分析工作。從SPSS 計算出的t 統(tǒng)計結(jié)果得出，通過虛擬實驗教學(xué)小學(xué)生科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)力及學(xué)習(xí)態(tài)度的各個維度均得到了顯著提升。同時結(jié)合資源深入挖掘?qū)W科融合特性，建立語文習(xí)作《我的植物朋友》+科學(xué)《植物的一生》、英語《嫦娥四號》+科學(xué)《月球》、科學(xué)《觀測天氣》+體育運動會活動設(shè)計校本課例，取得較好的教學(xué)效果。

本研究在后期因虛擬資源的使用受到一定限制，未能將已有的實驗測試雷達圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出。建議中央電化教育館虛擬實驗服務(wù)系統(tǒng)能夠開放實驗校的權(quán)限和資源，并進一步完善資源創(chuàng)新性，特別是在創(chuàng)編系統(tǒng)模塊中，還無法實現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計的實驗方案的運行。同時，本研究在借用初中生科學(xué)學(xué)習(xí)力評價表進行測評過程中，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對問卷題目理解不夠到位，某種程度上對評價結(jié)果有一定的影響。如何將科學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)力的評價過程設(shè)計得更加貼近小學(xué)生，提高普及性；如何更好地結(jié)合2022年科學(xué)課程新課標及國家對青少年科學(xué)素養(yǎng)的要求，都是后續(xù)研究值得關(guān)注的。

附表 虛擬實驗教學(xué)資源列表