虚拟实验教学对学生学习力的影响

◇郑碧娟 江 鸿 周 丽（福建：闽江师范高等专科学校附属实验小学）

2019年发布的《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》提出，要构建与课程标准要求相统一的实验教学体系，加强和改进中小学实验教学工作。王若冰等人基于2017年国家科学教育质量监测四年级数据分析得出实验教学有效促进学生科学素养整体性发展的结论。但在传统实验教学中，科学实验教学较为封闭，绝大多数以演示实验代替学生分组实验，结果教师起了主导作用而学生的主体地位未能得到体现。在实验教学评价方面，最终也只能以纸质考试成绩来反馈，存在评价主体缺位、内容不全、方式单一等问题，不利于促进学生科学素养的全面发展和实验教学质量的不断提升。

新型冠状病毒肺炎疫情的暴发给教育界带来了巨大的变化，为响应教育部“停课不停教、停课不停学”的号召，远程科学教育逐渐成为现代科学教学的主要研究方向。结合信息化2.0 时代，虚拟仿真实验教学成为近几年实验教学的研究热点，不仅弥补了一些基础实验的不足，而且使得实验教学更具有智能化、个性化和泛在化。

本研究基于中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统的教学资源开展小学科学实验对比教学，以期优化虚拟实验教学设计，提升小学生科学学习力，为小学科学实验教学质量的提升提供参考。

一、虚拟实验教学在小学科学中的应用现状

2021年国家教育部发布的《关于大力加强中小学线上教育教学资源建设与应用的意见》提出，中小学教师要积极学习借鉴国家级互联网平台提供的优质课程案例，结合课程案例推动线上线下混合教学，从而创新教学方式。科学实验教学是小学科学教育必不可少的环节，是学生发展科学创新设计思维的重要切入点。结合国家信息化2.0 时代的发展及国际共同抗疫的形势背景，虚拟实验教学系统的开发实践在各院校领域取得了较好的效果。为了探究虚拟实验教学能否助力小学生科学学习力的提升，笔者尝试借助中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统实验资源进行对照实验教学，探究提升小学生科学学习力的虚拟实验教学模式，希望对一线科学教师有所启发和帮助，促进信息技术与科学实验的深度融合。

二、学生科学学习力的内涵及评价维度

近几年，“学习力”一词逐渐成为教育领域的研究话题之一。综合近几年有关基础教育领域内学习力研究的文献综述，教育学者对学习力的内涵及评价维度说法不一。郭黎岩等人将中小学生学习力分为5 个一级维度，即学习动力、学习毅力、学习能力、学习转化力和学习创造力。裴娣娜诠释了学习力是学生的生长力，建立三层次六要素结构模型。纵观研究者们的观点，学习动力、学习毅力和学习能力构成学习力三个基本核心要素。王碧梅基于15个国家课程标准和38位教师深度访谈内容进行分析，建构出科学核心素养和要素——科学观念与应用、科学思维与创新、科学探究与交流、科学责任与态度四个素养和41 个观测指标。章潞妮将学习力分解为3个一级指标（学习驱动力、学习能力、科学思维能力）、11 个二级指标共三大层次的系统结构。所编制的初中生科学学习力问卷调查较好地结合了学习力及科学学科素养内涵，可作为本研究的调查工具。

三、研究设计

（一）研究内容

1．虚拟实验教学和学生科学学习力的理论研究

通过梳理国内外有关虚拟实验教学和小学科学学习力文献，对科学学习力的内涵、评价维度及虚拟实验教学实践应用案例进行研究。

2．优化虚拟实验教学设计和教学模式

探究传统课堂和虚拟实验课堂对学生科学学习力的影响。

结合课程资源及学科素养融合点，问卷调查传统课堂和虚拟实验课堂中学生的科学学习力。同时指出实施过程中的困难之处，创新教学模式和教学设计。

（二）研究方法

1．文献分析法

通过查阅相关文献和政策，了解国内外有关小学科学虚拟实验教学对科学学习力影响的最新理论和实践动态，形成研究理论的支撑框架。

2．问卷调查法

本文参考章潞妮针对初中生科学学习力所编制的问卷。研究中的一个变量为教学方式的不同，实验前后调查问卷应保持一致性。通过前后测对比学生科学学习力的变化，从而检验虚拟实验教学对学生学习力各维度影响的显著性。

表1 实验变量控制表

（三）研究过程

1．实验对象

三年级共7 个班级，通过询问班主任和科学教师，了解7 个班级的学情、男女比例和科学成绩，最终选取三年级（1）班、（3）班、（4）班、（5）班的全体学生作为实验对象，其中三年级（4）班、（5）班为对照班，三年级（1）班、（3）班为实验班。为保证实验的可信度，实际教学中尽量保持相同的教学课时以避免实验误差。

表2 实验变量控制表

2．实验平台

中央电化教育馆虚拟实验服务系统实验资源涵盖小学到高中。实验资源类型主要有演示视频、实拍、3D 课件和VR 课件，其中3D 和VR课件登录账号并安装插件可进行线上虚拟实验操作；实验测试分为练习和测试两个模块，后台会记录学生每次练习或测试的情况，生成操作明细表和评价雷达图，笔者用于学生操作技能的考核，取得一定的成效；创编系统中含有丰富的器材库，可实现学生自主设计实验，包括器材、步骤、原理、数据记录等信息。

图1 实验测试练习界面（用天平测量物体质量为例）

图2 实验操作得失分明细

图3 实验测试评价雷达图

3．教学案例

结合科学课程标准、学情及学校的实际教学进度，与科学组商议后选定三年级上册第一单元“认识空气”和三年级下册第一单元“植物的一生”进行教学设计，开展后续的虚拟实验教学，所使用的虚拟资源见文后附表。

四、研究结果与讨论

实验开始前对三年级7 个班的学生进行测试，分别下发《科学学科学习力水平调查问卷》和《学习态度及学习策略相关调查表》问卷共计692 份，其中剔除无效问卷35 份，回收的有效问卷共为657 份。实验结束后，同时对实验对象的4个班级进行后测，分别下发问卷共计396份，其中剔除无效问卷15 份，回收的有效问卷共为381份。

表4 小学生科学学科学习水平及学习态度成对样本t检验成对样本检验

在进行虚拟实验教学前后测小学生科学学科学习水平及学习态度各项差值序列的平均分为学习驱动力（2.135）、学习能力（2.245）、科学思维（4.649）、学习态度（2.561），说明通过虚拟实验教学，学生的学习驱动力、学习能力、科学思维和学习态度均有所提升。

从计算出的t 统计结果来看，科学思维和学习态度的成对样本T检验的显著性均低于0.01，说明虚拟实验教学模式极其显著地提升了学生的科学思维和学习态度；学习驱动力和学习能力的成对样本t 检验的显著性均低于0.05，说明虚拟实验教学模式显著地提升了学生的学习驱动力和学习能力。

由此可见，通过一个学年的虚拟实验教学，小学生科学学科的学习力及学习态度的各个维度均得到了显著提升。

学生对虚拟实验平台存在较大的兴趣，能调动学生的积极性。4月初因疫情调整为线上教学，但学生仍可利用账号进行相关实验的探究，从平台提交率看显著高于线下，一定程度上激发了学生学习驱动力和学习态度。

在虚拟实验课堂实施的过程中，科学教师在设计虚拟教学时深度挖掘了课程资源与课堂的结合点。同时利用学科融合，如语文习作《我的植物朋友》+科学《植物的一生》、英语《嫦娥四号》+科学《月球》、科学《观测天气》+体育运动会活动设计课例，真正将知识运用到生活情境中，利于学生综合素养的提升，使得虚拟实验教学方式比传统实验教学方式更能提高学生科学思维和科学态度。

虚拟实验中实验测试模块无须准备过多的器材，却能够辐射每一位学生。结合后台数据实时监测，如托盘天平、量筒、测温计等工具使用，确保每一位学生能够通过实验仪器操作，从而进一步提高学生知识技能操作能力。

虚拟实验中创编模块能够实现简单的实验设计，拥有丰富的器材库，能够对实验物品进行更换，将实验原理举一反三达到实验的考核目的，促进能力和思维的发展。

五、研究结论和展望

本研究实验基于虚拟实验教学下的小学科学实验课为学生提供一个可行的实施方案，并对教学设计的有效性进行实证研究，通过一年的教学实践现已完成前后测分析工作。从SPSS 计算出的t 统计结果得出，通过虚拟实验教学小学生科学学科的学习力及学习态度的各个维度均得到了显著提升。同时结合资源深入挖掘学科融合特性，建立语文习作《我的植物朋友》+科学《植物的一生》、英语《嫦娥四号》+科学《月球》、科学《观测天气》+体育运动会活动设计校本课例，取得较好的教学效果。

本研究在后期因虚拟资源的使用受到一定限制，未能将已有的实验测试雷达图数据导出。建议中央电化教育馆虚拟实验服务系统能够开放实验校的权限和资源，并进一步完善资源创新性，特别是在创编系统模块中，还无法实现学生自主设计的实验方案的运行。同时，本研究在借用初中生科学学习力评价表进行测评过程中，发现部分学生对问卷题目理解不够到位，某种程度上对评价结果有一定的影响。如何将科学学科学习力的评价过程设计得更加贴近小学生，提高普及性；如何更好地结合2022年科学课程新课标及国家对青少年科学素养的要求，都是后续研究值得关注的。

附表 虚拟实验教学资源列表