“虚实结合”模式下虚拟实验助力小学科学实验教学的实践探索——以“点亮小灯泡”一课为例
来源：本站 作者：牛世保 发表于：2025.09.30 920浏览
文/牛世保 周口市闫庄小学 中小学高级教师
摘 要：随着教育信息化的不断推进，虚拟实验在小学科学教学中的应用愈发广泛。本文以“虚实结合”为核心，聚焦中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统（简称“央馆虚拟实验”）在小学科学实验教学中的实践，详细阐述其应用策略与成效。以点亮小灯泡实验为例，深入剖析如何通过央馆虚拟实验创设情境、突破重难点、培养学生能力，同时探讨“虚实结合”模式存在的问题与改进方向，旨在为小学科学实验教学的创新发展提供有益参考。
关键词：央馆虚拟实验；小学科学；虚实结合；点亮小灯泡
小学科学课程作为培养学生科学素养的重要启蒙课程，实验教学是其关键组成部分。传统实验教学受诸多因素限制，如实验器材不足、实验现象不明显、实验周期长等，难以充分满足学生的学习需求。在小学科学实验教学中，“虚实结合”模式强调以真实实验为基础，虚拟实验为辅助，二者并非相互替代，而是互为补充的关系。虚拟实验通过多媒体、计算机和互联网等技术手段，将现实实验中的资源、操作过程和现象进行虚拟化仿真，使学生能够在安全、可控的环境中完成实验操作[1]。这种模式的核心理念在于“能实不虚、以虚补实”，即在能够进行真实实验的情况下优先选择真实实验，而在真实实验难以实现或存在局限性时，利用虚拟实验弥补不足。中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统（简称“央馆虚拟实验”）依托先进的信息技术，如AI、3D、VR等，为小学科学实验教学开辟了新路径。本文以点亮小灯泡这一典型小学科学实验为例，深入探究央馆虚拟实验在小学科学实验教学中的应用。
一、央馆虚拟实验概述
1.央馆虚拟实验的特点
央馆虚拟实验具有高度仿真性，能利用3D技术精确模拟实验场景、实验仪器以及实验现象，为学生营造身临其境的实验氛围。例如，在“点亮小灯泡”实验中，学生可以通过虚拟实验平台自主设计电路并观察实验结果，这种互动式学习方式极大地提高了学生的参与度和积极性[2]。如认识小灯泡时可以引导学生从不同的角度来认识小灯泡的各个部分名称及其作用（如图1—图6）。该实验还具有交互性强的特点，学生可通过鼠标、键盘或触摸屏幕等方式，自主操作虚拟实验仪器，改变实验条件，如调整电池数量、导线连接方式等，观察不同操作下实验现象的变化。这一过程可充分调动学生的学习主观能动性。此外，央馆虚拟实验打破了时间与空间的束缚，支持学生无论身处教室、家中还是其他场所，只要具备网络环境和终端设备，即可随时开展实验，且可多次反复进行，为学生提供了充足的实践机会。
2.央馆虚拟实验在小学科学教学中的优势
央馆虚拟实验能够有效解决传统实验教学中的难题。在传统实验中，由于实验器材数量有限，难以保证每位学生都能充分参与操作，而央馆虚拟实验让每个学生都拥有专属的“实验台”，确保人人都能动手实践。对于一些操作复杂、危险性高的实验，如涉及强电、强酸强碱等实验，在虚拟环境中进行可保障学生安全，同时又能让学生了解实验原理与过程。虚拟实验还可通过动画、视频等形式，将抽象的科学知识直观呈现，助力学生理解。例如，在讲解电流概念时，可通过虚拟动画展示电流在导线中的流动路径（如图7），变抽象为具体。并且，央馆虚拟实验系统具备丰富的实验资源，涵盖小学科学各个领域，能满足不同教学内容与教学方法的需求，极大地拓展了实验教学的广度与深度。
图7 电流在电路中的流动路径
二、“虚实结合”在点亮小灯泡实验教学中的应用策略
1.课前利用虚拟实验创设情境，激发兴趣
在点亮小灯泡实验教学前，教师借助央馆虚拟实验创设生动有趣的情境。比如，通过虚拟场景展示夜晚城市灯火辉煌的景象，引导学生思考灯泡发光的原理，激发学生对点亮小灯泡实验的好奇心与探究欲望。随后，利用虚拟实验展示不同类型的灯泡以及生活中常见的电路连接实例，让学生对即将开展的实验有初步认识，为课堂教学做好铺垫。在这个过程中，教师可设置一些简单问题，如“你知道生活中有哪些地方用到了灯泡？”“这些灯泡是如何亮起来的？”，引导学生观察思考，增强学生参与感。
2.课中利用虚实结合突破重难点
（1）知识讲解与虚拟演示结合
在讲解点亮小灯泡实验所涉及的知识，如小灯泡的结构、电池的正负极、电流的概念及方向时，教师先利用实物教具进行简单展示，让学生有直观感知，接着通过央馆虚拟实验的3D演示视频，从微观层面深入剖析电流如何在电路中流动使小灯泡发光，将抽象知识具象化。例如，用不同颜色线条表示电流从电池正极流出，经过导线、小灯泡的灯丝，再回到电池负极的路径，帮助学生理解电路构成要素及电流回路原理。（如图8）
图8 通路状态下电流在电路中流动时形成闭合回路
（2）虚拟实验与实物实验协同操作
在学生进行实验操作环节，先安排学生利用央馆虚拟实验进行模拟操作。学生可在虚拟环境中尝试多种导线与电池、小灯泡的连接方式，观察不同连接下灯泡的亮灭情况，并记录实验结果。虚拟实验的即时反馈功能能让学生迅速知晓操作正确与否，若连接错误，系统会提示错误原因，引导学生调整。待学生在虚拟实验中熟练掌握连接方法后，再进行实物实验操作。这种先虚拟后实物的方式，可降低学生在实物实验中的错误率，增强学生的实验信心，同时让学生在对比中更好地理解理论知识与实际操作的差异与联系。例如，学生在虚拟实验中发现将导线直接连接电池正负极会导致短路，在实物实验时便能避免此类危险操作。
3.课后借助虚拟实验拓展延伸
课后，教师布置基于央馆虚拟实验的拓展任务，如让学生在虚拟环境中尝试用多个电池、多个小灯泡设计不同的电路连接方式，使灯泡呈现不同亮度或闪烁效果。学生通过反复尝试与探索，深化对电路知识的理解，培养创新思维与实践能力。同时，教师可利用虚拟实验平台的交流功能，组织学生在线分享实验心得与设计思路，促进学生之间的相互学习与交流。例如，有的学生设计出串联多个小灯泡使灯光依次亮起的电路，通过分享，其他学生也能从中获得启发，从而进一步拓展电路设计思路。
三、“虚实结合”教学模式的成效分析
1.提升学生学习兴趣与参与度
通过将央馆虚拟实验融入点亮小灯泡实验教学，创设丰富有趣的情境，明显提升了学生对科学实验的兴趣。在虚拟实验中，学生能自主探索、自由尝试，充分满足了其好奇心与探索欲。从课堂表现来看，学生参与讨论、主动提问的次数显著增加。课后问卷调查结果进一步显示，虚拟实验在提升学生学习兴趣与参与度方面具有显著优势：（1）77.3%的学生对使用虚拟实验的《点亮小灯泡》课程感兴趣，这一比例远高于对传统实验课兴趣一般及以下的比例；（2）71.3%的学生愿意主动尝试不同连接方式，体现出较强的探索欲望；（3）77.3%的学生表示课后更想了解电的其他知识，说明虚拟实验激发了学生的求知欲；（4）79.9%的学生希望以后能更多使用虚拟实验，反映出学生对虚拟实验教学方式的认可；（5）74%的学生认为在虚拟实验课上学习热情更高，进一步证明虚拟实验教学能够有效提升学生的学习兴趣与参与度。
2.增强学生对知识的理解与掌握
虚实结合的教学模式有助于学生更好地理解电路相关知识。虚拟实验的直观演示让抽象的电流、电路概念变得易于理解，实物实验的操作则强化了学生对知识的实际应用能力。在涉及点亮小灯泡实验及相关电路知识的题目中，虚实结合教学方式下学生的答题正确率相比传统教学方式下有了大幅提升，在知识掌握方面，虚拟实验的教学效果较为理想。77.3%的学生清楚知道点亮小灯泡所需实验材料，说明虚拟实验能够帮助学生明确知识要点；70.3%的学生能快速找到错误连接的原因并改正，体现出学生对知识的灵活运用能力；71.3%的学生能向他人清晰讲解点亮小灯泡的方法，表明学生对知识的掌握较为扎实。
3.培养学生的实践与创新能力
在实验过程中，学生先通过虚拟实验进行方案设计与尝试，再到实物实验中动手操作，其实践能力得到了充分锻炼。虚拟实验的拓展任务为学生提供了创新空间，学生在设计多样化电路连接方式的过程中，创新思维得以激发。例如，部分学生设计出具有创意的电路，如利用声控或光控元件控制灯泡亮灭，体现了学生创新能力的提升。
四、“虚实结合”模式下虚拟实验的广泛应用对未来小学科学实验教学发展的深远意义
1.在教学方法方面
虚拟实验突破了传统实验的时间与空间限制，使教师能够采用更加灵活多样的教学策略，例如翻转课堂和混合式学习模式，从而显著提升教学效果[3]。
（1）在翻转课堂的应用环节，支撑自主学习与协作探究
在翻转课堂的课前自主学习环节，虚拟实验为学生提供了可随时随地访问的实验环境。学生可以根据教师发布的学习任务和实验指导，利用虚拟实验平台进行预习性操作。他们能够自由选择实验项目，反复进行实验步骤的演练，熟悉实验仪器的使用方法和实验流程。例如，在电学实验中，学生可以通过虚拟实验搭建不同的电路模型，观察电流、电压的变化情况，无需担心因操作失误而损坏仪器。翻转课堂的课中环节主要以学生的协作探究为主，虚拟实验在此阶段可以作为重要的辅助工具。在应用效果方面，学生的协作能力和探究精神得到了有效培养，课堂学习氛围更加活跃，学生对知识的理解和应用能力也得到了显著提升。
（2）在混合式教学的教学评价环节，实现客观评价与过程跟踪
教师可以通过虚拟实验平台记录学生的实验操作过程、实验数据、实验报告等信息，将其作为评价学生学习效果的重要依据。虚拟实验平台能够自动对学生的实验操作规范性、数据准确性等进行客观评价，减少了教师评价的主观性。同时，学生可以通过查看虚拟实验平台生成的个人学习报告，了解自己在实验学习中的优点和不足，以便进行针对性的学习改进。此外，教师还可以组织学生进行虚拟实验技能竞赛，以竞赛的形式评价学生的实验操作能力和创新能力。这种基于虚拟实验的教学评价方式，使得评价更加全面、客观、公正，能够真实反映学生的学习成果。在应用效果方面，教学评价的科学性和有效性得到了提高，学生的学习动力和自我反思能力也得到了增强。
2.在学生学习兴趣影响方面
（1）激发主动探索欲望，推动学习行为从“被动接受”向“主动尝试”转变
在实验操作过程中，71.3%的学生“每次都会”或“经常会”主动尝试不同的连接方式来点亮小灯泡，仅有5.4%的学生“很少尝试”或“从不尝试”。这一现象背后，是虚拟实验“无器材损耗、无安全风险”的特性赋予了学生“试错自由”——学生无需担心因错误连接导致器材损坏或触电风险，能够大胆地进行多样化尝试，这种“低风险探索”环境极大地鼓励了学生的主动行为，使学习不再是对教师指令的被动跟随，而是基于自身好奇心的自主探索。
（2）延伸学习兴趣边界，促进知识探索从“课堂内”向“课堂外”拓展
课后兴趣延伸层面，77.3%的学生“非常想”或“比较想”了解电的其他科学知识，79.9%的学生希望未来在科学课中更多使用虚拟实验。这表明虚拟实验不仅激发了学生对《点亮小灯泡》单一课程的兴趣，更通过“点亮小灯泡”这一基础知识点，引发了学生对整个电学领域乃至更广泛科学知识的求知欲，实现了“以点带面”的兴趣延伸效果，为学生后续的科学学习埋下了兴趣种子。
3.在创新意识培养方面
传统实验中，教师通常会演示“标准连接方式”，学生多是模仿操作，而虚拟实验允许学生自主尝试不同的导线连接顺序、电池与灯泡的组合方式（如多节电池串联、并联），甚至探索“非标准连接”的可能性（如导线接在灯泡玻璃壳上是否能点亮）。尽管部分尝试无法成功，但这一过程让学生意识到“解决问题的方法不止一种”，打破了“唯标准答案”的固定思维，培育了“敢于尝试新方法”的创新意识——而这种意识正是创新能力形成的前提，培养了他们的创新思维与问题解决能力[3]。尤为重要的是，虚拟实验与真实实验的有机结合帮助学生形成了全面的科学素养，为其未来的学习与发展奠定了坚实基础。
综上所述，“虚实结合”模式下的虚拟实验不仅是小学科学实验教学的重要创新手段，也是推动教育现代化进程的关键力量[3]。
（课题：河南省教育科学规划2025年度一般课题（2025YB1344）：基于虚拟实验的小学科学实验教学实践研究。）
参考文献：
[1]何苗，丰蓉，娄志义,等.虚拟仿真实验教学的现状及展望[J].中学生物教学，2023，08：16-18.
[2]许婕.虚拟实验在小学科学中提升学生学习力的策略[J].中小学信息技术教育，2023，10：74-76.
[3]阚莹莹.技术赋能小学科学教学的实践研究[J].教育与装备研究，2022，38（2）：60-64.