虛擬實驗在探究性學(xué)習(xí)中的實踐研究

吳國華

《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：科學(xué)探究式學(xué)習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式。探究式學(xué)習(xí)是指在教師的指導(dǎo)、組織和支持下，讓學(xué)生主動參與、動手動腦、積極體驗，經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，以獲取科學(xué)知識、領(lǐng)悟科學(xué)思想、學(xué)習(xí)科學(xué)方法為目的的學(xué)習(xí)方式。

一、現(xiàn)實因素制約著學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)

學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)的一個重要方式是實驗，而在平常的科學(xué)教學(xué)過程中，常常會遇到各種因素而影響學(xué)生開展實驗探究。

（一）學(xué)校資金短缺

目前，小學(xué)普遍存在著實驗經(jīng)費不足、設(shè)施設(shè)備老化、實驗資源匱乏的問題，特別是農(nóng)村小學(xué)，現(xiàn)象尤其突出。

（二）教師精力有限

在實驗過程中，教師最為擔(dān)心的問題是實驗的安全問題。班級中過多的學(xué)生導(dǎo)致教師不能對學(xué)生的實驗操作進(jìn)行一一指導(dǎo)，或許一個小小的疏忽會造成實驗器材的損壞甚至發(fā)生實驗事故，造成嚴(yán)重的后果。為了避免實驗安全事故，教師往往只會讓學(xué)生觀察演示實驗或視頻，或用講解的方式替代實驗，讓學(xué)生失去探究的機會。

（三）學(xué)生能力不足

小學(xué)生無論是科學(xué)知識，還是動手能力，相對來說都比較薄弱。對于一些較為復(fù)雜、需要經(jīng)過積極思維的實驗，學(xué)生常常無從下手，有時為了應(yīng)付教師的任務(wù)而漫無目標(biāo)地實驗，往往一節(jié)課下來，學(xué)生探究看似熱火朝天，其實什么也沒體驗到，什么知識也沒學(xué)到，造成實驗效率低下。

（四）教材內(nèi)容不易探究

科學(xué)課程的內(nèi)容涵蓋物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程四大領(lǐng)域?？茖W(xué)課程中探究生命科學(xué)方面的內(nèi)容如《骨骼》《肌肉》《大腦》《神經(jīng)》《它們是怎樣繁殖后代的》等，學(xué)校實驗室原有的軟硬件設(shè)施已經(jīng)跟不上課程發(fā)展的需要。而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度，必須要讓他們經(jīng)歷探究過程。

二、虛擬實驗成為學(xué)生新的探究方式

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》明確指出：信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視。要充分利用先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建先進(jìn)、高效、實用的虛擬實驗室。要提高教師應(yīng)用信息技術(shù)水平，鼓勵學(xué)生利用信息手段主動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，增強運用信息技術(shù)分析解決問題能力，提高教學(xué)效果。

《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》同時指出：以計算機、網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代教學(xué)媒體及技術(shù)正成為科學(xué)課堂上師生重要的認(rèn)知工具，不僅可以為科學(xué)知識的學(xué)習(xí)服務(wù)，也可以為科學(xué)探究的學(xué)習(xí)服務(wù)。

隨著越來越多的技術(shù)被引入到課堂中，虛擬科學(xué)實驗正在成為學(xué)生積極探究的方式。

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)量眾多的支持學(xué)生開展虛擬實驗的網(wǎng)站和系統(tǒng)軟件，為學(xué)生利用數(shù)字化資源進(jìn)行虛擬實驗探究提供了技術(shù)保障。

（一）NOBOOK虛擬仿真實驗軟件

NOBOOK虛擬仿真實驗支持多終端跨平臺訪問。不僅支持教師任意組裝實驗、不用受實驗步驟的限制，而且所有實驗操作均可呈現(xiàn)準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)以及逼真的實驗現(xiàn)象，是一款不可多得的真正完全具備探索性的虛擬實驗軟件。

（二）Frog Dissection，利用此系統(tǒng)青蛙解剖可以虛擬完成

系統(tǒng)中有豐富的資源、詳細(xì)的說明和操作流程，方便學(xué)生開展相關(guān)實驗。在具體實驗過程中，學(xué)生可以充分按照探究的任務(wù)，發(fā)揮自己的興趣愛好和特長進(jìn)行自由設(shè)計，獨特的實驗思路和實驗方法，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，為學(xué)生提供廣闊的自由發(fā)展空間，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

（三）PhET

這一程序由諾貝爾獎獲得者卡爾·威曼于2002年創(chuàng)立，PhET互動仿真程序計劃由科羅拉多大學(xué)的團(tuán)隊專項運營，旨在創(chuàng)建免費的數(shù)學(xué)和科學(xué)互動程序。PhET 是基于拓展型教育的相關(guān)研究并且激勵學(xué)生在直觀的、游戲化的環(huán)境中進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)。

三、虛擬實驗在學(xué)生科學(xué)探究中的運用

如果進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)備和恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計，虛擬科學(xué)實驗可以令人難以置信地支持學(xué)生的科學(xué)探究活動，協(xié)助學(xué)生完成探究任務(wù)，降低實驗操作成本，提高實驗效率，增加學(xué)生對探究的興趣，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展。

（一）實驗準(zhǔn)備

進(jìn)行虛擬實驗，首先要選擇有一個虛擬平臺，并且保證平臺能正常運行。由于實驗的主體是小學(xué)生，所以平臺的操作必須簡單方便。實驗前，老師要對學(xué)生進(jìn)行必要的培訓(xùn)，以便學(xué)生掌握虛擬實驗平臺的使用方法，如怎樣登錄平臺，如何在虛擬環(huán)境下進(jìn)行探究。老師還要對學(xué)生進(jìn)行實驗紀(jì)律教育，培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣，形成專注的探究態(tài)度。

（二）虛擬實驗探究

蘇教版五年級科學(xué)上冊《簡單電路》一課，在創(chuàng)設(shè)圣誕樹上的小燈泡是怎么亮起來的情境后，引發(fā)學(xué)生回憶生活經(jīng)驗。根據(jù)以往經(jīng)驗，學(xué)生大多知道需要導(dǎo)線、電池、小燈泡等材料，但他們對這些物體是怎樣組裝的、為什么亮起來并不十分清楚。此時，如果提供材料給學(xué)生探究，有些學(xué)生會成功地將材料連接成電路，但也有些學(xué)生會因為連接方法錯誤而導(dǎo)致短路，引發(fā)電池發(fā)燙、導(dǎo)線發(fā)熱冒煙，甚至發(fā)生電池爆炸和火災(zāi)。

解決這一問題的方法可以是：引導(dǎo)學(xué)生借助PhET平臺，進(jìn)入電路組建程序進(jìn)行虛擬實驗，當(dāng)學(xué)生掌握電路的連接方法之后再進(jìn)行動手實際操作。

學(xué)生在虛擬實驗過程中，可以采用拖、拉的方式，在工具欄中方便地選擇導(dǎo)線、電池、小燈泡，并可任意移動位置、將導(dǎo)線拉長、組合。在虛擬實驗后，學(xué)生基本掌握了正確的電路連接方法，在實際操作過程中減少了短路發(fā)生。

在掌握了電路連接方法后，開展拓展活動，讓學(xué)生將多個小燈泡接入電路，以此來增強學(xué)生對電路的認(rèn)識。學(xué)生在真實實驗中，會面臨導(dǎo)線、小燈泡、開關(guān)任何一個部位的松動或生銹而實驗失敗的現(xiàn)象，而學(xué)生始終弄不明白到底是連接方法不對還是器材的原因。此時，先讓學(xué)生通過虛擬實驗，掌握電路連接的方法，再動手實驗，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和深入探究的能力，讓學(xué)生體會到成功的快樂。

四、虛擬實驗在教學(xué)實踐中的優(yōu)勢

虛擬實驗?zāi)軌蛲黄苽鹘y(tǒng)實驗對“時、空”的限制，學(xué)生可以自由地上網(wǎng)進(jìn)入虛擬實驗室，操作儀器，進(jìn)行各種實驗，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和動手能力。在實踐中發(fā)現(xiàn)，相對于真實實驗，主要有四點優(yōu)勢。

（一）寓教于樂

虛擬實驗與傳統(tǒng)只能做單向知識傳遞的“視頻教學(xué)”模式完全不同，用動畫的形式，在仿真環(huán)境中進(jìn)行實際操作，實現(xiàn)人機雙向良性互動，激發(fā)起學(xué)生強烈的探究欲望。

（二）實驗安全

在虛擬實驗中教師不用擔(dān)心實驗安全，可以讓學(xué)生充分發(fā)揮自己的動手能力，在虛擬環(huán)境中盡情地探究，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）環(huán)境理想

虛擬實驗在虛擬的實驗環(huán)境下，不受時間和空間限制，不受溫度、溫度影響，沒有外部不良因素的干擾，讓學(xué)生實現(xiàn)幾乎和真實實驗一樣的體驗。

（四）效果直觀

傳統(tǒng)實驗很難全方位動態(tài)展示實驗效果以及內(nèi)部的邏輯關(guān)系，比如電路，無法展示電路中各元器件之間的動態(tài)邏輯關(guān)系。虛擬實驗形象地展示出電路中電流在電池、導(dǎo)線、開關(guān)、小燈泡中動態(tài)運動關(guān)系，效果逼真。

隨著科技的發(fā)展，虛擬實驗越來越接近真實實驗的效果，在小學(xué)科學(xué)探究中發(fā)揮著越來越大的作用。但是，虛擬實驗并不能完全替代真實實驗，畢竟，虛擬實驗與真實實驗還是有許多差別的，探究時的感覺是不同的，效果也不一樣。在平時的教學(xué)實踐中，需要鼓勵和提倡學(xué)生進(jìn)行實際的操作，虛擬實驗只能作為探究的一種輔助手段，而不能作為探究的全部，也就是做到能實不虛、虛實結(jié)合。

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