〔摘 要〕 隨著信息技術(shù)與教育的深度融合，虛擬實驗以其沉浸性、交互性和可重復(fù)性等特性，為小學(xué)科學(xué)教學(xué)帶來創(chuàng)新性的教學(xué)手段。本研究以小學(xué)科學(xué)課程中《光的反射》一課為例，探討了虛擬實驗在提升學(xué)生科學(xué)認(rèn)知、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、優(yōu)化教學(xué)過程和培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)方面的應(yīng)用價值與實踐策略。本文通過文獻(xiàn)分析、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)實踐與效果評估，揭示了虛擬實驗在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的有效應(yīng)用模式及顯著教學(xué)效果。

〔關(guān)鍵詞〕 小學(xué)科學(xué)；虛擬實驗；《光的反射》；科學(xué)素養(yǎng)；教學(xué)設(shè)計

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 24 004-006

隨著科技的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，特別是在教育領(lǐng)域，帶來了前所未有的變革。小學(xué)科學(xué)教育作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的基礎(chǔ)，如何借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，特別是虛擬實驗技術(shù)，來提高教學(xué)效果，成為當(dāng)前教育領(lǐng)域研究的熱點問題。本文以《光的反射》一課為例，深入探討了虛擬實驗在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用價值和實踐策略。

一、虛擬實驗在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用價值

虛擬實驗是一種基于計算機(jī)技術(shù)的模擬實驗。它能夠在虛擬環(huán)境中模擬真實實驗過程，為學(xué)生提供一種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，虛擬實驗的應(yīng)用具有以下幾個方面的價值。

提升學(xué)生科學(xué)認(rèn)知。虛擬實驗可以通過模擬真實的實驗過程，讓學(xué)生更加直觀地理解科學(xué)現(xiàn)象和原理，提升他們的科學(xué)認(rèn)知能力。

激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。虛擬實驗具有交互性和趣味性，能夠吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，使他們更加主動地參與到科學(xué)學(xué)習(xí)中來。

優(yōu)化教學(xué)過程。虛擬實驗可以隨時隨地進(jìn)行，不受時間和空間的限制。這為小學(xué)科學(xué)教學(xué)提供了更加靈活和多樣的教學(xué)方式，有助于優(yōu)化教學(xué)過程。

培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。通過虛擬實驗，學(xué)生可以更加深入地了解科學(xué)實驗的過程和方法，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)和實驗?zāi)芰Α?/p>

二、《光的反射》的虛擬實驗教學(xué)實踐

本研究以《光的反射》一課為例，設(shè)計了基于虛擬實驗的教學(xué)方案，并進(jìn)行了教學(xué)實踐。在教學(xué)過程中，我們利用虛擬實驗平臺，模擬了光的反射實驗過程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實驗操作，觀察光的反射現(xiàn)象，并通過數(shù)據(jù)分析來理解光的反射規(guī)律，實踐案例如下。

（一）分析學(xué)情，確立教學(xué)生長的起點

《光的反射》一課所屬的科學(xué)核心概念是“物質(zhì)的運動與相互作用”。具體學(xué)習(xí)內(nèi)容是：光遇到物體時，會發(fā)生反射現(xiàn)象，光的傳播方向會發(fā)生改變。本課是學(xué)生在學(xué)習(xí)了光源、光的直線傳播基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究光的反射現(xiàn)象，為后續(xù)學(xué)習(xí)光的反射規(guī)律等知識做鋪墊，起到承上啟下的作用。

本課的教學(xué)對象是五年級學(xué)生，調(diào)查數(shù)據(jù)表明：93%以上的學(xué)生在課前都玩過鏡子，對鏡子能反光有一定的了解，但大約75%以上的學(xué)生認(rèn)為白紙等表面粗糙的物體是不可以反光的，一半以上學(xué)生不了解潛望鏡的組成及其工作原理。

2017年版蘇教版科學(xué)教材設(shè)計了三個活動：通過陽光打靶活動感受光的反射現(xiàn)象；通過對比觀察圖片，歸納反光效果好的物體表面特點；通過玩鏡子，制作潛望鏡等活動，了解潛望鏡的工作原理及光的反射在生活中的應(yīng)用。在實際教學(xué)中，采用教材實驗設(shè)計教學(xué)存在幾個不足：陽光打靶活動需要晴朗的天氣及陰暗分明的場地，如遇上陰天實驗則無法展開；光的傳播路線不可見，光的反射過程不夠形象直觀；通過圖片對比觀察得出反射效果好的物體表面特點，學(xué)生缺少實驗探究過程；通過演示方式講解潛望鏡的工作原理，難以實現(xiàn)理解潛望鏡的工作原理這一教學(xué)目標(biāo)。綜上所述，采用教材實驗開展教學(xué)，實驗條件及場地受限，學(xué)生探究時間少，缺乏自主思考，弱化了科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)?；谝陨辖滩慕庾x和學(xué)情分析，依據(jù)2022年版科學(xué)課程新課標(biāo)的素養(yǎng)要求，筆者制訂了以下教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重難點：理解光的反射概念；知道大部分物體能夠反射光線，表面越光滑，顏色越淺，其反射光線的能力越強(qiáng)；學(xué)習(xí)典型歸納法的使用，發(fā)展推斷科學(xué)認(rèn)識的能力；學(xué)習(xí)演繹法的應(yīng)用，發(fā)展解釋和預(yù)測能力；能夠猜測并探究影響物體反射光線的能力的因素；學(xué)會收集和整理數(shù)據(jù)，分析歸納實驗結(jié)論；保持對光的反射及其相關(guān)現(xiàn)象探索的積極性，并能夠與同伴協(xié)調(diào)合作，積極參與討論交流。將建立光的反射的科學(xué)概念、知道幾乎所有物體都能反射光作為本課教學(xué)重點；理解表面粗糙的物體也會發(fā)生光的反射現(xiàn)象、理解潛望鏡的工作原理為本課的教學(xué)難點。

本課需要準(zhǔn)備的教師材料有：激光筆、強(qiáng)光手電筒、畫架、大標(biāo)靶、光學(xué)實驗盒、課件。學(xué)生分組材料為：學(xué)習(xí)任務(wù)單、小鏡子、激光筆、手電筒、靶心、創(chuàng)新學(xué)具、央館虛擬實驗平臺。所采取的教學(xué)方法主要是：依托分組實驗盒，引導(dǎo)學(xué)生通過合作，對光的反射進(jìn)行自主探究的合作探究法；借助水霧、煙霧等方式，顯示光的傳播路線，啟發(fā)學(xué)生學(xué)會用借助法獲取實驗證據(jù)，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度的實驗觀察法。在實驗方法設(shè)計上體現(xiàn)了2022年版新課標(biāo)所倡導(dǎo)的“面向全體學(xué)生，立足素養(yǎng)發(fā)展”的教學(xué)理念。

（二）精心設(shè)計教學(xué)活動，達(dá)到實驗教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合對教材實驗的分析，筆者將教材上的陽光打靶實驗換成以激發(fā)學(xué)生興趣為出發(fā)點、學(xué)生喜聞樂見的激光打靶游戲，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)方法、培育創(chuàng)新思維。本課預(yù)設(shè)的教學(xué)過程由四個環(huán)節(jié)組成，這四個環(huán)節(jié)都是緊緊圍繞“深化概念理解，優(yōu)化探究過程，發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)”設(shè)計的。

環(huán)節(jié)一：聚焦問題，感受光的反射現(xiàn)象，構(gòu)建光的反射概念。

播放電視劇《愛的厘米》中男主沙漠遇險的視頻片段，提問：視頻中的主人公用什么物品進(jìn)行自救？為什么會用到這個物品？從而聚焦問題，揭示光的反射課題。如果我們在戶外郊游時遇到類似的緊急情況，我們也可以采用同樣的方法來求救。如果用激光筆模擬太陽，用靶心模擬救援的隊員，你能將激光筆的光射中靶心嗎？畫一畫在這一過程中光是如何傳播的。學(xué)生完成后，借助水霧再現(xiàn)光的傳播路線。

教師提問：還是用上述實驗方法，如果將激光筆換成手電筒，還能射中靶心嗎？這兩次打靶過程有什么相同和不同之處？學(xué)生通過比較，歸納總結(jié)出光的反射概念。

【設(shè)計意圖】通過真實的生活情境來導(dǎo)入新課，設(shè)計適宜學(xué)生探究的科學(xué)問題，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，并將生命安全與健康這一重要的主題教育有機(jī)地融入科學(xué)課題的學(xué)習(xí)。在光的反射科學(xué)概念教學(xué)上，本文采用了邏輯思維方法中的科學(xué)歸納法，即從一條光到一束光的行為推廣到無數(shù)光的行為，從而建立普遍結(jié)論。

環(huán)節(jié)二：科學(xué)實踐，借助身邊其他材料，探究反射效果規(guī)律。

引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考：如果在戶外郊游時，沒有攜帶平面鏡，我們可以利用身邊的哪些物體反射光呢？引領(lǐng)學(xué)生思考：其他物體是否也能像鏡子一樣反射光？學(xué)生利用身邊的材料，如科學(xué)書本、文具袋、作業(yè)紙、不銹鋼、塑料板、蠟光紙等物體替換鏡子，發(fā)現(xiàn)這些物體都能反射光，能射中靶心。小組討論交流：激光筆照在白紙上與照在平面鏡上有什么相同和不同之處？為什么會出現(xiàn)這樣的不同？教師結(jié)合交流內(nèi)容，得出結(jié)論：幾乎所有的物體都能反射光，表面越光滑的物體，反射效果越好。

【設(shè)計理念】學(xué)生利用教師提供的手電筒、激光筆和靶心，自主設(shè)計實驗方案，對實驗結(jié)果進(jìn)行排序。在對比、分析和歸納的思維活動中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：幾乎每種物體都會發(fā)射光，而且越光滑的表面，反射效果越好。學(xué)生通過交流討論，逐步完善了對光的反射的認(rèn)識，深化了對光的反射概念的理解，體現(xiàn)了新課標(biāo)所倡導(dǎo)的注重科學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展的理念，真正實現(xiàn)了學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的有效發(fā)展。

環(huán)節(jié)三：巧用實驗盒，探秘潛望鏡。

將靶心放置到Z型實驗盒出口位置，學(xué)生通過小組合作討論發(fā)現(xiàn)，要射中靶心需要借助兩面平面鏡，當(dāng)兩面鏡子與實驗盒都成45度角時，容易打到靶心。探究后，借助水霧，學(xué)生很容易畫出光路圖，不僅成功射中靶心，而且在第一面鏡子中能看到靶心，體現(xiàn)光路可逆。緊接著提問學(xué)生：能否利用光的反射知識制作一個可以隔墻觀物或者在水下可以看到水面上物體的觀察工具？引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)將實驗盒豎著立起來，就可以變身成為一個簡易的潛望鏡，借助水霧再現(xiàn)潛望鏡的工作原理。教師講解：利用平面鏡還能產(chǎn)生更多奇妙的變化。出示深淵隧道燈、萬花筒等光學(xué)玩具，拓展學(xué)生的思維，并啟發(fā)學(xué)生：課后還可以繼續(xù)利用光的反射知識，收集和制造更多的光學(xué)產(chǎn)品。最后，將本課的作業(yè)設(shè)計為：畫一畫潛望鏡中光的傳播路線，鞏固光的反射知識的同時，初步體會建立光路模型的樂趣；利用家中廢棄材料動手操作制作潛望鏡，學(xué)以致用，發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維。

【設(shè)計意圖】本文將書本上先講解潛望鏡的工作原理再制作潛望鏡的過程，換成借助光學(xué)實驗盒的打靶闖關(guān)游戲。通過分步驟、搭支架的方式，讓學(xué)生在不知不覺中，理解了潛望鏡的工作原理，真正實現(xiàn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的有效發(fā)展。

環(huán)節(jié)四：借助央館虛擬實驗平臺，深化科學(xué)概念理解。

學(xué)生在教師指導(dǎo)下登錄央館虛擬實驗平臺，進(jìn)入“光的反射”實驗?zāi)K。學(xué)生依次進(jìn)行如下操作。

觀察演示實驗：觀看系統(tǒng)預(yù)設(shè)的光的反射演示，初步了解光的反射現(xiàn)象。

動手操作實驗：調(diào)整光源位置，改變?nèi)肷浣?，觀察并記錄反射光的路徑及反射角的變化。

探究性實驗：嘗試不同介質(zhì)（如鏡面、粗糙表面）的反射現(xiàn)象，探究反射效果的差異。

三、總結(jié)反思，探討虛擬實驗探究教學(xué)成效

通過學(xué)生的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)：利用創(chuàng)新學(xué)具光的反射實驗裝置，采用探究發(fā)現(xiàn)教學(xué)法，利用虛擬實驗平臺進(jìn)行探究活動，學(xué)生對本課的學(xué)習(xí)興趣及實驗的興趣遠(yuǎn)高于按照教材實驗設(shè)計教學(xué)。本實驗教學(xué)達(dá)到預(yù)期效果，學(xué)生掌握了正確的科學(xué)概念。學(xué)生經(jīng)歷激光打靶的游戲過程，本質(zhì)上是基于證據(jù)的科學(xué)探究，是“實證法”的學(xué)習(xí)，這種學(xué)習(xí)是指向科學(xué)本質(zhì)的。

【本文系福州市教育科學(xué)研究“十四五”規(guī)劃2023年立項課題“互聯(lián)網(wǎng)+背景下虛擬實驗在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”的成果，課題編號：FZ2023ZX062】

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