虛擬實驗教學對學生學習力的影響

◇鄭碧娟 江 鴻 周 麗（福建：閩江師范高等專科學校附屬實驗小學）

2019年發布的《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》提出，要構建與課程標準要求相統一的實驗教學體系，加強和改進中小學實驗教學工作。王若冰等人基于2017年國家科學教育質量監測四年級數據分析得出實驗教學有效促進學生科學素養整體性發展的結論。但在傳統實驗教學中，科學實驗教學較為封閉，絕大多數以演示實驗代替學生分組實驗，結果教師起了主導作用而學生的主體地位未能得到體現。在實驗教學評價方面，最終也只能以紙質考試成績來反饋，存在評價主體缺位、內容不全、方式單一等問題，不利于促進學生科學素養的全面發展和實驗教學質量的不斷提升。

新型冠狀病毒肺炎疫情的暴發給教育界帶來了巨大的變化，為響應教育部“停課不停教、停課不停學”的號召，遠程科學教育逐漸成為現代科學教學的主要研究方向。結合信息化2.0 時代，虛擬仿真實驗教學成為近幾年實驗教學的研究熱點，不僅彌補了一些基礎實驗的不足，而且使得實驗教學更具有智能化、個性化和泛在化。

本研究基于中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統的教學資源開展小學科學實驗對比教學，以期優化虛擬實驗教學設計，提升小學生科學學習力，為小學科學實驗教學質量的提升提供參考。

一、虛擬實驗教學在小學科學中的應用現狀

2021年國家教育部發布的《關于大力加強中小學線上教育教學資源建設與應用的意見》提出，中小學教師要積極學習借鑒國家級互聯網平臺提供的優質課程案例，結合課程案例推動線上線下混合教學，從而創新教學方式。科學實驗教學是小學科學教育必不可少的環節，是學生發展科學創新設計思維的重要切入點。結合國家信息化2.0 時代的發展及國際共同抗疫的形勢背景，虛擬實驗教學系統的開發實踐在各院校領域取得了較好的效果。為了探究虛擬實驗教學能否助力小學生科學學習力的提升，筆者嘗試借助中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統實驗資源進行對照實驗教學，探究提升小學生科學學習力的虛擬實驗教學模式，希望對一線科學教師有所啟發和幫助，促進信息技術與科學實驗的深度融合。

二、學生科學學習力的內涵及評價維度

近幾年，“學習力”一詞逐漸成為教育領域的研究話題之一。綜合近幾年有關基礎教育領域內學習力研究的文獻綜述，教育學者對學習力的內涵及評價維度說法不一。郭黎巖等人將中小學生學習力分為5 個一級維度，即學習動力、學習毅力、學習能力、學習轉化力和學習創造力。裴娣娜詮釋了學習力是學生的生長力，建立三層次六要素結構模型。縱觀研究者們的觀點，學習動力、學習毅力和學習能力構成學習力三個基本核心要素。王碧梅基于15個國家課程標準和38位教師深度訪談內容進行分析，建構出科學核心素養和要素——科學觀念與應用、科學思維與創新、科學探究與交流、科學責任與態度四個素養和41 個觀測指標。章潞妮將學習力分解為3個一級指標（學習驅動力、學習能力、科學思維能力）、11 個二級指標共三大層次的系統結構。所編制的初中生科學學習力問卷調查較好地結合了學習力及科學學科素養內涵，可作為本研究的調查工具。

三、研究設計

（一）研究內容

1．虛擬實驗教學和學生科學學習力的理論研究

通過梳理國內外有關虛擬實驗教學和小學科學學習力文獻，對科學學習力的內涵、評價維度及虛擬實驗教學實踐應用案例進行研究。

2．優化虛擬實驗教學設計和教學模式

探究傳統課堂和虛擬實驗課堂對學生科學學習力的影響。

結合課程資源及學科素養融合點，問卷調查傳統課堂和虛擬實驗課堂中學生的科學學習力。同時指出實施過程中的困難之處，創新教學模式和教學設計。

（二）研究方法

1．文獻分析法

通過查閱相關文獻和政策，了解國內外有關小學科學虛擬實驗教學對科學學習力影響的最新理論和實踐動態，形成研究理論的支撐框架。

2．問卷調查法

本文參考章潞妮針對初中生科學學習力所編制的問卷。研究中的一個變量為教學方式的不同，實驗前后調查問卷應保持一致性。通過前后測對比學生科學學習力的變化，從而檢驗虛擬實驗教學對學生學習力各維度影響的顯著性。

表1 實驗變量控制表

（三）研究過程

1．實驗對象

三年級共7 個班級，通過詢問班主任和科學教師，了解7 個班級的學情、男女比例和科學成績，最終選取三年級（1）班、（3）班、（4）班、（5）班的全體學生作為實驗對象，其中三年級（4）班、（5）班為對照班，三年級（1）班、（3）班為實驗班。為保證實驗的可信度，實際教學中盡量保持相同的教學課時以避免實驗誤差。

表2 實驗變量控制表

2．實驗平臺

中央電化教育館虛擬實驗服務系統實驗資源涵蓋小學到高中。實驗資源類型主要有演示視頻、實拍、3D 課件和VR 課件，其中3D 和VR課件登錄賬號并安裝插件可進行線上虛擬實驗操作；實驗測試分為練習和測試兩個模塊，后臺會記錄學生每次練習或測試的情況，生成操作明細表和評價雷達圖，筆者用于學生操作技能的考核，取得一定的成效；創編系統中含有豐富的器材庫，可實現學生自主設計實驗，包括器材、步驟、原理、數據記錄等信息。

圖1 實驗測試練習界面（用天平測量物體質量為例）

圖2 實驗操作得失分明細

圖3 實驗測試評價雷達圖

3．教學案例

結合科學課程標準、學情及學校的實際教學進度，與科學組商議后選定三年級上冊第一單元“認識空氣”和三年級下冊第一單元“植物的一生”進行教學設計，開展后續的虛擬實驗教學，所使用的虛擬資源見文后附表。

四、研究結果與討論

實驗開始前對三年級7 個班的學生進行測試，分別下發《科學學科學習力水平調查問卷》和《學習態度及學習策略相關調查表》問卷共計692 份，其中剔除無效問卷35 份，回收的有效問卷共為657 份。實驗結束后，同時對實驗對象的4個班級進行后測，分別下發問卷共計396份，其中剔除無效問卷15 份，回收的有效問卷共為381份。

表4 小學生科學學科學習水平及學習態度成對樣本t檢驗成對樣本檢驗

在進行虛擬實驗教學前后測小學生科學學科學習水平及學習態度各項差值序列的平均分為學習驅動力（2.135）、學習能力（2.245）、科學思維（4.649）、學習態度（2.561），說明通過虛擬實驗教學，學生的學習驅動力、學習能力、科學思維和學習態度均有所提升。

從計算出的t 統計結果來看，科學思維和學習態度的成對樣本T檢驗的顯著性均低于0.01，說明虛擬實驗教學模式極其顯著地提升了學生的科學思維和學習態度；學習驅動力和學習能力的成對樣本t 檢驗的顯著性均低于0.05，說明虛擬實驗教學模式顯著地提升了學生的學習驅動力和學習能力。

由此可見，通過一個學年的虛擬實驗教學，小學生科學學科的學習力及學習態度的各個維度均得到了顯著提升。

學生對虛擬實驗平臺存在較大的興趣，能調動學生的積極性。4月初因疫情調整為線上教學，但學生仍可利用賬號進行相關實驗的探究，從平臺提交率看顯著高于線下，一定程度上激發了學生學習驅動力和學習態度。

在虛擬實驗課堂實施的過程中，科學教師在設計虛擬教學時深度挖掘了課程資源與課堂的結合點。同時利用學科融合，如語文習作《我的植物朋友》+科學《植物的一生》、英語《嫦娥四號》+科學《月球》、科學《觀測天氣》+體育運動會活動設計課例，真正將知識運用到生活情境中，利于學生綜合素養的提升，使得虛擬實驗教學方式比傳統實驗教學方式更能提高學生科學思維和科學態度。

虛擬實驗中實驗測試模塊無須準備過多的器材，卻能夠輻射每一位學生。結合后臺數據實時監測，如托盤天平、量筒、測溫計等工具使用，確保每一位學生能夠通過實驗儀器操作，從而進一步提高學生知識技能操作能力。

虛擬實驗中創編模塊能夠實現簡單的實驗設計，擁有豐富的器材庫，能夠對實驗物品進行更換，將實驗原理舉一反三達到實驗的考核目的，促進能力和思維的發展。

五、研究結論和展望

本研究實驗基于虛擬實驗教學下的小學科學實驗課為學生提供一個可行的實施方案，并對教學設計的有效性進行實證研究，通過一年的教學實踐現已完成前后測分析工作。從SPSS 計算出的t 統計結果得出，通過虛擬實驗教學小學生科學學科的學習力及學習態度的各個維度均得到了顯著提升。同時結合資源深入挖掘學科融合特性，建立語文習作《我的植物朋友》+科學《植物的一生》、英語《嫦娥四號》+科學《月球》、科學《觀測天氣》+體育運動會活動設計校本課例，取得較好的教學效果。

本研究在后期因虛擬資源的使用受到一定限制，未能將已有的實驗測試雷達圖數據導出。建議中央電化教育館虛擬實驗服務系統能夠開放實驗校的權限和資源，并進一步完善資源創新性，特別是在創編系統模塊中，還無法實現學生自主設計的實驗方案的運行。同時，本研究在借用初中生科學學習力評價表進行測評過程中，發現部分學生對問卷題目理解不夠到位，某種程度上對評價結果有一定的影響。如何將科學學科學習力的評價過程設計得更加貼近小學生，提高普及性；如何更好地結合2022年科學課程新課標及國家對青少年科學素養的要求，都是后續研究值得關注的。

附表 虛擬實驗教學資源列表