基于探究式学习的Flora3D工具小学生科学探究能力的影响

目前，在我国教育领域的核心素养导向下，科学探究能力已经成为了小学科学教育的重要培养目标，而在《义务教育科学课程标准》中已经明确要求到，要强化真实情境下的探究实践与过程性的综合评价^[1]。同时，随着虚拟现实教学、沉浸式教学等新型教学方法的创新与发展，以3D软件搭建教育教学平台、采用通过分析学生行为数据来追踪能力发展状况的路径，逐步成为解决目前传统科学教育“重结果轻过程”、“重知识轻实践”问题的重要方向。现有的研究已经在虚拟技术在教育教学中的应用、针对学生行为的评价体系等方面形成了系统性的成果，这为本研究奠定了理论与实践基础^[11]。本文旨在探究采用基于3D软件开展3D虚拟试验，采用行为研究法，探究是否能够显著提升小学生的科学探究能力，以及为小学科学领域的课程提供新型的研究调查工具及实践案例。

2.文献综述 

2.1 科学探究能力：科学探究能力是学生科学思维发展的重要一环，具体体现在：理解科学探究的一般过程和方法；提出科学问题，并针对科学问题进行合理猜想与假设；制订计划并搜集证据，分析证据并得出结论；对结果进行解释与评估；准确表达观点，反思探究过程与结果。其中，利用纸笔测试与表现性评价互补是目前较为常见的测评体系，能够明确、严谨地检验了学生在真实探究情境及纸笔学习任务之中存在的问题^[1][6]。根据开放程度也可将科学探究划分为不同层次，探究开放性与学生高阶思维的发展呈现出正相关关系，由此能够作为分层设计探究任务的依据^[8]。

2.2 3D虚拟试验：目前，3D虚拟环境及沉浸式教学都是实施科学教育与开展科学探究活动的新场域。具体而言，3D虚拟游戏及仿真实验平台借助虚拟角色代入、多样的情境模拟、清晰的实验操作等多种方式，激发学生在学习过程中的探究兴趣，同时能够培养问题解决能力^[2]。不仅如此，虚拟实验能突破安全、场地、器材、成本诸种现实问题的限制，因此能够实现探究过程实时记录、实验数据实时追踪，为行为研究提供了技术支撑^[3]。而基于具身认知的沉浸式教学也为3D虚拟环境教学进行了补充，重视学生多感官的交互以及身心协同参与，能够切实提高学生在整个科学探究活动中的投入程度，利于知识迁移和深度学习^[10]。

2.3 行为研究法：行为研究法与过程性评价为学生科学探究能力的测评提供了十分自然、有力的方法保障：即单纯凭记忆作答的传统纸笔测试效度很低，而学生在整个学习过程中的操作、反应等真实的探究行为是学生科学探究能力最直接、最充分的载体，也是活动过程观察与学生行为评价最直接、最重要的环节^[6]。行为参与度的功能分为以下三类：一般参与功能（包括时间）、游戏系统、提交频率和回访行为^[12]。宏观层面分析显示，有效的学生通常将探究过程组织成更迭代的证据收集周期，展现出更专注的做法，然后才做出最终回答。微观层面分析进一步表明，高效且高效的学生在实验中展现出更好的战略协调能力^[13]。从PISA的测试体系中，有研究证实的，远程的分析能够揭示学生与技术环境互动之中有一种独特的模式，能够识别其探究表现的独特轮廓，揭示学生所遇到的困难，进而设计有针对性的干预措施^[14]。因此对实验教学整合策略中所设计的控制变量、方案设计、数据处理等多种操作流程进行动态监测，能够利于学生掌握正确的实践方法，通过分析学生的行为来优化后续的教学流程，进而切实提高学生的科学探究能力^[7]。5E探究式教学模式为虚拟环境下的探究活动提供标准化的教学流程，从而能够将教学过程划分为多个模块进行针对性的行为分析，在达到行为研究的目标上同时保障探究活动的科学性与完整性^[5]。同样的，E-STEM理念下的“三维六步”探究框架通过迭代教学验证了结构化活动对提升探究能力的显著效果，为行为研究提供可借鉴的范式^[4]。

综上，3D虚拟技术对科学探究教学具有显著的赋能作用，科学探究能力维度、行为指标与评价方式已相对明确，但将3D软件与行为研究法结合、系统探究小学生科学探究能力影响机制的研究仍较为缺乏。本研究以3D软件作为探究载体，采用行为研究法采集并分析学生在整个过程中的操作与行为数据，揭示虚拟环境对科学探究能力的影响路径，并为小学科学教学创新与核心素养落地提供实证支撑。

3.研究问题

Q1：基于虚拟环境的教学工具是否能提升学生的科学探究能力

研究方法：使用已有量表对学生进行前测，在不同教学方法后进行后测。

Q2：在3D软件中，高探究能力学生与低探究能力学生在行为模式上存在哪些显著差异？。

研究方法：将基于虚拟环境研究的学生的行为数据研究不同成绩差异间学生行为的差异。

Q3：基于虚拟环境的教学研究工具的高效能学生的注视逻辑是否具有显著差异。

研究方法：基于眼动追踪观察在各个活动区域与预设区域是否符合。并进行相关性分析。

……

参考文献

[1] 汤瑷宾，吴永军.科学探究能力的测评、现状与提升策略[J].课程・教材・教法，2025,45 (08):130-136.

[2] 李永胜，王凤，张春雷，等.利用 3D 游戏提高初中学生科学探究能力的教学尝试[J].生物学教学，2017,42 (01):29-31.

[3] 张波.“AI 赋能”：小学科学探究式教学的融合路径与策略优化[J].基础教育参考，2025 (07):36-48.

[4] 魏雪峰，孔令鑫.基于 E-STEM 理念的小学科学探究实践活动框架设计与应用[J].课程・教材・教法，2025,45 (12):119-127.

[5] 赵呈领，李彬彬，万力勇.面向 STEM 教育的 5E 探究式教学模式设计[J].现代教育技术，2016,26 (02):45-51.

[6] 石弘.基于核心素养下的纸笔测试科学探究题的效度研究[J].物理教师，2020,41 (09):39-42.

[7] 李志云.促进科学探究能力发展的实验教学整合的研究[J].物理教师，2024,45 (05):41-45.

[8] 邓靖武，张利国.合理选择探究层次，让探究教学更落地[J].物理教师，2020,41 (11):32-37.

[9] 王泉泉，魏铭，刘霞.核心素养框架下科学素养的内涵与结构[J].北京师范大学学报 (社会科学版),2019 (02):52-58.

[10] 艾兴，李苇.基于具身认知的沉浸式教学：理论架构、本质特征与应用探索[J].远程教育杂志，2021,39 (05):55-65.

[11]胡卫平,林崇德.(2003).青少年的科学思维能力研究.教育研究,(12),19-23.

[12]He, Jingwen, Bihui Jin, Zexin Xu and Danhui Zhang. “Measuring Elementary Students’ Behavioral Engagement in Web-based Science Inquiry Learning.” Journal of Online Learning Research (2022): n. pag.

[13]Wang, S., Hu, A., Yuan, L., Tian, W., & Xin, T. (2026). Macro- and Micro-Level Behavioral Patterns in Simulation-Based Scientific Inquiry: Linking Processes to Performance Among Elementary Students. Journal of Intelligence, 14(1), 6.

[14]Teig, N. Uncovering Student Strategies for Solving Scientific Inquiry Tasks: Insights from Student Process Data in PISA. Res Sci Educ 54, 205–224 (2024).

📝 科学探究能力标准测试卷（a卷 /前测卷）

【维度1：识别问题与假设】

1. 小明把两盆一样的花，一盆放在阳光下，一盆放在黑暗的纸箱里。他想探究的问题是（ ）

a. 花儿需要多少水分？b. 光照会影响花的生长吗？

c. 哪种花长得更快？ d. 纸箱里有没有空气？

2. 科学家猜测“蚂蚁喜欢吃甜的食物胜过咸的食物”。为了证明这个猜测，不需要改变的条件是（ ）

a. 食物的味道（甜或咸）b. 蚂蚁的种类和大小

c. 食物放置的位置 d. 每次给食物的量

3. 小红用同样的力气，分别在木板、毛巾和玻璃上推玩具车。她最可能想探究（ ） a. 玩具车有多重？ b. 推力大小会影响距离吗？

c. 地面粗糙程度会影响小车滑行距离吗？d. 什么样的车轮最好？

4. 妈妈说：“把肉放在冰箱里就不容易坏。” 这句话中包含的科学假设是（ ）

a. 冰箱里的光线很暗。b. 较低的温度能减慢食物变坏的速度。

c. 冰箱能把肉变多。 d. 肉类本身不容易坏。

5. 探究“搅拌会不会加快冰糖在水中的溶解”时，我们需要改变的条件是（ ）

a. 水的温度b. 冰糖的大小c. 是否用勺子搅拌d. 水的多少

6. 观察到“雨后地上的水坑在刮风时干得更快”，我们可以提出的假设是（ ）

a. 风力越大，水蒸发得越快。b. 雨水比自来水蒸发快。

c. 太阳出来了水才干。 d. 水坑的大小决定了蒸发速度。

【维度2：设计与控制变量】

7.老师想测试“哪种牌子的纸巾吸水性最好”。以下哪个设计最公平？（）

a.把两张不同牌子的纸随便丢进水里看。

b.取同样大小的不同纸巾，浸入同样多的水中，比较吸水量。

c.大张的 a牌放进热水，小张的 b牌放进冷水。

d.用手摸摸哪张更软。

8.研究“盐水的浓度会不会影响铁钉生锈速度”，准备了四杯不同浓度的盐水。必须保持相同的是（）

a.水的体积 b.铁钉的材质和大小 c.环境温度 d.以上全部都需要保持相同

9.小华在甲瓶放入一只蚱蜢并盖紧，乙瓶放入蚱蜢但敞口。他探究的条件是（）对蚱蜢生存的影响。

a.光照 b.空气 c.食物 d.温度

10.承接上题，如果小华把甲瓶放阳光下，乙瓶放抽屉里，这实验科学吗？（）

a.科学，蚱蜢有不同反应。 b.不科学，同时改变了空气和光照两个条件，不公平。

c.科学，哪里都能做实验。 d.不科学，蚱蜢不喜欢抽屉。

11.要测试“降落伞的伞面大小是否影响下降速度”，下面哪个做法是错误的？（）

a.使用相同重量的重物 b.从相同的高度释放

c.使用三种不同形状（圆、方、三角）且大小不同的伞面

d.在同一天同样风力下测试

12.比较沙土和黏土的保水性，往两个漏斗里倒水。必须保证不同的是（）

a.倒进去的水量 b.漏斗下面接水的杯子大小 c.漏斗里的土壤种类 d.倒水的速度

13.小明想知道“不同颜色的光对光合作用的影响”。他把红灯照在水草上，绿灯照在仙人掌上。这个实验的漏洞是（）

a.没有保持植物的种类相同 b.灯泡不够亮 c.应该用太阳光 d.没有浇水

14.测试“保温杯的保温效果”，在三个不同的杯子里倒入100ml 的热水。接下来应该怎么做？（）

a.摸一摸外表烫不烫。 b.立刻用温度计测一下。 c.把水喝掉看看凉没凉。

d.过 1小时后，用温度计分别测量三个杯子里的水温。

15.探究“单摆摆动的快慢与摆线长度的关系”时，应该保持不变的是（）

a.摆线的长度 b.摆锤的重量和摆动的幅度 c.每次测量的时间 d.计时的秒表

16.下列哪种情况违反了科学探究中的“单一变量原则”？（）

a.测种子发芽，一盆浇水，一盆不浇水，都放在阳台。

b.测小车速度，一个在木板滑，一个在毛巾滑，坡度一样。

c.测植物生长，一盆放室内多浇水，一盆放室外少浇水。

d.测冰块融化，一块放温水，一块放冷水，冰块一样大。

17.如果你要证明“声音能在水中传播”，你需要（）

a.在空气中大喊。 b.把耳朵贴在水缸外面，让同学在水里敲击石头。

c.把收音机放在水里直到坏掉。 d.看着水里的鱼吐泡泡。

18.探究“摩擦力与物体重量的关系”，应该怎么做？（）

a.在粗糙的木板上拉不同的木块。 b.在不同的地面上拉同一个木块。

c.在同一个木板上，拉动重量不同的木块，测力的大小。d. 在玻璃上滑冰。

【维度3：数据解读与推断】

19.记录某酶的活性：10℃得2分，20℃得5分，30℃得9分，40℃得4分，50℃得0分。这说明（）

a.温度越高酶越活跃。 b.酶在30℃左右最活跃，过高过低都会降低活性。c. 温度对酶没影响。d. 酶只有在30℃存在。

20.施放不同钾肥的土豆产量：0克产50斤，100克产80斤，200克产120斤，500克产120斤。最合理的推断是（）

a.肥料越多越好。 b.肥料对产量没用。

c.施肥能增产，但超过200克后不再继续增加。d. 土豆不需要肥料。

21.某细菌在潮湿、25℃长得最快，在干燥、5℃不长。这说明（）

a.细菌喜欢冷。 b.只有温度影响细菌。 c.水分和适宜的温度是细菌繁殖的关键条件。d. 细菌不需要水。

22.观察柱状图：a组（光照2h）高5cm，b组（光照8h）高15cm，c组（光照24h）高10cm。结论是（）

a.光照时间越长植物越高。 b.植物不需要光。

c.8小时左右的光照最适合该植物生长。 d.c组死掉了。

23.测试三种胶水的粘力，挂重物直到掉落：甲承受2kg，乙承受5kg，丙承受1kg。结论是（）

a.甲的粘力最强。 b.乙的粘力最强。 c.丙的粘力最强。 d.胶水不能挂重物。

24.数据显示，随着海拔升高，水的沸点从100℃ 下降到90℃、80℃。这说明（）

a.高山上的火不够热。 b.海拔越高，水的沸点越低。

c.水在山上不会开。 d.沸点和海拔没关系。

25.记录表明，运动10分钟心跳100次，30分钟心跳130次，休息1小时后心跳80次。推断正确的是（）

a.运动使心跳加快，休息能恢复。 b.运动使心跳变慢。

c.心跳速度永远不变。 d.休息会让人心跳停止。

26.两只小白鼠，a只喂谷物，b喂谷物和蔬菜。一个月后，b比a重且毛发更亮。这说明（）

a.小白鼠不喜欢吃蔬菜。 b.蔬菜有毒。

c.增加蔬菜能让小白鼠生长得更健康。 d.谷物没有营养。

【维度4：探究反思与评价】

27.测感冒药是否有效，医生让 100个病人吃，而不是只给 1个病人吃。因为（ ）

a.药太多了。 b.人数多能减少偶然误差，数据更可靠。

c.医生想多赚钱。 d.让实验看起来复杂。

28.实验数据和课本上写的不一样，正确的做法是（）

a.偷偷改成课本上的数据。 b. 扔掉记录本。

c.保留真实数据，检查实验步骤，反思为什么不同。d. 认为课本全是错的。

29.每次用尺子量植物高度时，小明都要求“必须从泥土表面量到最高的一片叶子尖”。这是为了（）

a.增加实验难度。 b.保证统一的测量标准，减少数据误差。

c.因为老师这么说。 d.让植物长得更高。

30.如果实验发现“加了化肥的植物反而死得更快”，这算是一次失败的、毫无价值的实验吗？（）

a.是的，浪费了时间。 b.不是，它证明了这种化肥可能有毒或者加得太多，同样是科学发现。

c.是的，应该马上扔掉。 d.必须重做到植物活下来为止。

📝 科学探究能力标准测试卷（b卷 /后测卷）

【维度 1：识别问题与假设】

1. 小兰准备了红、绿、蓝三种颜色的灯泡照射同样的绿豆种子。她想探究的问题是（ ）

a.种子需要多少水分？ b.光的颜色会影响种子发芽的速度吗？

c.哪种颜色的灯泡最省电？ d.种子喜欢白天还是黑夜？

2. 科学家猜测“加了酵母的面团在温暖的地方发酵得更大”。为了证明这个猜测，不需要改变的条件是（ ）

a.发酵时的环境温度 b.面团的重量和酵母的多少

c.温度计的颜色 d.放置的时间长短

3. 小伟把方糖分别放进热水、温水和冷水中。他最可能想探究（ ）

a.方糖有多甜？ b.搅拌会让糖化得快吗？

c.水温会影响糖溶解的速度吗？ d.哪杯水最好喝？

4. 渔民说：“把鱼养在宽敞的大池子里长得更快。” 这句话包含的科学假设是（ ）

a.大池子里的鱼不吃食。 b.生存空间的大小会影响鱼的生长速度。

c.小池子的水不干净。 d.鱼不喜欢运动。

5. 探究“接触面积大小会不会影响方糖在水中的溶解速度”时，我们需要改变的条件是（ ）

a.水的温度 b.是否把方糖敲碎成粉末

c.是否用勺子搅拌 d.水的多少

6. 观察到“洗好的衣服在太阳下比在阴凉处干得快”，我们可以提出的假设是（ ）

a.温度越高，水分蒸发得越快。 b.衣服越大干得越慢。

c.风力决定了蒸发速度。 d.衣服的颜色影响蒸发。

【维度 2：设计与控制变量】

7.测试“三种不同材料的保温杯哪个保温最好”。以下哪个设计最公平？（）

a.大杯倒热水，小杯倒温水。

b.在三个杯里倒入同样多、同温度的热水，过1小时测水温。

c.一个放冰箱，一个放阳台。

d.用手感受哪个重。

8.研究“降落伞伞面大小是否影响下降速度”，准备了三个不同大小的伞。必须保持相同的是（）

a.悬挂重物的重量 b.放飞的高度

c.测试当天的风力 d.以上全部都需要保持相同

9.小明在甲盆草莓用沙土，乙盆草莓用黏土。他探究的条件是（）对草莓生长的影响。

a.水分 b.土壤类型

c.温度 d.肥料

10.承接上题，如果小明给甲盆每天浇水1次，乙盆浇水3次，这实验科学吗？（） a. 科学，草莓会长得不同。b.不科学，同时改变了土壤和水分两个条件，不公平。c. 科学，随便怎么浇。d. 不科学，草莓不需要浇水。

11.要测试“不同坡度对小车下滑速度的影响”，下面哪个做法是错误的？（）

a.使用同一辆小车 b.在同一个材质的木板上滑行

c.每次都在不同的起始位置松手 d.改变木板垫起的高度

12.比较铁丝和铜丝的导电性，把它们连入电路。必须保证不同的是（）

a.电池的数量 b.导线的长度和粗细

c.金属丝的材质（铁和铜） d.连接的小灯泡

13.小红想知道“不同洗手液对杀菌的效果”。她用a洗手液洗左手，不洗右手直接去摸培养皿。这个实验的漏洞是（）

a.没有用 b洗手液进行对比。 b.洗手液太香了。

c.应该用脚测试。 d.没擦干手。

14.测试“哪种形状的纸桥承重能力最强”，折了三种纸桥。接下来应该怎么做？（） a. 看看哪个最漂亮。 b.用手压一压感觉一下。

c.在桥上慢慢增加相同的硬币，直到桥塌了，记录硬币数量。d. 把桥烧了。

15.探究“声音的高低（音调）与杯子里水量的关系”时，应该保持不变的是（）
a. 杯子里的水量b. 敲击杯子的力气和杯子的材质

c.敲击产生的声音高低 d.听声音的人的耳朵

16.下列哪种情况违反了科学探究中的“单一变量原则”？（）

a.测种子发芽，两盆都在阳台，一盆盖黑纸，一盆不盖。

b.测降落伞，用不同的伞面，挂相同的重物，同高度丢。

c.测方糖溶解，大块放热水，碎块放冷水。

d.测保温杯，同样的热水放在不同的杯子里。

17.如果你要证明“植物的根有向水生长的特性”，你需要（）

a.每天往叶子上喷水。

b.在花盆的左侧浇水，右侧保持干燥，观察根的生长方向。

c.把植物拔出来泡在水桶里。

d.给植物听下雨的声音。

18.探究“电磁铁的磁力大小与线圈圈数的关系”，应该怎么做？（）

a.换不同大小的铁钉。 b.换不同节数的电池。

c.使用相同的电池和铁钉，只改变缠绕的线圈圈数，看能吸起多少大头针。

d.把电磁铁放进水里。

【维度 3：数据解读与推断】

19.记录不同车速下轮胎磨损厚度：时速40km磨损1毫米，80km磨损3毫米，120km磨损8毫米。这说明（）

a.车速越慢磨损越严重。 b.随着车速增加，轮胎磨损程度显著加快。

c.轮胎永远不会坏。 d.速度对轮胎没影响。

20.服用不同剂量药物后的康复天数：0粒要10天，1粒要5天，2粒要3天，5粒要3天且胃痛。推断是（）

a.药吃得越多越好。 b.药物对病没用。

c.2粒是最合适的剂量，超过后不仅不加快康复，还会有副作用。

d.人不需要吃药。

21.某霉菌在有糖且无氧环境繁殖最快，无糖有氧环境死亡。这说明（）

a.霉菌不需要营养。 b.只有氧气影响霉菌。

c.糖分和无氧环境是繁殖的关键条件。 d.霉菌喜欢阳光。

22.观察折线图：斜坡高度 10cm时小车跑 2m，高度20cm 跑4m，高度30cm 跑6m。结论是（）

a.斜坡越高，小车跑得越远。 b.小车跑不远。

c.斜坡高度和距离没关系。 d.30cm 是最高的坡。

23.测试三种布料的透气性，水蒸气穿透量：甲30克，乙5克，丙15克。结论是（）

a.甲的透气性最好。 b.乙的透气性最好。

c.丙的透气性最好。 d.布料都不透气。

24.数据显示，随着深度的增加，海水的压力从100 帕上升到500 帕、1000帕。这说明（ ）

a.海水越深越冷。 b.深度越深，水的压力越大。

c.海底没有压力。 d.压力和深度没关系。

25.记录表明，气温 20℃时冰块 60分钟融化，30℃时 20分钟融化，40℃时 5分钟融化。推断正确的是（ ）

a.气温越高，冰块融化所需的时间越短。 b.气温使冰块变大。

c.融化速度永远不变。 d.冰块在冷水里融化快。

26.两组同样的铁钉，a组涂了油漆，b组没涂，都放在潮湿环境。一周后b 组生锈严重，a组完好。这说明（ ）

a.铁钉很容易生锈。 b.油漆能加快生锈。

c.涂油漆能有效隔绝水分和空气，防止铁钉生锈。d. 潮湿环境对铁钉没影响。

【维度 4：探究反思与评价】

27.测定种子发芽率时，研究人员用了 200粒种子，而不是只用 5粒。因为（ ）

a.种子太多没地方放。

b.样本数量少会导致结论不可靠（如刚好选到坏种子），数量多能提高数据准确性。c. 为了让报告更长。d. 没有科学依据。

28.测量弹簧拉力时，小华的数据比别人都大很多。他正确的做法是（）

a.把数据改成和别人一样。 b.放弃实验。

c.反思是不是自己每次看刻度尺时眼睛没有平视导致的误差，并重测。

d.认为别人都作弊了。

29.在做“水温散失”实验时，小红坚持每隔3 分钟准确记录一次温度。这是为了（） a. 让时间过得快点。b.获得规律的连续数据，便于画出科学的折线图。

c.老师要求的。 d.让水凉得慢点。

30.如果实验发现“贵的电池并没有比便宜的电池用得更久”，这个结果有意义吗？（）

a.没意义，因为没得出“一分钱一分货”的结论。

b.有意义，真实的数据帮我们打破了偏见，这也是科学探究的价值。

c.没意义，肯定是测错了。

d.必须测到贵电池赢为止。