虛擬實驗在小學科學課程中的應用

摘要：1989年，美國弗吉尼亞大學的威廉沃爾夫教授第一次提出虛擬實驗室的概念。他給大家帶來了一個利用計算機網絡呈現出來的虛擬實驗環境。在這個虛擬世界里學生可以非常有效地利用世界各地的各種信息、數據等自由地做著各種各樣的實驗。當今虛擬實驗技術飛速發展，利用虛擬實驗技術進行實驗教學也越來越普遍。

關鍵詞：虛擬實驗；小學科學；課程

一、 什么是虛擬實驗

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實（又稱VR）等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境。學生可以像在真實的環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于在真實環境中所取得的效果。

二、 虛擬實驗的特點

虛擬實驗的四大特點。

1. 虛擬實驗突破了空間的約束

虛擬實驗不局限于現有空間，它可以讓學生進入宏觀與微觀的世界，突破了所謂的常規空間的約束。比如模擬月球登陸實驗，學生可以利用鍵盤和鼠標，控制登月飛行器的降落和起飛，挑戰不同地點的安全著陸，學生可以感受到月球上引力和重力的大小。學生仿佛身臨其境一般。

2. 虛擬實驗超越了時間的限制

虛擬實驗可以突破常規的時間限制，在極短的時間內，向學生呈現幾百年甚至幾千年的實驗現象。比如巖石的風化是一個漫長的過程。通過虛擬實驗可以清楚地了解溫度、流水、動植物對巖石的影響。而課堂上的實驗由于時間限制效果并不明顯。

3. 高安全性，降低實驗風險

虛擬實驗可以降低實驗風險避免傳統實驗中發生的觸電、起火、爆炸等危險現象，特別是中學和高校里的化學實驗，具有一定的危險性。虛擬實驗可以提高實驗的安全性，減小實驗中對學生造成的不確定傷害。

4. 隨時隨地使用

虛擬實驗可以滿足學生在課堂或課下隨時隨地使用的需求，不受傳統實驗時間與場地的限制。只要有一臺電腦和相關的軟件程序，我們就可以開展實驗。

三、 虛擬實驗在教學中的應用

虛擬實驗一般在中學及高等院校運用比較普遍，對于小學科學課程中所涉及的實驗我們能不能也借助高科技手段呢？下面我來談談虛擬實驗在小學科學課程中的應用。

我認為虛擬實驗在教學中有如下幾個方面的應用：

1. 虛擬實驗為現代化教學終端提供互動教學軟件

隨著現代化教學均衡發展，學校教學設施得到了明顯的改善，我們要合理發揮教學設備的優勢，優化課堂教學。虛擬實驗軟件強大的交互性，大大提高了這些教學設備的使用效率。虛擬實驗軟件創建了一個讓學生自主進行實驗的環境，在這個環境里學生可以實時觀察實驗現象并得出實驗結論。

比如四下電單元第五課《導體與絕緣體》。學生可以在器材中任意選擇物體放在“電路檢測器”中，當燈泡亮時，學生就可以知道這種物體可以使電流通過，是導體；當燈泡不亮時，學生就可以知道這種物體不可以使電流通過，是絕緣體。

2. 虛擬實驗可以彌補因實驗器材不足、儀器貴重或易損，造成許多實驗無法開展的問題。

學校很難有條件或提供充足的時間讓學生對貴重儀器進行操作學習。在虛擬技術的支持下，虛擬實驗室與真正的實驗室可以相互媲美，我們可以讓虛擬儀器與實際儀器功能相同，操作方法一樣，實驗者在虛擬實驗室里做實驗、訓練操作技能和獲取知識，與在現實實驗室里同樣方便。虛擬實驗擺脫條件和時間的束縛。

在學習六年級《宇宙》這一單元中，我們很難讓學生觀察宇宙中的各個天體。我們可以通過Stellarium軟件來模擬宇宙這樣一個大環境。Stellarium是一款模擬星空軟件，它可以根據觀測者所處的時間和地點，計算天空中太陽、月球、行星和恒星的位置，并將其顯示出來。它還可以繪制星座，模擬流星雨、日食和月食，運用了這個軟件相當于在計算機中建造了一個天文館。學生的興趣高了，教師也輕松了。

3. 虛擬實驗可以有效激發學生實驗操作的興趣，將抽象的概念形象化、具體化。

例如我們小學科學種子萌發實驗。教師可以引導學生選擇不同的種子、改變水的多少、溫度的高低以及光照強度等，在很短的時間內就可以看到幾天后種子發芽的情況。我們還可以把這幾天種子發芽的信息收集起來，不斷改變對比實驗的相關條件，將每次實驗收集的信息進行對比分析，就能找出種子萌發和水、溫度、光照的關系。

4. 虛擬實驗可以有效解決教師無法解決的實驗問題。

例如在四下第二單元《新的生命》中，對于辨別各種各樣的植物，是一個讓很多教師感到非常頭疼的問題。有的植物長得非常相像，有的植物有很多種學名。在常規教學中我們可以借助于圖卡或者圖片來讓學生辨別，這樣的教學不夠準確。我們可以通過建立植物特征庫解決學生常見的植物識別問題。根據學生學習過程，學生可以從觀察植物的根、莖、葉、花、果實的特點開始，在特征庫中尋找植物的相關特征，最終查詢到植物名稱及其他更多的植物特征。

在四上《聲音》單元中，關于音高音量的問題經常會產生分歧。利用虛擬實驗，我們可以利用麥克風、聲音傳感器、一臺電腦、一個聲音頻率軟件，通過麥克風采集聲音，在軟件中對音波進行分析，實時顯示聲音的頻率圖像，頻率越高，音高越高。用數據說話，準確可靠。

四、 虛擬實驗的弊端

每一個新型事物都有它的兩面性，虛擬實驗也不例外。

1. 虛擬實驗無法替代動手實驗。

虛擬實驗雖然有諸多優點，但是不可否認，學生動手實驗才能獲得最真實的感受，虛擬實驗再精彩也代替不了動手實驗；

2. 虛擬實驗不能有效培養學生實際動手操作技能與實踐能力。

虛擬實驗只是通過鼠標和鍵盤等手段進行實驗，學生的操作技能無法得到提高，測力計、溫度計、顯微鏡等儀器的使用，只有在實際操作中才能掌握。

所以我們教師不能完全用虛擬實驗代替真實實驗，能用傳統實驗解決的、課外容易得到探究材料的我們一般不選擇虛擬實驗，在實際教學中，二者應靈活運用，相輔相成，優勢互補，共同為科學實驗添光加彩。

作者簡介：章漪雯，江蘇省太倉市，太倉市港口開發區第一小學。endprint