拓宽科学探究活动的深度和广度

陈玉宝 沈国酰

在科学课堂教学中，借助现有成熟的数字虚拟仿真技术助力传统真实实验教学，可以有效拓宽科学探究活动的深度和广度，提高学生科学探究的能力和科学素养，促进学生科学思维的发展。

一、传统真实实验之“弊”

科学实验是科学探究的主要过程，对于发展小学生的科学素养有重要的意义。但目前小学科学部分实验教学存有诸多难题。

1.无法感知实验现象或实验准备上有难度、实验过程较长、实验数据不明显，或危险系数大根本无法实物呈现;

2.受地理环境和条件的限制难以完成。如雨和霜的形成、霜和雪的关系和地层形成、卵石的形成、温度对岩石的破坏的作用等;

3.在实验室演示时不易成功或操作容易错误，或现象不明显，影响教学效果;

4.实验视场窄小，可见度低，影响学生的观察;

5.实验难度较高、低趣性味，实验表面热闹实则机械的动手操作，失去培养学生科学探究能力的作用。

二、虚拟仿真实验之“利”

虚拟仿真实验借助于现代数字多媒体、仿真和虚拟现实（VR或AR）等技术在计算机及网络上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境。实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。

数字化环境下虚拟仿真实验在小学科学实验课堂中的应用，其优点是测量精度高、及时采样收集实验数据、时空被扩大、智能交互、研究不受外来条件的影响和限制、可录制和重现实验过程、图文并茂、动画丰富，弥补了传统教学方式直观性、立体感和动态感不足的现状。

三、权衡利弊——真实或虚拟实验的合理取舍

1.是否更有助于提升学生的科学素养。

真实实验有其天然的优势，科学教育中倡导亲身经历的探究活动。但虚拟实验教学使传统的实验仪器扩展了新的功能，为基本的科学实验赋予了新的内容，突出了现代化测试手段和方法的应用，激发了学生的学习兴趣，拓宽了学生视野，增强了其适应科技发展的能力，更有助于提高学生的科学素养。

2.是否与科学探究活动密切相关。

虽然虚拟仿真实验具有传统实验不具备的几大优点——仿真性、可控性、开放性、游戏趣味性等特点，能有效地弥补传统实验的不足，但教学中不能脱离科学探究的本质：（1）防止过度、不恰当地使用多媒体技术，能用传统实验解决的不选择仿真实验;（2）恰当地确定适宜学生的教学目标，防止设计过高的教学目标;（3）课外容易得到探究材料不选择;（4）要充分体现科学的学科特点，防止只看不做，通过实物模拟和虚拟实验，让学生有了更深入地学习的机会。

3.是否更兼顾二者实验情境的切换，实现“无缝对接”。

数字化虚拟仿真实验系统的构建从课程上突破了演示实验和学生分组实验的界限。通过对与科学探究活动相关的系列资源进行统筹整合，使学生理解活动之间的必然联系和意义，能够不断产生出“边讲边实验”“随堂实验”“小实验”等新的实验教学结构。

4.是否有更丰富的课程资源供学生进行探究学习。

新潮的科技带来的新的教学效果，的确提高了课堂的有效性，但“土洋结合”能带来更好的教学效果，需要教师们既不守旧，也不贪“潮” ，合理取舍。

四、虚实结合——虚拟实验与真实实验互补结合应用策略

1.借助数字化平台的现有成熟数字软件和技术运用的智慧学习策略，突破传统真实实验对“时、空”的限制。

随着信息技术的快速发展和日益成熟，虚拟仿真实验的交互性、沉浸感和智能化越来越强，已经在各个领域显示其强大功能，大胆的探索、跨越时空的想象必须要借助一个虚拟的平台，人们的认识才会更加完善。如谷歌地球（Google earth）、百度地图3D街景，让探究活动更直观;虚拟天文館（Stellarium）让科学观测更深远;智能移动App，让科学学习更智慧;数字传感与excel统计，让实验数据更准确;高倍数字摄像与微课微视频，让科学观察更清晰;数字化信息系统实验室（DISLab），让实验形式更丰富;Zspace 为代表的VR（AR）虚拟增强现实，让实验更逼真。

2.虚拟仿真软件创设身临其境的实验环境，再带着科学问题回到真实实验，创设以学习者中心的科学学习环境，唤起学生探究的欲望。

仿真实验是对直接实验的一个必要补充，集文字、声音、图形、动画、视频于一体，动感十足、交互性强，通过创设情境，有利于发展学生的创新思维。

3.借助虚拟实验建立模型，在将实验的结果类推到真实原型上去。

科学课中的“模型”是对不易见到的事物或现象的具体体现，建立模型的目的就是为了解释这些事物或现象。通过建模的方法给学生搭建一个过度“支点”，能够帮助学生深刻地理解科学概念。

4.借助虚拟实验，让学生的前概念显露无遗，再在真实实验中让学生的错误概念得到显性替换。

仿真实验不仅支持充分挖掘学生的前概念，更能即时保存、重现这些珍贵资源，形成认知冲突，实现对前概念的有效纠正、完善和替换，最终形成科学概念。

5.借助虚拟实验对真实实验进行“预设”，学生思维可视，推理过程层层深入，让真实探究任务变得短时而高效。

小学生正处于感性认识到理性认识的过渡阶段，认知支架能更好展现学生的思维轨迹。仿真实验重在运用技术直观显现实验数据背后的事物发展规律，实现科学思维的可视化。虚拟仿真还能提供动态重放的功能，促进思维有效发展。

6.用虚拟实验的交互功能作为思维活动的有力支撑，通过多重交互，为真实实验探索铺路搭桥。

仿真实验触屏展现思维时，形成了多方交互：人机交互、生生交互、师生交互等，每个学生收到的形成性评价方式是及时的、持续的。

7.虚拟实验与真实实验交替进行、互相补充，借助虚拟实验，让海量信息随机呈现 ，帮助学生建立起以核心概念为主线的知识框架。

借助仿真软件丰富的软件资源库和储存的优势，可以打破时间和空间的障碍，通过对大量事实及实验进行分析、归纳、推理得出科学的概念和规律，既兼顾学生的意志出示信息，又使课堂研讨省时高效、及时查漏补缺，

【作者单位：盱眙县实验小学  江苏】