基于虛擬仿真平臺開展初中信息科技實驗教學的實踐探索

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674—2117（2025）13-0066-04

引言

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）倡導“做中學”“用中學”“創中學”的理念，鼓勵通過實驗教學培養學生的探究能力，提升數字素養，提出了“運用線上實驗、模擬、仿真等方式，引導學生自主學習、合作學習”的教學建議。因此，改進信息科技教學方式，科學設計實驗教學活動，將虛擬仿真平臺和初中信息科技課程中的物聯網實踐與探索模塊有效整合，對提升學生信息科技學科素養和工程實踐關鍵能力具有重要作用，值得一線教師深人研究教學設計，不斷探索實現路徑。

明現狀：初中信息科技學科實驗教學的現狀分析

1.開展信息科技實驗教學已成為必然趨勢

開展信息科技實驗教學活動已成為教師教學的重要探索方向，同時也成為學生有效、有趣的學習方式。從課程內容來分析，《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》在信息科技學科主題中，共提煉初中實驗活動31個。其中，互聯網應用與創新模塊的部分實驗可在傳統機房完成，而小型網絡搭建等實驗及物聯網、人工智能等模塊均需專用設備支持。從學生需求角度分析，調查顯示，筆者所在學校 68% 的學生對實驗教學表現出強烈興趣，認為其能深化知識理解并提升學習動力，反映出學生對實踐性學習機會的迫切需求。這一趨勢既體現了新課標的要求，也順應了學生數字化能力培養的時代需求。

2.多元化實驗類型適應信息科技教學需求

常見的理化實驗類型包括教師演示實驗、學生分組實驗、控制性實驗、觀察性實驗、檢驗類實驗、虛擬仿真實驗等；而根據魏雄鷹老師的提煉總結，信息科技實驗可分類為驗證性實驗、探究性實驗、創新應用性。在新課標的課程體系中，初中階段的內容模塊為“互聯網應用與創新”“物聯網實踐與探索”“人工智能與智慧社會”。因此，不同模塊的教學內容與不同形式的教學實驗相結合，有助于落實教學內容要求，達到通過原理認知提升學生素養、通過動手實踐錘煉學生技能的育人目標。

3.信息科技實驗教學場所和資源嚴重不足

實驗教學在教育中扮演著至關重要的角色，它通過實際操作幫助學生更好地理解和掌握理論知識。但是由于受實驗資源、場地、儀器、安全性，以及課時設置等因素的影響，實驗教學往往難以在日常課堂中廣泛開展。

尋價值：基于虛擬仿真平 臺開展實驗教學的意義

1.虛擬實驗教學概述

虛擬實驗依托仿真平臺構建高度仿真的實驗環境和對象，學生可通過計算機完成實驗操作。該技術以現代信息技術為基石，綜合運用網絡通信、虛擬交互、虛擬模擬等技術手段，在數字化平臺上實現實驗過程。通過虛擬現實技術可以精準復現真實實驗的操作流程和反應機制，使實驗者獲得近乎真實的實驗體驗，體現了人機交互技術的深度融合，是信息技術賦能教育創新的重要實踐。

2.虛擬實驗教學優勢

虛擬實驗具有虛擬性、交互性、靈活性、開放性、安全性等特點。學生通過操縱鼠標可以使用實驗設備，設置和修改參數，安全、高效地開展實驗操作。虛擬實驗產生的實驗結果完全模擬真實實驗，對于反應迅速或不易觀察的實驗現象及相對應的實驗結果，計算機能夠及時捕捉或放大，減少因實驗過程中其他因素的干擾造成的誤差，最大限度地保證了實驗的順利呈現。

教師可以將虛擬實驗用于實驗教學的各個環節，如實驗預習、實驗操作、實驗復習或實驗評價等階段，學生也可以在課前、課后利用虛擬實驗平臺反復進行實驗，從而掌握學習的主動權，提高學習效率。

3.實驗教學引發變革

（1）做中學深化原理認知

驗證性實驗教學通過實際操作，將抽象的理論知識具體化，使學生在動手過程中深刻理解信息科技的原理。

（2）用中學探索過程方法

探究性實驗鼓勵學生主動設計和操作實驗，發現問題并提出假設進行驗證。這種自主探索的過程有助于培養學生的觀察力、分析思維和創新意識，提升解決實際問題的能力。

（3）創中學實現問題解決

創新應用性實驗旨在培養學生的創新思維和實際應用能力。學生將所學知識應用于真實場景，進行創新性改進和應用。

探路徑：物聯網模塊虛擬實驗教學方案設計

在教學過程中，要結合不同的實驗類型特點進行分析，有針對性地選擇適宜的虛擬仿真平臺開展實驗教學。同時，無論是何種學習模塊，開展實驗教學的實踐路徑都有共同之處，都要遵循一定的原則。例如，在“物聯網實踐與探索”模塊的虛擬實驗教學中，可從以下幾方面進行設計。

1.學習場域：融通課內課外、打通線上線下

虛擬仿真實驗的學習場域包含線上和線下兩種形式。這不僅打破了傳統實驗室的空間限制，還通過高度仿真的實驗環境，使得學生能夠在課前進行充分的預習，對實驗內容有更深入的理解；課后，學生還可以通過線上平臺進行創新項目設計拓展學習，進一步鞏固和深化課堂上學到的知識。這種方式有效地延伸了教學時間和空間，極大地拓展了實驗教學的深度和廣度，為學生提供了更加豐富、多元的學習體驗。

2.設計思路：多元協同教學、直擊學科思維

在虛擬實驗教學中，要遵循多元協同的教學設計思路。 ① 通過啟發性教學激發學生的學科思維，如緊密圍繞“物聯網實踐與探索”模塊的核心內容和目標設計問題鏈，實驗要求從簡單到復雜、從單一到系統設置一系列問題，這些問題之間應具有內在的邏輯關系，形成一條清晰的思考路徑。 ② 通過直觀性教學手段豐富學科思維，如人工智能機器學習模擬動畫演示等，豐富學生的學科認知，幫助他們更深入地理解抽象概念。 ③ 通過實踐性教學鍛煉學生學科思維，如讓學生親手操作進行模擬組網，鍛煉他們的動手能力和解決問題的能力。

3.實施策略：模擬真實情境、建構物聯原型

（1）以問題為導向，設置基于情境的問題鏈條

通過模擬實際應用場景中遇到的問題，設計一系列相關聯的問題，引導學生逐步深入思考和探索。例如，在智能家居系統中，可以設置如何實現遠程控制、如何保證數據傳輸安全等問題，形成一條完整的問題鏈條。

（2）以實驗為載體，開展揭示原理的實驗探究

根據問題鏈條中的每個問題，設計相應的實驗項目，讓學生通過動手操作來驗證假設和理論。例如，針對遠程控制問題，可以設計一個使用無線通信協議進行設備控制的實驗；對于數據傳輸安全問題，則可以通過加密算法的應用實驗來加深理解。

（3）以建模為路徑，搭建虛擬仿真的物聯系統

利用計算機軟件工具，如linkboy平臺，建立物聯網系統的數學模型和仿真環境。在這個虛擬平臺上，學生可以自由地調整參數、觀察系統行為的變化，從而更直觀地理解物聯網系統的工作原理和性能優化方法。通過這種方式，不僅能夠加深學生對物聯網技術的理解，還能培養他們的實踐能力和創新思維。

研課例：聲控燈虛擬仿真實驗教學設計

下面，筆者基于新課標第四學段（7～9年級）的“物聯網實踐與探索”模塊，以“聲控燈設計制作”為主題，進行虛擬仿真實驗教學設計。

在本實驗中，學生將通過虛擬仿真實驗平臺進行聲控燈的設計與元器件及設備的模擬連接，通過實踐體驗物聯網應用，進一步了解不同類別傳感器的作用，并明確在應用傳感器時設備選擇的重要性。整體設計如圖1所示。

1.學情分析

七年級學生的認知能力和抽象思維能力正在發展，因此在教學中教師需要簡化物聯網的概念，并且通過具體、直觀的實例進行解釋，才能讓學生理解。而物聯網作為一個與日常生活緊密相關的領域，可以通過智能家居、智能穿戴設備等實例激發學生的學習興趣。該年齡段學生喜歡動手操作和實踐活動，可以讓學生通過親身體驗來理解和掌握概念。

2.教學目標

① 感受物聯網家居智慧應用給人們學習、生活和工作帶來的改變。 （信息意識）

② 能根據需求，設計和搭建智能聲控燈，體驗其中選擇合適的傳感器搭建應用并進行控制和反饋的方法和過程。（計算思維）

③ 在學習過程中，利用視頻微課進行自主學習和合作學習，利用虛擬實驗室支持物聯網學習，進行硬件搭建和編程實現。（數字化學習）

④ 了解自主可控對國家安全以及物聯網發展的重要意義。（信息社會責任）

3.教學重難點

重點：傳感器的選擇和應用。

難點：智能應用的搭建和實現。

4.數字化學習環境與素材

虛擬仿真實驗平臺：linkboy。

數字化學習資源包：物聯網應用視頻、虛擬實驗室啟動指南（微課）、聲控燈搭建及實現操作指南（微課）。

5.三段六環實驗教學過程（如 圖2）

（1）課前自學

知平臺一 熟悉linkboy平臺使用。

課前通過線上形式上傳學習資源，有條件的學生可以通過資源包中的虛擬仿真實驗室指南，了解虛擬實驗平臺的使用方法，為在課堂中開展教學做好鋪墊。

（2）課中導學

設情境—智慧家居應用場景。

實驗活動一：觀看智慧家居應用視頻。從資源包提供的智慧家居應用中選擇其一，根據親身經驗和網絡搜索，討論這些物聯網應用中使用的傳感器，完成導學案，并進行師生課堂交流。

探新知—智慧家居創意設計。

驅動性問題：如何在智慧家居領域做出有創意的設計？

問題鏈：為誰設計？—解決什么問題？一選擇什么傳感器？—怎樣實現功能？

實驗活動二：智慧家居創意設計。小組討論，完成導學案，并進行師生課堂交流。

練技能—聲控燈搭建與實現。

實驗活動三：聲控燈搭建與實現。通過虛擬實驗平臺完成聲控燈的搭建；通過編程模塊實現聲控燈功能。

評效果—多維評價測增量。

以育人導向、素養導向、工程導向為原則，編制檢測題和評價量表。通過線上答題的形式檢驗學生的原理認知達成度和學科知識掌握情況；通過實驗過程評價單及實驗結果記錄單，實現過程性評價和結果評價相結合，以此來評價學生實驗技能和學科素養的提升增量。

（3）課后延學

拓本領——聲控燈進階設計與搭建。

課后延學活動：智慧生活物聯網原型設計與搭建。課內及時進行反思復盤，通過問題引導引出課后延學活動，并通過學習視頻、進階幫助文檔等數字資源提供學習支架。

結語

隨著技術的不斷進步，虛擬仿真平臺已經成為現代教育和研究的重要工具，它能夠模擬真實世界的復雜環境，讓學生在沒有風險的情況下測試和驗證各種假設和理論，為信息科技教學領域的研究和實踐提供了無限的可能性，是推動科技創新和教育發展的重要力量。

參考文獻：

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