桑建輝

（余姚市馬渚鎮(zhèn)中心小學(xué)，浙江寧波 315450）

虛擬實(shí)驗(yàn)
——實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新途徑

桑建輝

（余姚市馬渚鎮(zhèn)中心小學(xué)，浙江寧波 315450）

虛擬實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究，建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（仿真平臺(tái)）之上，虛擬實(shí)驗(yàn)的逼真性和數(shù)據(jù)運(yùn)算能力是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)無法相比的，注重的是實(shí)驗(yàn)操作交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真性。文章分別就聲音教學(xué)、簡單電路教學(xué)、天文教學(xué)等方面作了教學(xué)案例講述，將虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能顯著提高學(xué)生科學(xué)探究能力，將對科學(xué)課的教學(xué)帶來深遠(yuǎn)的影響。

虛擬實(shí)驗(yàn)；計(jì)算機(jī)；科學(xué)課教學(xué)

實(shí)驗(yàn)是人類探索自然的基本方法，也是科學(xué)教學(xué)的主要方法之一。但傳統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)是建立在有充足材料基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)，如果缺乏材料支撐，科學(xué)實(shí)驗(yàn)就會(huì)無法正常開展。例如在六年級(jí) “宇宙”單元的學(xué)習(xí)中，利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以讓學(xué)生展開探究、點(diǎn)燃他們的求知欲望；在四年級(jí)“聲音”單元的學(xué)習(xí)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生感受到聲音的特征，但無法讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到聲音的本質(zhì)特征是什么；在“電學(xué)”單元的學(xué)習(xí)中，學(xué)生脫離了實(shí)驗(yàn)室就無法獲得充足的實(shí)驗(yàn)材料，陷入無法開展實(shí)驗(yàn)的尷尬等等。

虛擬實(shí)驗(yàn)具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備的幾大優(yōu)點(diǎn)：①仿真性，能實(shí)時(shí)展示實(shí)驗(yàn)過程，提高應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)的能力；②可控性，能精確控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，科學(xué)分析數(shù)據(jù)；③開放性，縮小時(shí)空差距，讓實(shí)驗(yàn)者可隨時(shí)開展研究。在實(shí)際教學(xué)中，虛擬實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，更有利于學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)現(xiàn)人人參與、人人發(fā)展、人人享受成功的教育價(jià)值。

一、以“宇宙”單元為例，看虛擬實(shí)驗(yàn)在哪些教學(xué)內(nèi)容中更“給力”

小學(xué)科學(xué)中，關(guān)于天文宇宙的教學(xué)一直是難點(diǎn)，這部分內(nèi)容是讓學(xué)生在感知的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有關(guān)太陽系、星座、星系等模型的建構(gòu)，形成對宇宙的初步認(rèn)識(shí)，在頭腦中形成有一定解釋力的結(jié)構(gòu)模型。開展過程中會(huì)遇到以下幾方面的困難：一是教學(xué)時(shí)間和實(shí)際觀察時(shí)間不一致，難以創(chuàng)設(shè)有效的探究情境，影響學(xué)生感知；二是客觀存在的觀察障礙，如天氣、燈光等對觀測帶來的不良影響；三是夜間集體觀察星空活動(dòng)較難組織和開展。

有針對性的教學(xué)策略：虛擬天文軟件Stellarium可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前星空，克服上述存在的困難，在學(xué)習(xí)中成為一大助力（http://www.zjxxkx.com/bbs/uploadfile/2008 -8/Stellarium.rar）。

Stellarium是一個(gè)專業(yè)天文虛擬共享實(shí)驗(yàn)軟件，可以通過調(diào)整日期和時(shí)間，來看到不同季節(jié)的天空，屏幕上的星空效果和用肉眼觀察到的真實(shí)星空是完全一致的，適合小學(xué)科學(xué)地球、宇宙等單元的學(xué)習(xí)。通過調(diào)整時(shí)間和觀察地點(diǎn)，甚至還可以觀察到太陽系的運(yùn)動(dòng)、星座運(yùn)動(dòng)、月相變化、日食過程等等。例如實(shí)現(xiàn)科學(xué)六年級(jí) “宇宙”單元對月相變化的觀察：在3D天空中找到月球，單擊選中，按“空格鍵”定位到屏幕中間，用鼠標(biāo)滾輪將月球放大到合適大小，按快捷鍵“J”、“K”、“L”調(diào)整時(shí)間變化的速率即可觀察到月相的變化過程。又例如觀察日全食的發(fā)生，在軟件界面菜單中設(shè)定日食發(fā)生的時(shí)間，如2009年7月22日上午8點(diǎn)，將觀察的目標(biāo)定位于太陽，即可看到日全食的發(fā)生過程：一個(gè)黑影（月球）慢慢靠近太陽，逐漸和太陽邊緣重合，這次日食從初虧到復(fù)原再到食甚歷時(shí)2個(gè)多小時(shí)，但在軟件中可以任意調(diào)整運(yùn)行時(shí)間，將2個(gè)多小時(shí)的天文現(xiàn)象在短短的幾分鐘內(nèi)演示完成，甚至還可虛擬出不同地點(diǎn)的偏食供學(xué)生探討研究。

反思：本虛擬實(shí)驗(yàn)拉近了學(xué)生和星空之間的距離，突破了時(shí)空的限制，給學(xué)生一片完全 “真實(shí)”的星空，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)天文、了解天文的興趣，也為教師教學(xué)天文方面的內(nèi)容提供了便利。據(jù)幾年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本虛擬實(shí)驗(yàn)不但適合六年級(jí)“宇宙”單元每課的學(xué)習(xí)，也適合開展興趣小組活動(dòng)。

筆者也根據(jù)多年實(shí)踐，設(shè)計(jì)和搜集了一批虛擬軟件，應(yīng)用于物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和宇宙方面的教學(xué)，均取得了較好的效果。

二、以“聲音”單元為例，看虛擬實(shí)驗(yàn)怎樣和傳統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

我們先來看一個(gè)教學(xué)片段：兩個(gè)杯子，A杯盛放半杯水，B杯盛放小半杯，用一根小棒敲擊，判斷哪個(gè)杯子發(fā)出的聲音高、哪個(gè)發(fā)出的聲音低。學(xué)生多次實(shí)驗(yàn)后，產(chǎn)生了矛盾的說法，有人說是A杯音高，有人說是B杯音高，甚至還有部分學(xué)生對自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了懷疑，一會(huì)兒說A杯音高，一會(huì)兒說B杯音高，因?yàn)榇藢?shí)驗(yàn)完全依靠自己的聽覺器官判斷，產(chǎn)生了很大的異議，找不到充分的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，學(xué)生的爭論毫無結(jié)果，最終實(shí)驗(yàn)草草收場。在浙江科學(xué)網(wǎng)中，也有多位教師多次提出，實(shí)驗(yàn)中沒有明顯的音高區(qū)別，除非經(jīng)過專業(yè)的聽音訓(xùn)練才能辨別聲音的高低，也曾多次建議取消這個(gè)實(shí)驗(yàn)。連教師都感到困惑，如何讓學(xué)生去判斷聲音的高低？在此時(shí)利用虛擬實(shí)驗(yàn)則可以彌補(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)不足，輕松解決此類問題。教學(xué)策略如下：

虛擬實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：一個(gè)電腦用麥克風(fēng)、一臺(tái)電腦、一個(gè)聲音頻率軟件。（見www.zjxxkx.com/kejian/頻譜.rar）

實(shí)驗(yàn)原理：通過麥克風(fēng)采集聲音，在虛擬軟件中對音波進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)顯示聲音的頻率圖像，頻率（Hz）越高，音高越高。

實(shí)驗(yàn)過程：教師用小棒敲擊杯壁，用麥克風(fēng)采集聲音，在大屏幕顯示實(shí)時(shí)采集結(jié)果。A杯音高為 2105Hz，B 杯音高為 2312Hz，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采集誤差均在10Hz以內(nèi)，證明 B杯比A杯音高。

表1

后續(xù)研究：教師提出課外制作一套樂器，告訴學(xué)生音高頻率，如表1所示，讓學(xué)生自己下載軟件，學(xué)習(xí)調(diào)試方法，在家用各種材料調(diào)試制作，均取得了理想的效果。

反思：在課堂教學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)不能解決問題的時(shí)候，巧妙利用虛擬軟件測量聲音頻率，順利解決了音高判斷問題，通過直觀的測試數(shù)據(jù)和圖像對音高進(jìn)行了本質(zhì)上的探索。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還提高了學(xué)生的研究興趣和應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，由于計(jì)算機(jī)在家庭中的普及，不少學(xué)生成功制作了個(gè)性樂器，學(xué)生的探究意識(shí)得到了發(fā)揮，讓探究延伸到了課外，讓學(xué)生更樂于去實(shí)踐。由于此虛擬實(shí)驗(yàn)還帶有噪音強(qiáng)度測試功能，不少學(xué)生還對周圍環(huán)境進(jìn)行了噪音測試，更為降低環(huán)境噪音、保護(hù)自己身體起到了積極作用。

三、以“電學(xué)”單元為例，看課外如何利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)探究

根據(jù)教材安排，四年級(jí)學(xué)生進(jìn)入“電學(xué)”單元的學(xué)習(xí)，在課外探究中，存在以下問題：一是材料來源，無實(shí)驗(yàn)室燈座、電池座兒等專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，市場上也無相應(yīng)元件出售，一切自己動(dòng)手制作，顯得難度頗大。二是無人指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)過程極易出錯(cuò)，也存在短路、發(fā)熱、電池爆裂等隱患。

教學(xué)策略：虛擬實(shí)驗(yàn)“電路”很好地解決了這個(gè)難題。（www.zjxxkx.com/dian.rar）筆者設(shè)計(jì)的電路功能實(shí)驗(yàn)中，包含6個(gè)燈座及燈泡、4個(gè)單刀開關(guān)、2個(gè)雙刀開關(guān)、4個(gè)1.5V電源、1個(gè)6V電源，足以開展 “電學(xué)”單元中所有實(shí)驗(yàn)，虛擬電路實(shí)驗(yàn)采用積木式搭建，方便學(xué)生操作。例1，簡單電路連接實(shí)驗(yàn)。用鼠標(biāo)拖出一個(gè)電池，一個(gè)燈座，用鼠標(biāo)單擊電池上的正負(fù)極即可引出連接導(dǎo)線到燈座上，若小燈泡發(fā)光，電路連接正常，若發(fā)生短路，電路則自動(dòng)提示。例2，并聯(lián)、串聯(lián)電路設(shè)計(jì)。利用其中的兩個(gè)燈座、兩個(gè)電池即可實(shí)現(xiàn)電路的串、并聯(lián)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，如果電壓超過了小燈泡耐壓值，小燈泡和現(xiàn)實(shí)情況一樣，會(huì)被立即燒毀，無法再使用。

反思：電學(xué)在小學(xué)科學(xué)中有整整一個(gè)單元，學(xué)生在學(xué)習(xí)了簡單電路的相關(guān)知識(shí)后，往往會(huì)對電路產(chǎn)生濃厚的興趣。在本虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生有機(jī)會(huì)在課外親自 “動(dòng)手操作”，可以任意發(fā)揮自己的想象，構(gòu)建不同的電路，還能檢測設(shè)計(jì)的電路圖是否準(zhǔn)確，檢查設(shè)計(jì)中的電路故障等。虛擬“電路材料”充足，不怕?lián)p壞，操作方便，為學(xué)生的繼續(xù)探究打下了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)，探究主動(dòng)性得到充分發(fā)揮。

綜上所述，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軓浹a(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之不足，更有利于學(xué)生開展科學(xué)探究。未來是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)更加成熟的時(shí)代，虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用將進(jìn)一步拓展其廣度和深度，我們應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，在教學(xué)中不斷嘗試和改進(jìn)，讓虛擬實(shí)驗(yàn)更好地為教學(xué)服務(wù)。

（編輯：王天鵬）

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1673-8454（2012）06-0046-03