以“央管虚拟实验”为载体建立“沉浸式”学习模块

邓燕丽

〔摘    要〕  小学科学学习很多只停留在表面，为加强小学科学“沉浸式”学习，以“央管虚拟实验”作为载体，在虚拟世界中进行建模，依据“以虚辅实”的设计思路，建立感知沉浸、思维沉浸和心智沉浸三个“沉浸式”学习模块。通过多样化、动态化的感官整合为“沉浸式学习”创造条件，通过可设计可交互的实验场景为思维发展搭建支架，通过多变化智能化的拓展方法为学习评价提供依据，以此改变学生学习小学科学的学习方式，让学生自动参与、合作探究。

〔关键词〕  小学科学；央馆虚拟；“沉浸式”学习；以虚辅实

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  02    010-012

小学科学课堂上所需的资源较多，教师往往很难正常开展教学，学生无法“沉浸式”探索科学界的奥秘规律。借助于“央馆虚拟实验”，利用现实（又称VR）、多媒体和仿真等技术，在计算机上营造可辅助、部分替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者通过人机交互的方式操作实验，开展各种实验项目，让学生在感知、思维、心智中“沉浸式”学习，使学生的思维、能力发展不再浮于表层，优化小学科学素养的沉淀。

一、具象感知：多模化的感官整合，以虚辅实，为“沉浸式”学习创造条件

单单依靠听觉的学习方式，学生收获的信息是单一的。相关机构研究表明，通过单一的学习形式，如，阅读文字或观看图片，学习效率约为10%。在小学科学教学中渗透央馆虚拟技术，利用三维立体、多元驱动、万象场景三种“感知”，全面覆盖学生学习。在虚拟实验中创设各种感知情境，对学生多种感官形成一定冲击，可使学生全方位、具象地感知学习，大幅度提高学生小学科学的学习效率。

（一）“三维立体感知”启全景式学习

小学科学实验涉及领域众多，以往多将资料编制成图片。利用“央馆虚拟实验”设备，将原有的二维照片与文字信息转变为三维立体的，使知识学习从2D转化为3D，从平面图片转化为视频动画，从而实现仿真虚拟实验、三维结构的交互性、三维结构的可视化，让小学科学学习更深层化和具体化，大大增强学生对小学科学知识的全景式感知体验。

如，在学习“植物生长”时，对于某些生长于难寻地区的植物，可采用“央馆虚拟实验”设计植物生长动画，从而实现学生对植物的观察。不单是通过平面图片观看，设计完整的植物生长周期，动态呈现植物的生长变化，让生长时间轨迹覆盖春夏秋冬四个季节，学生还可通过虚拟实验多方位观察植物一年的生长状态和外部生长变化。三维动画让学生更身临其境地感知，更完整地触发学生学习技能。

（二）“多元驱动感知”促交互式学习

不论是以讲知识为主，还是以看图片为主的科学课堂，学生接受的感觉过于简单化。在央馆虚拟现实技术中，可以计算机技术为核心生成一个三维空间的虚拟世界，借用设备为学生提供关于听觉、视觉、触觉的感官模拟，并通过鼠标、键盘等设备操作实现人机交互。单方感知变为多方感知结合，“多元感知”驱动学生对小学科学的学习更有深层次的体验。

如，在学习《弹簧测力计》一課中，学生要观察探究“弹簧测力计”的具体使用方法，利用“央馆虚拟实验”，学生可以在鼠标控制下研究弹簧测力计内外部结构特征，并使用弹簧测力计测量众多物品，在虚实结合下加深对工具的了解。

（三）“万象场景感知”激具象式学习

实验材料有部分较难获得，有时教师会用其他物品替代实验场景，学生的感观大大减弱。借助央馆虚拟技术组织学生学习科学活动，学生不仅能体验逼真的实验场景，还有更多选择。虚拟技术可以提供瞬间转换场景的可能性，将整个科学实验过程由多个不同的生活场景拼接起来，打破空间、时间的限制，让学生从起始到结束完整感受实验过程。

如，在《动物是怎样适应新环境的》一课中，聚焦问题“动物如何适应不同的环境”，设计三个环节，运用“央馆虚拟实验”，转换不同动物在不同环境中的生存活动，通过比较青蛙、丹顶鹤以及植物等，在春、夏、秋、冬中行为活动的不同，进而分析动物适应环境的能力。

二、具身探究：可交互的实验场景，以虚促实，为沉浸思维搭建支架

小学科学中涉及周期长、实验条件难以满足或操作准备复杂的实验项目，是当前传统演示实验或无实验模式的弊端。通过央馆虚拟仿真实验，学生的学习在虚拟技术构建起来的实验操作环境中进行3D仿真实验探究，将实验课延伸到第二课堂。体验周期完整、现象可视、变量严控的生物实验探究，可将学生动手实践与高阶思维融合，规范学生对小学科学实验的操作，提高学生的实验技能和动手能力。

（一）集零为整：完整周期场景育“关系思维”

“央馆虚拟实验”可突破实验操作的空间和时间限制，对于小学科学中周期长或者需要耗费较长时间的实验，可以在较短时间内让学生完整观察到某些变化过程。如种植凤仙花、饲养蚕等实验，需要一个月乃至数月的时间，而利用虚拟仿真技术，把条件有所限制的教学内容放到理想化的情境中，在一堂课内高效完成自主实验探究，学生可以随时随地开展实验。完整的实验周期让学生对生物生长有了整体化的闭合思维，极大地提升了实验“关系思维”能力。

（二）化隐为显：可视现象场景育“逻辑思维”

因生物生长环境、宇宙多样变化、地球内部运动等无法采集到真实材料的实验，会因涉及复杂的空间想象能力以及思维能力而成为学习难点。采用“央馆虚拟实验”，将虚拟和实际场景相结合，即将虚拟物体叠加到真实环境中，或者将真实物体添加到虚拟环境中，让学生在可视化的状态下开展探究实验。通过将可视化物质放入虚拟场景，使难理解的结构或抽象、看不见、摸不到的物质形象化，使课堂教学化难为易，能够帮助学生认识科学本质，形成思路简单化的“逻辑思维”，厘清小学科学知识关系，更好地掌握科学知识的深层理念。

（三）化繁为简：严控变量场景育“批判思维”

小学科学实验反应受很多内在和外部因素的影响，且各因素间又相互关联、相互影响，较难简便精确地控制单一变量，这使实验结果不易观察。利用央馆虚拟现实技术开展探究活动，可排除天然干扰，严格控制每个变量条件，严格控制每个外部影响因素。绝对化的实验条件可让每位学生真正、绝对地完成变量探究过程。学有余力的学生还可以根据自己的实际情况完成多个条件的探究，在精准探究中形成“批判思维”，真正让学生用心体会后掌握科学知识，培养学生的科学素养。

三、真心拓展：智能化的拓展方法，虚实相融，为沉浸评价提供依据

学习以学生为主，实验课堂的器材、步骤都是教师限定好的，往往不利于学生知识的进化构建。可以借助“央馆虚拟实验”平台的实验创编功能开展研究性课题，布置一些科学学习延伸拓展内容，供学生自我思考。学生利用创编系统中的3D实验器材库，自主设计新的实验方案，并在平台上不断试错纠错、竞赛探索、发展创新。不落窠臼的拓展学习可以拓宽学生的知识面，培养智力因素和非智力因素，提高思维、认知、素养等。

（一）试误型拓展：“思维织密”生长可见

小学科学教学领域，需要观察、研究物质的变化发展，必须关注过程，而央馆虚拟技术能够为学生提供试误过程，帮助学生在实验拓展过程中反复学习。在开展虚拟实验操作时，虚拟系统会全程跟踪学生的操作过程。如学生实验操作有误，系统还会以逼真的场景提示，并及时纠正错误的操作步骤。学生通过在虚拟平台上反复试错，可不断加深实践体验，拓宽实验学习内容，形成缜密思维，以至于产生沉浸感，更好地理解小学科学实验原理和内容。

如《月相变化》一课，在以往传统学习方式中，学生首先猜测月相的形成原因，然后模拟在宇宙中俯视观察太阳、地球和月球的三球关系，从而判断猜测正确与否。这样的观察角度单一，无法帮助观察者真正理解月相变化的原因。利用虚拟技术，不但单可以从宇宙的角度观察，还可转变不同方位观察到三球的运动关系，在转变角度观察中多次批判自身的猜测，亦可以通过虚拟技术的帮助，模拟人们在地球上观察月相变化的過程。这突破了传统演示的视角局限，帮助学生真正地建构空间概念。

（二）竞赛型拓展：“认知结构”生长可见

“央馆虚拟实验”学习环境可以整合竞赛化的特点，竞赛可设计科学点数、科学积分和科学排行榜，强调角色的增强。虚拟竞赛的主要特点是“参与”，让学生以主角的身份参与到虚拟科学竞赛之中去。在虚拟科学竞赛中，一方面强化虚拟技能训练，另一方面强化小学科学的知识概念，提高学生的认知结构，同时又强调学生学习科学过程的沉浸性和即时性。这种在虚拟世界中的竞赛挑战更受学生欢迎。

如，学生在学习“一炷香”计时工具时，全班8个小组分别设计、测量燃香的计时功能。项目设计成功者获2积分，项目设计改良者获4积分，项目设计迁移者获6积分。通过观察、设计燃香的规律，使学生迁移应用不同形状的蜡烛计时工具的设计，以至深层次认知。

（三）创新型拓展：“科学素养”生长可见

在解决科学课堂实验遗留问题中，利用央馆虚拟技术可以适时进行创新拓展，学生可提出五花八门的问题，问题形式、问题内容可延伸课本知识。结合这些有针对性的问题进行分析，打破原有固定模式，发散学生的思维，形成“问题—探究—问题”的学习循环。在虚拟实验中，学生可创设一个创作自己的作品、亲自动手模拟实验操作或充分发挥自己想象的情境，以此培养他们的创造力、想象力和感知力，提升小学科学素养。

如，学习“给动物分类”时，教师先让学生利用虚拟现实眼镜观看，要求学生对看到的这些动物做出判断，并说出其名字、生活区域和突出特点。学生对动物有一定认识，自然能够积极参与辨识活动。针对动物分类标准，学生开始讨论和思考。点到可以分为脊椎动物和无脊椎动物时，让学生根据这个标准，将熟悉的动物重新分类，学生再度进入热议环节。教师利用“央馆虚拟实验”，让学生观察动物，激发了学生的学习兴趣。虚拟技术展示的信息对学生的感官形成更强的冲击。虽然没有让学生看到更多内容，但在情境设计方面形成突破，给学生带来更大的触动，其助学效果是极为可观的。

在3～6年级每册每单元科学教学中，都或多或少会涉及一些学生无法实际操作研究的实验，借助“央馆虚拟实验”，将真实教学与虚拟实验相结合，能突破感知简单化、探究浅表化和素养虚无化的困境，实现高效的沉浸式学习，让学生全身投入情境中学习，进而提升学习水平。

参考文献

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