“互联网+”背景下的《光的反射》虚拟实验

〔摘 要〕 随着信息技术与教育的深度融合，虚拟实验以其沉浸性、交互性和可重复性等特性，为小学科学教学带来创新性的教学手段。本研究以小学科学课程中《光的反射》一课为例，探讨了虚拟实验在提升学生科学认知、激发学习兴趣、优化教学过程和培养科学素养方面的应用价值与实践策略。本文通过文献分析、教学设计、教学实践与效果评估，揭示了虚拟实验在小学科学教学中的有效应用模式及显著教学效果。

〔关键词〕 小学科学；虚拟实验；《光的反射》；科学素养；教学设计

〔中图分类号〕 G424 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674-6317 （2024） 24 004-006

随着科技的飞速发展，互联网技术已经渗透到我们生活的方方面面，特别是在教育领域，带来了前所未有的变革。小学科学教育作为培养学生科学素养和创新精神的基础，如何借助互联网技术，特别是虚拟实验技术，来提高教学效果，成为当前教育领域研究的热点问题。本文以《光的反射》一课为例，深入探讨了虚拟实验在小学科学教学中的应用价值和实践策略。

一、虚拟实验在小学科学教学中的应用价值

虚拟实验是一种基于计算机技术的模拟实验。它能够在虚拟环境中模拟真实实验过程，为学生提供一种沉浸式的学习体验。在小学科学教学中，虚拟实验的应用具有以下几个方面的价值。

提升学生科学认知。虚拟实验可以通过模拟真实的实验过程，让学生更加直观地理解科学现象和原理，提升他们的科学认知能力。

激发学习兴趣。虚拟实验具有交互性和趣味性，能够吸引学生的注意力，激发他们的学习兴趣，使他们更加主动地参与到科学学习中来。

优化教学过程。虚拟实验可以随时随地进行，不受时间和空间的限制。这为小学科学教学提供了更加灵活和多样的教学方式，有助于优化教学过程。

培养科学素养。通过虚拟实验，学生可以更加深入地了解科学实验的过程和方法，培养科学素养和实验能力。

二、《光的反射》的虚拟实验教学实践

本研究以《光的反射》一课为例，设计了基于虚拟实验的教学方案，并进行了教学实践。在教学过程中，我们利用虚拟实验平台，模拟了光的反射实验过程，让学生在虚拟环境中进行实验操作，观察光的反射现象，并通过数据分析来理解光的反射规律，实践案例如下。

（一）分析学情，确立教学生长的起点

《光的反射》一课所属的科学核心概念是“物质的运动与相互作用”。具体学习内容是：光遇到物体时，会发生反射现象，光的传播方向会发生改变。本课是学生在学习了光源、光的直线传播基础上，进一步探究光的反射现象，为后续学习光的反射规律等知识做铺垫，起到承上启下的作用。

本课的教学对象是五年级学生，调查数据表明：93%以上的学生在课前都玩过镜子，对镜子能反光有一定的了解，但大约75%以上的学生认为白纸等表面粗糙的物体是不可以反光的，一半以上学生不了解潜望镜的组成及其工作原理。

2017年版苏教版科学教材设计了三个活动：通过阳光打靶活动感受光的反射现象；通过对比观察图片，归纳反光效果好的物体表面特点；通过玩镜子，制作潜望镜等活动，了解潜望镜的工作原理及光的反射在生活中的应用。在实际教学中，采用教材实验设计教学存在几个不足：阳光打靶活动需要晴朗的天气及阴暗分明的场地，如遇上阴天实验则无法展开；光的传播路线不可见，光的反射过程不够形象直观；通过图片对比观察得出反射效果好的物体表面特点，学生缺少实验探究过程；通过演示方式讲解潜望镜的工作原理，难以实现理解潜望镜的工作原理这一教学目标。综上所述，采用教材实验开展教学，实验条件及场地受限，学生探究时间少，缺乏自主思考，弱化了科学素养的培养。基于以上教材解读和学情分析，依据2022年版科学课程新课标的素养要求，笔者制订了以下教学目标和教学重难点：理解光的反射概念；知道大部分物体能够反射光线，表面越光滑，颜色越浅，其反射光线的能力越强；学习典型归纳法的使用，发展推断科学认识的能力；学习演绎法的应用，发展解释和预测能力；能够猜测并探究影响物体反射光线的能力的因素；学会收集和整理数据，分析归纳实验结论；保持对光的反射及其相关现象探索的积极性，并能够与同伴协调合作，积极参与讨论交流。将建立光的反射的科学概念、知道几乎所有物体都能反射光作为本课教学重点；理解表面粗糙的物体也会发生光的反射现象、理解潜望镜的工作原理为本课的教学难点。

本课需要准备的教师材料有：激光笔、强光手电筒、画架、大标靶、光学实验盒、课件。学生分组材料为：学习任务单、小镜子、激光笔、手电筒、靶心、创新学具、央馆虚拟实验平台。所采取的教学方法主要是：依托分组实验盒，引导学生通过合作，对光的反射进行自主探究的合作探究法；借助水雾、烟雾等方式，显示光的传播路线，启发学生学会用借助法获取实验证据，培养实事求是的科学态度的实验观察法。在实验方法设计上体现了2022年版新课标所倡导的“面向全体学生，立足素养发展”的教学理念。

（二）精心设计教学活动，达到实验教学目标

结合对教材实验的分析，笔者将教材上的阳光打靶实验换成以激发学生兴趣为出发点、学生喜闻乐见的激光打靶游戏，引导学生学习科学方法、培育创新思维。本课预设的教学过程由四个环节组成，这四个环节都是紧紧围绕“深化概念理解，优化探究过程，发展科学核心素养”设计的。

环节一：聚焦问题，感受光的反射现象，构建光的反射概念。

播放电视剧《爱的厘米》中男主沙漠遇险的视频片段，提问：视频中的主人公用什么物品进行自救？为什么会用到这个物品？从而聚焦问题，揭示光的反射课题。如果我们在户外郊游时遇到类似的紧急情况，我们也可以采用同样的方法来求救。如果用激光笔模拟太阳，用靶心模拟救援的队员，你能将激光笔的光射中靶心吗？画一画在这一过程中光是如何传播的。学生完成后，借助水雾再现光的传播路线。

教师提问：还是用上述实验方法，如果将激光笔换成手电筒，还能射中靶心吗？这两次打靶过程有什么相同和不同之处？学生通过比较，归纳总结出光的反射概念。

【设计意图】通过真实的生活情境来导入新课，设计适宜学生探究的科学问题，极大地激发了学生学习科学的兴趣，并将生命安全与健康这一重要的主题教育有机地融入科学课题的学习。在光的反射科学概念教学上，本文采用了逻辑思维方法中的科学归纳法，即从一条光到一束光的行为推广到无数光的行为，从而建立普遍结论。

环节二：科学实践，借助身边其他材料，探究反射效果规律。

引导学生继续思考：如果在户外郊游时，没有携带平面镜，我们可以利用身边的哪些物体反射光呢？引领学生思考：其他物体是否也能像镜子一样反射光？学生利用身边的材料，如科学书本、文具袋、作业纸、不锈钢、塑料板、蜡光纸等物体替换镜子，发现这些物体都能反射光，能射中靶心。小组讨论交流：激光笔照在白纸上与照在平面镜上有什么相同和不同之处？为什么会出现这样的不同？教师结合交流内容，得出结论：几乎所有的物体都能反射光，表面越光滑的物体，反射效果越好。

【设计理念】学生利用教师提供的手电筒、激光笔和靶心，自主设计实验方案，对实验结果进行排序。在对比、分析和归纳的思维活动中，学生发现：几乎每种物体都会发射光，而且越光滑的表面，反射效果越好。学生通过交流讨论，逐步完善了对光的反射的认识，深化了对光的反射概念的理解，体现了新课标所倡导的注重科学核心素养发展的理念，真正实现了学生科学核心素养的有效发展。

环节三：巧用实验盒，探秘潜望镜。

将靶心放置到Z型实验盒出口位置，学生通过小组合作讨论发现，要射中靶心需要借助两面平面镜，当两面镜子与实验盒都成45度角时，容易打到靶心。探究后，借助水雾，学生很容易画出光路图，不仅成功射中靶心，而且在第一面镜子中能看到靶心，体现光路可逆。紧接着提问学生：能否利用光的反射知识制作一个可以隔墙观物或者在水下可以看到水面上物体的观察工具？引导学生发现将实验盒竖着立起来，就可以变身成为一个简易的潜望镜，借助水雾再现潜望镜的工作原理。教师讲解：利用平面镜还能产生更多奇妙的变化。出示深渊隧道灯、万花筒等光学玩具，拓展学生的思维，并启发学生：课后还可以继续利用光的反射知识，收集和制造更多的光学产品。最后，将本课的作业设计为：画一画潜望镜中光的传播路线，巩固光的反射知识的同时，初步体会建立光路模型的乐趣；利用家中废弃材料动手操作制作潜望镜，学以致用，发展学生创新思维。

【设计意图】本文将书本上先讲解潜望镜的工作原理再制作潜望镜的过程，换成借助光学实验盒的打靶闯关游戏。通过分步骤、搭支架的方式，让学生在不知不觉中，理解了潜望镜的工作原理，真正实现学生科学核心素养的有效发展。

环节四：借助央馆虚拟实验平台，深化科学概念理解。

学生在教师指导下登录央馆虚拟实验平台，进入“光的反射”实验模块。学生依次进行如下操作。

观察演示实验：观看系统预设的光的反射演示，初步了解光的反射现象。

动手操作实验：调整光源位置，改变入射角，观察并记录反射光的路径及反射角的变化。

探究性实验：尝试不同介质（如镜面、粗糙表面）的反射现象，探究反射效果的差异。

三、总结反思，探讨虚拟实验探究教学成效

通过学生的问卷调查发现：利用创新学具光的反射实验装置，采用探究发现教学法，利用虚拟实验平台进行探究活动，学生对本课的学习兴趣及实验的兴趣远高于按照教材实验设计教学。本实验教学达到预期效果，学生掌握了正确的科学概念。学生经历激光打靶的游戏过程，本质上是基于证据的科学探究，是“实证法”的学习，这种学习是指向科学本质的。

【本文系福州市教育科学研究“十四五”规划2023年立项课题“互联网+背景下虚拟实验在小学科学教学中的应用研究”的成果，课题编号：FZ2023ZX062】

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]胡卫平.在探究实践中培育科学素养：义务教育科学课程标准（2022年版）解读[J].基础教育课程，2022（10）：7.