章欣
为弥补小学科学探究式作业的不足，笔者设计了基于教学评一体化的3D/VR虚拟仿真作业范式。为探索观察类作业、项目式作业和大单元作业新路径，笔者在虚拟仿真实验平台支持下，借助3D交互操作、实拍指导视频、VR仿真训练等技术手段，建构虚拟仿真作业库，按照“线上推送—可视指导—数据评价”的流程推进作业形式多样化、过程指导可视化和作业评价数据化，以期提升学生的学习存在感，增强学生主动学习的意愿和获得感。
一、破解探究式作业难题需探索数字化新路径
（一）困境：小学科学探究式作业存在不足
作业在科学课中的重要性不容忽视，它不仅是课堂教学的延伸，而且是学生巩固知识与提升能力的重要途径。教师应该恰当地设计、布置作业，不能简单地削减。对于学生来说，作业既是巩固知识、提升能力的机会，又是自主学习的渠道。对于教师来说，作业是其了解学情、评估教学效果的重要途径。探究实践是科学核心素养之一，而实验是学生学习科学的主要方式，因此探究式作业自然而然成为小学科学重要的作业类型。但实践中仍存在诸多问题。
1.局限于书面练习
当下小学科学教学中，教师在布置作业时往往更加关注学生对知识的掌握程度，倾向于布置大量重复练习的习题，而忽略科学实验、探究等方面的练习。即便布置了探究式作业，但由于客观条件的限制，如许多科学实验所需材料难以收集或达到标准，某些宏观与微观的实验现象并不明显，导致探究式作业仍以书面形式为主，难以促进学生实践创新能力提升。笔者对本校学生开展了科学作业类型调查，结果表明书面作业的占比约83%，而实践探究式作业占比不到5%。
2.缺乏有效指导
传统的小学科学探究式作业，低龄的学生在真实情境下做实验存在许多潜在危险，如参与“研究水蒸发过程”实验需用到火柴与酒精灯等存在安全隐患的实验器材。学生在家中进行探究式作业如果遇到困难，难以及时有效地寻求到专业的指导与支持，并且也难以重复实验，这样容易导致体验感差、探究科学的兴趣降低。
3.评价过程模糊
由于科学学科探究式作业具有实践性、创新性、开放性等特征，往往没有标准答案，这也使得评价具有一定的模糊性。教师对学生在家完成探究式作业任务进行评价，缺乏过程数据支持，只能借助报告或实验记录予以判断，加之作业还存在由家长代劳的可能，故难以精准评价。
（二）出路：应用3D/VR虚拟仿真平台开辟新路径
1.技术赋能变革，从被动练习走向主动探究
近年来，教育主管部门一直鼓励信息技术与科学学科教学深度融合。2019年，教育部发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，明确建议将虚拟现实实验手段应用于实验教学中，实现仪器配置多元化，并将VR交互教学系统、全息交互教学系统纳入教学装备之列。教师借助3D仿真、虚拟现实、增强现实等技术开展实验教学，不仅可以突破时空限制，而且可以赋予学生更大的自由度，激发学生更深层次的创造潜能。以教育部教育技术与资源发展中心（中央电化教育馆）组织研发的中小学虚拟实验教学服务系统（简称“央馆虚拟实验”）为例，其中的虚拟仿真实验效果甚至优于实物实验[1]。教师借助3D/VR虚拟仿真平台创设任务情境，让学生明确任务自主探究，并在师生互动与生生互动过程中反思、改进。
2.创新教学模式，从浅层练习走向深度探究
教师应积极尝试利用信息技术优化科学探究式作业。虚拟现实技术助力教学主要体现在：教师借助三维建模、人机交互等技术让学生获得身临其境的体验。虚拟仿真实验具有沉浸式体验和可重复操作的特点，教师能够用其有效地改进科学课堂教学。教师融合3D/VR技术开展翻转课堂教学，有利于学生利用虚拟实验平台进行课前预习和课后巩固，弥补传统作业模式下存在的材料不齐、操作有危险等不足。
笔者针对观察类作业、项目式作业和大单元作业三个主要作业类型，设计了“线上推送—可视指导—数据评价”的基本流程，采用3D交互操作、实拍指导视频、VR仿真训练等手段建构虚拟仿真作业库，促进作业形式多元化、过程指导可视化和作业评价数据化（如图1）。
二、开发作业库：推进虚拟仿真作业资源建设
虚拟仿真作业具有经济省钱、生动直观、安全可靠等特性，但其无法完全取代实物探究。学生借助虚拟实验平台虽然能生动直观地模拟实验，获得沉浸式体验，但是在实验器材使用的规范性上体验不佳，且虚拟实验无法完全模拟实操实验过程中可能遇到的各种问题，影响应变能力和分析与解决问题能力的培养[2]。教师开展虚拟仿真作业应当秉持虚实融合的理念。虚实融合并不是简单机械地将虚拟实验和实操实验放在一起，而是根据实验类型、学生需求适时恰当地有机结合（如图2）。
（一）以虚带实开展观察类作业
央馆虚拟实验平台上的实拍指导视频对教师开展观察类作业有很好的支撑作用。这些视频由录制者采用高清、微距、倍速、延时等摄影技术制作而成，从多个视角展现实物实验的过程和现象。其主要特征是真实性和规范性。教师借助平台上的视频展示规范的操作过程（如图3），为学生提供观察的脚手架，有助于学生熟悉操作步骤，明确实验现象及注意事项。
学生先利用实拍视频等新型虚拟实验资源掌握正确的观察方法与观察技能，并将这些方法技能运用到实物的观察中，或先借助虚拟平台观察一些微观的部分或事物内部难以观察到的部分，再去观察实物中其他的部位。
1.虚实结合，提升观察实效
科学的观察方法是观察的基础。虚实结合能更好地提高观察的科学性和有序性。以教科版《义务教育教科书 科学 一年级 下册》为例，笔者这样布置作业。在观察之前，学生观看3D指导视频“观察鱼”中关于观察方法的片段，学会从正面、上面和侧面三个角度全面地观察鱼。
2.原版到再版，凸显观察增量
学生观察实物，画出所见，在研讨的过程中产生认知冲突。教师借助央馆虚拟实验系统上的资源，以认知冲突点为基础，让学生继续观察虚物，补充原有的发现，形成“再版”，前后对比凸显学生的学习增量。以“观察一种动物”为例，布置“再版”作业。学生观察蜗牛，总结并画出蜗牛的结构和功能特点。随后观察微距摄像下蜗牛运动时腹足的运动细节，继续修正刚才的发现，最后展现修正图。
3.整体到局部，强化观察序列
兴趣是最好的导师。观察类作业实施过程中，教师往往不会一开始就关注局部，而会从整体入手，引发学生兴趣。从整体到局部推进观察，可以强化观察的有序性。以“观察生物细胞”为例，笔者这样引导学生观察。
笔者先呈现各种生物的剪影，让学生猜生物名称，再展示人体的各器官，让学生聚焦于组成器官的细胞，从而引入主题。之后，呈现虚拟器官和细胞，让学生深入观察显微镜下的细胞，了解其特征。
（二）以实引虚开展项目式作业
项目式作业是一种有助于学生主动学习和提高实践能力的教学和评估方法。学生参与实际项目活动，可以将所学知识和技能用于解决实际问题，并培养综合思维、合作能力和解决问题的能力。与传统的课堂作业不同，项目式作业要求学生在实际的项目活动中应用所学知识和技能，并解决实际问题[3]。项目式作业可以在课堂上实施，即学生小组在教师指导下完成项目任务；也可以在课后实施，即学生在整个学习过程后利用课余时间完成项目任务。
1.真境与虚境互补，引出问题
项目式作业需要选取或构建合适的情境资源。教师发布（推送）资源让学生自主预习，使其充分暴露头脑中的前概念，思考情境中出现的问题并带着问题与兴趣参与后续活动。教师开展翻转教学避免了传统模式下学生因难以找齐材料或难以达到要求而导致的作业参与度低和作业效果不佳的窘境。以“月球——地球的卫星”为例，笔者这样布置项目式作业。学生先在虚拟平台内与月球近距离交互，并观看央馆虚拟实验系统中的实拍视频“观察月球”，查阅相关资料后思考：月球上的环形山和月海是怎么来的呢？尝试模拟制造环形山。
2.线下转换到线上，协作探究
以“产生气体的变化”为例，笔者让学生协作探究完成项目任务。学生在了解实验步骤后，在家中利用厨房里常见的玻璃杯、小苏打、白醋和蜡烛探究蜡烛在不同条件下的燃烧情况。学生在线下分组合作开展实验及探究，在班级钉钉群上传自己参与探究活动的视频或照片。接下来，学生登录进入虚拟实验平台，在虚拟实验室中先取适量碳酸钠溶液加入吸滤瓶，再取适量浓盐酸加入小试管中，在小试管边缘绑一条细绳，并在其中插入一根小木条，倒置吸滤瓶，模拟制作简易酸碱灭火器（如图4）。
3. 实验转型到实操，共享成果
虚拟仿真实验平台内的VR实操训练，是一种基于虚拟现实技术的实操训练方法。学生使用头戴式显示器和手柄等设备，身临其境地体验，并接受具有实践性的训练。笔者让学生在暑期完成创新探究式作业“厨房里的科学——灭火原理与方法”。
学生分组完成产生二氧化碳气体的实验探究后，笔者发问“厨房里有许多常见的安全隐患，遇到油锅着火、电器起火该怎么办”，引导学生借助虚拟实验平台进行一场仿真灭火演练。学生利用VR模拟火灾并灭火，展示学习成果。最后学生将自己的最终成果打包成图片、视频等，以作业的形式提交；在班级群内进行视频交流，分享对虚拟实验的体验及探究所得。在学生体验结束后，笔者让学生总结灭火方法，对其成果（设计单等）进行评价。
（三）虚实互融开展大单元作业
虚实互融的大单元作业指教师借助3D交互操作帮助学生通过虚拟仿真实验完成指向单元大概念的任务。基于虚拟仿真实验平台的3D交互操作又称3D桌面式虚拟实验，即依靠科学的实验引擎和精准的实验数据，对高精度3D器材进行360°交互操作，精准呈现实验现象。从限定地点到多样场景、从固定时间到自由时空、从一次尝试到多轮试错，借助3D交互操作技术实施大单元作业，时空范围与作业深度大大拓展[4]。在作业的各环节中虚实深度融合，在虚与实的多轮交替中不断螺旋上升，这是虚实互融大单元作业的魅力所在。
1.从限定地点到多重场景，扩展作业空间
传统探究式作业受地点限制，学生需要前往实验室或在家中准备相关实验设备与材料。3D/VR虚拟仿真作业则不受地点限制，学生借助一台支持虚拟实验的计算机，就可以在任何地方进行实验。这样便可以解决实验设备不足、实验室容量有限等问题，拓展了作业的空间范围[5]。“制作人体呼吸模型”作业就是很好的实例。
肺与外界进行气体交换时，由于呼吸肌的收缩和舒张，胸廓容积发生改变，从而使肺扩张或收缩，进而引发吸气和呼气。学生需要在建立上述认知的基础上，自主制作人体呼吸模型。这个作业是比较抽象且较难理解的。在探究这个生理活动的过程时，绝大多数学生会想到用橡皮膜模拟膈肌、用瓶子模拟胸廓等。因胸廓容积无法改变，学生用实体模型无法模拟肌肉收缩使胸廓容积变化的过程（模型只模拟膈肌），未能模拟出膈肌和肋间肌共同协作的过程，故学生对整个过程缺乏整体认识。3D的虚拟实验能立体形象地呈现整个胸廓，包括肋间肌、膈肌、胸廓、肺等结构。学生利用虚拟实验系统进行实验，现象直观明晰，有利于他们探究呼吸肌收缩与舒张时的状态、胸廓容积的变化跟肺的扩缩之间关系。笔者将虚拟实验与学生的呼吸模型制作这一大单元作业相结合，有效地突破了难点，加深了学生对概念的理解。
2.从固定时间到自由时空，优化作业时间
传统探究式作业受到实验资源的限制，通常需要在特定的时间段内进行，但虚拟实验可以随时随地进行。学生可以根据自己的时间灵活安排，在“十一”黄金周和寒暑假等长假中，利用虚拟仿真实验平台里的资源（学习支架）进行实验。这使得学生实验有更大的灵活性。
3.从一次尝试到多轮试错，丰富单元成果
支持操作者进行3D虚拟仿真交互操作是虚拟实验的优势之一，学生借此可克服实物实验中材料难以重复利用、试错成本高的困难，实现对实物实验的虚拟现象验证，扩展实验探究性，帮助他们自主建构知识，多次练习与试错。央馆虚拟实验平台上有许多操作类实验资源，如“自制温度计”“自制指南针”等很适合作为大单元作业中的学习支架。学生可根据自己的需求适时选用这些工具，借助3D交互操作平台多次尝试并迭代优化，“点亮房间照明电路”作业就是实证。
学生需要在课后尝试点亮家庭中的模拟电路，完成“点亮一个房间的照明电路”这一大单元作业。学生在虚拟平台上先绘制设计图，再通过测试修改完善自己的设计方案，最终完成电路的组装工作。在这一过程中，学生多次试错。相比于传统作业中仅凭空想象连接，虚拟实验更具体、形象，且避免了实际连接时因出现错误（比如短路现象）而导致损耗材料或发生危险。学生经历了“任务—设计—改进—安装—再改进”的工程实践全过程。
三、数据可视化助力小学科学作业评价
（一）雷达图诊断学生分项能力
在完成虚拟仿真作业后，笔者分析实验中的数据、结果，并向学生提供详尽的评价报告，帮助学生了解并巩固实验中的知识，增强学生的自主学习能力。测试记录包含学生实验用时、频次与得分等数据。同时，学生实验操作过程中的数据将被采集并按熟练程度、操作能力、知识掌握、归纳能力和勤奋程度五大维度呈现，生成个人分项能力雷达图。
（二）易错项反馈学生薄弱痛点
借助央馆虚拟实验平台，教师可以获取针对不同作业类型的数据分析、班级作业分析报表，得到本次作业的基本统计数据、学生个人知识板块与全班的比较数据、较薄弱知识点的来源题目等信息。学生也可以针对知识点进行标记，并逐题分析自己对知识的掌握情况。例如，学生在完成“测量液体的密度”实验过程中存在“游码未归零”“未回收液体”“未按照左物右码规则操作”等问题，全班错误率较高。笔者查阅数据报表快速发现班级学生普遍存在的薄弱点，进而有针对性地根据学情调整在线课堂教学内容。
教师借助3D/VR虚拟仿真技术布置作业，实现了作业评价的数据化，解决了传统探究式作业评价中难以克服的主观评价模糊、评价不公正等问题。第一，数据化的作业评价具有高度的客观性，防止了主观因素的干扰。第二，数据化的作业评价将多方面的表现数据化，在综合平衡后，能够真实客观地反映学生的学习情况[6]。这样的评价结果不仅可以得到学生认可，而且便于学生和家长了解状况，助力学生进行高效自我管理和学习规划。第三，数据化的作业评价具有科学性。教师分析绩效数据可知哪些学生在哪些方面需要提高、哪些学生需要额外关注，这样就可以制订更加有针对性的教学计划，为不同的学生设计不同的学习方案。
今后，笔者将进一步优化3D/VR虚拟仿真高质量作业解决方案，扩大实验年级，推进作业设计精细化、作业分层个性化、作业管理数字化、作业生成校本化，真正实现作业“轻负高质”。
注：本文系“基于3D/VR虚拟仿真实验平台的科学学科探究性作业的设计与实施”（项目编号：2022X533）的阶段性研究成果。
参考文献
[1] 张伟，周业虹.虚拟实验支持的线上线下融合教学[J].中小学数字化教学，2023（4）：5-8.
[2] 江艳丽.运用虚拟实验助力初中物理课堂[J].实验教学与仪器，2023（3）：97-98.
[3] 施军钿，邓雅心，钟正，等.“央馆虚拟实验”校级规模化应用路径探索[J].教育与装备研究，2023（3）：44-47.
[4] 白连，刘琦，武沛鋆.VR和AR技术促进线上虚拟实验教学比较研究[J].教育信息化论坛，2023（1）：15-17.
[5] 杨红兴.“央馆虚拟实验”假期应用策略和经验[J].中小学数字化教学，2022（12）：88-90.
[6] 王豆.NOBOOK虚拟实验在高中物理探究性实验教学中的应用[D].重庆：西南大学，2022.
（作者系浙江大学教育学院硕士研究生，杭州江南实验学校教师）
责任编辑：祝元志
