虚拟实验技术助力学生真实成长

冯乾

一、虚拟实验技术的教学背景

虚拟实验技术是基于真实教学情境，协助师生进行课堂教与学的一种教学辅助工具，主要应用于理科课堂教学与实验。本文基于中望公司的人工智能三维仿真软件（3D One AI）这一虚拟实验技术，在小学信息科技学科实验课中开展虚拟实验教学实践。3D One AI提供虚拟开源硬件技术与人工智能技术，支持动态人工智能行为仿真，并且输出三维动画。

随着《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（下称新课标）的发布，小学信息科技课堂教学中增加了很多需要学生实验的内容。比如，“身边的算法”模块增加了巡线机器人实验，“过程与控制”模块增加了智能微波炉、智能空调和智能倒车雷达等学生实验。因此，虚拟实验技术在小学信息科技课堂中有着十分重要的作用。虚拟实验技术一方面可以有效降低各学校硬件不统一带来的不便，另一方提供了一个理想化的实验环境，能够让教师和学生更加聚焦在实际教学中。

教师可以运用创设情境、方法渗透、鼓励动手、引导反思等方法加强学生对信息科技核心素养的理解，培养学生的分析能力、解决问题意识和创新能力，鼓励学生将课堂中所學的知识应用到生活中，有效通过虚拟实验技术助力学生真实成长。

二、虚拟实验技术进课堂的价值与意义

1.虚拟实验技术助力课堂减负增效

传统课堂教学过程中，凡是涉及机器人和学生实验内容，教师往往需要在课前、课后做大量硬件准备与整理工作，包括实验设备的拼装、维护、充电、复位等，而且这些硬件在使用过程中不可避免会有损坏，从而影响正常教学的开展。新课标提出在小学低年级注重生活体验，中高年级逐步过渡到学习基本概念和基本原理，这就要求机器人和学生实验学习在教学中不可缺少。

虚拟实验技术助力课堂不仅能解决以上的困境，还能实现减负增效，体现在两个方面：一是可以构建虚拟任务场景，让学生在模拟任务中体会真实场景中会遇到的问题，同时平稳地过渡到技术背后的原理，达到逐步提升的效果；二是可以让教师将教学时间和精力更集中于学科核心素养的落实和关键问题的解决上，大幅缩短课堂准备的时间成本和学校的经济成本，降低学生学习负担，提高学习效率。

2.虚拟实验技术有助于学生独立参与实验

受实验设备数量和时间限制，传统的小学信息科技学科实验课一般以小组实验为主，4～5名学生共享一套实验设备，难免存在学生实验参与度不一的情况。最终的实验结果也以小组形式呈现，教师很难面面俱到地关注到每位学生的知识点掌握程度。虚拟实验技术可以让学生独立自主地参与到实验过程中去，实现“做中学”“用中学”“创中学”，凸显学生在学习过程中的主体性。而且虚拟实验平台能够在实验过程中记录每位学生完成的情况，便于教师发现那些理解能力较为薄弱、实验完成度不高的学生，找出他们存在的薄弱知识点，改进教学过程，提高教学效果。

3.虚拟实验技术便于教学内容扩展与提升

传统的实验教学在实验内容拓展上受限于硬件设备，如在添加硬件外设时存在品牌、接口等多种限制。3D One AI可以利用3D建模功能，在教学场景中自主设计和添加实验器材。其优势体现在三个方面：一是可以更加便捷地更新实验内容和场景来适应信息科技学科的发展；二是有助于学生利用课上所学知识进行课后拓展延伸，展现自己的思考与创意；三是可以使学有余力的学生在课后将虚拟实验中的模型创意转换成真实的科创作品，进一步提升综合实践能力。

三、虚拟实验技术的课堂实践应用

1.科学原理与实践应用并重，聚焦核心素养

新课标强调科学原理与实践应用并重。虚拟实验技术可以很好地从实践出发，帮助学生理解信息科技学科的基本概念和基本原理，通过实验探究帮助学生进行知识迁移，提升核心素养。

“身边的算法”模块主要涉及任务拆分、绘制流程图、算法自然语言描述三大基本教学内容，教学时运用虚拟机器人作为实验工具，能够帮助学生从抽象到具象来理解算法。比如，巡线机器人能够按照一定的路径自动行走，因此已经被广泛应用在物流、医疗看护、园区守卫等场景中。在实际教学过程中，学生可使用3D One AI在模块化编程环境下编写、调试巡线机器人程序，分别完成三个任务：（1）使用顺序结构完成规定路程巡逻；（2）利用反馈数据和分支结构实现单点巡线；（3）综合应用知识提高运算效率，实现双点巡线。

在实验过程中，学生能够直观地看到虚拟程序运行的实际效果，找出问题并进行改进，通过不断试错、迭代，理解算法的作用与价值，从更深的层面促进核心素养的提升。

2.模拟真实场景，强化解决问题的能力

在真实实验过程中，往往存在实验场景无法完美实现和学生无法观测实验设备内部运行情况等问题。一些实验教学受限于课时，导致流程较长的实验和学生自主探索较长的实验很难实施。3D One AI不仅可以模拟真实实验场景，还能通过三维旋转的方式让师生更便捷地观察一些机械结构。更重要的是，它能规避实验中的风险，甚至可以通过加速和一键复位的方式缩短实验进程，给学生提供更多的探索途径，强化学生解决问题的能力。

“过程与控制”模块涉及智能微波炉和智能洗衣机的内容，都需要观察按钮输入信息后得到反馈的情况。如果开展真实实验进行测试观察，会有以下两个问题：（1）教师要时刻注意学生的安全，避免出现一些意外。如微波炉操作不当可能会将学生烫伤，洗衣机的转动电机可能会把学生绞伤。（2）观察电机运行需要拆卸设备，这无法在课堂中实现。3D One AI中的三维旋转和移动功能就能够解决这些问题。在这两个项目中，教师可以让学生尝试解决一个具体的问题，比如，编写一段用微波炉烤鸡翅或蒸米饭的程序（如图1），或者用洗衣机清洗被单或者袜子的程序。通过观察虚拟实验的程序代码和运行情况，来判断学生是否成功地解决了这个问题，从而让学生经历为微波炉、洗衣机编写程序并控制其运行的真实过程，然后再迁移到现实的家用电器中进行对照验证。

智能微波炉和智能洗衣机都是一个综合性的大系统，通常由几个小的系统组成。微波炉一般由转盘、磁控管等部分组成，洗衣机一般由滚筒、进排水系统等部分组成。3D One AI可以帮助学生更好地将设备划分成独立的模块，并通过编程分别实现相应功能，最后再重新组合成一个完整的系统。

3.重视阶段成果，强化素养评价

学生实验过程中，教师应当及时关注学生的反馈，了解学生的实验情况和对相关科学原理的认知程度，从而及时调整教学。传统的实验教学中，实验进程中的阶段性成果难以保存，因此教师无法进行准确的过程性评价；同时实验还容易受到外部环境、硬件规格等干扰因素的影响，导致实验失败或效果不明显。虚拟实验技术则规避了以上问题，聚焦传统实验教学的关键因素和核心要点，使学生在实验过程中能重复验证，反馈结果更真实。这样教师更容易对学生进行科学的评价，测量学生的真实素养水平。

以笔者尝试的“智能倒车雷达”教学为例，4个课时的内容分别为：距离判断、逻辑运算与语音播报、控制系统与软硬件环境、编写并调试程序。借助虚拟实验技术，每一个课时可以有针对性地完成相应板块的学习，并形成一个阶段性的学习成果，最终以文件形式保存下来。每一个课时所指向的素养评价也各有侧重。第1课时关注信息意识，第2和第4课时关注计算思维的养成，第3课时则更偏向于数字化学习与创新。所有课时完成后，学生可以将虚拟实验各个环节的过程文件完整打包提交。

此外，3D One AI还可以通过后台数据库记录学生实验过程中所产生的实验数据（如图2），便于教师了解学生实验过程，为精准评价学生核心素养提供参考，还能为教师后续改进教学提供依据。

4.创新体验场景，渗透学科德育

新课标强调信息技术使用的基本礼仪与规范，以及更规范、文明地使用设备。虚拟实验技术能够搭建典型场景，让学生在场景体验的基础上进行讨论和道德提升。

以笔者开展的“无人值守自习室”一课为例（如图3），将人脸识别、二维码识别、语音助手等技术综合性应用在同一个场景中。学生在体验信息技术给生活带来便利的同时，思考数字化教室的使用公约和信息公共环境中应该遵循的道德规范，提升信息社会责任感，致力成为新时代的数字社会负责任公民。

教师在教学过程中穿插介绍根据光线强弱自动调节的台灯、根据温度变化自动调节的风扇，让学生意识到信息科技并不是冰冷的数据与代码，优秀的信息科技产品同样能够体现深刻的人文关怀和环境保护理念。

四、效果与反思

3D One AI作为一种结合信息技术与实验操作的工具，给信息科技课堂实验教学提供了新的路径。通过场景搭建、3D模型导入、程序编写等操作，教师可以借助虛拟实验技术构建一个完整的教学情境，在虚拟环境中给学生带来完整的学习体验。

新课标背景下，虚拟实验技术的研发和应用，为小学信息科技教学实施开辟了新的道路，拓宽了课堂教学的边界，提高了教学的效率。当然，作为一门实践性较强的课程，教师在使用虚拟实验技术开展信息科技教学的同时，也不应放弃真实世界中的编程实验与探索。例如，教师可以在虚拟实验调试的基础上将相关程序迁移到实际的开源硬件中进行测试，从而实现虚实结合，助力学生核心素养的提升。