力促虚实结合 完善科学实验

李冬

随着社会的发展和科技的进步，信息技术在教育教学中的应用越来越广泛;随着教育现代化进程的不断推进，信息技术开发与利用已势在必行。《基础教育课程改革纲要（试行）》中明确提出：“要大力推进信息技术在教学中的普遍应用，促进信息技术与学科课程整合，逐步实现教学内容呈现方式、学生学习方式、教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育環境和有力的学习工具。”近年来，信息技术在小学自然教学中的应用越来越广泛，它慢慢渗入到教学中，成为自然教学中不可或缺的教学工具、教学资源。虚拟实验就是利用信息技术的科学算法和大数据为技术实现的新兴实验手段，是“互联网+教育”的重要应用成果。虚拟实验服务于课堂教学，能为学校的小学自然实验教学提供新的选择，也是教育信息化服务于课堂教学的重要应用。

一、小学自然实验教学实施的困扰与缺憾

近年来，为了提升小学自然学科的实验教学工作，小学自然实验课在实验器材的设置、任课教师的配备等方面已经有了很大程度的改变，但是传统小学自然学科实验教学方式仍存在一些不足。

1.备课环节准备不足，影响课堂教学的效果

小学自然作为一门综合性的科学学科，需要大量的实验操作辅助教学。因需要教师在课前花费更多时间和精力，导致部分教师积极性降低，使得实验教学变成了纸上谈兵。

2.实验场地及器材的使用安排受限，打乱实验教学

实验教学尤其是学生分组实验需要专门的实验室，而现阶段学生的实验教学时间相对集中，给学校实验器材和实验室的安排带来了一定压力，表现为很多实验教学流于表面，该进行群体实验的活动变成了教师演示实验。

3.实验时长与教学效果之间不协调，降低实验教学的客观性

由于小学自然课一节课只有35分钟，一些实验受时间限制往往很难产生显著的效果，导致实验的结论显示不明显，使实验教学的客观性大受影响。

二、虚拟实验在教学中的案例

“短路”是四年级第一学期小学自然牛津版教材的教学内容，也是“家庭用电”单元的重要一课，但由于短路对电源和电池的损耗极大，短路现象发生时也会产生一定的安全隐患，出于安全等方面的考虑，很少会开展实物实验连接和问题分析。下面将以短路情况的连接和问题分析为例，来阐述如何在小学自然课堂上实现模拟实验教学。

1.软硬件准备环节

实验室需要有最基本的教学电脑，然后进入NOBOOK官方网站，先免费注册，然后按照网站提示下载安装NB物理实验软件。

2.教学内容相关环境准备

打开软件后，主界面有一些预设的实验环境，选择简单电路并进入实验环境页面。在这个模拟环境中，简单电路的待选元件里已经包含了标准灯泡、电池组、开关、导线等多种实验中需要的实验器材。

3.实验教学的进行

（1）学习使用标准灯牌、电池组等连接简单电路，复习旧知导入教学，按步骤操作。操作过程和操作真实器材很类似，只需要点选“合上开关”，就能通过灯泡是否发光来判断电路连接是否正确。（如图1）

（2）提出短路设想——如果在简单电路中，电流不流经用电器，而是直接连接电源两极，会发生什么现象呢？可以从旁边的待选元件中再选择一根导线，将电池组正负极直接进行连线练习，连接完毕后打开开关观察发生的现象。（如图2）

（3）家庭电路短路模拟。可以点选一个开关，把火线和零线接入开关内，打开开关能清楚地看到，短路使保险丝熔断。此外，还能进行保险丝的更换和参数修改操作。

（如图3、图4）

（4）探究。通过短路实验，学生发现当电流过大，可以看到保险丝烧黑熔断的过程，并听到熔断的声音，这就为下一节课继续探究保险丝的作用埋下了伏笔。

4.实验素材的保存和再用

实验时的场景可以及时保存，下次使用时可以直接调用。

实验完成后只需要关闭软件，关闭电脑，对器材几乎没有任何损耗，学生可以亲自去尝试和观察。可见，虚拟实验教学可以真实模拟现实生活中的现象，学生学习知识点也能印象更加深刻。

三、虚拟实验在小学自然实验教学中的作用

教育部《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》指出，虚拟仿真实验教学项目可以推进现代信息技术融入实验教学，拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学时间和空间，提升实验教学质量和水平。在实践中，笔者感到至少有以下几点功用。

1.突破限制，打破时空局限

虚拟现实技术的思路是力求人在解决问题的过程中有身临其境之感。正是基于这样的考虑，在自然教学中采用虚拟现实技术所创设的虚拟学习环境，突破了时空界限，将古今中外、天南海北数千万的事物和现象压缩在“此时此地”。创设虚拟学习环境可以有效冲破空间限制，让学生身临其境，获得逼真的视听体验。

2.强调灵活，促进自主探究

在虚拟实验操作环境中，教师和学生可以分别通过教师端和学生端的程序使每个实验器材“活”起来。学生可以自由摆放、任意组装、灵活变更，将实验过程化整为零，或让实验停留在某一步骤上进行反复“操作”，极大地增强了实验的灵活性，激发学生的创造性，将学生置于一种快乐的学习情境之中，从而在探究、趣味、多样、科学和安全等多维度融合的实验教学中，建立起“尝试—思考—调整—再尝试—得出结论”的实验教学模式，通过模式的运用启迪学生的思维。

3.立足仿真，提升科学素养

科学实验是小学自然教学中的重要内容，常见的酒精灯的使用、电路的短路、温度计的使用等，都可以通过仿真实验程序让学生在逼真的实验空间内反复操作、观察和多次采集数据。操作过程中也会有真实实验中所生成的各种误差和可能出现的各种故障，这有利于学生以一个研究者的姿态去面对现实问题，然后试着在虚拟仿真实验中找出设计的缺陷、事故的成因，去思考解决问题的办法，获得一定的经验，然后再应用到现实学习中去，对培养学生严谨的科学态度和正确的科学价值观都是有帮助的。

四、虚拟实验在实验教学中使用的原则

1.真实性原则：以实为主，虚实结合

NB虚拟实验的最大优点在于对“经典实验”的理想化处理。虚拟实验虽然可以通过采取理想化处理的手段使被观察对象“完美出现”，给了学生反复进行观察研究的机会，但也因过于“完美”使得学生缺乏直观认知。过于依赖这种“完美”的实验，会妨碍学生正确理解科学方法;长期不经选择地使用虚拟实验开展实验教学也会弱化学生的实验安全意识，其结果就会违背教学实践性的规律，造成教育安全隐患。所以，在实际应用虚拟实验教学时必须注意真实和虚拟一定要相互补充，凡是“经典实验”中能够体现效果的，必须优先考虑真实实验，绝不能因为有了虚拟实验而摈弃真实的实验操作，虚拟实验应该作为真实实验的重要补充和便捷途径而展开。

2.恰当性原则：择机使用，把握适当

学习科学是一种能动的过程，是要学生亲自动手做而不是要别人做给他们看的事情。虽然虚拟实验程序的出现为小学生学习自然科学提供了极富动态感的实验操作平台，增强了学生实验的乐趣，但也绝不能盲目使用，使用的时机非常重要。比如：在使用的时间上需要适时，虚拟实验程序更可用于课前预习和课后复习;同样，在不同的实验内容上我们也需做适当调整，有些贴近学生生活的自然科学实验更能激发学生的探究意识。教师还需扎实地做好实验准备，选用合理适当的教学方式，将现代化的教学手段与传统教学有效结合，提高教学质量和教学效果。

总之，小学自然教学离不开实验教学的启发和帮助，虚拟实验教学程序的出现能解决一些传统实验教学中无法解决的教学问题。此外，在初高中物理、化学、生命科学等诸多学科中也逐步出现了虚拟实验的运用。虚拟实验推动了教育的重心从说教转向创造性探究，学生在使用虚拟实验的过程中充分实现虚拟化平等参与的效果，展现了教育信息化2.0阶段的发展活力。当然，如何合理使用虚拟实验还是个有待深入探讨的问题。在使用现代化信息技术的同时，一定要把握好实验教学过程和方法的适切性，不能一味“为用而用”，而应根据实验类型、功能和特点找准切入点，把握“真实”和“适当”，只有这样，才能真正达到技术为教学服务的最终目的。