情境理念下小学科学虚拟仿真实验教学策略探索

一、问题的提出：传统教学困境与技术赋能路径

小学科学“地球与宇宙”单元涉及天体运动、星空演化等抽象概念，传统教学面临三重困境：其一，模型静态化导致空间概念建构困难，如学生难以通过二维图片理解行星轨道的三维关系；其二，体验碎片化造成规律归纳低效，仅 23% 的学生能从孤立的天文现象中提炼周期性规律（2024 年课题组前测数据）；其三，思维浅表化制约科学素养发展，传统实验中 60% 的学生停留在现象观察层面，缺乏对原理的深度探究。

虚拟仿真技术的沉浸式交互特性为破解困境提供新路径。其通过可操作的数字情境，将“远在天边”的宇宙现象转化为“近在眼前”的探究任务，契合情境教育理念中“以情激趣、以境促思”的核心主张。苏州市规划课题《基于情境理念下小学科学虚拟仿真实验应用的实践研究》的中期数据显示，在“地球与宇宙”单元教学中引入虚拟实验后，学生模型建构正确率提升 28% ，高阶思维问题提出量增加 3 倍，初步验证了技术赋能的有效性。

二、情境理念下虚拟仿真实验的教学策略建构

（一）情境化导入：从“知识告知”到“任务驱动”

课堂导入的核心价值在于建立知识与学生经验的连接点。虚拟仿真实验通过创设具身化情境，将抽象概念转化为可操作的真实任务：

1.《八颗行星》的“家乡太阳系模型”情境：教师利用 NOBOOK 平台呈现张家港新塍小学的地理位置，引导学生思考“若在校园广场建造迷你太阳系，各行星的大小和间距该如何设计？”学生通过虚拟操作拖拽行星模型，实时查看直径数据（如木星直径是地球的 11 倍）和轨道距离（日地距离 1.5 亿千米需按 1:10^∘8 比例缩放），在解决真实问题的过程中自然习得行星基本属性。2.《夏季星空》的“社区观测指南”情境：借助观星 APP 输入本地经纬度，动态模拟 2025 年七夕节当晚的星空变化，教师布置任务：”为社区老人设计一份夏季星空观测手册，标注可肉眼观测的星座及最佳观测时间。”学生通过调节虚拟时间轴，发现天蝎座在 20:00 位于东南方、22:00 移至正南方的规律，主动记录关键星象特征。

（二）模型化探究：从“现象观察”到“规律建构”

科学模型建构是“地球与宇宙”单元的核心目标，虚拟实验通过参数可调的动态系统，为学生提供“假设 — 验证 — 修正”的探究支架：

1. 行星运行规律的双维度建模在《八颗行星》”公转周期与日地距离关系”探究中，学生先在虚拟系统中随意拖拽行星至不同轨道，观察周期变化并记录数据（如金星在 0.72 天文单位处周期 224 天，移至 1.5 天文单位处周期延长至 687 天）。系统自动生成散点图，提示“尝试用曲线拟合数据”，引导学生发现“距离的立方与周期的平方成正比”的开普勒第三定律雏形。当学生误将地球轨道调至水星内侧时，系统模拟出“极端高温气候”的警示场景，反向强化“轨道决定环境”的科学认知。

2. 星空变化机制的逆向验证《夏季星空》教学中，学生通过调节地轴倾斜角度（ (23.5° 0° 45° ），观察同一日期的星空差异：倾斜角为 0^∘ 时四季星空无变化，倾斜角过大则导致星座位置混乱。这种“正向操作观察 —逆向极端验证”的双路径探究，使 78% 的学生能自主归纳“地轴倾斜 + 地球公转”共同导致星空季节变化的原理，较传统讲授法的理解深度提升 60% （依据学生概念图分析）。

（三）沉浸式试错：从“害怕失误”到“主动探索”

虚拟实验的容错特性为科学思维发展提供安全场域。在《八颗行星》”太阳系稳定性”探究中，学生可故意设置“木星质量超地球 100 倍””火星轨道与地球交叉“等极端参数，观察到小行星带紊乱、行星碰撞等”灾难场景“，系统同步弹出科学解释：”真实太阳系经过 46 亿年引力平衡演化，每颗行星的质量和轨道都是精密‘ 计算‘ 的结果。”这种”错误操作 — 现象反馈 —原理关联“的机制，使学生试错次数从传统实验的 1.2 次提升至 4.3 次，且能从失误中提炼出”引力平衡是天体系统稳定的关键“ 等核心概念，相关知识保持率在三个月后仍达 82% （追踪测试数据）。

三、实践成效：基于证据的教学价值验证

（一）认知效能提升：从碎片化记忆到结构化理解

对比实验显示，采用虚拟仿真实验的班级，学生在“模型建构”维度得分（ (4.21±0.35) ）显著高于传统教学班级（ (3.12±0.41) ），尤其在“用模型解释现象”指标上优势明显（ t=5.28 ， p<0.01) 。

（二）探究能力进阶：从被动接受到主动创造

课题组观察到，虚拟实验环境中学生的高阶思维行为显著增加：课堂上主动提出“如果地轴倾斜方向改变，星空变化会如何？”等跨维度问题的频次达12.7 次 / 课时，是传统课堂的 3.2 倍；课后 26% 的学生尝试用 Scratch设计简易星象模拟程序，实现从“实验使用者”到“情境创造者”的角色转变。

四、反思与展望：在虚实融合中寻求教学平衡

虚拟仿真实验虽具显著优势，但需避免技术依赖。课题组发现，当《八颗行星》教学中融合实体模型观察（如用不同大小的球体代表行星）与虚拟参数调节时，学生对“行星体积与轨道无关”的理解正确率（91%）比纯虚拟教学高 13 个百分点。因此，建议遵循“三实一虚”原则：

·实体操作为基：简单安全的观察实验（如岩石分类、植物生长）保留真实器材操作，强化触感体验；

·虚拟实验破难：抽象动态的原理性实验（如板块运动、日食成因）借助虚拟系统突破时空限制；

·虚实结合增效：复杂综合的设计类实验（如温室大棚模型）先虚拟模拟优化方案，再实体制作验证。

未来研究将聚焦轻量化资源开发与智能评价系统构建，让虚拟仿真实验更好地服务于科学素养培养，真正实现“情境赋能、技术增效”的教学愿景。

本文系苏州市教育科学“十四五”规划 2023 年度青年教师专项课题“基于情境理念下小学科学虚拟仿真实验应用的实践研究”（课题编号：2023/Q/02/014/01）的研究成果之一。