张新华  (双流老科协工经科委)  

          小学科学课程是一门体现科学本质的综合性基础课程，能帮助学生建立科学概念和发展科学思维品质。科学课以观察和实验为主要学习方式，可在引导学生自觉运用科学逻辑思维模式、深刻领悟科学思想、科学创新，是提升他们的创新能力和综合素养的有效途径。本文就课堂实验与虚拟仿真之间的关系通过实验方式的分析、比较，认为它们之间的关系是互相补充的关系，不是替代的关系。

        一、引言

       习近平主席在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告中指出：“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支持。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力。深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势。”

       2023年5月，教育部等十八部门联合发布的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》中指出，要“探索利用人工智能、虚拟现实等技术手段改进和加强实验教学，弥补优质教育教学资源不足的状况。”

       在当今数字化时代，人工智能已经成为推动社会发展的重要力量。人工智能、虚拟仿真作为技术支持应用到小学科学课堂中，不仅可以丰富教学资源、创新教学方法，还能够更好地激发学生的探究兴趣，提升学生的科学素养和综合能力。

       小学科学课程是一门体现科学本质的综合性基础课程，能够帮助学生建立科学概念和发展科学思维品质。科学概念是个体在有计划、有目的、有方向的学习过程中形成的，是对自然、社会或思维现象中本质属性和基本规律的抽象反映，是科学思想的基本元素，也是构建科学体系的“细胞”。小学科学课程以观察和实验为主要的学习方式，可以在帮助学生建立科学概念的过程中发展他们的科学探究思维，是引导学生自觉运用逻辑思维模式、深刻领悟科学思想、提升他们的动手能力和综合素养的有效途径。

        二、虚拟仿真实验的教学优势

        在人工智能迅猛发展的今天，虚拟仿真实验教学也走进了科学教育的大家庭中。虚拟仿真实验是一种基于互联网技术的线上操作平台，旨在为一线的科学教师提供一个线上和学生互动和探究的空间。它有独到的教学优势，主要体现在以下几个方面：

     （一）打破时空限制，拓宽教学实践平台

       虚拟仿真实验能够打破时空的限制，为小学科学课教学提供大量的优质的教学资源。能把物体内部构造、物体的运动方式展现在学生眼前。如地球的地核、地幔、地壳的排列、地球上春、夏、秋、冬是什么因素形成的、生物界分类的根据、拱桥的载重量为什么比平桥的载重量大、植物吸收养料的“嘴”长在植物的什么位置等，虚拟仿真实验可以解决上述难题。

     （二）可视化抽象的微观世界

       利用虚拟仿真实验技术可清晰看见分子的排列规则、电流的运动方向、细胞一变二、二变四的分裂情景、植物根系、茎的分工运作、含有淀粉的物体与碘酒“见面握手”后发生变化的过程、磁力线的排列方向等等。这对于学生理解抽象的微观概念具有重要意义。

     （三）不受场地器材限制，可重复使用

       虚拟仿真实验不受场地、水、电限制，无需准备实验操作器材，一次搭建可以重复使用多次。这大大降低了实验教学的成本，也减轻了教师的备课负担。

      （四）安全风险小，适用范围广

        虚拟仿真实验安全风险小，不必担心触电、烧伤的危险。电脑手机可以随时操作。有毒、辐射、爆炸、深水作业均可以仿真模拟，是理想的科研工具和教学辅助手段。

       三、课堂实验与虚拟仿真实验的对比分析

       笔者从事小学科学教学多年，对有些实验课课题不能在课堂里展示实验现象是深有体会。下面结合具体的教学案例，对课堂实验与虚拟仿真实验进行对比分析。

     （一）生物学实验案例：植物茎的运输作用

       小学科学课程里，有不少的单元是生物学的基础知识。生物学是一门依托于实验研究的学科。该学科的基本素养涵盖生命意识、逻辑思维、动手实践及责任感四个维度，构成了不可替代的教育意义。小学科学教材中，从种子的结构、种子的萌发条件、种子植物的六大器官、草质茎、木质茎的区分、落叶树与长青树的不同生长规律、叶子的不同形状、细胞在显微镜下的排列方式、植物果实与非果实的区别等等，从多角度揭示了生物界中植物的特性。

        1. 课堂实验设计

        植物结构告诉我们：植物的茎是“运输大队长”。它主要的工作职责是把根部吸收到的水分和养料按照自己的运作方式输送到植物的各个部位，为植物的健康生长提供营养。怎样才能让学生理解“运输大队长”的工作原理，笔者设计了一个观察实验装置。

       实验器材：一支带有枝条的新鲜的白色菊花（枝条留12厘米长）、一块小刀片、一瓶红墨水、一瓶蓝墨水（均为55毫升）、两个同样大小的集气瓶（不要瓶盖）。

       实验方法：用小刀片把白菊花的枝条从中间剖开，把剖开的白菊花的枝条分别插入装有红、蓝墨水的集气瓶里，静置观察。

       实验结果：三小时后，白色菊花边缘的花瓣出现了两种颜色，红色和蓝色。取出白菊花枝条观察，枝条的木质部分有一条条红色、蓝色的竖线。

        2. 虚拟仿真实验的优势

       实验虽然成功，但学生观察到的实验现象要等几个小时，当堂课不能完成。若采用虚拟仿真技术的方法展示这个实验，效果完全不一样。学生能够直观地观察到菊花枝条（木质）茎输送养料的过程：导管（木质部）往上运水和无机物；菊花枝条内部的筛管（韧皮部）往下运叶片制造的有机物（养料）。茎里面的导管和筛管一上一下默契配合，为菊花的繁茂生长提供了丰富的营养。

       （二）物理学实验案例：磁铁的秘密

        小学科学课是一门实践性很强的学科。在学习过程中离不开实验。实验对小学生理解科学本质，掌握世界万物运行规律有不可缺少的作用。爱玩爱捣鼓是小学生的天性。他们在玩的过程中也在积累常识。

        1. 课堂实验的开展

      《磁铁的秘密》是小学生很喜欢的课程，使他们系统学习磁铁的性质、磁铁的两极、磁铁同异表现、磁铁穿透力、磁化现象、磁铁的运用六个基本知识要点。学生在实验操作中大显身手，各显神通，按照自己的思路，检测磁铁的多面性。

       有学生把磁铁的一端对准实验桌上的纸屑、小木块、回形针、小萝卜钉、大头针等小物件，他们发现含有铁的小物件纷纷靠近磁铁的一端。按照老师的提示，把两颗回形针放入装有清水的烧杯里，回形针沉入杯底。用条形磁铁的一端在烧杯的外壁和在烧杯沉入杯底的回形针“打招呼”，回形针乖乖地随磁铁从杯底向烧杯上端“行走”。

       还有学生发现磁铁的一个“怪”毛病，S极和N极相见，分外亲切，久久握手不松开；而N极和N极相见，如同仇人一般，多远就开始回避。磁铁两极的“号召力”很强。以蹄形磁铁为例，把它放进一堆小铁钉中，小铁钉们呼啦呼啦往蹄形的两端跑去。蹄形磁铁的弯曲部位几乎没有小铁钉光顾。

        2. 课堂实验的局限与虚拟仿真的补充

        学生在实验过程中并非一帆风顺的，也有意想不到的阻碍。为使小学生进入初中后能对磁铁的性能做深入的探究，笔者引入了磁场的概念。用通俗的语言告诉学生：磁场是一个看不见摸不着但又存在磁铁周围的特殊物体。磁场的本领比较大，刚才你们做实验时观察到的现象，磁铁隔空把烧杯底部的回形针不用任何接触吸上来了，这种隔空的作用力就是磁场传递的。

       学生听了讲述，眼睛显示出迷惘的表情。由于小学生的空间思维限制，对磁场的存在持有怀疑态度。他们提出了以下问题：磁场是正方形的还是长方形的？磁场有厚度吗？磁场的判断方法是什么？听了这些问题，教师往往一筹莫展，只好告诉学生，你们可以在课外书籍中去找答案，在进入高一级学校后做深入的探究，你们就明白了。

        这个问题，若采用虚拟仿真技术，把磁铁周围的磁力线形成的磁场展示出来，可以让学生清晰地看到含有铁性的铁屑是怎么自觉自愿"归顺"到磁铁周围的，并以线条的结构一圈一圈按照一定的方向不交叉、不重复的组合方式。

    （三）工程学实验案例：搭纸桥

       工程学的基础知识在小学科学课中也占有一定的比例。《搭纸桥》是一个集工程、数学、物理、搭建为主的跨学科实验课题。实验材料易找，操作程序简单。

       1. 课堂实验过程

        实验器材：100个用刀切好的胡萝卜圆片（厚度3mm）、两个高度相同的玻璃杯、半张A4白纸、一支书写笔、一个记录本、一把学生用的小直尺。

       桥是一种交通工具。从古到今桥的发展经历了发展创新的四个阶段：独木桥、栈桥、浮桥、桥梁。它的载重量随着桥的形状不断改变和受力分布状况增加了。我们用上面的器材模拟桥的载重量是如何发生变化的。

        第一次实验：将两个大小相同的无色玻璃杯当“桥墩”，两桥墩之间相距12cm，把半张A4白纸当“桥面”，搭成一座简易的“桥”。往桥面上放“重物”胡萝卜圆片。当放到第4个“重物”时，“桥面”垮塌。分析“桥面”垮塌的原因，是“桥面受力”不均衡造成的。

        第二次实验：改变“桥面”的结构，把平面的“桥面”改成凹形状，再往“桥面”上放“重物”。这次放上7个“重物”后，桥面仍然没有逃脱垮塌的厄运。看到这一状况，“设计者”和“施工者”快崩溃了。他们望着垮塌的“桥面”，不断思索，不断讨论寻找解决的办法。

       第三次实验：一把纸扇的结构给了学生的灵感。他们把“桥面”的结构改成了瓦楞形状“架”在桥面上，往上放“重物”。好家伙，眼前的情景让人不可思议，“桥面”上的“重物”胡萝卜圆片放了78个，“桥面”还是稳稳当当地“躺”在两“桥墩”上，丝毫没有垮塌的意思。

       为什么改变了“桥面”的结构，“桥”的载重量发生了意想不到的变化？设计者们分析了前两次“桥面”垮塌的原因：第一次的实验装置因“桥面”是平的，重量的压力集中在它身上，重力没有其它物体分担；第二次经过改进的“桥面”，重力被凹起的部分分担了一些，但受力不均衡，仍然改变不了垮塌的事实。当“桥面”设置为瓦楞形状后，受力情况大不相同了。瓦楞桥面通过波浪形的夹层板块结构承担了重力并分散到两端的“桥墩”上面，提升了“桥面”内抗弯、抗压力量。

         2. 虚拟仿真实验的拓展作用

       上述实验若采用虚拟仿真技术来展示，学生理解的知识量将更多。他们对重量产生的重力分散，迁移的途径会更加清楚、明了。尤其是重力的方向对承载体的压力就更加有数了。这些知识对他们自己设计玩具、设计游戏规则都有帮助。

        四、结论与展望

        在人工智能迅猛发展的今天，虚拟仿真技术也走到了科技前沿，走进了人们的学习、生活中。在成都举办的马拉松比赛中，我们看到了仿真机器人在跑步的人群中；2023年7月，成都举办的世界大学生运动会，为外籍运动员做美味佳肴的厨师竟然是仿真机器人。

       虚拟仿真技术的基础是虚拟仿真实验。虚拟仿真实验与课堂实验之间的关系不是替代关系，而是互相补充的关系。在小学科学课的教学中，到底采用哪种方式开展实验课教学，取决于教材本身。课堂实验能够培养学生的动手能力、观察能力和科学探究精神，让学生在亲身体验中感受科学的魅力；而虚拟仿真实验则能够突破时空限制，将抽象概念可视化，弥补课堂实验的不足。

       期盼虚拟仿真实验在小学科学课教学中发挥重要作用，扮演重要角色，为一线科学老师提供更加丰富和高效的教学手段，共同推动小学科学教育事业的发展。