“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的《光的反射》虛擬實驗

〔摘 要〕 隨著信息技術與教育的深度融合，虛擬實驗以其沉浸性、交互性和可重復性等特性，為小學科學教學帶來創(chuàng)新性的教學手段。本研究以小學科學課程中《光的反射》一課為例，探討了虛擬實驗在提升學生科學認知、激發(fā)學習興趣、優(yōu)化教學過程和培養(yǎng)科學素養(yǎng)方面的應用價值與實踐策略。本文通過文獻分析、教學設計、教學實踐與效果評估，揭示了虛擬實驗在小學科學教學中的有效應用模式及顯著教學效果。

〔關鍵詞〕 小學科學；虛擬實驗；《光的反射》；科學素養(yǎng)；教學設計

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 24 004-006

隨著科技的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，特別是在教育領域，帶來了前所未有的變革。小學科學教育作為培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的基礎，如何借助互聯(lián)網(wǎng)技術，特別是虛擬實驗技術，來提高教學效果，成為當前教育領域研究的熱點問題。本文以《光的反射》一課為例，深入探討了虛擬實驗在小學科學教學中的應用價值和實踐策略。

一、虛擬實驗在小學科學教學中的應用價值

虛擬實驗是一種基于計算機技術的模擬實驗。它能夠在虛擬環(huán)境中模擬真實實驗過程，為學生提供一種沉浸式的學習體驗。在小學科學教學中，虛擬實驗的應用具有以下幾個方面的價值。

提升學生科學認知。虛擬實驗可以通過模擬真實的實驗過程，讓學生更加直觀地理解科學現(xiàn)象和原理，提升他們的科學認知能力。

激發(fā)學習興趣。虛擬實驗具有交互性和趣味性，能夠吸引學生的注意力，激發(fā)他們的學習興趣，使他們更加主動地參與到科學學習中來。

優(yōu)化教學過程。虛擬實驗可以隨時隨地進行，不受時間和空間的限制。這為小學科學教學提供了更加靈活和多樣的教學方式，有助于優(yōu)化教學過程。

培養(yǎng)科學素養(yǎng)。通過虛擬實驗，學生可以更加深入地了解科學實驗的過程和方法，培養(yǎng)科學素養(yǎng)和實驗能力。

二、《光的反射》的虛擬實驗教學實踐

本研究以《光的反射》一課為例，設計了基于虛擬實驗的教學方案，并進行了教學實踐。在教學過程中，我們利用虛擬實驗平臺，模擬了光的反射實驗過程，讓學生在虛擬環(huán)境中進行實驗操作，觀察光的反射現(xiàn)象，并通過數(shù)據(jù)分析來理解光的反射規(guī)律，實踐案例如下。

（一）分析學情，確立教學生長的起點

《光的反射》一課所屬的科學核心概念是“物質的運動與相互作用”。具體學習內(nèi)容是：光遇到物體時，會發(fā)生反射現(xiàn)象，光的傳播方向會發(fā)生改變。本課是學生在學習了光源、光的直線傳播基礎上，進一步探究光的反射現(xiàn)象，為后續(xù)學習光的反射規(guī)律等知識做鋪墊，起到承上啟下的作用。

本課的教學對象是五年級學生，調(diào)查數(shù)據(jù)表明：93%以上的學生在課前都玩過鏡子，對鏡子能反光有一定的了解，但大約75%以上的學生認為白紙等表面粗糙的物體是不可以反光的，一半以上學生不了解潛望鏡的組成及其工作原理。

2017年版蘇教版科學教材設計了三個活動：通過陽光打靶活動感受光的反射現(xiàn)象；通過對比觀察圖片，歸納反光效果好的物體表面特點；通過玩鏡子，制作潛望鏡等活動，了解潛望鏡的工作原理及光的反射在生活中的應用。在實際教學中，采用教材實驗設計教學存在幾個不足：陽光打靶活動需要晴朗的天氣及陰暗分明的場地，如遇上陰天實驗則無法展開；光的傳播路線不可見，光的反射過程不夠形象直觀；通過圖片對比觀察得出反射效果好的物體表面特點，學生缺少實驗探究過程；通過演示方式講解潛望鏡的工作原理，難以實現(xiàn)理解潛望鏡的工作原理這一教學目標。綜上所述，采用教材實驗開展教學，實驗條件及場地受限，學生探究時間少，缺乏自主思考，弱化了科學素養(yǎng)的培養(yǎng)。基于以上教材解讀和學情分析，依據(jù)2022年版科學課程新課標的素養(yǎng)要求，筆者制訂了以下教學目標和教學重難點：理解光的反射概念；知道大部分物體能夠反射光線，表面越光滑，顏色越淺，其反射光線的能力越強；學習典型歸納法的使用，發(fā)展推斷科學認識的能力；學習演繹法的應用，發(fā)展解釋和預測能力；能夠猜測并探究影響物體反射光線的能力的因素；學會收集和整理數(shù)據(jù)，分析歸納實驗結論；保持對光的反射及其相關現(xiàn)象探索的積極性，并能夠與同伴協(xié)調(diào)合作，積極參與討論交流。將建立光的反射的科學概念、知道幾乎所有物體都能反射光作為本課教學重點；理解表面粗糙的物體也會發(fā)生光的反射現(xiàn)象、理解潛望鏡的工作原理為本課的教學難點。

本課需要準備的教師材料有：激光筆、強光手電筒、畫架、大標靶、光學實驗盒、課件。學生分組材料為：學習任務單、小鏡子、激光筆、手電筒、靶心、創(chuàng)新學具、央館虛擬實驗平臺。所采取的教學方法主要是：依托分組實驗盒，引導學生通過合作，對光的反射進行自主探究的合作探究法；借助水霧、煙霧等方式，顯示光的傳播路線，啟發(fā)學生學會用借助法獲取實驗證據(jù)，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度的實驗觀察法。在實驗方法設計上體現(xiàn)了2022年版新課標所倡導的“面向全體學生，立足素養(yǎng)發(fā)展”的教學理念。

（二）精心設計教學活動，達到實驗教學目標

結合對教材實驗的分析，筆者將教材上的陽光打靶實驗換成以激發(fā)學生興趣為出發(fā)點、學生喜聞樂見的激光打靶游戲，引導學生學習科學方法、培育創(chuàng)新思維。本課預設的教學過程由四個環(huán)節(jié)組成，這四個環(huán)節(jié)都是緊緊圍繞“深化概念理解，優(yōu)化探究過程，發(fā)展科學核心素養(yǎng)”設計的。

環(huán)節(jié)一：聚焦問題，感受光的反射現(xiàn)象，構建光的反射概念。

播放電視劇《愛的厘米》中男主沙漠遇險的視頻片段，提問：視頻中的主人公用什么物品進行自救？為什么會用到這個物品？從而聚焦問題，揭示光的反射課題。如果我們在戶外郊游時遇到類似的緊急情況，我們也可以采用同樣的方法來求救。如果用激光筆模擬太陽，用靶心模擬救援的隊員，你能將激光筆的光射中靶心嗎？畫一畫在這一過程中光是如何傳播的。學生完成后，借助水霧再現(xiàn)光的傳播路線。

教師提問：還是用上述實驗方法，如果將激光筆換成手電筒，還能射中靶心嗎？這兩次打靶過程有什么相同和不同之處？學生通過比較，歸納總結出光的反射概念。

【設計意圖】通過真實的生活情境來導入新課，設計適宜學生探究的科學問題，極大地激發(fā)了學生學習科學的興趣，并將生命安全與健康這一重要的主題教育有機地融入科學課題的學習。在光的反射科學概念教學上，本文采用了邏輯思維方法中的科學歸納法，即從一條光到一束光的行為推廣到無數(shù)光的行為，從而建立普遍結論。

環(huán)節(jié)二：科學實踐，借助身邊其他材料，探究反射效果規(guī)律。

引導學生繼續(xù)思考：如果在戶外郊游時，沒有攜帶平面鏡，我們可以利用身邊的哪些物體反射光呢？引領學生思考：其他物體是否也能像鏡子一樣反射光？學生利用身邊的材料，如科學書本、文具袋、作業(yè)紙、不銹鋼、塑料板、蠟光紙等物體替換鏡子，發(fā)現(xiàn)這些物體都能反射光，能射中靶心。小組討論交流：激光筆照在白紙上與照在平面鏡上有什么相同和不同之處？為什么會出現(xiàn)這樣的不同？教師結合交流內(nèi)容，得出結論：幾乎所有的物體都能反射光，表面越光滑的物體，反射效果越好。

【設計理念】學生利用教師提供的手電筒、激光筆和靶心，自主設計實驗方案，對實驗結果進行排序。在對比、分析和歸納的思維活動中，學生發(fā)現(xiàn)：幾乎每種物體都會發(fā)射光，而且越光滑的表面，反射效果越好。學生通過交流討論，逐步完善了對光的反射的認識，深化了對光的反射概念的理解，體現(xiàn)了新課標所倡導的注重科學核心素養(yǎng)發(fā)展的理念，真正實現(xiàn)了學生科學核心素養(yǎng)的有效發(fā)展。

環(huán)節(jié)三：巧用實驗盒，探秘潛望鏡。

將靶心放置到Z型實驗盒出口位置，學生通過小組合作討論發(fā)現(xiàn)，要射中靶心需要借助兩面平面鏡，當兩面鏡子與實驗盒都成45度角時，容易打到靶心。探究后，借助水霧，學生很容易畫出光路圖，不僅成功射中靶心，而且在第一面鏡子中能看到靶心，體現(xiàn)光路可逆。緊接著提問學生：能否利用光的反射知識制作一個可以隔墻觀物或者在水下可以看到水面上物體的觀察工具？引導學生發(fā)現(xiàn)將實驗盒豎著立起來，就可以變身成為一個簡易的潛望鏡，借助水霧再現(xiàn)潛望鏡的工作原理。教師講解：利用平面鏡還能產(chǎn)生更多奇妙的變化。出示深淵隧道燈、萬花筒等光學玩具，拓展學生的思維，并啟發(fā)學生：課后還可以繼續(xù)利用光的反射知識，收集和制造更多的光學產(chǎn)品。最后，將本課的作業(yè)設計為：畫一畫潛望鏡中光的傳播路線，鞏固光的反射知識的同時，初步體會建立光路模型的樂趣；利用家中廢棄材料動手操作制作潛望鏡，學以致用，發(fā)展學生創(chuàng)新思維。

【設計意圖】本文將書本上先講解潛望鏡的工作原理再制作潛望鏡的過程，換成借助光學實驗盒的打靶闖關游戲。通過分步驟、搭支架的方式，讓學生在不知不覺中，理解了潛望鏡的工作原理，真正實現(xiàn)學生科學核心素養(yǎng)的有效發(fā)展。

環(huán)節(jié)四：借助央館虛擬實驗平臺，深化科學概念理解。

學生在教師指導下登錄央館虛擬實驗平臺，進入“光的反射”實驗模塊。學生依次進行如下操作。

觀察演示實驗：觀看系統(tǒng)預設的光的反射演示，初步了解光的反射現(xiàn)象。

動手操作實驗：調(diào)整光源位置，改變?nèi)肷浣牵^察并記錄反射光的路徑及反射角的變化。

探究性實驗：嘗試不同介質（如鏡面、粗糙表面）的反射現(xiàn)象，探究反射效果的差異。

三、總結反思，探討虛擬實驗探究教學成效

通過學生的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)：利用創(chuàng)新學具光的反射實驗裝置，采用探究發(fā)現(xiàn)教學法，利用虛擬實驗平臺進行探究活動，學生對本課的學習興趣及實驗的興趣遠高于按照教材實驗設計教學。本實驗教學達到預期效果，學生掌握了正確的科學概念。學生經(jīng)歷激光打靶的游戲過程，本質上是基于證據(jù)的科學探究，是“實證法”的學習，這種學習是指向科學本質的。

【本文系福州市教育科學研究“十四五”規(guī)劃2023年立項課題“互聯(lián)網(wǎng)+背景下虛擬實驗在小學科學教學中的應用研究”的成果，課題編號：FZ2023ZX062】

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

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