虚拟实验在探究性学习中的实践研究

吴国华

《小学科学课程标准》指出：科学探究式学习是学生学习科学的重要方式。探究式学习是指在教师的指导、组织和支持下，让学生主动参与、动手动脑、积极体验，经历科学探究的过程，以获取科学知识、领悟科学思想、学习科学方法为目的的学习方式。

一、现实因素制约着学生开展探究性学习

学生进行探究式学习的一个重要方式是实验，而在平常的科学教学过程中，常常会遇到各种因素而影响学生开展实验探究。

（一）学校资金短缺

目前，小学普遍存在着实验经费不足、设施设备老化、实验资源匮乏的问题，特别是农村小学，现象尤其突出。

（二）教师精力有限

在实验过程中，教师最为担心的问题是实验的安全问题。班级中过多的学生导致教师不能对学生的实验操作进行一一指导，或许一个小小的疏忽会造成实验器材的损坏甚至发生实验事故，造成严重的后果。为了避免实验安全事故，教师往往只会让学生观察演示实验或视频，或用讲解的方式替代实验，让学生失去探究的机会。

（三）学生能力不足

小学生无论是科学知识，还是动手能力，相对来说都比较薄弱。对于一些较为复杂、需要经过积极思维的实验，学生常常无从下手，有时为了应付教师的任务而漫无目标地实验，往往一节课下来，学生探究看似热火朝天，其实什么也没体验到，什么知识也没学到，造成实验效率低下。

（四）教材内容不易探究

科学课程的内容涵盖物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四大领域。科学课程中探究生命科学方面的内容如《骨骼》《肌肉》《大脑》《神经》《它们是怎样繁殖后代的》等，学校实验室原有的软硬件设施已经跟不上课程发展的需要。而提高学生的科学素养，培养科学态度，必须要让他们经历探究过程。

二、虚拟实验成为学生新的探究方式

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》明确指出：信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。要充分利用先进技术，构建先进、高效、实用的虚拟实验室。要提高教师应用信息技术水平，鼓励学生利用信息手段主动学习、自主学习，增强运用信息技术分析解决问题能力，提高教学效果。

《小学科学课程标准》同时指出：以计算机、网络为基础的现代教学媒体及技术正成为科学课堂上师生重要的认知工具，不仅可以为科学知识的学习服务，也可以为科学探究的学习服务。

随着越来越多的技术被引入到课堂中，虚拟科学实验正在成为学生积极探究的方式。

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。

目前，国内外已经出现了数量众多的支持学生开展虚拟实验的网站和系统软件，为学生利用数字化资源进行虚拟实验探究提供了技术保障。

（一）NOBOOK虚拟仿真实验软件

NOBOOK虚拟仿真实验支持多终端跨平台访问。不仅支持教师任意组装实验、不用受实验步骤的限制，而且所有实验操作均可呈现准确的实验数据以及逼真的实验现象，是一款不可多得的真正完全具备探索性的虚拟实验软件。

（二）Frog Dissection，利用此系统青蛙解剖可以虚拟完成

系统中有丰富的资源、详细的说明和操作流程，方便学生开展相关实验。在具体实验过程中，学生可以充分按照探究的任务，发挥自己的兴趣爱好和特长进行自由设计，独特的实验思路和实验方法，极大地激发学生的学习热情，为学生提供广阔的自由发展空间，促进学生全面发展。

（三）PhET

这一程序由诺贝尔奖获得者卡尔·威曼于2002年创立，PhET互动仿真程序计划由科罗拉多大学的团队专项运营，旨在创建免费的数学和科学互动程序。PhET 是基于拓展型教育的相关研究并且激励学生在直观的、游戏化的环境中进行探索和发现。

三、虚拟实验在学生科学探究中的运用

如果进行适当的准备和恰当的设计，虚拟科学实验可以令人难以置信地支持学生的科学探究活动，协助学生完成探究任务，降低实验操作成本，提高实验效率，增加学生对探究的兴趣，促进学生思维的发展。

（一）实验准备

进行虚拟实验，首先要选择有一个虚拟平台，并且保证平台能正常运行。由于实验的主体是小学生，所以平台的操作必须简单方便。实验前，老师要对学生进行必要的培训，以便学生掌握虚拟实验平台的使用方法，如怎样登录平台，如何在虚拟环境下进行探究。老师还要对学生进行实验纪律教育，培养学生良好的实验习惯，形成专注的探究态度。

（二）虚拟实验探究

苏教版五年级科学上册《简单电路》一课，在创设圣诞树上的小灯泡是怎么亮起来的情境后，引发学生回忆生活经验。根据以往经验，学生大多知道需要导线、电池、小灯泡等材料，但他们对这些物体是怎样组装的、为什么亮起来并不十分清楚。此时，如果提供材料给学生探究，有些学生会成功地将材料连接成电路，但也有些学生会因为连接方法错误而导致短路，引发电池发烫、导线发热冒烟，甚至发生电池爆炸和火灾。

解决这一问题的方法可以是：引导学生借助PhET平台，进入电路组建程序进行虚拟实验，当学生掌握电路的连接方法之后再进行动手实际操作。

学生在虚拟实验过程中，可以采用拖、拉的方式，在工具栏中方便地选择导线、电池、小灯泡，并可任意移動位置、将导线拉长、组合。在虚拟实验后，学生基本掌握了正确的电路连接方法，在实际操作过程中减少了短路发生。

在掌握了电路连接方法后，开展拓展活动，让学生将多个小灯泡接入电路，以此来增强学生对电路的认识。学生在真实实验中，会面临导线、小灯泡、开关任何一个部位的松动或生锈而实验失败的现象，而学生始终弄不明白到底是连接方法不对还是器材的原因。此时，先让学生通过虚拟实验，掌握电路连接的方法，再动手实验，培养学生动手能力和深入探究的能力，让学生体会到成功的快乐。

四、虚拟实验在教学实践中的优势

虚拟实验能够突破传统实验对“时、空”的限制，学生可以自由地上网进入虚拟实验室，操作仪器，进行各种实验，培养学生的观察能力和动手能力。在实践中发现，相对于真实实验，主要有四点优势。

（一）寓教于乐

虚拟实验与传统只能做单向知识传递的“视频教学”模式完全不同，用动画的形式，在仿真环境中进行实际操作，实现人机双向良性互动，激发起学生强烈的探究欲望。

（二）实验安全

在虚拟实验中教师不用担心实验安全，可以让学生充分发挥自己的动手能力，在虚拟环境中尽情地探究，提高了学生的学习兴趣。

（三）环境理想

虚拟实验在虚拟的实验环境下，不受时间和空间限制，不受温度、温度影响，没有外部不良因素的干扰，让学生实现几乎和真实实验一样的体验。

（四）效果直观

传统实验很难全方位动态展示实验效果以及内部的逻辑关系，比如电路，无法展示电路中各元器件之间的动态逻辑关系。虚拟实验形象地展示出电路中电流在电池、导线、开关、小灯泡中动态运动关系，效果逼真。

随着科技的发展，虚拟实验越来越接近真实实验的效果，在小学科学探究中发挥着越来越大的作用。但是，虚拟实验并不能完全替代真实实验，毕竟，虚拟实验与真实实验还是有许多差别的，探究时的感觉是不同的，效果也不一样。在平时的教学实践中，需要鼓励和提倡学生进行实际的操作，虚拟实验只能作为探究的一种辅助手段，而不能作为探究的全部，也就是做到能实不虚、虚实结合。

参考文献：

[1]《义务教育小学科学课程标准》，北京：北京师范大学出版社，2017.3.

[2]吴向东，《数字时代的科学教育》，广州：华南理工大学出版社，2012.8.

[3]况扬，汪欣.虚拟现实技术在教育教学中的应用[J]实验室研究与探索2018.36（4）：90-93.

[4]刘畅，柯健.虚拟仿真实验平台下探究式学习的设计与实践[J].中国电化教育，2019（10）：42-44.