小學科學課程虛擬仿真實驗的設計與開發

張天云

（山西大同大學教育科學與技術學院，山西大同 037009）

2023 年5 月26 日教育部等十八部門《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》（教監管〔2023〕2 號，簡稱《意見》），提出要深化學校教學改革，提升科學教育質量。強調實施啟發式、探究式教學，探索項目式學習，培養學生深度思維。探索利用虛擬現實、AI 等技術手段改進和強化實驗教學，并注重利用先進教育技術彌補薄弱地區教學資源不足的狀況[1]。意見明確提出了利用虛擬現實技術實現科學教育的指導思想，“科學”作為小學很重要的科學教育課程，迫切需要教學模式和教學方法層面的改進，這也為本研究奠定了充分的政策依據。

經過實地調研和文獻查閱發現，小學“科學”課程教學中存在如下一些問題。首選是師資不足或不完備：很多學校對科學教育認識不夠，“科學”課程被默認為副科，沒有受到應有的重視，配備的相關任課教師數量不足，且絕大多數“科學”課程教師沒有對應的專業背景，也有部分被所謂的主科教師兼任，長期被教師與家長忽視。其次是實驗儀器與設備缺乏：部分學校特別是邊遠地區的學校，與科學課相配套的實驗儀器與設備嚴重不足或陳舊，無法滿足該課程正常的教學保證，因此急需加強物化的和虛擬的實驗器材與環境建設。再次是教學形式單一：小學科學課程內容豐富、包含學科眾多，只通過常規課堂教學形式，往往無法兼顧課標中強調的課程目標[2]。目前很多小學科學課授課是在教室中以講授型為主，學生僅僅一聽、一看、做筆記而已，沒有深度參與學習活動，科學課作為一門實踐性、操作性很強的課程，很難實現課程教學目標。

解決以上問題除了改善師資配備（如《意見》中要求實現每所小學至少有1 名具有理工類碩士學位的科學教師）、加強實驗儀器配備、提供豐富的教學形式之外，很顯然利用信息技術手段，特別是虛擬仿真實驗是非常好的選項之一。

虛擬仿真實驗（簡稱虛仿實驗）是利用虛擬現實技術搭建的一種具有教學功能的虛擬實驗環境，與之相對應的是現實物理實驗環境，根據沉浸性真實程度與交互性的多樣化可以劃分為桌面式和沉浸式類型。隨著觸覺反饋技術和交互設備的發展，虛擬仿真實驗營造了更加真實的效果，學習者置身虛擬仿真實驗室中，可自主地與實驗室中的設備進行交互[3]。重點以桌面式為例闡述虛仿實驗的設計與開發過程。

虛擬仿真實驗是融合了目前前沿的信息技術與實驗教學的產物，可以拓展學生的學習內容、資源、時間與空間，特別適合探究式學習，可以培養學生的科學探究精神，同時可以提升教師的教學理念和方法，豐富教師的教學模式，改變了講授式、填鴨式的教學方式，解決了一些學校沒有實驗條件或實驗儀器設備不足的困境。

1 設計過程

1.1 設計與開發工具

重點使用的設計與開發工具為Unity3D 2019，簡稱U3D。Unity 是由英國Unity Technologies 公司開發的一個集虛擬現實平臺、游戲開發引擎、實時三維動畫創建、建筑可視化等功能的跨平臺的開發工具[4]。具備良好的跨平臺特性，支持20 多種平臺，擁有眾多的功能模塊，如圖1。

圖1 Unity3D的基本功能模塊

除此之外虛仿實驗設計與制作過程需借助腳本開發環境Visual Studio、建模工具軟件3Dmax 和和圖像處理PS等專業軟件協作完成作品的設計與開發。

1.2 設計原則

1.2.1 教學性

作為學習用途的虛擬仿真實驗首要的任務是滿足教學要，教學要達到教學大綱的要求和目標，提供的環境和內容應遵循教學規律和學習者的認知規律，從而達到實現教學目標的任務。

1.2.2 科學性

科學性是實驗設計和開發應當遵循的最基本的原則。科學包含著三層含義：一要正確地運用用教學原理；二是實驗中的對象描述要與現實世界一致；三是要符合學生的認知規律[5]。虛擬仿真實驗演示的原理必須具備科學性，要與現實實驗的過程和結果相一致，否則會誤導學習者，也有礙培養學習者的科學探索精神，甚至起到反面作用。

1.2.3 仿真性

仿真實驗重在“真”，虛擬仿真實驗盡可能無限接近現實物理實驗的過程，這就要求設計者協同學科專家和學科教師共同完成虛仿實驗的設計與開發，使學習者在虛仿實驗中體驗到身臨其境的感覺，實現心流體驗式的學習。

1.2.4 交互性

交互性是虛擬現實技術的三大特征之一，虛擬仿真實驗應為學習者提供實時的交互性體驗，學習者通過各種輸入輸出設備與虛擬環境進行互動，環境給予與相應的反饋，該特性也是探究式學習的條件之一。

1.3 設計與開發流程

虛擬仿真實驗是一個具備教學性、演示性、可操作性和交互性的綜合性的虛擬學習系統，仿真實驗的設計環節和質量直接決定了實驗的學習效果和教學質量。在設計與開發過程中既要考慮教學設計的環節也要考慮軟件系統設計本身的規律和方法。教學設計是保障，系統設計是手段，二者需達成同一目標，為學習者有效學習提供支持。筆者通過長期教學和設計開發實踐將虛擬仿真實驗的設計要素與開發過程總結為4個環節，主要包括：需求分析階段、功能分析階段、設計階段、開發階段（含測試評價階段及打包試運行階段）及反饋完善階段。其設計與開發流程如圖2。

圖2 虛擬仿真實驗設計與開發流程

2 案例設計與開發

2.1 功能需求分析

本虛擬仿真實驗以小學六年級下冊“綠葉在陽光下可以產生淀粉”知識點為例，教學目標是驗證綠葉在光下可以產生淀粉的事實，培養學生的動手和觀察能力，激發學生的科學探究精神和科學興趣。

實驗面向的學習對象是小學高段學生，該段學生的學習思維仍以形象、直觀為主，抽象思維不足，具備一點操作能力但仍需要實時的指導與相應的學習支架支持，實驗既需要演示環節又需要探究式學習支持，包括相應的其他教學環節如鞏固練習等，如圖3。

圖3 功能模塊設計

2.2 功能模塊設計

登錄注冊模塊：進入登錄模塊后，系統先判斷用戶是否注冊過，如是新用戶需注冊，已注冊用戶可以直接登錄，輸入框內容必須填寫，格式不正確、不匹配都會有相應的提示。

實驗目標模塊：為學習者提供實驗目標和要求，使其學習目標更加明確。

實驗探究模塊：為學習者提供探究式學習支持，學習者以探究方式與實驗對象進行交互操作，同時系統給出相應的提示，操作正確給出正反饋如“你很棒，完全正確”，操作錯誤給出負反饋如“很遺憾，你可以換個位置”等交互提示。

實驗指導模塊：主要說明實驗的內容、過程、操作說明等，為學習者順利進行實驗提供基礎知識和技能。

實驗演示模塊：用視頻的形式演示整個實驗正確操作的完整過程，講解實驗過程的細節與注意事項。

知識錦囊模塊：展示與實驗相關的知識點和小技巧，拓展實驗內容。

課后鞏固模塊：強化學習者對該實驗涉及知識的掌握，提供練習答題功能，練習鞏固過程中，答案是否正確都會向用戶提示。

2.3 操作邏輯流程

首先進入登錄注冊界面，用戶登錄后進入實驗首頁，學習者通過選擇“開始實驗”進入虛擬實驗場景查看或操作實驗知識錦囊、實驗探究、實驗演示等內容，進行下一步操作時點擊“實驗提示”獲得相應提示，完成后續步驟，結束實驗后可以返回首頁。完成實驗后可以選擇進行“課后鞏固”，通過答題完成實驗相關知識的鞏固，結束答題后可以返回首頁，并隨時可以退出實驗。操作邏輯流程如圖4。

圖4 操作邏輯流程

圖5 仿真實驗首頁

圖6 實驗環境

2.4 詳細設計與開發

2.4.1 首頁界面與實驗場景

2.4.2 實驗動畫

實驗支持學生自由操作實驗設備和儀器，如支持儀器的位置擺放、旋轉及動畫等操作，操作的過程中不符合實驗規范和要求時，系統會根據情況提供及時的NPC 互動提示，引導學生順利完成實驗，圖7是學生操作滴管將碘液滴入器皿中的綠葉上，綠葉變藍的動畫過程。

圖7 滴管滴碘液動畫及核心代碼

2.4.3 特效設計

實驗中“把葉片放入酒精燈并隔水加熱”的步驟中使用了特效，其中，酒精燈的火焰效果使用的是Unity3D的粒子系統，火焰效果如圖8。

圖8 火焰效果

2.4.4 交互設計

在實驗操作的過程中設計了實時交互環節和學習支持工具，如NPC 互動提示和語音提示等功能，為學習者提供必要的學習幫助，避免學習者因操作困惑而影響學習效果甚至放棄實驗操作，如圖9。

圖9 實驗交互提示

2.4.5 課后鞏固

為了鞏固學習者對于該實驗所涉及知識的掌握，提供了練習答題的強化功能，如圖10。

圖10 鞏固練習

3 測試

通過測試查驗設計與開發過程中存在的Bug，進而發現存在的問題并完善產品。測試需從不同層面入手以確保程序的正確性與完整性。筆者利用黑盒測試中的功能測試查驗了登錄模塊功能、實驗操作的功能，確保產品功能性的正確，保障關鍵組件與整個系統的集成，利用非功能測試查驗了完成度等相關測試，檢查了系統完成操作過程的正確性，并進行了部分完善工作。詳細測試項目如表1。

表1 黑盒測試表

4 結語

目前虛擬仿真實驗已經在各行各業開始廣泛應用，在教育領域的全學段開始逐步引入，各高校開始積極參與到國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺的建設當中，國家智慧教育公共服務平臺推出的中小學智慧教育板塊中也正在搭建虛仿實驗平臺，使更多的中小學生受益，實現教育資源的均衡發展。

毫無疑問，虛仿實驗在教育領域（VR+教育）的研究與應用是未來趨勢之一，在實際教學中將虛擬仿真實驗與教學內容、教學目標及教學對象特征相結合并靈活應用，能夠達到提高教學績效、優化教學的目的。利用Unity3D 開發平臺，設計并開發了小學科學實驗的一個虛仿課例，探討了虛仿實驗的設計原則、流程、開發及測試等相關理論與技術，希望在虛擬仿真實驗建設方面起到拋磚引玉的作用。