虚拟现实技术助力小学科学教学的探索

引言

小学科学教育是提升学生科学素养与培养创新能力的关键平台。然而，因实验环境、抽象内容描述以及地域资源差异等因素，教学效果面临诸多挑战。在数字化教育转型时期，虚拟现实技术作为一种拥有明显情境建构优势的新兴教育媒体，给弥补以往科学课教学的缺陷带来了可能。本文探讨虚拟现实技术在教育过程里的功能定位及其应用价值，旨在助力技术在教育领域发挥作用、引导教学方式的变革提供新的想法和思路。

一、虚拟现实技术助力小学科学教学的价值

虚拟现实技术在小学科学教学中有着多方面的作用，首先，能够突破时空限制与实物条件的局限，通过高仿真的虚拟环境为学生提供直观、安全的学习体验，尤其适用于微观现象、宏观过程或危险实验[1]；其次，虚拟现实技术有益于激发学生的科学兴趣和内在动力，其沉浸感和互动性可以营造富有吸引力的探究场景，让学生积极投入到知识构建中；此外，虚拟现实技术还可以实现个性化学习、自主探究，满足不同学生的学习节奏和认知风格，增强教学的适应性和包容性；最后，虚拟现实有益于把抽象的概念形象化，弥补小学生在认知发展过程中具体思维阶段的缺失，帮助其形成正确的科学表象和深层次的认知，从而对科学素养的早期培养给予重要的支撑。

二、虚拟现实技术应用于科学教学的实践路径

（一）以情境认知理论为指导，构建沉浸式科学探究环境

情境认知理论认为，知识的获取和应用离不开知识发生的具体情境，学习是个体在特定文化背景和活动情境中参与实践活动、逐步掌握知识的过程。虚拟现实技术独有的沉浸性、交互性和构想性，为小学科学教学创设高拟真、可参与的学习环境提供了技术基础，使学生能在接近真实的情境中主动建构科学概念，实现由“知道”到“理解”的认知深化。基于此，虚拟现实科学情境设计不能停留在简单的现象演示上，要致力于创造一个能激发学生主动探究、支持多角度观察和操作的整体性学习环境。以《透明与不透明》教学为例，教师可以借助虚拟现实技术搭建一个开放性的光学探索实验室，学生可以自主从材料库中选择不同的材料（如透明玻璃、半透明的油纸、不透明的金属板等）、选择不同的厚度（如薄纸和厚木板）物体，手持虚拟光源从不同角度照射，实时观察光线的穿透、散射、反射等细化现象。系统可以嵌入动态提示和引导性问题，如“尝试比较一束光穿过薄布与厚布时光斑的亮度与形状有什么不同”，让学生有意识地去进行系统对比和归纳。学生还可以尝试组合多种材料，探索复合结构对光线的控制作用，如尝试用透明、半透明、不透明材料组合制作一个“光线过滤器”，观察最终的透光效果，在解决问题的过程中深刻理解透明度不仅与材质本身属性相关，还受到厚度、层数以及结构安排的影响。这种虚拟现实情景把抽象的光学观念变成可把握、可试验、可发现的具身体验，有效弥补了传统教学中实验材料少、现象不可逆、存在安全风险等不足。

（二）遵循建构主义学习范式，设计渐进式虚拟现实学习序列

建构主义学习理论认为知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境下凭借他人帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的。建构主义强调学习的主动性、社会性和情境性，为虚拟现实技术在科学教学中的应用提供了理论指导。虚拟现实科学教学活动应该摒弃简单技术堆砌，设计符合学生认知发展的渐进式学习序列，让学习者在自主探索和意义建构过程中形成科学概念和探究能力[2]。以《物体传声》教学为例，学生对“声音是怎么通过物体传播的”往往只停留在表面，并不能建立起声波振动的微观概念。教师可设计三阶段的渐进式虚拟现实学习序列：感知体验阶段，学生借助虚拟现实设备踏入声波传播的微观世界，观看不同材质（如金属、木材、橡胶等）中声波振动的动态情况，系统用可视化手段把抽象的声波变成直观的波形图，学生能清楚看见声波在各种介质中的传播速度和衰减程度，形成对“传声需有介质”概念的初步认识。操作探究阶段，学生可自由挑选不同长度、粗细和材质的物体，拼凑成传声装置，利用虚拟声源检测传声效果，系统会给予即时的数据回馈，如声波强度、传播速度等参数，引导学生探寻影响传声效果的关键要素。在此探索过程中，学生要记录实验数据，比较各种方案的传声效果，逐渐总结出“材质密度越大传声效果越好”的科学规律。应用迁移阶段，教师可以给出真实的问题情境，如“给校园规划一个传声装置”，让学生用前面两阶段学到的知识规划传声方案，系统供应虚拟的测试环境，学生可以不断修改装置参数，直到实现传声效果最佳。

（三）融合虚实融合教学理念，建立“虚拟现实体验-现实实践”闭环

虚实融合教学理念源于体验学习理论，主张把虚拟环境和真实实践结合，形成完整的学习体验循环。该理论认为，学习是一个从具体体验出发，经过反思观察、抽象概括，再到主动实验的不断上升的过程。在小学科学教学里，虚拟现实技术不能完全代替实体实验，应成为传统实践的延伸和补充，二者相辅相成，形成虚实互补的功能闭环[3]。以《燃烧的秘密》教学为例，此教学内容涉及燃烧条件、燃烧过程的抽象概念，且存在一定的操作危险。教师可以规划“虚拟现实预体验-真实实践-反思提升”的教学闭环：第一阶段，学生借助虚拟现实系统步入虚拟实验室，自主探究燃烧所需的条件。系统供应氧气浓度、温度、可燃物等参数的调节手段，学生可凭借控制变量法规划实验计划，尝试在无氧条件下点燃纸张，或者观测不同温度下木材的燃烧情形。虚拟现实环境可直观表现燃烧进程中的氧气消耗、二氧化碳生成等微观变动，而且保证操作全然安全。第二阶段，学生在教师带领之下踏入实际实验室，按照虚拟现实环境里的认识执行实体实验操作，要标准运用酒精灯、火柴等实验工具，仔细观察真实的燃烧现象，把虚拟现实里的体会同实际燃烧状况进行对比，培育学生规范操作意识以及实验能力，通过真实体会燃烧产生的热量、光线等现象，加深对燃烧本质的认识。第三阶段，引导学生通过小组讨论、实验报告等形式，对比虚拟实验与真实实验异同点，反思燃烧条件的内在规律，尝试解释生活中常见的燃烧现象。这种虚实结合的教学方式，充分发挥了虚拟现实技术的可视性、安全性、可重复性方面的优势。

结束语：虚拟现实技术给小学科学教学带来了新的可能，其价值不只是在概念理解、兴趣激发方面，还在于给教育公平、资源优化提供了有效途径。后续要进一步加大对虚拟现实教学资源的系统开发力度，重视与传统教学的融合，避免技术应用脱离教学目的。关注教师技术应用能力的提升，完善相关的教学设计规范和评价机制，让虚拟现实技术真正成为促进小学科学教育高质量发展的有效助力。

参考文献：

[1]黄菊梅.数字化转型背景下如何提升小学科学教师教学能力[J].山西教育(管理),2025,(06):99-100.

[2]贺玉婷,刘锦锦.基于 AR 技术的小学科学教学模式构建研究[J].郑州师范教育,2025,14(03):10-15.

[3]姜姗.虚拟现实技术赋能的实验教学[J].小学科学,2025,(15):68-70.