虚拟仿真实验融入小学科学教学探究

运用信息技术手段模拟真实实验被称为虚拟仿真实验，它是实验教学的有效补充。小学科学课是一门实践性较强的综合性基础课程，课程教学旨在培养学生的科学素养。实验教学是重要的教学内容，是培养人才的重要途径。虚拟仿真实验的应用丰富了实验教学的手段和方式。为使虚拟仿真实验有效地融入小学科学实验教学，笔者以“我们是怎样听到声音的”为例开展应用探究。

一、应用虚拟仿真实验的必要性

（一）传统实验教学存在不足

皮亚杰将儿童的思维发展分为四个阶段：感觉运动阶段、前运演阶段、具体运演阶段和形式运演阶段。学生在小学阶段思维发展处于皮亚杰讲的具体运演阶段。小学生需要从具体事物的表象深入进而解决问题，从现实情境获取知识。脱离具体情境学习抽象知识，对于小学生来说是没有吸引力的。在传统的小学科学教学中，很多教学内容很难适应学生体验式学习的需要。如学习人体器官的内部构造时，受距离和空间限制，学生只能通过想象或者实物模拟去探究。这会造成学生对知识的理解出现偏差。

（二）虚拟仿真实验可促进学生学习

虚拟仿真实验是信息技术模拟真实情境的典型代表，它是一种应用广泛的科学实验方式，是依托虚拟现实技术而产生和发展的实验模式。刘清堂等人在《虚拟实验对学生学习效果的影响研究》一文中指出虚拟实验对不同学段的学生的学习具有促进作用^[1]，这说明虚拟仿真实验教学在一定程度上能够促进学生学习，通过信息技术模拟现实世界环境，让学生如身临其境去体验、学习，对提升学生建构知识的效果有一定帮助。虚拟仿真实验与传统科学课堂实验相比，存在差异，有以下几点特征（见表1）。

二、教学策略分析

虚拟仿真实验就是运用信息技术手段模拟自然实验，它是对实验教学的有效补充。开展虚拟仿真实验不是取代常规教学，而是在传统实验教学基础上，利用它更好地解决难题，从而有效地突破重难点，达成教学目标。在虚拟仿真实验室建设的过程中，教师要有这样的认识：作为常态科学课，虚拟仿真实验的融入是为了辅助解决教学难点，而不是取代所有的讲解内容。

（一）课前调查分析学情，将设计融入虚拟仿真实验

教师开展虚拟仿真实验教学不单要组合应用现代教育技术，还需要将一系列软硬件、操作系统、教学内容、教学设计有机组合，实现教学创新、学科的融合及延伸，为学生营造“自主学习”的环境，寓教于乐，让学生主动探究，进而收获显著的学习效果^[2]。教师首要考虑的问题是如何将虚拟仿真实验合理地融入具体的教学内容中，不能为了开展虚拟仿真实验而开展虚拟仿真实验，而应在课前对教材内容和学生的学习情况进行分析，课堂上借助虚拟仿真实验解决教学重难点问题。“我们是怎样听到声音的”是教科版小学《科学》四年级上册第一单元第4课，学生通过前面三节课的学习，已经知晓声音由物体的振动产生。教师通过课前调查得知大部分学生对耳的认识存在不足，他们能看见耳郭和部分外耳道，能说出耳里有耳膜，但是对耳其他各部分结构与功能不甚了解。由于生命体结构特征原因，学生也无法直接看到鼓膜的振动，学习效果会受影响。

为弥补传统教学的不足，教师在课前设计的过程中应用虚拟仿真实验帮助学生认识耳的结构，并借助VR技术创设虚拟环境，让学生分组合作，利用VR设备观看耳的结构并探究鼓膜的振动，使内容的呈现更加直观、生动、形象，这才是虚拟仿真实验服务教学的有效应用（见表2）。在探究耳郭的作用方面，教师采用常规实验材料让学生探究，通过游戏激发学生学习的兴趣。

（二）开展虚拟仿真实验，突破教学空间限制

学生对耳的结构有清晰的认识才能更好地探究声音在耳里的传播路径，解释人为什么能够听到声音。以往，教师一般是运用教学模型或者挂图展示耳的结构，由于空间受限，教学模型和挂图展示的是平面的耳的结构，缺乏立体感。在虚拟仿真实验技术支持下，学生运用VR技术观看耳的结构，点击“解锁”，可以清晰地看到耳各部分结构，点开“语音”功能了解耳的各个部分的名称和功能;点击“锁定”功能，可以看到整体耳的结构，打开“锁定”能够将耳各部分结构分离开来，清晰地看到耳结构，还能够听到对耳各部分结构的介绍。点击“声源”，可以清楚、直观地看到声音在耳里的传播过程以及在这个过程中鼓膜的振动。教师借助VR技术，让原本肉眼看不见的耳的结构和内容在学生面前一览无余地展示，同时也使肉眼无法直观观察到的中耳、内耳立体呈现。

（三）融入虚拟仿真实验，实现教学重难点可视化

在探究鼓膜振动的时候，学生运用常规实验材料做实验，敲击音叉产生振动，进而引起模拟“鼓膜”的振动现象。学生在操作的过程中，受实验材料和操作方式影响，有一些小组观察到模拟“鼓膜”振动非常微弱甚至无法观察到模拟“鼓膜”的振动现象。教师引导学生运用VR技术探究声音的变化对鼓膜振动强弱的影响，点击汽车产生的噪声，让学生直观地看到鼓膜的振动幅度比较大。选择点击小鸟的叫声，学生也直观地看到鼓膜振动幅度比较小。在探究距离远近对鼓膜振动产生的影响时，点击“远”选项，学生可以看到鼓膜振动幅度比较大，点击“近”选项，学生可以看到鼓膜振动幅度比较小。由此学生很容易直观地得出相关的结论：声源距离鼓膜越远，振动越弱;声源距离鼓膜越近，振动越强（如图1）。通过对比发现，利用虚拟仿真实验有效地解决了常规实验中实现现象不是很明显的难题，使教学重难点内容观察结果可视化，达成了教学目标，有效突破了重难点。

（四）利用传统实验材料，增强教学内容的趣味性

在探究耳郭的功能时，教师采用传统的纸质材料做成喇叭的方式，让学生以游戏的方式两两合作去听声音的变化，这样既提高了课堂学习的趣味性，又提高了学习效率。学生通过实验很容易得出结论：耳旁边有喇叭，听到的声音大;耳旁边没有喇叭，听到的声音小，耳郭的作用是汇集声音。

“虚”“实”实验的结合既丰富了学生的学习内容、增强了课堂学习内容的趣味性，又提高了学生参与课堂活动的积极性。

三、课后开展学习评价，提升学生学习效果

认知主义学习理论认为，人的知识不是由外部刺激直接给予的，而是外部刺激和认知主体的内容心理过程相互作用的结果，刺激作用于学习者感官，使神经系统产生相应的活动^[3]。教师应重视对学生课堂学习评价，及时发现新技术使用过程中的问题，在后续教学中不断改进、提升。学习评价是对学生学习过程和效果的评价^[4]。教师基于最初的学情分析，针对教学目标，开展课上和课后的学习效果评价。

（一）课堂观察，注重过程性评价

课堂观察是教师收集信息、整理评价数据、促进学生深度学习的主要手段之一^[5]。在导入、新授、探究、拓展和应用各个环节，学生都能够积极投入课堂学习活动中。学生通过分组探究，积极参与实验活动，发表观点，完成实验。

为帮助学生学习科学知识，教师设计了判断题，运用班级优化大师随机选学生分组答题竞赛，借助互动游戏检测学生学习效果。教师查看检测结果，正确率达100%。被点名的学生对相关知识掌握得很好。

（二）纸笔测验，注重思维能力评价

为了全面检测学生学习效果，课后教师参考纸笔测验评价的主要内容并结合本节课的学习主要内容，设计了学生学习评价表，题型包括知识题、技能题、解决问题（分析应用题）以及综合题^[6]（见表3）。在学生完成学习内容后教师及时对学生进行评价。

全班39个学生的纸笔测验分析结果如下：科学知识题维度的1和2题作答中，第1题回忆与识记正确率为100%;第2题分析中，正确率达92.3%;在科学技能题作答中，第3题（控制变量）正确率达100%，第4题（观察维度，鼓膜的作用）有35个学生作答正确，正确率是89.7%;第5题（应用维度）有37人作答正确，正确率达94.8%。

在解决问题维度，第6题中，有90%的学生懂得了运用正确的方法去保护耳，如不乱挖耳、遇到较强声音要捂住耳、远离噪声等，有1个学生没有作答。第7题中，有75%的学生认为用虚拟仿真实验上课很好，很有趣，学习的内容有立体感，有利于直观学习知识。80%的学生认为利用虚拟仿真实验可以高效学习科学知识，看到表象以外的东西。尤其是在耳的结构方面，正常情况下，肉眼只能看到外耳郭和部分耳道，通过虚拟仿真实验技术可以看到耳的其他结构，纠正了以前的认知偏差。65%的学生认为虚拟仿真实验很真实，有利于活跃课堂氛围，让学生在快乐的活动中习得知识。68%的学生从认知层面感受到了科技的力量，认识到有了科技的支撑，科学学习方式和学习内容更加丰富多样。12%的学生认为，VR技术支持的课堂教学很有趣，但是沉浸时间久了会头晕，应控制时长。

在综合题维度，第8题中，学生运用了本节课所学知识，如不能嘲笑听力有障碍的人，根据检查的结果了解是人耳的哪部分结构出了问题，进而对其进行科学治疗。此题综合考查了学生对人耳各部分结构和功能的认识，也有助于学生合理运用所学知识解决现实生活中遇到的科学问题。

通过学生学习评价反馈，教师能够深入了解学生已有的水平和目前达到的水平、在课堂上听课的情感体验和情感变化、课堂学习的效果和学习过程中遇到的困惑以及课堂教学需要改进的地方，从而有效发挥学生的主体作用，兼顾学生个性特点，实现教学的多样化。

随着信息技术的发展，虚拟仿真实验技术融入科学课堂教学是大势所趋，但是基于虚拟仿真实验创设的虚拟情境并不是万能的，依其所创建的教学法则不是放之四海而皆准的，也有一定局限性。教师要努力创建与学习有关的真实世界的情境，注重让学生解决现实问题，培养学生运用虚拟仿真实验解决现实问题的能力，还应当思考如何使用虚拟现实技术带给学生跨学科的学习体验，如何进行学生道德素养等方面的培养，如何培养学生的创新能力等。同时，合理运用虚拟仿真实验和真实实验，在实验教学中进行“虚”“实”交替，把握好虚拟仿真实验和真实实验的应用比例，可以更好地培养学生的综合能力，包括智力和学习兴趣、动机、意志等非智力因素。

对小学科学学科来讲，虚拟仿真实验融入课堂教学不是取代常规实验教学，而是将其融入教学活动中，在恰当的环节用于突破重难点，从而有效地达成教学目标。为使虚拟仿真实验有效融入小学科学课堂教学，教师需要在课前调查分析学情，设计融入虚拟仿真实验;课上综合运用虚拟实验和传统实验，做到“虚”“实”结合突破教学重难点;课后对学生学习情况进行评价，关注学生的学习效果，系统思考、科学设计教学各环节，提升学生在科学知识、科学探究、科学技能及解决问题的能力，培养学生的综合素养。

注：本文系广东省教育科学“十三五”规划2020年度研究项目（德育专项）“新时代背景下小学‘互联网+课程思政’实施路径探究”（2020JKDY002）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 刘清堂，马晶晶，余舒凡，等.虚拟实验对学生学习效果的影响研究——基于30项实验与准实验研究的元分析[J].中国远程教育，2021（1）：12.

[2] 成艳萍.虚拟现实技术在小学科学教学中应用的探究[J].教育信息技术，2019（11）：76.

[3] 张芹芹.运用信息技术创设小学科学虚拟情境的研究[D].南京：南京师范大学，2011.

[4][6] 张军霞.小学科学的学生学习评价方法[J].中国教育学刊，2007（12）：60，62.

[5] 丁邦平.以学习性评价促进探究式教学[J].科学课，2007（5）： 5-6.

（作者系华南理工大学东区华工附校小学部教师）

责任编辑：祝元志