小学科学课程虚拟仿真实验的设计与开发

张天云

（山西大同大学教育科学与技术学院，山西大同 037009）

2023 年5 月26 日教育部等十八部门《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》（教监管〔2023〕2 号，简称《意见》），提出要深化学校教学改革，提升科学教育质量。强调实施启发式、探究式教学，探索项目式学习，培养学生深度思维。探索利用虚拟现实、AI 等技术手段改进和强化实验教学，并注重利用先进教育技术弥补薄弱地区教学资源不足的状况[1]。意见明确提出了利用虚拟现实技术实现科学教育的指导思想，“科学”作为小学很重要的科学教育课程，迫切需要教学模式和教学方法层面的改进，这也为本研究奠定了充分的政策依据。

经过实地调研和文献查阅发现，小学“科学”课程教学中存在如下一些问题。首选是师资不足或不完备：很多学校对科学教育认识不够，“科学”课程被默认为副科，没有受到应有的重视，配备的相关任课教师数量不足，且绝大多数“科学”课程教师没有对应的专业背景，也有部分被所谓的主科教师兼任，长期被教师与家长忽视。其次是实验仪器与设备缺乏：部分学校特别是边远地区的学校，与科学课相配套的实验仪器与设备严重不足或陈旧，无法满足该课程正常的教学保证，因此急需加强物化的和虚拟的实验器材与环境建设。再次是教学形式单一：小学科学课程内容丰富、包含学科众多，只通过常规课堂教学形式，往往无法兼顾课标中强调的课程目标[2]。目前很多小学科学课授课是在教室中以讲授型为主，学生仅仅一听、一看、做笔记而已，没有深度参与学习活动，科学课作为一门实践性、操作性很强的课程，很难实现课程教学目标。

解决以上问题除了改善师资配备（如《意见》中要求实现每所小学至少有1 名具有理工类硕士学位的科学教师）、加强实验仪器配备、提供丰富的教学形式之外，很显然利用信息技术手段，特别是虚拟仿真实验是非常好的选项之一。

虚拟仿真实验（简称虚仿实验）是利用虚拟现实技术搭建的一种具有教学功能的虚拟实验环境，与之相对应的是现实物理实验环境，根据沉浸性真实程度与交互性的多样化可以划分为桌面式和沉浸式类型。随着触觉反馈技术和交互设备的发展，虚拟仿真实验营造了更加真实的效果，学习者置身虚拟仿真实验室中，可自主地与实验室中的设备进行交互[3]。重点以桌面式为例阐述虚仿实验的设计与开发过程。

虚拟仿真实验是融合了目前前沿的信息技术与实验教学的产物，可以拓展学生的学习内容、资源、时间与空间，特别适合探究式学习，可以培养学生的科学探究精神，同时可以提升教师的教学理念和方法，丰富教师的教学模式，改变了讲授式、填鸭式的教学方式，解决了一些学校没有实验条件或实验仪器设备不足的困境。

1 设计过程

1.1 设计与开发工具

重点使用的设计与开发工具为Unity3D 2019，简称U3D。Unity 是由英国Unity Technologies 公司开发的一个集虚拟现实平台、游戏开发引擎、实时三维动画创建、建筑可视化等功能的跨平台的开发工具[4]。具备良好的跨平台特性，支持20 多种平台，拥有众多的功能模块，如图1。

图1 Unity3D的基本功能模块

除此之外虚仿实验设计与制作过程需借助脚本开发环境Visual Studio、建模工具软件3Dmax 和和图像处理PS等专业软件协作完成作品的设计与开发。

1.2 设计原则

1.2.1 教学性

作为学习用途的虚拟仿真实验首要的任务是满足教学要，教学要达到教学大纲的要求和目标，提供的环境和内容应遵循教学规律和学习者的认知规律，从而达到实现教学目标的任务。

1.2.2 科学性

科学性是实验设计和开发应当遵循的最基本的原则。科学包含着三层含义：一要正确地运用用教学原理；二是实验中的对象描述要与现实世界一致；三是要符合学生的认知规律[5]。虚拟仿真实验演示的原理必须具备科学性，要与现实实验的过程和结果相一致，否则会误导学习者，也有碍培养学习者的科学探索精神，甚至起到反面作用。

1.2.3 仿真性

仿真实验重在“真”，虚拟仿真实验尽可能无限接近现实物理实验的过程，这就要求设计者协同学科专家和学科教师共同完成虚仿实验的设计与开发，使学习者在虚仿实验中体验到身临其境的感觉，实现心流体验式的学习。

1.2.4 交互性

交互性是虚拟现实技术的三大特征之一，虚拟仿真实验应为学习者提供实时的交互性体验，学习者通过各种输入输出设备与虚拟环境进行互动，环境给予与相应的反馈，该特性也是探究式学习的条件之一。

1.3 设计与开发流程

虚拟仿真实验是一个具备教学性、演示性、可操作性和交互性的综合性的虚拟学习系统，仿真实验的设计环节和质量直接决定了实验的学习效果和教学质量。在设计与开发过程中既要考虑教学设计的环节也要考虑软件系统设计本身的规律和方法。教学设计是保障，系统设计是手段，二者需达成同一目标，为学习者有效学习提供支持。笔者通过长期教学和设计开发实践将虚拟仿真实验的设计要素与开发过程总结为4个环节，主要包括：需求分析阶段、功能分析阶段、设计阶段、开发阶段（含测试评价阶段及打包试运行阶段）及反馈完善阶段。其设计与开发流程如图2。

图2 虚拟仿真实验设计与开发流程

2 案例设计与开发

2.1 功能需求分析

本虚拟仿真实验以小学六年级下册“绿叶在阳光下可以产生淀粉”知识点为例，教学目标是验证绿叶在光下可以产生淀粉的事实，培养学生的动手和观察能力，激发学生的科学探究精神和科学兴趣。

实验面向的学习对象是小学高段学生，该段学生的学习思维仍以形象、直观为主，抽象思维不足，具备一点操作能力但仍需要实时的指导与相应的学习支架支持，实验既需要演示环节又需要探究式学习支持，包括相应的其他教学环节如巩固练习等，如图3。

图3 功能模块设计

2.2 功能模块设计

登录注册模块：进入登录模块后，系统先判断用户是否注册过，如是新用户需注册，已注册用户可以直接登录，输入框内容必须填写，格式不正确、不匹配都会有相应的提示。

实验目标模块：为学习者提供实验目标和要求，使其学习目标更加明确。

实验探究模块：为学习者提供探究式学习支持，学习者以探究方式与实验对象进行交互操作，同时系统给出相应的提示，操作正确给出正反馈如“你很棒，完全正确”，操作错误给出负反馈如“很遗憾，你可以换个位置”等交互提示。

实验指导模块：主要说明实验的内容、过程、操作说明等，为学习者顺利进行实验提供基础知识和技能。

实验演示模块：用视频的形式演示整个实验正确操作的完整过程，讲解实验过程的细节与注意事项。

知识锦囊模块：展示与实验相关的知识点和小技巧，拓展实验内容。

课后巩固模块：强化学习者对该实验涉及知识的掌握，提供练习答题功能，练习巩固过程中，答案是否正确都会向用户提示。

2.3 操作逻辑流程

首先进入登录注册界面，用户登录后进入实验首页，学习者通过选择“开始实验”进入虚拟实验场景查看或操作实验知识锦囊、实验探究、实验演示等内容，进行下一步操作时点击“实验提示”获得相应提示，完成后续步骤，结束实验后可以返回首页。完成实验后可以选择进行“课后巩固”，通过答题完成实验相关知识的巩固，结束答题后可以返回首页，并随时可以退出实验。操作逻辑流程如图4。

图4 操作逻辑流程

图5 仿真实验首页

图6 实验环境

2.4 详细设计与开发

2.4.1 首页界面与实验场景

2.4.2 实验动画

实验支持学生自由操作实验设备和仪器，如支持仪器的位置摆放、旋转及动画等操作，操作的过程中不符合实验规范和要求时，系统会根据情况提供及时的NPC 互动提示，引导学生顺利完成实验，图7是学生操作滴管将碘液滴入器皿中的绿叶上，绿叶变蓝的动画过程。

图7 滴管滴碘液动画及核心代码

2.4.3 特效设计

实验中“把叶片放入酒精灯并隔水加热”的步骤中使用了特效，其中，酒精灯的火焰效果使用的是Unity3D的粒子系统，火焰效果如图8。

图8 火焰效果

2.4.4 交互设计

在实验操作的过程中设计了实时交互环节和学习支持工具，如NPC 互动提示和语音提示等功能，为学习者提供必要的学习帮助，避免学习者因操作困惑而影响学习效果甚至放弃实验操作，如图9。

图9 实验交互提示

2.4.5 课后巩固

为了巩固学习者对于该实验所涉及知识的掌握，提供了练习答题的强化功能，如图10。

图10 巩固练习

3 测试

通过测试查验设计与开发过程中存在的Bug，进而发现存在的问题并完善产品。测试需从不同层面入手以确保程序的正确性与完整性。笔者利用黑盒测试中的功能测试查验了登录模块功能、实验操作的功能，确保产品功能性的正确，保障关键组件与整个系统的集成，利用非功能测试查验了完成度等相关测试，检查了系统完成操作过程的正确性，并进行了部分完善工作。详细测试项目如表1。

表1 黑盒测试表

4 结语

目前虚拟仿真实验已经在各行各业开始广泛应用，在教育领域的全学段开始逐步引入，各高校开始积极参与到国家虚拟仿真实验教学课程共享平台的建设当中，国家智慧教育公共服务平台推出的中小学智慧教育板块中也正在搭建虚仿实验平台，使更多的中小学生受益，实现教育资源的均衡发展。

毫无疑问，虚仿实验在教育领域（VR+教育）的研究与应用是未来趋势之一，在实际教学中将虚拟仿真实验与教学内容、教学目标及教学对象特征相结合并灵活应用，能够达到提高教学绩效、优化教学的目的。利用Unity3D 开发平台，设计并开发了小学科学实验的一个虚仿课例，探讨了虚仿实验的设计原则、流程、开发及测试等相关理论与技术，希望在虚拟仿真实验建设方面起到抛砖引玉的作用。