基于双模态实验的小学科学思维进阶路径研究

引言

小学科学教育是培养学生科学思维的关键阶段，然而传统实验教学受限于单一模态的局限性，难以充分激活学生的探究潜能。例如，在“植物生长条件”实验中，学生往往仅能通过肉眼观察记录数据，难以理解光照、温度等变量的动态交互关系；在“电路故障排查”任务中，实体电路板的不可逆操作限制了学生的试错空间，导致其难以形成系统化的分析思维。双模态实验通过整合“实物操作”与“数字技术”两种模态，为科学思维进阶提供了新路径。

一、基于双模态实验的小学科学思维进阶的特点

（一）多模态协同强化认知深度

双模态实验通过整合实物操作与数字技术，形成“具身认知—虚拟仿真”的协同学习模式，有效突破单一模态的局限性。例如，在“植物生长条件”实验中，学生先通过实体种植观察不同光照、湿度对种子发芽的影响，再利用虚拟仿真软件模拟极端环境（如无光、低温）下的生长数据，对比分析后提出“光照强度与温度存在交互作用”的假设。这种跨模态的对比学习，不仅强化了学生对变量控制的理解，还促使其从经验归纳转向理论推导，形成“假设—验证—修正”的科学思维闭环。研究表明，双模态实验组的科学推理能力较传统实验组提升，尤其在抽象概念（如能量转化、生态平衡）的教学中，动态可视化工具与实体模型的结合使概念理解错误率降低。

（二）动态交互促进思维迭代

双模态实验支持学生基于实时数据调整实验方案，形成“操作—反馈—优化”的迭代思维。例如，在“电路故障排查”任务中，学生结合实体电路板与数字仿真软件，通过“故障现象观察—虚拟电路模拟—方案对比验证”的流程，逐步掌握“短路”“断路”的判断方法。若实体电路板出现异常，学生可立即在虚拟环境中复现问题，并通过调整参数（如电阻值、电压）观察电流变化，最终归纳出“欧姆定律”的应用规律。这种动态交互不仅提升了学生的问题解决能力，还培养了其基于数据驱动的批判性思维。数据显示，双模态实验组的模型建构与修正能力得分显著高于单一模态组，尤其在复杂系统（如生态系统、电路网络）的分析中表现突出。

（三）跨学科融合拓展思维边界

双模态实验为跨学科知识整合提供了平台，例如在“火山喷发模拟”项目中，学生结合地理学的岩浆运动、化学的酸碱反应与编程的传感器控制，设计出可监测温度、气体浓度的智能模型。通过实体模型（如小苏打与醋的化学反应）与虚拟仿真（如岩浆流动路径预测）的结合，学生不仅理解了火山喷发的科学原理，还掌握了跨学科建模的方法。这种融合式学习打破了学科壁垒，促使学生从单一视角转向系统思维，例如在分析“火山灰对气候的影响”时，学生需综合地理、物理、生物等多学科知识，提出“火山灰反射阳光导致全球降温”的假设。研究显示，跨学科双模态实验能显著提升学生的创新思维与综合应用能力。

（四）个性化学习路径支持思维进阶

双模态实验通过数字技术记录学生的操作数据与思维轨迹，为个性化学习提供支持。例如，在“斜面省力原理”教学中，虚拟仿真软件可实时追踪学生的实验参数（如斜面角度、物体重量），并生成“省力效果—角度关系”的动态图表。若学生多次尝试后仍无法理解斜面与摩擦力的关系，系统可自动推送相关案例（如不同材质斜面的摩擦系数对比），或调整实验难度（如增加变量复杂度）。这种基于数据的个性化反馈，不仅帮助学生突破思维瓶颈，还促使其从低阶思维（如记忆、理解）向高阶思维（如分析、创造）跃迁。实践表明，双模态实验组的元建模知识（如模型评估、迭代改进）得分显著高于传统组，尤其在复杂问题解决中表现出更强的自主性与灵活性。

二、基于双模态实验的小学科学思维进阶存在的问题

双模态实验需要整合实物操作与数字技术，但目前许多学校在资源配备上存在短板。一方面，实验器材的更新换代速度较慢，部分学校仍使用老旧设备，难以满足数字化实验的需求，例如一些传感器精度不足，无法准确采集数据，影响实验结果的可靠性。另一方面，数字技术平台的搭建与维护需要专业人员支持，而部分学校缺乏相关技术人才，导致虚拟仿真软件无法及时更新，甚至出现系统故障，影响教学进度。此外，资源整合的缺乏还体现在跨学科内容的融合上，例如在模拟火山喷发实验中，地理、化学与编程知识的结合需要丰富的素材库和跨学科教学团队，但现实中这类资源往往分散且难以共享，限制了双模态实验的深度与广度。

（二）教师能力与培训滞后

双模态实验的成功实施依赖教师的跨学科素养与技术应用能力，但当前教师培训体系尚未完全适应这一需求。许多教师习惯于传统实验教学模式，对数字技术工具（如虚拟仿真软件、传感器编程）的操作不够熟练，导致在实验过程中无法及时解决技术问题，影响教学流畅性。此外，教师在设计双模态实验时，往往缺乏对跨学科知识的系统整合能力，例如在“生态瓶制作”项目中，难以将生物学、化学与编程知识有机结合，导致实验设计流于表面，无法引导学生深入探究。培训滞后还体现在教师对双模态实验的评价能力不足，难以通过数据分析学生的思维发展轨迹，从而无法提供个性化的反馈与指导。

（三）学生适应性与参与度差异

双模态实验要求学生具备较高的信息处理与操作能力，但学生在技术接受度与认知水平上存在显著差异。部分学生因缺乏数字设备使用经验，在操作虚拟仿真软件时感到困惑，例如在“电路故障排查”实验中，无法快速掌握软件界面与操作逻辑，导致学习效率低下。另一方面，部分学生习惯于被动接受知识，在双模态实验中缺乏主动探究意识，例如在“火山喷发模拟”项目中，仅满足于完成教师布置的任务，而不愿深入思考变量间的复杂关系。此外，学生的参与度还受实验设计趣味性的影响，若实验任务过于枯燥或脱离生活实际，学生容易产生倦怠情绪，影响思维进阶的效果。

（四）评价体系与标准不完善

双模态实验的评价需兼顾过程性数据与结果性表现，但当前评价体系仍以传统纸笔测试为主，难以全面反映学生的思维能力发展。例如，在“种子发芽条件探究”实验中，教师往往仅通过实验报告的完成度评价学生，而忽视学生在虚拟仿真平台中的操作轨迹与数据分析能力，导致评价结果片面化。此外，评价标准的模糊性也制约了双模态实验的推广，例如在“电路连接”实验中，如何界定学生“批判性思维”的发展水平缺乏明确指标，教师难以给出客观评价。评价体系的滞后还体现在对跨学科能力的忽视上，例如在“火山喷发模拟”项目中，学生整合地理、化学与编程知识的能力未被纳入评价范围，导致教学目标的偏离。

三、基于双模态实验的小学科学思（一）构建“虚实共生”探究环境

通过实体实验与虚拟仿真的无缝衔接，为学生提供多模态学习体验。例如，在“植物向光性”实验中，学生先在教室种植绿豆苗，用实体装置记录每日光照角度与茎秆弯曲方向，再利用虚拟仿真软件模拟不同光照强度下的生长轨迹。对比发现，实体观察中部分学生因环境干扰（如窗台遮挡）数据偏差较大，而虚拟仿真可精确控制变量，两者结合促使学生思考“实验误差来源”与“数据可靠性”教师进一步引导学生设计改进方案，如用遮光罩替代自然光，或调整虚拟环境中的光周期参数，最终帮助学生归纳出“生长素分布不均导致向光弯曲”的结论。这一过程不仅强化了变量控制意识，还培养了学生基于多模态数据修正假设的能力。

（二）设计“问题链”驱动探究深度

以层层递进的问题链引导学生从现象观察到本质推理。例如，在“电路故障排查”任务中，教师先提出基础问题：“如何判断灯泡不亮是断路还是短路？”学生通过实体电路板尝试连接，发现仅凭肉眼无法定位故障点。随后引入虚拟仿真软件，展示电流路径的动态可视化，并抛出进阶问题：“若同时存在接触不良与电压不足，如何设计实验区分？”学生需在虚拟环境中调整电阻值与电源参数，记录不同组合下的电流变化，最终提出“分段检测法”与“电压梯度分析法”这种问题链设计促使学生从单一操作转向系统分析，逐步形成“现象—假设—验证”的思维链条。

（三）实施“迭代式”模型建构

鼓励学生通过实体建模与虚拟验证的反复迭代优化认知模型。例如，在“火山喷发模拟”项目中，学生先用黏土、小苏打和醋制作实体火山模型，观察喷发高度与材料比例的关系，但难以量化气体生成速率。随后转入虚拟仿真平台，输入不同岩浆黏度、气体含量等参数，模拟喷发形态与冲击力。通过对比实体与虚拟结果，学生发现“实体模型中气体释放过快导致喷发不持续”，进而提出改进方案：在虚拟环境中调整气体释放速率，再反馈至实体模型中优化材料配比。这种迭代过程帮助学生从经验模型过渡到科学模型，深化对“物质变化与能量释放”的理解。

（四）开展“跨学科”项目整合

以双模态实验为载体整合多学科知识。例如，在“智能生态瓶”项目中，学生需结合生物学（水生植物生长条件）、化学（水质酸碱度监测）与编程（传感器数据采集）知识。实体部分，学生种植水草并投放小鱼，观察生态平衡；虚拟部分，利用编程软件设计自动补光与投喂系统，并通过传感器实时监测溶解氧与pH 值。当实体生态瓶出现藻类爆发时，学生借助虚拟仿真分析光照强度与氮磷含量的关系，提出“调整补光时间”与“减少鱼食投放”的解决方案。这一过程促使学生从单一学科视角转向系统思维，理解科学、技术与工程的协同作用。

（五）推行“协作式”思维共享

通过小组合作与跨组交流促进思维碰撞。例如，在“斜面省力原理”实验中，学生分组探究不同材质斜面的摩擦力差异。实体环节，各组用木板、砂纸等材料搭建斜面，测量拉力数据；虚拟环节，利用仿真软件输入摩擦系数与斜面角度，生成省力效果曲线。随后开展“思维共享会”，某组发现“砂纸斜面虽摩擦力大，但省力效果随角度增加而提升”，另一组则提出“虚拟模型中未考虑物体质量的影响”。通过对比不同小组的数据与假设，学生共同修正了“省力效果仅与角度相关”的片面认知，最终归纳出“省力效果是角度、摩擦系数与物体重量的综合结果”。这种协作模式培养了学生的批判性思维与倾听能力。

（六）建立“动态化”评价机制

基于双模态数据实现过程性评价，为科学教育提供了精准化、动态化的评估路径。在“种子发芽条件”实验中，教师借助虚拟平台捕捉学生的操作轨迹，如温度与湿度参数的调整频次、错误类型（如误设极端值、变量混淆）等，同时结合实体实验报告中的观察记录、结论逻辑性，综合判断其科学推理能力。例如，某学生虽在虚拟环境中表现出较强的变量控制意识，通过反复调试参数探索最优条件，但在实体实验中因疏忽未及时浇水导致种子死亡，教师据此指出其“实验操作规范性不足”，并引导其反思“虚拟与现实操作的差异”，帮助其建立严谨的实验习惯。此外，教师通过引入自评与互评机制，如在“电路设计”任务中，要求学生基于虚拟仿真中的电流路径图，分析同伴电路方案的合理性并提出改进建议，促进学生从被动接受评价转向主动参与思维对话。这种动态评价机制将思维过程可视化，既关注结果的科学性，更重视学生在实验设计、数据解读、问题修正中的反思能力，为科学思维进阶提供了持续反馈与改进方向。

基于双模态实验的小学科学思维进阶，通过融合实物操作与数字技术，为科学教育注入了新的活力。它不仅打破了传统实验的单一模态局限，更以“虚实共生”的协同模式，为学生提供了从具象感知到抽象推理的思维进阶路径。在实践中，双模态实验通过创设跨学科情境、设计问题链、迭代模型建构、整合多学科知识、推动协作共享与动态评价，有效促进了学生科学思维从低阶向高阶的跃迁。例如，在“火山喷发模拟”中，学生从实体模型中观察现象，到虚拟仿真中分析数据，再到跨学科整合中提出创新方案，最终实现了从“经验模仿”到“理论创新”的思维升级。

参考文献

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