虛擬實驗支持的跨學科主題學習

〔摘" "要〕" 跨學科主題學習因其以問題驅動并具有綜合性和情境性等特點，成為當今教育的趨勢。在小學科學跨學科主題學習實踐中融入虛擬實驗，可克服傳統實驗的諸多困難，助力學生深刻理解科學概念和原理，聚焦課堂，確保主題學習的順利開展。在應用虛擬實驗時，還要注意虛擬不能完全代替真實實驗，做到能實不虛，虛實結合，結合教學情境選擇合適的平臺，精心設計實施實驗內容，確保虛擬實驗的有效應用。

〔關鍵詞〕" 小學科學；跨學科；虛擬實驗

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " "〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）" 10" " 086-088

《義務教育課程方案（2022年版）》提出：義務教育課程要遵循“聚焦核心素養，面向未來”“加強課程綜合，注重關聯”和“變革育人方式，突出實踐”等原則。教師應加強課程與學生生活經驗之間的聯系，引導學生綜合應用知識技能，在真實情境中解決問題。培養學生能力、塑造品格是當前教育的重要任務，開展跨學科主題教學已成為當今教育的趨勢。

在小學科學跨學科主題教學中，“技術、工程與社會”和“工程設計與物化”兩個科學核心概念經常作為主線貫穿主題。“技術、工程與社會”領域注重培養學生的創新思維、問題解決能力及社會責任感，促進學生的跨學科融合與綜合素養提升。“工程設計與物化”著重培養學生的技術能力和工程實踐技巧，學生在工程實踐中需要參考借鑒科學原理，也利用工程實踐的成果更好地理解科學原理。科學實驗作為小學科學跨學科主題學習的重要手段之一，為學生提供了觀察、探究和驗證科學原理的機會，促進學生科學素養和實踐能力的提升。然而受實驗內容、環境、設備、條件等影響，有些實驗可能出現操作難度大、現象不明顯等問題。這會導致學生將更多精力放在實驗探究部分，不僅產生挫敗感，還會影響主題教學的整體進程，進而影響學生對跨學科主題學習的體驗。在小學科學跨學科主題學習中融入虛擬實驗，以信息技術助力學生科學探究學習，可以有效解決部分問題。

一、虛擬實驗支持的跨學科主題學習實踐

本文以跨學科主題項目式學習《少年航天夢》為例，闡述虛擬實驗支持的跨學科主題項目式學習實踐。本項目來源于教科版小學科學四年級上冊第三單元第2課《用氣球驅動小車》。本課內容屬于小學科學中“技術、工程與社會”和“工程設計與物化”領域的內容。

（一）項目式設計

以任務驅動的學習是訓練學生科學思維的有效載體，能夠拓展教學寬度，探索跨學科主題學習活動在主題與任務方面的更多可能性。在本案例中，教師采用跨學科項目式學習的方法，引導學生圍繞驅動性問題，小組合作完成一系列探究任務，以任務驅動的教學方式，增加學生的科學思維深度和廣度。

1.創設情境，整合教材，確定主題

在日常生活中，反沖力原理在科學和工程領域中有著廣泛應用，包括火箭推進器、噴氣發動機等。近年來，中國空間站建設持續推進，神舟系列飛船相繼發射成功并順利進入預定軌道，天宮課堂更是點燃了學生探索宇宙的熱情，他們對火箭、太空艙、空間站等充滿了好奇。筆者以學生關注的熱點話題為切入點，將《用氣球驅動小車》一課結合人民教育出版社《道德與法治》六年級下冊第四單元“讓世界更美好”第8課《科技發展"造福人類》重整為跨學科主題項目式學習《少年航天夢》（如圖1）。

2.確定跨學科主題學習目標

在本項目中，學生先在教師的引導下，了解火箭的結構、功能及運行原理，學習和應用反沖力等科學原理。考慮場地等條件的限制，小組合作設計和制作一枚模擬小火箭，并進行發射實驗和評價改進。經過此項目的學習，學生拓展學習了航天知識，進一步了解了我國先進的航天技術，立志努力學習，以后參與國家的科技發展，弘揚載人航天精神，增強民族自豪感。通過有效整合道德與法治學科的資源，讓學生在掌握科學知識的同時，也在愛國情懷、科學素養及實踐能力等多方面獲得均衡發展，構建全方位、全過程的育人體系，實現教育效果的最大化。重整后的項目式學習分為學科素養和通用素養。

（二）項目實施

1.提出驅動性問題，制定計劃

項目伊始，教師播放長征二號火箭發射視頻以及神舟十三號航天員出艙視頻，激起學生的學習熱情，并提出驅動性問題：“你能像科學家那樣，和團隊成員一起設計制作一枚模擬小火箭嗎？怎樣制作呢？”在教師的引導下，學生小組合作，共同制定任務計劃，明確項目目標和組內分工，確保整個項目有序進行。

2.了解火箭結構和功能，設計火箭

設計制作火箭要先了解火箭的結構及各部分功能，教師提出問題：“火箭由哪幾部分組成？每一部分都有哪些功能？”教師通過創而新項目式學習平臺推送火箭結構及功能的視頻和資料（如圖2），組織學生觀看并提取關鍵信息，了解火箭各部分的結構和功能，為設計火箭提供靈感。

3.虛擬實驗探究科學概念，解決火箭動力問題

教師進一步提出問題：“受學校場地限制及消防安全的影響，在校園內放飛的火箭是不可能使用燃料提供動力的，你有什么安全環保的辦法？”學生觀看科普視頻，深入探索火箭的動力機制，為進一步理解反沖力原理建立了穩固基礎。隨后，教師講授了反沖力的科學概念，并以氣球為例。學生發現氣球飛得太快且飛行路徑曲折，難以看清氣球的噴氣方向與氣球運動方向之間的關系。教師以央館虛擬實驗的3D課件幫助學生觀察思考，先介紹實驗材料，再與學生共同討論實驗操作方法及注意事項，請學生在虛擬實驗中操作和觀察氣球放氣和運動的方向，輕松引導學生理解反沖力的科學概念（如圖3）。

然后，教師引導學生將反沖力推動小車與燃料推動火箭這兩個現象建立聯系，用虛擬實驗探究影響反沖力方向和大小的因素。教師提問：“燃料給火箭帶來反沖力，讓火箭飛行。氣球的反沖力能讓小車跑起來嗎？氣球的噴氣方向和小車運動方向是什么關系？會不會是小車的原因，導致小車向噴氣相反的方向運動？”學生通過虛擬實驗操作發現，“小車向噴氣相反的方向運動”這一實驗現象不受車頭方向影響，火箭也是靠反沖力推動飛行，因此火箭的噴氣方向和飛行方向也始終相反。教師引導學生再思考讓氣球小車和火箭行駛得又遠又快的方法，提出問題：“火箭飛向太空，要飛得快，還要飛得遠。怎樣使小車行駛得又遠又快？怎樣使火箭飛得又遠又快？”學生再次利用虛擬實驗操作和對比，思考和討論增加火箭動力的辦法。教師繼續引導學生發散思維，思考其他安全環保的模擬小火箭動力，從結構和動力兩個方面考慮，完成模擬小火箭的設計方案。

4.完善設計方案，制作改進

完成設計方案后，小組成員依據模擬小火箭設計方案評價表，從結構、設計圖整體印象、科學原理、材料、成本、安全性、小組溝通等方面對設計方案進行修訂完善，準備所需的材料和工具。教師引導學生以科學家的身份制作和測試小火箭，針對出現的結構和動力等問題不斷改進，旨在培養學生嚴謹的科學態度。

5.展示評價，總結反思

在項目的最后階段，教師組織學生進行模擬小火箭發射活動，帶著學生體驗科學家發射火箭時的民族自豪感。學生依據模擬小火箭項目總評表，從設計方案、準備、制作、發射、團隊合作等方面進行評價，反思總結，進一步提升科學素養和團隊協作能力。

二、虛擬實驗支持的跨學科主題學習優勢

（一）幫助學生理解科學概念和原理

在本項目中，教師運用虛擬實驗方法引導學生深刻全面地探究反沖力的科學概念。借助虛擬實驗，學生深刻理解反沖力大小與氣球充氣量的關系，以及小車行駛速度與噴口大小的關系，這為解決火箭設計的動力問題提供了有力支持，并引發學生深入思考如何讓火箭飛得更快更遠。

（二）聚焦課堂提高效率

與傳統的利用氣球進行實驗相比，虛擬實驗避免了氣球飛得過快不易觀察、學生撿氣球引起課堂混亂導致學生注意力不集中、課堂效率低下等問題，幫助學生準確理解科學概念。為了更全面地探究反沖力，教師將傳統的動手操作實驗調整為虛擬實驗，學生共同學習探究科學概念，提高課堂效率，將更多的時間和精力用于跨學科主題學習的整體問題解決。

（三）助力小學科學跨學科教學

虛擬實驗能有效解決實驗場室有限、儀器設備不足、實驗條件苛刻而導致的實驗失敗、實驗現象不明顯等問題，通過虛擬影像豐富學生的操作體驗，促進小學科學實驗教學的順利開展。在小學科學跨學科主題學習中，根據主題教學的需要，有機融合虛擬實驗技術，高效解決了跨學科教學中的科學問題。

三、虛擬實驗支持的跨學科主題學習建議

（一）虛實結合，能實不虛

虛擬實驗雖然能解決傳統科學實驗存在的諸多弊端，但無法替代真實實驗器材的操作體驗，教師應根據實際教學情況選擇使用。虛擬實驗和真實實驗應遵循“相互補充、虛實結合、能實不虛、用出價值”的基本原則。只有將虛擬實驗與真實實驗有機結合，才能充分發揮其在教學中的價值。

（二）選擇合適的虛擬實驗平臺

目前，網絡上的虛擬實驗平臺很多，如NOBOOK、央館虛擬實驗等。教師應根據教學主題的需要，在使用前仔細評估，確保平臺資源符合科學課程標準，內容健康、豐富、科學、準確，操作簡單方便，互動性強。

（三）結合教學情境，注重設計實施

教師應結合教學目標和學情，創設問題情境，精心設計和實施虛擬實驗內容，激發學生的科學學習動力，引導學生觀察、思考、討論交流。創編虛擬實驗有助于發散思維，培養學生的科學學習能力。虛擬實驗個性化教學和系統測評有助于提升學生學習科學的毅力。只有合理有效地實施虛擬實驗，才能使其作用最大化，讓學生科學學習能力的提升最優化。

在跨學科主題教學中融合虛擬實驗技術，能夠幫助學生更有效地完成科學探究任務，推動跨學科主題教學的整體進展。虛擬實驗作為學生探索科學概念和原理的重要工具，需要教師根據主題教學的需要，精心選擇，合理使用，推動學生科學素養的發展和綜合解決問題能力的提升。

參考文獻

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