虛擬現實技術賦能的實驗教學

〔摘" "要〕" 虛擬現實技術通過構建三維交互式學習環境，重構小學科學實驗教學模式。該平臺突破傳統教學中物理空間與認知維度的雙重限制，將抽象概念轉化為可視化操作場景，支持多模態感知與動態探究。分層任務體系與跨學科項目設計兼顧不同認知水平學生的需求，智能反饋系統則通過行為數據分析優化教學策略。研究表明，虛實融合的教學方式顯著提升了學生的科學探究能力與創新思維，為教育數字化轉型提供了可借鑒的實踐范式。

〔關鍵詞〕" 小學科學；虛擬現實技術；實驗教學

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）15" " 0068-03

當前小學科學實驗教學面臨實體器材損耗率高、高危操作風險大、微觀現象觀察困難等制約著探究式學習的深度開展。傳統教學模式下，學生難以直觀感知動態變化過程，虛擬現實技術的沉浸性與交互性為解決這些問題開辟了新路徑——通過構建可調節時空尺度的虛擬實驗室，既能安全模擬電路短路等危險場景，又可反復觀察不可逆的化學反應過程。實踐表明，該技術通過手勢操作、力反饋等交互設計，有效增強了知識建構的具身性，使學習過程從被動接受轉向主動探索。

一、小學科學實驗教學需求分析

小學科學實驗教學的核心訴求在于突破傳統教學模式的空間限制與認知壁壘。當前教學中普遍存在實驗器材不足、高危操作風險、抽象概念可視化困難等問題，如微觀生物結構觀察受限于實體顯微鏡數量，化學反應過程難以直觀呈現。新課改強調“探究式學習”，要求通過情境化、互動化的手段激發學生的科學思維，但傳統課堂常因教學資源分配不均導致學生參與度分層。虛擬現實技術的介入能重構實驗場景的時空維度，使月相變化、地質運動等宏觀現象可微觀觀察，電流傳導、分子運動等抽象概念具象化演繹。這種技術革新不僅彌補了實體實驗的物理局限，更通過多模態交互設計滿足不同認知風格學生的學習需求，為個性化教育提供技術支撐。

二、虛擬現實技術及其優勢

虛擬現實技術通過計算機圖形學、空間定位追蹤和力反饋系統構建三維動態仿真環境，其技術框架包含感知層（頭顯設備、動作捕捉）、計算層（實時渲染引擎）和交互層（手勢識別、語音控制）三重架構。相較于傳統多媒體教學，其獨特優勢體現在沉浸式認知建構：借助多角度全景視角實現知識具身化感知，如讓學生“走入”火山內部觀察巖漿運動軌跡；通過多通道反饋機制強化學習記憶，如觸覺手套模擬電路連接時的電流振動。技術優勢還表現在實驗數據的可視化重構，可將植物光合作用的氧氣釋放量轉化為動態氣泡模型，使定量分析與定性觀察有機融合。這種虛實交融的特性完美契合建構主義學習理論，為科學概念的內化提供認知腳手架。

三、虛擬現實技術在實驗教學中的設計

技術落地需遵循“認知賦能、安全可控、學科融合”的設計原則。在物理實驗模塊中，采用粒子系統模擬磁場線的空間分布，允許學生用手勢改變磁極位置觀察場強變化；化學實驗設計著重分子層面的交互可視化，如酸堿中和反應時呈現氫氧離子的動態結合過程。生物模塊創新運用體感追蹤技術，當學生用手“撥動”虛擬洋蔥表皮細胞時，細胞壁的彈性形變可通過觸覺反饋傳遞。跨學科整合是另一突破方向，如搭建“生態瓶”虛擬系統時融合數學建模（種群數量曲線）、工程思維（生態系統平衡調節）等多維度認知訓練。技術設計還需嵌入分層學習路徑，為不同能力層級學生設置輔助提示系統和挑戰性拓展任務。

四、虛擬現實技術賦能的實驗教學

（一）虛實融合的實驗環境構建

虛實融合技術的教育價值源于建構主義學習理論對情境化認知的強調，其本質是通過數字孿生技術構建認知腳手架。平臺采用動態環境渲染算法，依據不同實驗主題智能調節場景復雜度，在保障基礎操作真實性的同時預留創新探索空間。以“光的折射”實驗為例，系統內置的物理引擎實時計算光線在不同介質中的傳播軌跡，當學生調節虛擬介質的密度參數時，不僅可觀察折射角度的即時變化，還能通過熱力圖感知光能損耗的分布規律。這種多維度反饋機制突破了傳統實驗的二維平面局限，在觸覺手套配合下，學生甚至能感受到全反射臨界角時的能量突變震顫。實踐教學反饋，學生在虛實融合環境中完成折射定律探究后，對“入射角與折射角非線性關系”的概念理解準確率提升顯著，證明混合現實場景對抽象原理的內化具有催化作用。

（二）多模態交互的認知深化機制

多模態交互設計的理論基礎源自認知負荷理論，其核心是通過多通道信息分流降低工作記憶負擔。平臺采用眼動追蹤與手勢識別的協同算法，在“電路連接”實驗中實現“所見即所得”的沉浸式操作。當學生注視某段導線時，系統自動高亮顯示該線路的電流強度參數；進行并聯電路搭建時，觸覺手套會依據支路電阻差異產生不同強度的振動反饋。進階模塊引入情境化學習機制，在臺風天氣的虛擬場景中，學生需為社區設計應急供電系統，既要考慮電路負載安全，又要兼顧能源分配的公平性。這種將學科知識與現實問題結合的設計，促使學生在完成復雜任務時自發調用跨學科思維。教育工作者觀察發現，經過多輪虛擬實驗訓練的學生，在實體實驗室中展示出更系統的操作預判能力，證明虛擬環境中的認知遷移具有顯著效果。

（三）數據驅動的教學評價體系

平臺內置的學習分析系統突破傳統實驗報告的單向評價模式。例如教科版科學四年級下冊“植物的生長變化”單元教學創新構建了“觀察記錄—數據分析—精準干預”的評價閉環。該單元教學設計嚴格遵循《義務教育科學課程標準》的要求，將“植物生命周期觀察”結構與功能認知等核心素養目標轉化為可量化的能力指標。依托虛擬實驗平臺的多維數據采集系統，完整記錄學生從《種子里孕育著新生命》的解剖觀察到《鳳仙花的一生》生長周期建模的全過程行為軌跡。以“探究光照對豌豆苗生長影響”虛擬實驗為例，平臺深度融合單元教學目標中“識別環境因素對植物的影響”這一關鍵能力點。在《種子長出了根》課程實施階段，系統通過分布式傳感器實時采集學生設置的環境參數，當光照強度設置超過鳳仙花光飽和點時，平臺不僅觸發預警機制，更通過知識圖譜關聯至《莖和葉》課程中的“光合作用效率”原理模塊，推送分層補救資源。教師端駕駛艙顯示的班級共性問題數據，直接指向單元教學設計中“環境因子交互作用”薄弱環節，促使教師開展《果實和種子》課程時增設“多變量控制”專項訓練模塊。這種評價體系創新體現在三個層面：其一，突破傳統“植物生長變化記錄表”的靜態評價，實現從播種到結果的全周期動態追蹤；其二，將《鳳仙花的一生》觀察日記中的定性描述轉化為變量控制熱力圖、抗挫折指數曲線等可視化數據；其三，通過跨課時的學情分析，使《種子的傳播》課程能有針對性地開展“實驗設計嚴謹性”提升訓練。

（四）跨學科融合的探究式項目式學習

虛擬現實技術打破了學科壁壘，通過構建多維知識場景實現科學與其他學科的深度耦合，不僅符合當前的教育發展需求，也更能讓學生思維沉浸。基于課程標準對跨學科實踐的要求，教科版科學五年級上冊“生物與環境”單元創新構建了“濕地生態修復”項目式學習框架。該設計深度融合STEAM教育理念，依托虛擬仿真技術搭建動態生態系統模型，將濕地保護的現實問題轉化為多學科協同攻關任務。在“生態系統”教學模塊中，虛擬平臺整合流體力學模擬引擎與生物種群動力學算法，學生需綜合運用地理空間分析技術（定位濕地經緯度及氣候特征）、數學建模工具（計算鹽度梯度與物種豐度關系）及工程結構仿真系統（測試堤壩抗洪參數）。進階任務設置中，學生還需通過虛擬傳感器采集水質數據，結合化學知識分析污染物降解路徑，最終形成涵蓋生態、工程、社會維度的修復方案。某校實踐案例顯示，該模式成功打通了科學探究與數學建模、地理信息、工程設計的學科壁壘。

（五）分層式自適應學習支持系統

針對學生認知水平的差異性，平臺通過機器學習算法構建個性化學習路徑。理論基礎來源于最近發展區理論，系統能根據操作軌跡與答題表現動態調整實驗難度。以科學三年級下冊“小小機械師”單元為例，平臺依據維果茨基最近發展區理論構建三層認知腳手架。在“杠桿的研究”基礎層，虛擬實驗室配備動態力學可視化工具，當學生拖拽虛擬杠桿支點時，系統實時生成省力比計算公式與力臂矢量圖。進階層“滑輪組的秘密”任務中，智能診斷模塊通過隱馬爾可夫模型分析操作序列，識別學生機械原理理解偏差——若多次錯誤配置動滑輪位置，系統自動推送AR輔助界面，在實體滑輪教具上疊加顯示繩索張力分布。挑戰層“起重機故障排查”情境則融合工程思維培養，要求學生在限定時間內診斷虛擬起重機卡滯原因，需綜合運用摩擦力計算、機械效率分析與系統故障樹推演等復合能力。教師反饋顯示，這種分層支持機制有效實現了“基礎操作標準化、進階探究個性化、高階挑戰創新化”的教學目標。

（六）虛實聯動的課后拓展體系

平臺延伸至課外實踐領域，通過混合現實技術打通課堂與生活場景。理論框架基于情境認知理論，利用移動端AR功能將家庭環境轉化為持續探究場域。滬教版科學五年級上冊《月相變化》教學中，平臺構建了“三維觀測”拓展體系：課堂VR模擬地月公轉軌跡；家庭AR觀測實時月相（掃描夜空激活增強現實圖層）；云端提交《月相日記》并參與虛擬天文論壇。在教科版科學四年級下冊《植物的身體》延伸實驗中，學生通過掃描家庭綠植激活“根系吸水”AR模型，結合物聯網土壤濕度傳感器傳回的真實數據，在虛擬實驗室對比不同澆灌策略的效果。某試點校案例顯示，虛實聯動的拓展學習使學生對“植物蒸騰作用”的概念理解持久度提升非常明顯，有效解決了傳統教學中理論與實踐脫節的難題。

綜上所述，虛擬現實技術賦能的小學科學實驗教學，通過重構認知場景與交互方式，顯著提升了知識內化效率與科學思維品質。跨學科項目學習設計突破單一知識維度的局限，虛實聯動的教學模式則延伸了探究實踐的時空邊界。然而，技術應用仍面臨設備適配性、教學內容適切性及教師數字素養提升等挑戰。未來需深化自適應學習系統研發，構建開放共享的資源生態，推動虛擬實驗從輔助工具向核心教學載體的轉型，為培養具有創新能力的未來人才奠定基礎。

參考文獻

[1]張濤.基于虛擬現實技術的小學科學項目式學習模式的構建與實施[J].中國信息技術教育，2024（23）：84-87.

[2]楊乾智.應用信息技術優化小學科學實驗教學策略[J].教學管理與教育研究，2023（3）：78-80.

[3]張婷.淺談虛擬現實技術在小學科學教學中的應用[J].文淵（小學版），2020（7）：290.

[4]張亮.例談虛擬現實技術在小學科學教學的應用[J].教育與裝備研究，2023（1）：72-74.

[5]余思.虛擬現實技術與小學科學課程融合的研究[J].新教育時代電子雜志（學生版），2021（17）：115.