以虛補實改進實驗教學

〔摘""要〕"應用虛擬技術，為學生打造了一個高度仿真的學習環(huán)境，能夠讓他們隨時隨地進行技能訓練和操作練習。他們不僅可以進行基礎實驗操作，還可以親身參與并體驗科學家的經(jīng)典實驗，深入理解科學原理和方法。結合虛擬技術的特征，將虛擬技術應用在小學科學課堂教學中，具有其開創(chuàng)性的意義?！碴P鍵詞〕"小學科學；虛擬技術；實驗教學隨著信息技術進步，小學科學實驗教學融入了多媒體、網(wǎng)絡等技術，面貌煥然一新。但傳統(tǒng)多媒體技術局限性凸顯，如線性呈現(xiàn)、實驗效果差異大、模擬精細度不足等，可能誤導學生學習。虛擬技術的出現(xiàn)，為小學科學實驗教學帶來了革命性改變。一、虛擬技術的內(nèi)涵虛擬技術是一種通過計算機提供真實體驗的科技。虛擬技術的核心在于創(chuàng)造出一個逼真的三維空間，用戶可以通過特殊設備，如頭盔顯示器、手套等，進入這個虛擬世界，并與其中的物體、環(huán)境進行實時交互。這種交互不僅限于視覺和聽覺，還包括觸覺、嗅覺等多種感官體驗，使得用戶仿佛真正置身于一個虛擬的環(huán)境中。計算機圖形學為虛擬技術提供了豐富的視覺表現(xiàn)手段，使得虛擬世界中的物體、場景和過程能夠以逼真的形式呈現(xiàn)出來。仿真技術則通過模擬物理世界的規(guī)律和行為，讓虛擬世界中的物體能夠像真實世界一樣運動和變化。用戶與虛擬世界的實時沉浸互動，則通過人機交互技術實現(xiàn)。二、實驗教學應用虛擬技術的意義小學科學作為培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和創(chuàng)新思維的重要學科，應用虛擬技術具有深遠的意義。第一，傳統(tǒng)的科學教學方式往往側(cè)重于理論知識的灌輸，難以充分激發(fā)學生的興趣和熱情。而虛擬技術不僅可模擬真實場景，還可以讓學生親手操作，觀察實驗現(xiàn)象，探索科學規(guī)律，這種互動性的學習方式更能激發(fā)學生的學習興趣和動力。第二，小學科學教學包含大量的實驗內(nèi)容，但受到實驗器材、場地、安全等因素的限制，很多實驗難以在現(xiàn)實中開展。而虛擬實驗不僅安全便捷，還可以模擬一些高風險或難以實現(xiàn)的實驗，讓學生在安全的環(huán)境中進行探索和學習。第三，虛擬技術通過提供開放的實驗環(huán)境和豐富的實驗資源，鼓勵學生自主設計實驗方案，進行探究性學習。學生可以在虛擬環(huán)境中自由發(fā)揮想象力，嘗試不同的實驗方法和條件，觀察實驗結果的變化，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力。同時，虛擬技術還可以為學生提供合作學習和交流的平臺，讓他們在團隊中共同完成實驗任務，培養(yǎng)團隊合作精神和溝通能力。第四，虛擬技術的應用可以使小學科學教學更加符合時代要求，實現(xiàn)教學資源的共享和優(yōu)化配置。通過構建虛擬教學資源庫和在線學習平臺，教師可以方便地獲取和分享教學資源，學生可以隨時隨地進行自主學習和探究。這種現(xiàn)代化的教學方式不僅能夠提高教學效率和質(zhì)量，還能為學生的全面發(fā)展提供有力支持。第五，虛擬技術還有助于小學科學教育與現(xiàn)實世界的連接。在現(xiàn)實生活中，很多科學現(xiàn)象和原理是難以直接觀察和理解的，而虛擬技術可以將這些抽象的概念具象化。這種連接現(xiàn)實世界的教學方式有助于學生將所學知識運用到實際生活中，提高他們的科學素養(yǎng)和實踐能力。三、虛擬技術在實驗教學中的應用策略（一）策略一——創(chuàng)設現(xiàn)實場景，激發(fā)學習興趣在虛擬現(xiàn)實場景中，用戶可以根據(jù)自己的意愿進行探索，如自由走動、觀察環(huán)境細節(jié)、與虛擬物體進行交互等。這種交互性使得虛擬現(xiàn)實場景具有極高的沉浸感和真實感，用戶能夠感受到與真實世界相似的視覺、聽覺、觸覺等感官體驗。如，在學生的知識同化與認知結構建構過程中，有時會遇到一些難以通過傳統(tǒng)教學手段展現(xiàn)的環(huán)境，如火星表面、微小的微生物世界，或危險的地震區(qū)域等。這些不可觸及或難以直接觀測的微觀與宏觀世界，使學生難以形成真實體驗，進而影響了他們對知識的深入理解和建構。虛擬技術的輔助，讓科學教學面對這一難題有了更高效的方式。它能夠創(chuàng)建出一個高度仿真的虛擬世界，使學生仿佛置身于真實場景之中，從而獲得替代性經(jīng)驗。以生命起源的原始地球為例，學生往往難以直接體驗那個遙遠時代的景象。傳統(tǒng)的教學媒體也很難為學生創(chuàng)設一個生動逼真的學習情境。然而，虛擬現(xiàn)實技術為我們打開一扇探索新知的大門。借助3D等先進技術，他們可以看到火山的猛烈噴發(fā)、熔巖四溢的震撼場景；可以感受到暴雨如注，原始海洋波濤洶涌的磅礴氣勢。在雷鳴電閃之中，他們仿佛能夠親身經(jīng)歷非生命的無機小分子逐漸轉(zhuǎn)化為有機小分子，進而形成有機大分子和多分子體系，最終孕育出最初的生命的奇妙過程。虛擬現(xiàn)實技術作為一種理想化的認知工具，為學生探索新知提供了強有力的興趣支持，使他們在學習過程中能夠更加全面、深入地建構自己的認知結構。（二）策略二——采用三維展示，直觀理解概念三維展示是指利用特定的技術手段，將物體或場景以三維立體的形式展現(xiàn)出來，使觀察者能夠獲得更真實、更直觀的視覺體驗。這種展示方式突破了傳統(tǒng)二維顯示的平面視覺效果，通過模擬人眼的立體視覺原理，讓物體或場景在三維空間中得以呈現(xiàn)。三維展示是一種先進的視覺展示技術，它能夠提供真實、直觀、生動的視覺體驗，幫助人們更好地理解和感知物體或場景。利用虛擬技術的三維展示功能，教師可將科學概念中比較抽象的物體或場景以立體、直觀、生動的形式呈現(xiàn)出來，幫助學生更好地理解科學概念。例如，在科學教學中，對人體內(nèi)部結構的觀察常因無法直觀體驗而效果不佳。但“虛擬人體”解剖實驗室的三維展示改變了這一現(xiàn)狀。學生能逐層揭開人體皮膚，深入探索肌肉與骨骼，細致觀察內(nèi)臟器官。在解剖心臟時，三維立體模型可局部放大、定格，讓學生清晰看見每個細微結構。鼠標操控下，心臟任意翻轉(zhuǎn)，空間關系與內(nèi)部分層結構一目了然。切割分解后，視頻回放幫助學生迅速、正確復原，如同高級三維拼圖。點擊選項，心臟跳動與血液循環(huán)等動態(tài)過程即刻呈現(xiàn)。高品質(zhì)音頻設備更讓心跳與血流聲仿佛就在耳邊，讓學生仿佛置身真實解剖現(xiàn)場。這種教學方式不僅提升了教學效果，更讓學生在互動與探索中，獲得了直觀且深刻的學習體驗。（三）策略三——引入虛擬實驗，提升操作能力教師可通過虛擬技術模擬實驗環(huán)境，讓學生在虛擬環(huán)境中進行實驗操作，觀察實驗現(xiàn)象，記錄和分析實驗數(shù)據(jù)。例如，小學科學教學中對托盤天平的使用，是學生需要掌握的知識點之一，但由于天平數(shù)量的限制，學生接觸天平機會較少，對其使用規(guī)范也就無法扎實掌握。虛擬實驗室中，虛擬器材托盤天平、砝碼、物體一應俱全，并可選擇實時動態(tài)呈現(xiàn)。通過虛擬界面的引導，學生可了解天平的各部件及其功能，如如何正確放置稱量物、如何調(diào)整平衡、如何讀取數(shù)值等。接著，學生可以在虛擬實驗中進行托盤天平的操作練習。這些練習可以根據(jù)學生的掌握程度進行分級設置，從簡單的稱量操作到復雜的實驗步驟，逐漸提升學生的操作水平。在操作過程中，虛擬實驗系統(tǒng)可以提供實時指導，幫助學生了解自己的不足，及時修正。通過反復練習和模擬操作，學生在虛擬實驗中能夠逐漸掌握托盤天平的使用技巧，提高實踐操作能力。當他們在真實環(huán)境中進行實際操作時，就會更加自信、熟練和準確。此外，虛擬實驗還可以模擬一些在真實實驗中難以實現(xiàn)的場景，例如極端環(huán)境下的稱量操作或特殊物質(zhì)的稱量。這些模擬場景能夠幫助學生拓寬知識視野，提高應對各種復雜情況的能力。又如，涉及有毒氣體的實驗、爆炸實驗及錯誤操作的不良后果演示等都可以借助虛擬實驗室讓學生感受到，但同時又不至于讓學生置身危險中，也在一定程度上避免實踐過程中的誤操作。（四）策略四——調(diào)整實驗參數(shù)，滿足多樣需求虛擬實驗通過調(diào)整改變實驗條件、選擇不同的實驗材料和設備，以及設置不同的實驗場景等實驗參數(shù)，能進一步滿足學生的個性化學習需求。具體而言，當學生在進行虛擬實驗時，如果他們對某個實驗步驟或條件感到困惑，就可以通過調(diào)整參數(shù)來重新進行實驗，以便更好地理解和掌握知識。同樣，如果他們希望挑戰(zhàn)自己，探索更多的可能性，也可以增加實驗的難度或復雜性。此外，虛擬實驗還可以根據(jù)學生的表現(xiàn)，智能地推薦適合他們的實驗內(nèi)容和難度，進一步滿足他們的個性化學習需求。例如，基于“化學虛擬實驗室”的靈活性，教師可實行個性化教學，根據(jù)學生學習進度和興趣設計實驗。學生可自由挑選虛擬器材庫中的器材，按需組合儀器與藥品，并靈活設置屬性，通過調(diào)整參數(shù)觀察不同實驗結果，深化對實驗原理的理解。以小學科學拓展實驗中的“二氧化碳氣體制備實驗”為例。傳統(tǒng)教學中實驗機會有限，個性化實驗更難實現(xiàn)。而虛擬化學實驗室為這一難題提供了解決方案。在虛擬環(huán)境中，每位學生都能獨立進行實驗，從選擇藥品到搭建裝置，再到探索氣體性質(zhì)和確定收集方式，均可自由進行。尤其在氣體收集方法上，學生可嘗試不同策略，培養(yǎng)獨立思考和創(chuàng)新精神。這種個性化學習方式，滿足了學生多樣需求，使他們更好地發(fā)揮特長和優(yōu)勢。（五）策略五——實時跟蹤反饋，提高教學效率利用虛擬技術實現(xiàn)對學生學習情況的實時跟蹤和反饋，即通過整合虛擬現(xiàn)實、人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術，實時捕捉和記錄、評估。在虛擬環(huán)境中，學生的學習行為、交互記錄以及問題解決過程都可以被系統(tǒng)實時捕捉和記錄。系統(tǒng)對其進行分析后調(diào)整學習策略、進度等，也方便教師隨時了解學生情況并及時干預、優(yōu)化教學。電路學習對初學者而言充滿挑戰(zhàn)，如理解串聯(lián)與并聯(lián)的差異、根據(jù)實物圖繪制電路圖等。傳統(tǒng)實物實驗因器材缺乏、元件易損及課時限制，實踐效率低且無法實時反饋。電路虛擬實驗室為學生提供了真實操作般的自由度，允許自由連接元件，自動生成電路圖，從而激發(fā)學生學習興趣，提升學習效率。該軟件能模擬任意電路結構，操作簡便，效果逼真，支持元件自由操作及參數(shù)設置，便于保存、打開實驗，導出圖像，繪制電路圖。最下方提示欄實時評價元件及電路連接，幫助學生反思，提高效率，使學生在愉悅氛圍中掌握電路知識。另外，根據(jù)后臺反饋的實驗總體情況，教師可以更加精準地把握學生的學習進度和難點，從而更有效地調(diào)整教學策略，提升教學效率。綜上所述，將虛擬技術應用于小學科學