〔摘 要〕 隨著信息技術(shù)與教育的深度融合，虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jià)值與實(shí)踐策略。本文通過文獻(xiàn)分析、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)踐與效果評(píng)估，揭示了虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)；《光的反射》；科學(xué)素養(yǎng)；教學(xué)設(shè)計(jì)

〔中圖分類號(hào)〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 A 〔文章編號(hào)〕 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(shí)驗(yàn)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(diǎn)問題。本文以《光的反射》一課為例，深入探討了虛擬實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)踐策略。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

虛擬實(shí)驗(yàn)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)。它能夠在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程，為學(xué)生提供一種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用具有以下幾個(gè)方面的價(jià)值。

提升學(xué)生科學(xué)認(rèn)知。虛擬實(shí)驗(yàn)可以通過模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)地參與到科學(xué)學(xué)習(xí)中來。

優(yōu)化教學(xué)過程。虛擬實(shí)驗(yàn)可以隨時(shí)隨地進(jìn)行，不受時(shí)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(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更加深入地了解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程和方法，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

二、《光的反射》的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

本研究以《光的反射》一課為例，設(shè)計(jì)了基于虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方案，并進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。在教學(xué)過程中，我們利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬了光的反射實(shí)驗(yàn)過程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)踐案例如下。

（一）分析學(xué)情，確立教學(xué)生長的起點(diǎn)

《光的反射》一課所屬的科學(xué)核心概念是“物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與相互作用”。具體學(xué)習(xí)內(nèi)容是：光遇到物體時(shí)，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，光的傳播方向會(huì)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(shí)做鋪墊，起到承上啟下的作用。

本課的教學(xué)對象是五年級(jí)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(jì)了三個(gè)活動(dòng)：通過陽光打靶活動(dòng)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(diǎn)；通過玩鏡子，制作潛望鏡等活動(dòng)，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(shí)際教學(xué)中，采用教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)存在幾個(gè)不足：陽光打靶活動(dòng)需要晴朗的天氣及陰暗分明的場地，如遇上陰天實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，學(xué)生缺少實(shí)驗(yàn)探究過程；通過演示方式講解潛望鏡的工作原理，難以實(shí)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(shí)驗(yàn)開展教學(xué)，實(shí)驗(yàn)條件及場地受限，學(xué)生探究時(shí)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(diǎn)：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(shí)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(huì)收集和整理數(shù)據(jù)，分析歸納實(shí)驗(yàn)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(diǎn)；理解表面粗糙的物體也會(huì)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(diǎn)。

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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。所采取的教學(xué)方法主要是：依托分組實(shí)驗(yàn)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(huì)用借助法獲取實(shí)驗(yàn)證據(jù)，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度的實(shí)驗(yàn)觀察法。在實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)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(jì)教學(xué)活動(dòng)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合對教材實(shí)驗(yàn)的分析，筆者將教材上的陽光打靶實(shí)驗(yàn)換成以激發(fā)學(xué)生興趣為出發(fā)點(diǎn)、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(gè)環(huán)節(jié)組成，這四個(gè)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(jì)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(xiǎn)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(huì)用到這個(gè)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(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(jì)意圖】通過真實(shí)的生活情境來導(dǎo)入新課，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，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(huì)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(jì)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(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行排序。在對比、分析和歸納的思維活動(dòng)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：幾乎每種物體都會(huì)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(shí)，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(shí)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(shí)驗(yàn)盒，探秘潛望鏡。

將靶心放置到Z型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)盒都成45度角時(shí)，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(shí)制作一個(gè)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(shí)驗(yàn)盒豎著立起來，就可以變身成為一個(gè)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(shí)，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(jì)為：畫一畫潛望鏡中光的傳播路線，鞏固光的反射知識(shí)的同時(shí)，初步體會(huì)建立光路模型的樂趣；利用家中廢棄材料動(dòng)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)入“光的反射”實(shí)驗(yàn)?zāi)K。學(xué)生依次進(jìn)行如下操作。

觀察演示實(shí)驗(yàn)：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(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置，采用探究發(fā)現(xiàn)教學(xué)法，利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行探究活動(dòng)，學(xué)生對本課的學(xué)習(xí)興趣及實(shí)驗(yàn)的興趣遠(yuǎn)高于按照教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)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(shí)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(xiàng)課題“互聯(lián)網(wǎng)+背景下虛擬實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”的成果，課題編號(hào)：FZ2023ZX062】

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]胡衛(wèi)平.在探究實(shí)踐中培育科學(xué)素養(yǎng)：義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀[J].基礎(chǔ)教育課程，2022（10）：7.