虛擬實驗
——實驗教學的新途徑

桑建輝

（余姚市馬渚鎮中心小學，浙江寧波 315450）

虛擬實驗
——實驗教學的新途徑

桑建輝

（余姚市馬渚鎮中心小學，浙江寧波 315450）

虛擬實驗是以計算機為基礎的虛擬現實技術的應用研究，建立在一個虛擬的實驗環境（仿真平臺）之上，虛擬實驗的逼真性和數據運算能力是傳統的計算機模擬實驗無法相比的，注重的是實驗操作交互性和實驗結果仿真性。文章分別就聲音教學、簡單電路教學、天文教學等方面作了教學案例講述，將虛擬實驗和傳統實驗相結合，能顯著提高學生科學探究能力，將對科學課的教學帶來深遠的影響。

虛擬實驗；計算機；科學課教學

實驗是人類探索自然的基本方法，也是科學教學的主要方法之一。但傳統科學實驗是建立在有充足材料基礎上的實驗，如果缺乏材料支撐，科學實驗就會無法正常開展。例如在六年級 “宇宙”單元的學習中，利用傳統實驗難以讓學生展開探究、點燃他們的求知欲望；在四年級“聲音”單元的學習中，傳統實驗可以讓學生感受到聲音的特征，但無法讓學生認識到聲音的本質特征是什么；在“電學”單元的學習中，學生脫離了實驗室就無法獲得充足的實驗材料，陷入無法開展實驗的尷尬等等。

虛擬實驗具有傳統實驗不具備的幾大優點：①仿真性，能實時展示實驗過程，提高應用現代技術的能力；②可控性，能精確控制實驗參數，科學分析數據；③開放性，縮小時空差距，讓實驗者可隨時開展研究。在實際教學中，虛擬實驗彌補了傳統實驗的不足，更有利于學生開展實驗探究，實現人人參與、人人發展、人人享受成功的教育價值。

一、以“宇宙”單元為例，看虛擬實驗在哪些教學內容中更“給力”

小學科學中，關于天文宇宙的教學一直是難點，這部分內容是讓學生在感知的基礎上，進行有關太陽系、星座、星系等模型的建構，形成對宇宙的初步認識，在頭腦中形成有一定解釋力的結構模型。開展過程中會遇到以下幾方面的困難：一是教學時間和實際觀察時間不一致，難以創設有效的探究情境，影響學生感知；二是客觀存在的觀察障礙，如天氣、燈光等對觀測帶來的不良影響；三是夜間集體觀察星空活動較難組織和開展。

有針對性的教學策略：虛擬天文軟件Stellarium可實時顯示當前星空，克服上述存在的困難，在學習中成為一大助力（http://www.zjxxkx.com/bbs/uploadfile/2008 -8/Stellarium.rar）。

Stellarium是一個專業天文虛擬共享實驗軟件，可以通過調整日期和時間，來看到不同季節的天空，屏幕上的星空效果和用肉眼觀察到的真實星空是完全一致的，適合小學科學地球、宇宙等單元的學習。通過調整時間和觀察地點，甚至還可以觀察到太陽系的運動、星座運動、月相變化、日食過程等等。例如實現科學六年級 “宇宙”單元對月相變化的觀察：在3D天空中找到月球，單擊選中，按“空格鍵”定位到屏幕中間，用鼠標滾輪將月球放大到合適大小，按快捷鍵“J”、“K”、“L”調整時間變化的速率即可觀察到月相的變化過程。又例如觀察日全食的發生，在軟件界面菜單中設定日食發生的時間，如2009年7月22日上午8點，將觀察的目標定位于太陽，即可看到日全食的發生過程：一個黑影（月球）慢慢靠近太陽，逐漸和太陽邊緣重合，這次日食從初虧到復原再到食甚歷時2個多小時，但在軟件中可以任意調整運行時間，將2個多小時的天文現象在短短的幾分鐘內演示完成，甚至還可虛擬出不同地點的偏食供學生探討研究。

反思：本虛擬實驗拉近了學生和星空之間的距離，突破了時空的限制，給學生一片完全 “真實”的星空，極大地激發了學生學習天文、了解天文的興趣，也為教師教學天文方面的內容提供了便利。據幾年來的實踐經驗，本虛擬實驗不但適合六年級“宇宙”單元每課的學習，也適合開展興趣小組活動。

筆者也根據多年實踐，設計和搜集了一批虛擬軟件，應用于物質科學、生命科學、地球和宇宙方面的教學，均取得了較好的效果。

二、以“聲音”單元為例，看虛擬實驗怎樣和傳統科學實驗相結合

我們先來看一個教學片段：兩個杯子，A杯盛放半杯水，B杯盛放小半杯，用一根小棒敲擊，判斷哪個杯子發出的聲音高、哪個發出的聲音低。學生多次實驗后，產生了矛盾的說法，有人說是A杯音高，有人說是B杯音高，甚至還有部分學生對自己的實驗結果產生了懷疑，一會兒說A杯音高，一會兒說B杯音高，因為此實驗完全依靠自己的聽覺器官判斷，產生了很大的異議，找不到充分的實驗證據，學生的爭論毫無結果，最終實驗草草收場。在浙江科學網中，也有多位教師多次提出，實驗中沒有明顯的音高區別，除非經過專業的聽音訓練才能辨別聲音的高低，也曾多次建議取消這個實驗。連教師都感到困惑，如何讓學生去判斷聲音的高低？在此時利用虛擬實驗則可以彌補常規實驗不足，輕松解決此類問題。教學策略如下：

虛擬實驗準備：一個電腦用麥克風、一臺電腦、一個聲音頻率軟件。（見www.zjxxkx.com/kejian/頻譜.rar）

實驗原理：通過麥克風采集聲音，在虛擬軟件中對音波進行分析，實時顯示聲音的頻率圖像，頻率（Hz）越高，音高越高。

實驗過程：教師用小棒敲擊杯壁，用麥克風采集聲音，在大屏幕顯示實時采集結果。A杯音高為 2105Hz，B 杯音高為 2312Hz，經多次實驗，分析實驗數據，采集誤差均在10Hz以內，證明 B杯比A杯音高。

表1

后續研究：教師提出課外制作一套樂器，告訴學生音高頻率，如表1所示，讓學生自己下載軟件，學習調試方法，在家用各種材料調試制作，均取得了理想的效果。

反思：在課堂教學常規實驗不能解決問題的時候，巧妙利用虛擬軟件測量聲音頻率，順利解決了音高判斷問題，通過直觀的測試數據和圖像對音高進行了本質上的探索。此項實驗還提高了學生的研究興趣和應用現代科學技術解決實際問題的能力，由于計算機在家庭中的普及，不少學生成功制作了個性樂器，學生的探究意識得到了發揮，讓探究延伸到了課外，讓學生更樂于去實踐。由于此虛擬實驗還帶有噪音強度測試功能，不少學生還對周圍環境進行了噪音測試，更為降低環境噪音、保護自己身體起到了積極作用。

三、以“電學”單元為例，看課外如何利用虛擬實驗進行科學探究

根據教材安排，四年級學生進入“電學”單元的學習，在課外探究中，存在以下問題：一是材料來源，無實驗室燈座、電池座兒等專用實驗設備，市場上也無相應元件出售，一切自己動手制作，顯得難度頗大。二是無人指導，實驗過程極易出錯，也存在短路、發熱、電池爆裂等隱患。

教學策略：虛擬實驗“電路”很好地解決了這個難題。（www.zjxxkx.com/dian.rar）筆者設計的電路功能實驗中，包含6個燈座及燈泡、4個單刀開關、2個雙刀開關、4個1.5V電源、1個6V電源，足以開展 “電學”單元中所有實驗，虛擬電路實驗采用積木式搭建，方便學生操作。例1，簡單電路連接實驗。用鼠標拖出一個電池，一個燈座，用鼠標單擊電池上的正負極即可引出連接導線到燈座上，若小燈泡發光，電路連接正常，若發生短路，電路則自動提示。例2，并聯、串聯電路設計。利用其中的兩個燈座、兩個電池即可實現電路的串、并聯設計。當然，如果電壓超過了小燈泡耐壓值，小燈泡和現實情況一樣，會被立即燒毀，無法再使用。

反思：電學在小學科學中有整整一個單元，學生在學習了簡單電路的相關知識后，往往會對電路產生濃厚的興趣。在本虛擬實驗中，學生有機會在課外親自 “動手操作”，可以任意發揮自己的想象，構建不同的電路，還能檢測設計的電路圖是否準確，檢查設計中的電路故障等。虛擬“電路材料”充足，不怕損壞，操作方便，為學生的繼續探究打下了扎實的研究基礎，探究主動性得到充分發揮。

綜上所述，應用虛擬實驗能彌補傳統實驗之不足，更有利于學生開展科學探究。未來是虛擬實驗技術更加成熟的時代，虛擬實驗的應用將進一步拓展其廣度和深度，我們應當密切關注虛擬實驗技術的發展，在教學中不斷嘗試和改進，讓虛擬實驗更好地為教學服務。

（編輯：王天鵬）

G623.6

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1673-8454（2012）06-0046-03