虚拟实验与实物操作互补模式研究

引言

科学教育是培养学生科学素养、创新能力和实践能力的重要途径。实验作为科学教育的重要组成部分，能够让学生亲身体验科学探究的过程，加深对科学概念和原理的理解。传统的实物操作实验在科学教育中一直占据着主导地位，但随着科技的进步，虚拟实验逐渐兴起并得到了广泛的应用。虚拟实验具有成本低、安全性高、可重复性强等优点，但也存在缺乏真实感、学生动手能力培养不足等问题。因此，如何将虚拟实验与实物操作有机结合，构建互补模式，提高科学教育的质量和效果，成为了当前科学教育研究的一个重要课题。

1 虚拟实验与实物操作互补的重要性

虚拟实验与实物操作互补在科学教育及实践领域具有不可忽视的重要性。从知识理解层面看，虚拟实验能以直观、动态的方式呈现微观、抽象的科学概念与原理，帮助学生构建初步认知框架。而实物操作则让学生亲身感受实验过程中的真实物理现象和化学反应，加深对知识的感性认识，二者互补能使学生从不同维度深入理解知识。在能力培养方面，虚拟实验可提供大量模拟练习机会，锻炼学生的操作规划与问题预判能力；实物操作着重培养学生的动手实践能力、应变能力以及严谨的科学态度。二者结合，能全面提升学生的综合素养。

2 虚拟实验与实物操作实验的不足

2.1 感官体验与真实感缺失

虚拟实验借助计算机模拟呈现实验场景与过程，虽能展示实验现象，但与真实实验相比，在感官体验上存在明显差距。在真实实验中，学生能切实闻到化学药品的特殊气味，如浓盐酸挥发出的刺鼻气味，能真切感受到实验装置的质地、温度变化，像加热试管时手部感受到的热量传递。然而，虚拟实验仅能通过视觉和听觉呈现信息，无法给予学生这些丰富的感官刺激。这种感官体验的缺失，会让学生对实验的理解停留在表面，难以深入把握实验背后的物理、化学原理。

2.2 互动性与社交性不足

虚拟实验通常是学生独自在计算机前操作，缺乏与同学和教师的面对面互动。在真实实验环境中，学生可以分组合作，共同搭建实验装置、讨论实验方案、分析实验结果。在这个过程中，学生能够锻炼团队协作能力、沟通能力和表达能力。但在虚拟实验中，学生只能与虚拟环境进行交互，难以体验到这种真实的社交互动。例如在探究影响化学反应速率的因素实验中，实物操作时小组成员可以分工合作，有人负责改变反应物浓度，有人负责记录反应时间，大家在交流和讨论中不断优化实验方案。

2.3 实验误差与不确定性的简化

虚拟实验为了追求结果的准确性和可重复性，往往简化了实验过程中的误差和不确定性因素。在真实实验中，实验误差是不可避免的，如仪器的精度限制、环境条件的微小变化、人为操作的失误等，这些因素都会对实验结果产生影响。学生需要学会如何识别、控制和减小这些误差，从而提高实验的准确性和可靠性。然而，虚拟实验通常只呈现理想化的实验结果，学生无法体验到实验误差带来的挑战和思考。

3 虚拟实验与实物操作互补模式在教学中的具体应用策略

3.1 依据教学目标与内容，精准选择实验类型

在教学前，教师应深入剖析教学目标与具体内容，以此为依据精准选择虚拟实验或实物操作实验。对于一些抽象、微观且难以在现实中直观呈现的科学概念，如原子结构、DNA 分子的双螺旋结构等，虚拟实验能发挥巨大优势。借助计算机模拟技术，可生动展示原子内部电子的运动轨迹、DNA 分子的空间构型，帮助学生构建清晰的认知模型。而对于强调动手操作技能和真实物理、化学现象观察的实验，如化学实验中的溶液配制、物理实验中的电路连接与测量，实物操作实验则是首选。

3.2 构建融合式教学流程，实现无缝衔接

构建融合虚拟实验与实物操作的连贯教学流程至关重要。在课程导入阶段，可利用虚拟实验创设生动有趣的情境，激发学生的学习兴趣。例如，在讲解生态系统的能量流动时，通过虚拟实验模拟一个简单的生态系统，展示能量在各营养级之间的传递过程，引发学生的好奇心。随后，转入实物操作实验，让学生通过搭建实际的生态瓶模型，观察不同生物之间的相互关系和能量流动的实际表现，加深对理论知识的理解。

3.3 强化教师引导与支持，保障实验效果

在虚拟实验与实物操作互补模式的教学中，教师的引导与支持起着关键作用。在虚拟实验环节，教师要提前熟悉虚拟实验软件的操作流程和功能，为学生提供详细的操作指导。在学生进行虚拟实验时，教师要巡视观察，及时发现并纠正学生的错误操作，引导学生深入思考实验现象背后的原理。例如，在使用虚拟化学实验软件进行反应速率影响因素探究时，教师要引导学生分析不同条件下反应速率的变化规律，培养学生的科学思维能力。

3.4 完善多元评价体系，促进学生全面发展

建立完善的多元评价体系是确保虚拟实验与实物操作互补模式有效实施的重要保障。评价内容应涵盖学生在虚拟实验和实物操作实验中的各个方面，包括实验操作技能、科学探究能力、团队协作精神、创新思维等。

结语

综上所述，虚拟实验与实物操作互补模式是一种符合科学教育发展需求的教学模式。它充分发挥了虚拟实验和实物操作实验各自的优势，避免了其不足，能够为学生提供更加丰富、多样化的学习体验，提高学生的学习兴趣和学习效果。通过合理选择教学内容、科学设计教学流程和完善教学评价体系，虚拟实验与实物操作互补模式能够在科学教育中发挥重要的作用。

参考文献：

[1] 虚拟实验在小学科学实验教学中的实践[J]. 牛世保. 河南教育( 教师教育 ),2024(09)

[2] 虚拟实验支持下融合5E 模型的小学科学探究式教学模式研究[J].喻燕林; 刘健; 邓雅心. 中国现代教育装备,2024(14)