虛擬仿真實驗平臺支持下的小學科學探究式作業新范式

章欣

為彌補小學科學探究式作業的不足，筆者設計了基于教學評一體化的3D/VR虛擬仿真作業范式。為探索觀察類作業、項目式作業和大單元作業新路徑，筆者在虛擬仿真實驗平臺支持下，借助3D交互操作、實拍指導視頻、VR仿真訓練等技術手段，建構虛擬仿真作業庫，按照“線上推送—可視指導—數據評價”的流程推進作業形式多樣化、過程指導可視化和作業評價數據化，以期提升學生的學習存在感，增強學生主動學習的意愿和獲得感。

一、破解探究式作業難題需探索數字化新路徑

（一）困境：小學科學探究式作業存在不足

作業在科學課中的重要性不容忽視，它不僅是課堂教學的延伸，而且是學生鞏固知識與提升能力的重要途徑。教師應該恰當地設計、布置作業，不能簡單地削減。對于學生來說，作業既是鞏固知識、提升能力的機會，又是自主學習的渠道。對于教師來說，作業是其了解學情、評估教學效果的重要途徑。探究實踐是科學核心素養之一，而實驗是學生學習科學的主要方式，因此探究式作業自然而然成為小學科學重要的作業類型。但實踐中仍存在諸多問題。

1.局限于書面練習

當下小學科學教學中，教師在布置作業時往往更加關注學生對知識的掌握程度，傾向于布置大量重復練習的習題，而忽略科學實驗、探究等方面的練習。即便布置了探究式作業，但由于客觀條件的限制，如許多科學實驗所需材料難以收集或達到標準，某些宏觀與微觀的實驗現象并不明顯，導致探究式作業仍以書面形式為主，難以促進學生實踐創新能力提升。筆者對本校學生開展了科學作業類型調查，結果表明書面作業的占比約83%，而實踐探究式作業占比不到5%。

2.缺乏有效指導

傳統的小學科學探究式作業，低齡的學生在真實情境下做實驗存在許多潛在危險，如參與“研究水蒸發過程”實驗需用到火柴與酒精燈等存在安全隱患的實驗器材。學生在家中進行探究式作業如果遇到困難，難以及時有效地尋求到專業的指導與支持，并且也難以重復實驗，這樣容易導致體驗感差、探究科學的興趣降低。

3.評價過程模糊

由于科學學科探究式作業具有實踐性、創新性、開放性等特征，往往沒有標準答案，這也使得評價具有一定的模糊性。教師對學生在家完成探究式作業任務進行評價，缺乏過程數據支持，只能借助報告或實驗記錄予以判斷，加之作業還存在由家長代勞的可能，故難以精準評價。

（二）出路：應用3D/VR虛擬仿真平臺開辟新路徑

1.技術賦能變革，從被動練習走向主動探究

近年來，教育主管部門一直鼓勵信息技術與科學學科教學深度融合。2019年，教育部發布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，明確建議將虛擬現實實驗手段應用于實驗教學中，實現儀器配置多元化，并將VR交互教學系統、全息交互教學系統納入教學裝備之列。教師借助3D仿真、虛擬現實、增強現實等技術開展實驗教學，不僅可以突破時空限制，而且可以賦予學生更大的自由度，激發學生更深層次的創造潛能。以教育部教育技術與資源發展中心（中央電化教育館）組織研發的中小學虛擬實驗教學服務系統（簡稱“央館虛擬實驗”）為例，其中的虛擬仿真實驗效果甚至優于實物實驗^[1]。教師借助3D/VR虛擬仿真平臺創設任務情境，讓學生明確任務自主探究，并在師生互動與生生互動過程中反思、改進。

2.創新教學模式，從淺層練習走向深度探究

教師應積極嘗試利用信息技術優化科學探究式作業。虛擬現實技術助力教學主要體現在：教師借助三維建模、人機交互等技術讓學生獲得身臨其境的體驗。虛擬仿真實驗具有沉浸式體驗和可重復操作的特點，教師能夠用其有效地改進科學課堂教學。教師融合3D/VR技術開展翻轉課堂教學，有利于學生利用虛擬實驗平臺進行課前預習和課后鞏固，彌補傳統作業模式下存在的材料不齊、操作有危險等不足。

筆者針對觀察類作業、項目式作業和大單元作業三個主要作業類型，設計了“線上推送—可視指導—數據評價”的基本流程，采用3D交互操作、實拍指導視頻、VR仿真訓練等手段建構虛擬仿真作業庫，促進作業形式多元化、過程指導可視化和作業評價數據化（如圖1）。

二、開發作業庫：推進虛擬仿真作業資源建設

虛擬仿真作業具有經濟省錢、生動直觀、安全可靠等特性，但其無法完全取代實物探究。學生借助虛擬實驗平臺雖然能生動直觀地模擬實驗，獲得沉浸式體驗，但是在實驗器材使用的規范性上體驗不佳，且虛擬實驗無法完全模擬實操實驗過程中可能遇到的各種問題，影響應變能力和分析與解決問題能力的培養^[2]。教師開展虛擬仿真作業應當秉持虛實融合的理念。虛實融合并不是簡單機械地將虛擬實驗和實操實驗放在一起，而是根據實驗類型、學生需求適時恰當地有機結合（如圖2）。

（一）以虛帶實開展觀察類作業

央館虛擬實驗平臺上的實拍指導視頻對教師開展觀察類作業有很好的支撐作用。這些視頻由錄制者采用高清、微距、倍速、延時等攝影技術制作而成，從多個視角展現實物實驗的過程和現象。其主要特征是真實性和規范性。教師借助平臺上的視頻展示規范的操作過程（如圖3），為學生提供觀察的腳手架，有助于學生熟悉操作步驟，明確實驗現象及注意事項。

學生先利用實拍視頻等新型虛擬實驗資源掌握正確的觀察方法與觀察技能，并將這些方法技能運用到實物的觀察中，或先借助虛擬平臺觀察一些微觀的部分或事物內部難以觀察到的部分，再去觀察實物中其他的部位。

1.虛實結合，提升觀察實效

科學的觀察方法是觀察的基礎。虛實結合能更好地提高觀察的科學性和有序性。以教科版《義務教育教科書 科學 一年級 下冊》為例，筆者這樣布置作業。在觀察之前，學生觀看3D指導視頻“觀察魚”中關于觀察方法的片段，學會從正面、上面和側面三個角度全面地觀察魚。

2.原版到再版，凸顯觀察增量

學生觀察實物，畫出所見，在研討的過程中產生認知沖突。教師借助央館虛擬實驗系統上的資源，以認知沖突點為基礎，讓學生繼續觀察虛物，補充原有的發現，形成“再版”，前后對比凸顯學生的學習增量。以“觀察一種動物”為例，布置“再版”作業。學生觀察蝸牛，總結并畫出蝸牛的結構和功能特點。隨后觀察微距攝像下蝸牛運動時腹足的運動細節，繼續修正剛才的發現，最后展現修正圖。

3.整體到局部，強化觀察序列

興趣是最好的導師。觀察類作業實施過程中，教師往往不會一開始就關注局部，而會從整體入手，引發學生興趣。從整體到局部推進觀察，可以強化觀察的有序性。以“觀察生物細胞”為例，筆者這樣引導學生觀察。

筆者先呈現各種生物的剪影，讓學生猜生物名稱，再展示人體的各器官，讓學生聚焦于組成器官的細胞，從而引入主題。之后，呈現虛擬器官和細胞，讓學生深入觀察顯微鏡下的細胞，了解其特征。

（二）以實引虛開展項目式作業

項目式作業是一種有助于學生主動學習和提高實踐能力的教學和評估方法。學生參與實際項目活動，可以將所學知識和技能用于解決實際問題，并培養綜合思維、合作能力和解決問題的能力。與傳統的課堂作業不同，項目式作業要求學生在實際的項目活動中應用所學知識和技能，并解決實際問題^[3]。項目式作業可以在課堂上實施，即學生小組在教師指導下完成項目任務；也可以在課后實施，即學生在整個學習過程后利用課余時間完成項目任務。

1.真境與虛境互補，引出問題

項目式作業需要選取或構建合適的情境資源。教師發布（推送）資源讓學生自主預習，使其充分暴露頭腦中的前概念，思考情境中出現的問題并帶著問題與興趣參與后續活動。教師開展翻轉教學避免了傳統模式下學生因難以找齊材料或難以達到要求而導致的作業參與度低和作業效果不佳的窘境。以“月球——地球的衛星”為例，筆者這樣布置項目式作業。學生先在虛擬平臺內與月球近距離交互，并觀看央館虛擬實驗系統中的實拍視頻“觀察月球”，查閱相關資料后思考：月球上的環形山和月海是怎么來的呢？嘗試模擬制造環形山。

2.線下轉換到線上，協作探究

以“產生氣體的變化”為例，筆者讓學生協作探究完成項目任務。學生在了解實驗步驟后，在家中利用廚房里常見的玻璃杯、小蘇打、白醋和蠟燭探究蠟燭在不同條件下的燃燒情況。學生在線下分組合作開展實驗及探究，在班級釘釘群上傳自己參與探究活動的視頻或照片。接下來，學生登錄進入虛擬實驗平臺，在虛擬實驗室中先取適量碳酸鈉溶液加入吸濾瓶，再取適量濃鹽酸加入小試管中，在小試管邊緣綁一條細繩，并在其中插入一根小木條，倒置吸濾瓶，模擬制作簡易酸堿滅火器（如圖4）。

3. 實驗轉型到實操，共享成果

虛擬仿真實驗平臺內的VR實操訓練，是一種基于虛擬現實技術的實操訓練方法。學生使用頭戴式顯示器和手柄等設備，身臨其境地體驗，并接受具有實踐性的訓練。筆者讓學生在暑期完成創新探究式作業“廚房里的科學——滅火原理與方法”。

學生分組完成產生二氧化碳氣體的實驗探究后，筆者發問“廚房里有許多常見的安全隱患，遇到油鍋著火、電器起火該怎么辦”，引導學生借助虛擬實驗平臺進行一場仿真滅火演練。學生利用VR模擬火災并滅火，展示學習成果。最后學生將自己的最終成果打包成圖片、視頻等，以作業的形式提交；在班級群內進行視頻交流，分享對虛擬實驗的體驗及探究所得。在學生體驗結束后，筆者讓學生總結滅火方法，對其成果（設計單等）進行評價。

（三）虛實互融開展大單元作業

虛實互融的大單元作業指教師借助3D交互操作幫助學生通過虛擬仿真實驗完成指向單元大概念的任務。基于虛擬仿真實驗平臺的3D交互操作又稱3D桌面式虛擬實驗，即依靠科學的實驗引擎和精準的實驗數據，對高精度3D器材進行360°交互操作，精準呈現實驗現象。從限定地點到多樣場景、從固定時間到自由時空、從一次嘗試到多輪試錯，借助3D交互操作技術實施大單元作業，時空范圍與作業深度大大拓展^[4]。在作業的各環節中虛實深度融合，在虛與實的多輪交替中不斷螺旋上升，這是虛實互融大單元作業的魅力所在。

1.從限定地點到多重場景，擴展作業空間

傳統探究式作業受地點限制，學生需要前往實驗室或在家中準備相關實驗設備與材料。3D/VR虛擬仿真作業則不受地點限制，學生借助一臺支持虛擬實驗的計算機，就可以在任何地方進行實驗。這樣便可以解決實驗設備不足、實驗室容量有限等問題，拓展了作業的空間范圍^[5]。“制作人體呼吸模型”作業就是很好的實例。

肺與外界進行氣體交換時，由于呼吸肌的收縮和舒張，胸廓容積發生改變，從而使肺擴張或收縮，進而引發吸氣和呼氣。學生需要在建立上述認知的基礎上，自主制作人體呼吸模型。這個作業是比較抽象且較難理解的。在探究這個生理活動的過程時，絕大多數學生會想到用橡皮膜模擬膈肌、用瓶子模擬胸廓等。因胸廓容積無法改變，學生用實體模型無法模擬肌肉收縮使胸廓容積變化的過程（模型只模擬膈肌），未能模擬出膈肌和肋間肌共同協作的過程，故學生對整個過程缺乏整體認識。3D的虛擬實驗能立體形象地呈現整個胸廓，包括肋間肌、膈肌、胸廓、肺等結構。學生利用虛擬實驗系統進行實驗，現象直觀明晰，有利于他們探究呼吸肌收縮與舒張時的狀態、胸廓容積的變化跟肺的擴縮之間關系。筆者將虛擬實驗與學生的呼吸模型制作這一大單元作業相結合，有效地突破了難點，加深了學生對概念的理解。

2.從固定時間到自由時空，優化作業時間

傳統探究式作業受到實驗資源的限制，通常需要在特定的時間段內進行，但虛擬實驗可以隨時隨地進行。學生可以根據自己的時間靈活安排，在“十一”黃金周和寒暑假等長假中，利用虛擬仿真實驗平臺里的資源（學習支架）進行實驗。這使得學生實驗有更大的靈活性。

3.從一次嘗試到多輪試錯，豐富單元成果

支持操作者進行3D虛擬仿真交互操作是虛擬實驗的優勢之一，學生借此可克服實物實驗中材料難以重復利用、試錯成本高的困難，實現對實物實驗的虛擬現象驗證，擴展實驗探究性，幫助他們自主建構知識，多次練習與試錯。央館虛擬實驗平臺上有許多操作類實驗資源，如“自制溫度計”“自制指南針”等很適合作為大單元作業中的學習支架。學生可根據自己的需求適時選用這些工具，借助3D交互操作平臺多次嘗試并迭代優化，“點亮房間照明電路”作業就是實證。

學生需要在課后嘗試點亮家庭中的模擬電路，完成“點亮一個房間的照明電路”這一大單元作業。學生在虛擬平臺上先繪制設計圖，再通過測試修改完善自己的設計方案，最終完成電路的組裝工作。在這一過程中，學生多次試錯。相比于傳統作業中僅憑空想象連接，虛擬實驗更具體、形象，且避免了實際連接時因出現錯誤（比如短路現象）而導致損耗材料或發生危險。學生經歷了“任務—設計—改進—安裝—再改進”的工程實踐全過程。

三、數據可視化助力小學科學作業評價

（一）雷達圖診斷學生分項能力

在完成虛擬仿真作業后，筆者分析實驗中的數據、結果，并向學生提供詳盡的評價報告，幫助學生了解并鞏固實驗中的知識，增強學生的自主學習能力。測試記錄包含學生實驗用時、頻次與得分等數據。同時，學生實驗操作過程中的數據將被采集并按熟練程度、操作能力、知識掌握、歸納能力和勤奮程度五大維度呈現，生成個人分項能力雷達圖。

（二）易錯項反饋學生薄弱痛點

借助央館虛擬實驗平臺，教師可以獲取針對不同作業類型的數據分析、班級作業分析報表，得到本次作業的基本統計數據、學生個人知識板塊與全班的比較數據、較薄弱知識點的來源題目等信息。學生也可以針對知識點進行標記，并逐題分析自己對知識的掌握情況。例如，學生在完成“測量液體的密度”實驗過程中存在“游碼未歸零”“未回收液體”“未按照左物右碼規則操作”等問題，全班錯誤率較高。筆者查閱數據報表快速發現班級學生普遍存在的薄弱點，進而有針對性地根據學情調整在線課堂教學內容。

教師借助3D/VR虛擬仿真技術布置作業，實現了作業評價的數據化，解決了傳統探究式作業評價中難以克服的主觀評價模糊、評價不公正等問題。第一，數據化的作業評價具有高度的客觀性，防止了主觀因素的干擾。第二，數據化的作業評價將多方面的表現數據化，在綜合平衡后，能夠真實客觀地反映學生的學習情況^[6]。這樣的評價結果不僅可以得到學生認可，而且便于學生和家長了解狀況，助力學生進行高效自我管理和學習規劃。第三，數據化的作業評價具有科學性。教師分析績效數據可知哪些學生在哪些方面需要提高、哪些學生需要額外關注，這樣就可以制訂更加有針對性的教學計劃，為不同的學生設計不同的學習方案。

今后，筆者將進一步優化3D/VR虛擬仿真高質量作業解決方案，擴大實驗年級，推進作業設計精細化、作業分層個性化、作業管理數字化、作業生成校本化，真正實現作業“輕負高質”。

注：本文系“基于3D/VR虛擬仿真實驗平臺的科學學科探究性作業的設計與實施”（項目編號：2022X533）的階段性研究成果。

參考文獻

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[6] 王豆.NOBOOK虛擬實驗在高中物理探究性實驗教學中的應用[D].重慶：西南大學，2022.

（作者系浙江大學教育學院碩士研究生，杭州江南實驗學校教師）

責任編輯：祝元志