虚拟实验——实验教学的新途径

桑建辉

（余姚市马渚镇中心小学，浙江宁波 315450）

虚拟实验
——实验教学的新途径

桑建辉

（余姚市马渚镇中心小学，浙江宁波 315450）

虚拟实验是以计算机为基础的虚拟现实技术的应用研究，建立在一个虚拟的实验环境（仿真平台）之上，虚拟实验的逼真性和数据运算能力是传统的计算机模拟实验无法相比的，注重的是实验操作交互性和实验结果仿真性。文章分别就声音教学、简单电路教学、天文教学等方面作了教学案例讲述，将虚拟实验和传统实验相结合，能显著提高学生科学探究能力，将对科学课的教学带来深远的影响。

虚拟实验；计算机；科学课教学

实验是人类探索自然的基本方法，也是科学教学的主要方法之一。但传统科学实验是建立在有充足材料基础上的实验，如果缺乏材料支撑，科学实验就会无法正常开展。例如在六年级 “宇宙”单元的学习中，利用传统实验难以让学生展开探究、点燃他们的求知欲望；在四年级“声音”单元的学习中，传统实验可以让学生感受到声音的特征，但无法让学生认识到声音的本质特征是什么；在“电学”单元的学习中，学生脱离了实验室就无法获得充足的实验材料，陷入无法开展实验的尴尬等等。

虚拟实验具有传统实验不具备的几大优点：①仿真性，能实时展示实验过程，提高应用现代技术的能力；②可控性，能精确控制实验参数，科学分析数据；③开放性，缩小时空差距，让实验者可随时开展研究。在实际教学中，虚拟实验弥补了传统实验的不足，更有利于学生开展实验探究，实现人人参与、人人发展、人人享受成功的教育价值。

一、以“宇宙”单元为例，看虚拟实验在哪些教学内容中更“给力”

小学科学中，关于天文宇宙的教学一直是难点，这部分内容是让学生在感知的基础上，进行有关太阳系、星座、星系等模型的建构，形成对宇宙的初步认识，在头脑中形成有一定解释力的结构模型。开展过程中会遇到以下几方面的困难：一是教学时间和实际观察时间不一致，难以创设有效的探究情境，影响学生感知；二是客观存在的观察障碍，如天气、灯光等对观测带来的不良影响；三是夜间集体观察星空活动较难组织和开展。

有针对性的教学策略：虚拟天文软件Stellarium可实时显示当前星空，克服上述存在的困难，在学习中成为一大助力（http://www.zjxxkx.com/bbs/uploadfile/2008 -8/Stellarium.rar）。

Stellarium是一个专业天文虚拟共享实验软件，可以通过调整日期和时间，来看到不同季节的天空，屏幕上的星空效果和用肉眼观察到的真实星空是完全一致的，适合小学科学地球、宇宙等单元的学习。通过调整时间和观察地点，甚至还可以观察到太阳系的运动、星座运动、月相变化、日食过程等等。例如实现科学六年级 “宇宙”单元对月相变化的观察：在3D天空中找到月球，单击选中，按“空格键”定位到屏幕中间，用鼠标滚轮将月球放大到合适大小，按快捷键“J”、“K”、“L”调整时间变化的速率即可观察到月相的变化过程。又例如观察日全食的发生，在软件界面菜单中设定日食发生的时间，如2009年7月22日上午8点，将观察的目标定位于太阳，即可看到日全食的发生过程：一个黑影（月球）慢慢靠近太阳，逐渐和太阳边缘重合，这次日食从初亏到复原再到食甚历时2个多小时，但在软件中可以任意调整运行时间，将2个多小时的天文现象在短短的几分钟内演示完成，甚至还可虚拟出不同地点的偏食供学生探讨研究。

反思：本虚拟实验拉近了学生和星空之间的距离，突破了时空的限制，给学生一片完全 “真实”的星空，极大地激发了学生学习天文、了解天文的兴趣，也为教师教学天文方面的内容提供了便利。据几年来的实践经验，本虚拟实验不但适合六年级“宇宙”单元每课的学习，也适合开展兴趣小组活动。

笔者也根据多年实践，设计和搜集了一批虚拟软件，应用于物质科学、生命科学、地球和宇宙方面的教学，均取得了较好的效果。

二、以“声音”单元为例，看虚拟实验怎样和传统科学实验相结合

我们先来看一个教学片段：两个杯子，A杯盛放半杯水，B杯盛放小半杯，用一根小棒敲击，判断哪个杯子发出的声音高、哪个发出的声音低。学生多次实验后，产生了矛盾的说法，有人说是A杯音高，有人说是B杯音高，甚至还有部分学生对自己的实验结果产生了怀疑，一会儿说A杯音高，一会儿说B杯音高，因为此实验完全依靠自己的听觉器官判断，产生了很大的异议，找不到充分的实验证据，学生的争论毫无结果，最终实验草草收场。在浙江科学网中，也有多位教师多次提出，实验中没有明显的音高区别，除非经过专业的听音训练才能辨别声音的高低，也曾多次建议取消这个实验。连教师都感到困惑，如何让学生去判断声音的高低？在此时利用虚拟实验则可以弥补常规实验不足，轻松解决此类问题。教学策略如下：

虚拟实验准备：一个电脑用麦克风、一台电脑、一个声音频率软件。（见www.zjxxkx.com/kejian/频谱.rar）

实验原理：通过麦克风采集声音，在虚拟软件中对音波进行分析，实时显示声音的频率图像，频率（Hz）越高，音高越高。

实验过程：教师用小棒敲击杯壁，用麦克风采集声音，在大屏幕显示实时采集结果。A杯音高为 2105Hz，B 杯音高为 2312Hz，经多次实验，分析实验数据，采集误差均在10Hz以内，证明 B杯比A杯音高。

表1

后续研究：教师提出课外制作一套乐器，告诉学生音高频率，如表1所示，让学生自己下载软件，学习调试方法，在家用各种材料调试制作，均取得了理想的效果。

反思：在课堂教学常规实验不能解决问题的时候，巧妙利用虚拟软件测量声音频率，顺利解决了音高判断问题，通过直观的测试数据和图像对音高进行了本质上的探索。此项实验还提高了学生的研究兴趣和应用现代科学技术解决实际问题的能力，由于计算机在家庭中的普及，不少学生成功制作了个性乐器，学生的探究意识得到了发挥，让探究延伸到了课外，让学生更乐于去实践。由于此虚拟实验还带有噪音强度测试功能，不少学生还对周围环境进行了噪音测试，更为降低环境噪音、保护自己身体起到了积极作用。

三、以“电学”单元为例，看课外如何利用虚拟实验进行科学探究

根据教材安排，四年级学生进入“电学”单元的学习，在课外探究中，存在以下问题：一是材料来源，无实验室灯座、电池座儿等专用实验设备，市场上也无相应元件出售，一切自己动手制作，显得难度颇大。二是无人指导，实验过程极易出错，也存在短路、发热、电池爆裂等隐患。

教学策略：虚拟实验“电路”很好地解决了这个难题。（www.zjxxkx.com/dian.rar）笔者设计的电路功能实验中，包含6个灯座及灯泡、4个单刀开关、2个双刀开关、4个1.5V电源、1个6V电源，足以开展 “电学”单元中所有实验，虚拟电路实验采用积木式搭建，方便学生操作。例1，简单电路连接实验。用鼠标拖出一个电池，一个灯座，用鼠标单击电池上的正负极即可引出连接导线到灯座上，若小灯泡发光，电路连接正常，若发生短路，电路则自动提示。例2，并联、串联电路设计。利用其中的两个灯座、两个电池即可实现电路的串、并联设计。当然，如果电压超过了小灯泡耐压值，小灯泡和现实情况一样，会被立即烧毁，无法再使用。

反思：电学在小学科学中有整整一个单元，学生在学习了简单电路的相关知识后，往往会对电路产生浓厚的兴趣。在本虚拟实验中，学生有机会在课外亲自 “动手操作”，可以任意发挥自己的想象，构建不同的电路，还能检测设计的电路图是否准确，检查设计中的电路故障等。虚拟“电路材料”充足，不怕损坏，操作方便，为学生的继续探究打下了扎实的研究基础，探究主动性得到充分发挥。

综上所述，应用虚拟实验能弥补传统实验之不足，更有利于学生开展科学探究。未来是虚拟实验技术更加成熟的时代，虚拟实验的应用将进一步拓展其广度和深度，我们应当密切关注虚拟实验技术的发展，在教学中不断尝试和改进，让虚拟实验更好地为教学服务。

（编辑：王天鹏）

G623.6

A

1673-8454（2012）06-0046-03