拓寬科學探究活動的深度和廣度

陳玉寶 沈國酰

在科學課堂教學中，借助現有成熟的數字虛擬仿真技術助力傳統真實實驗教學，可以有效拓寬科學探究活動的深度和廣度，提高學生科學探究的能力和科學素養，促進學生科學思維的發展。

一、傳統真實實驗之“弊”

科學實驗是科學探究的主要過程，對于發展小學生的科學素養有重要的意義。但目前小學科學部分實驗教學存有諸多難題。

1.無法感知實驗現象或實驗準備上有難度、實驗過程較長、實驗數據不明顯，或危險系數大根本無法實物呈現;

2.受地理環境和條件的限制難以完成。如雨和霜的形成、霜和雪的關系和地層形成、卵石的形成、溫度對巖石的破壞的作用等;

3.在實驗室演示時不易成功或操作容易錯誤，或現象不明顯，影響教學效果;

4.實驗視場窄小，可見度低，影響學生的觀察;

5.實驗難度較高、低趣性味，實驗表面熱鬧實則機械的動手操作，失去培養學生科學探究能力的作用。

二、虛擬仿真實驗之“利”

虛擬仿真實驗借助于現代數字多媒體、仿真和虛擬現實（VR或AR）等技術在計算機及網絡上營造可輔助、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。實驗者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。

數字化環境下虛擬仿真實驗在小學科學實驗課堂中的應用，其優點是測量精度高、及時采樣收集實驗數據、時空被擴大、智能交互、研究不受外來條件的影響和限制、可錄制和重現實驗過程、圖文并茂、動畫豐富，彌補了傳統教學方式直觀性、立體感和動態感不足的現狀。

三、權衡利弊——真實或虛擬實驗的合理取舍

1.是否更有助于提升學生的科學素養。

真實實驗有其天然的優勢，科學教育中倡導親身經歷的探究活動。但虛擬實驗教學使傳統的實驗儀器擴展了新的功能，為基本的科學實驗賦予了新的內容，突出了現代化測試手段和方法的應用，激發了學生的學習興趣，拓寬了學生視野，增強了其適應科技發展的能力，更有助于提高學生的科學素養。

2.是否與科學探究活動密切相關。

雖然虛擬仿真實驗具有傳統實驗不具備的幾大優點——仿真性、可控性、開放性、游戲趣味性等特點，能有效地彌補傳統實驗的不足，但教學中不能脫離科學探究的本質：（1）防止過度、不恰當地使用多媒體技術，能用傳統實驗解決的不選擇仿真實驗;（2）恰當地確定適宜學生的教學目標，防止設計過高的教學目標;（3）課外容易得到探究材料不選擇;（4）要充分體現科學的學科特點，防止只看不做，通過實物模擬和虛擬實驗，讓學生有了更深入地學習的機會。

3.是否更兼顧二者實驗情境的切換，實現“無縫對接”。

數字化虛擬仿真實驗系統的構建從課程上突破了演示實驗和學生分組實驗的界限。通過對與科學探究活動相關的系列資源進行統籌整合，使學生理解活動之間的必然聯系和意義，能夠不斷產生出“邊講邊實驗”“隨堂實驗”“小實驗”等新的實驗教學結構。

4.是否有更豐富的課程資源供學生進行探究學習。

新潮的科技帶來的新的教學效果，的確提高了課堂的有效性，但“土洋結合”能帶來更好的教學效果，需要教師們既不守舊，也不貪“潮” ，合理取舍。

四、虛實結合——虛擬實驗與真實實驗互補結合應用策略

1.借助數字化平臺的現有成熟數字軟件和技術運用的智慧學習策略，突破傳統真實實驗對“時、空”的限制。

隨著信息技術的快速發展和日益成熟，虛擬仿真實驗的交互性、沉浸感和智能化越來越強，已經在各個領域顯示其強大功能，大膽的探索、跨越時空的想象必須要借助一個虛擬的平臺，人們的認識才會更加完善。如谷歌地球（Google earth）、百度地圖3D街景，讓探究活動更直觀;虛擬天文館（Stellarium）讓科學觀測更深遠;智能移動App，讓科學學習更智慧;數字傳感與excel統計，讓實驗數據更準確;高倍數字攝像與微課微視頻，讓科學觀察更清晰;數字化信息系統實驗室（DISLab），讓實驗形式更豐富;Zspace 為代表的VR（AR）虛擬增強現實，讓實驗更逼真。

2.虛擬仿真軟件創設身臨其境的實驗環境，再帶著科學問題回到真實實驗，創設以學習者中心的科學學習環境，喚起學生探究的欲望。

仿真實驗是對直接實驗的一個必要補充，集文字、聲音、圖形、動畫、視頻于一體，動感十足、交互性強，通過創設情境，有利于發展學生的創新思維。

3.借助虛擬實驗建立模型，在將實驗的結果類推到真實原型上去。

科學課中的“模型”是對不易見到的事物或現象的具體體現，建立模型的目的就是為了解釋這些事物或現象。通過建模的方法給學生搭建一個過度“支點”，能夠幫助學生深刻地理解科學概念。

4.借助虛擬實驗，讓學生的前概念顯露無遺，再在真實實驗中讓學生的錯誤概念得到顯性替換。

仿真實驗不僅支持充分挖掘學生的前概念，更能即時保存、重現這些珍貴資源，形成認知沖突，實現對前概念的有效糾正、完善和替換，最終形成科學概念。

5.借助虛擬實驗對真實實驗進行“預設”，學生思維可視，推理過程層層深入，讓真實探究任務變得短時而高效。

小學生正處于感性認識到理性認識的過渡階段，認知支架能更好展現學生的思維軌跡。仿真實驗重在運用技術直觀顯現實驗數據背后的事物發展規律，實現科學思維的可視化。虛擬仿真還能提供動態重放的功能，促進思維有效發展。

6.用虛擬實驗的交互功能作為思維活動的有力支撐，通過多重交互，為真實實驗探索鋪路搭橋。

仿真實驗觸屏展現思維時，形成了多方交互：人機交互、生生交互、師生交互等，每個學生收到的形成性評價方式是及時的、持續的。

7.虛擬實驗與真實實驗交替進行、互相補充，借助虛擬實驗，讓海量信息隨機呈現 ，幫助學生建立起以核心概念為主線的知識框架。

借助仿真軟件豐富的軟件資源庫和儲存的優勢，可以打破時間和空間的障礙，通過對大量事實及實驗進行分析、歸納、推理得出科學的概念和規律，既兼顧學生的意志出示信息，又使課堂研討省時高效、及時查漏補缺，

【作者單位：盱眙縣實驗小學? 江蘇】