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2016年10月，在桂花飘香的杭州，笔者有幸参加了“中国教育学会科学教育分会第四届中小学科学特级教师及名师论坛”，学习了小学科学特级教师、名师展示的课堂教学和教学成长感悟，很受感动，感慨颇多。
我国当前小学科学教育所受到的重视与支持程度，与21世纪科技发展对科学教育的要求是不匹配的。看到诸多非理科专业出身的小学科学特级教师、名师，长期坚守在小学科学教师这一岗位上，通过不断地学习教学理论和专业知识，积极地进行教学实践，千方百计地为小学生创设科学学习的机会；看到千余名与会者坚守在会场，认真、踊跃地发言，探讨科学概念、科学思维以及小学科学的教学定位等问题；看到小学科学教师对科学专业知识、教学理论、发表文章与论著等理论与科研的高度热情……在敬佩教师们敬业与上进的同时，笔者认为，教师不仅要学理论，拜专家为师，更要把研究学生、理解学生作为自己专业发展的路径之一。
一、理解学生，把握教学起点
教学应当从学生的已知出发，这是广大小學科学教师耳熟能详的教学理念。在当今科技渗透人们生活方方面面之际，儿童在步入小学科学课堂之前，对科技已有诸多的日常概念。作为儿童科学启蒙的小学科学，基于小学生的已知，梳理小学生的日常概念来开展教学，尤其重要。
许多教师可能听说过“鱼牛”的故事。这个故事说的是从小一起生活在一个池塘中的一对好朋友：小鱼和小蝌蚪。小蝌蚪长大后变成青蛙，到陆地上游玩了一趟，回来后将所见的牛告诉鱼，鱼根据青蛙的描述，想象出一头有着鱼身而长有一对角和四条腿的“鱼牛”。这个故事是对建构主义学习观的一个隐喻，比喻所有学习者都是根据自己的已知来构建新知的。
不同的家庭背景，不同的生活经历，每位小学生在日常生活中都会形成各自的对周边事物、环境乃至对自然界的认识。这些认识具有强烈的个体性，非他人所能取代。美国儿童对一些自然现象的认识或解释，会不同于我国儿童。我国北京、上海、深圳等地儿童的一些科学观念，会不同于甘肃、内蒙、东北等地儿童的科学观念。所以，教师必须把握学情，通过观察、访谈等方式，走近学生、研究学生、了解学生、理解学生，才能有效地掌握学情。
为此，教师需要练习以学生为中心的观察与访谈。以学生为中心的观察，是指教师不干预、不指令学生的活动，聆听、观察和记录学生真实、自然的表现和话语。以学生为中心的访谈，可以借鉴皮亚杰的“临床法”。访谈中，教师一方面要让学生在宽松自由的情境中无拘束地交谈，不诱导、不干扰学生的表达，不歪曲学生概念理解的实际水平；另一方面，又不放任学生的言行，不要忘记了自己所调查的主题而被学生主导了访谈内容。“临床法”要求教师通过谈话和观察，能够对学生的言行信息进行迅速准确地筛选、细致深入地分析和实事求是地判断，能抓住隐藏在学生言语之中本质的东西以推进访谈的进行，所以，“临床法”对教师的要求比较高。在使用“临床法”访谈时，要在访谈前设计好访谈提纲，以避免发生漫无目的的自由谈话；要创设真实情境，让学生作为“局外人”来进行分析、评价和判断，从而避免发生“儿童说别人要他说的话，而不是他自己的真心话”这一现象。
二、研究学生，掌握学生科学学习进阶
诸多的研究表明，学生获得科学概念的过程与人类探索科学概念的过程相似，是一个不断纠正错误概念、逐步丰富完善科学概念的动态发展过程。因此，教师不仅要基于学生的已知开展教学，还要清楚学生的学习发展轨迹，从而系统地设计教学计划并合理地制定每节课的教学目标。
对于学生的学习发展轨迹，目前国际科学教育界以“学习进阶”作为研究话题，已经开展了一系列颇有成效的研究。关于学习进阶，一般的定义是指以概念序列的方式描述学生在各年级学习某一主题时所表现的连贯的、逐渐深入的概念理解过程。也就是说，对学生科学概念学习进阶的研究，在于揭示学生对概念的实际理解过程，而不是单纯地从科学知识体系的逻辑出发。学习进阶显示的是学生学习科学概念的实然过程。
调查学生在概念理解上的深度发展，而不是科学事实或信息的增加，以确定学生概念学习的“进阶石”，这是研究学生科学概念学习进阶的重点。
例如，小学生在没有形成密度概念时，对物体在液体中的沉浮现象，会有各种不同的解释。将小学生的各种解释进行统计分析，可以归纳出小学生对沉浮现象的理解呈现出三种水平：
1.以外在的一些特征给予解释，如学生认为物体膨胀、中空、充气或挖孔等就会漂浮；
2.关注物体的质量或体积，如学生认为质量小或者体积大的物体能漂浮；
3.综合考虑物体的质量与体积，如学生认为一个体积大但质量小的物体会漂浮。
这三种理解水平，从关注外在特征到联系物体的质量与体积，显示小学生对沉浮现象理解深度上的发展，可以作为小学生密度前科学概念发展的三级“进阶石”。这三种理解水平，可能存在于同一年级的小学生之中，也可能存在于三至六年级的小学生乃至初中生之中。教师可以通过访谈，也可以编制试题来测试学生，了解学生对沉浮现象的各种理解水平，从而制定合理的、适宜小学生认知发展水平的教学目标，有针对性地挑选各种材料设计教学活动，让他们通过观察不同物体在液体中的沉浮现象来转化前科学概念。
走近学生、研究学生，确定学生科学概念发展的各级“进阶石”，也就掌握了学生科学概念的学习进阶。需要注意的是，因学生个体差异以及学习的复杂性，学习进阶所呈现的只是一种假设与某种路径，不宜僵化地运用于教学之中。在统计分析方法上，目前国际科学教育界普遍采用Rasch模型研究学生学习进阶，可以使用的相应的计算机软件有Winsteps、ConQuest等。另外，学习进阶的研究思路与方法，也逐渐被用于研究学生在科学思维、探究能力以及更为综合的科学素养方面的发展情况，以更好地开展遵循学生学习规律的科学教育。
三、懂得学生，开展合理的课堂交往
有研究表明，积极的情绪在人的学习中有着不可低估的作用。要让课堂成为学生科学学习的场所，教师除了研究学生、掌握学生学习的起点、制定适宜的教学目标之外，还需要以合理的课堂交往激发、维持和引导他们的主动思维、主动探究以及学习内容的有意义建构。 有效促进学生学习的课堂交往，能够让作为学习主体的学生成为课堂交往的主体与中心，而不是教师。教师在课堂的对话与活动中，需要“隐退”权威的身份，要让学生自主、自由、真实、充分地表达自己的观点和想法。
首先，教师要与学生建立良好的师生关系，真挚地尊重学生之间的差异和个性，真诚地重视每位学生的观点和想法，营造安全、平等、宽松的氛围，激励学生勇于表达自己的真实想法。
其次，教师要以社会与文化的视角来理解和组织课堂交往，懂得学生的语言、文化、性别以及家庭、社会经济地位等因素对他们的学习已知和学习经历的影响，创设适宜学生的课堂学习情境，充分虚拟现实（Virtual Reality）是在综合计算机图形学、计算机模拟与仿真、传感技术、显示技术等基础上发展起来的一种计算机应用新技术，是把客观上存在的或并不存在的东西，通过运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到如同真实存在的一种技术。虚拟现实技术有以下特性：
交互性。参与者通过输入设备向虚拟现实软件發出指令，虚拟现实软件接受指令并智能地给予解释， 然后更新虚拟世界，而不是像观看三维动画那样，只能被动地接受信息或仅仅作为一个旁观者。
临场性。在参与者与虚拟世界进行交互时，由于头盔显示器、数据衣及数据手套的作用，虚拟系统将参与者置于一种隔离的环境中，参与者头、手、眼、语言及身体的运动都会使虚拟环境中的图像与声音实时地跟随变化。拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且可以听到三维仿真的声音。参与者在虚拟环境中，一切感觉都极其逼真，使其有一种身临其境的感觉。
多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，使用者在虚拟环境中可以获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。
目前应用的虚拟现实系统主要有桌面虚拟现实系统、沉浸虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统、增强现实等四类。虚拟现实技术应用于教育是教育技术发展的一个飞跃，它营造了“自主学习”的环境，学习者可以通过自身与信息环境的相互作用来学习知识和技能。本文重点就桌面虚拟现实系统和沉浸虚拟现实系统给小学科学教学带来的变革作些探讨。
一、增加学习内容的形象性和趣味性
虚拟场景是指在现实生活中可能出现的一些场景，通过虚拟现实在不同的时间或地点表示出来。虚拟现实技术能够创建与现实社会类似的环境，对于抽象的概念和原理，不但可以用文字和语音描述，还可以用逼真的实景来展现，进而解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求。通过VR进行教育教学活动，可以让教学具有游戏性，真正做到寓教于乐，从而有效地激发学生的学习兴趣。如学生们戴上VR眼镜，就可以身临其境地体验到与现实一样的情境，仿佛进入某个课程的虚拟场景的三维环境里，进行人、物、景的多重交互，即可重现某些自然场景或现实中肉眼无法观察到物体的多维展示。学生们坐在教室里，可以通过这些虚拟设备来探索自然界，学生在虚拟的场景里如同亲临现场，感知每个方位的场景，享受真实感与立体感皆强的学习体验，更易激发学生主动学习。
应用虚拟现实技术开发的三维虚拟学习环境能够营造逼真、直观的学习环境，让学生沉浸在虚拟世界进行实时观察、交互、参与、实验、漫游等操作，将枯燥难懂的知识以“身临其境”的方式来感受和体会。将虚拟现实技术作为一种新的媒体形式嵌入、融合到多媒体课件中，可以对教学情景、教学实验、技能训练等进行虚拟，利用虚拟现实场景交互性、沉浸性、多感知性和可操作性等优势来表现教学内容，解决教学中的重点、难点问题，充分调动学习者的主动性和创造性，促进学习者知识的积极建构，使他们在安全和易受控制的环境中实践他们所学的东西，在理论和实践之间架起沟通的桥梁。
例如，教学《电从哪里来》一课时，通过虚拟技术，学生进入虚拟发电厂内，考察发电机的每个部件的工作情况以及部件之间的相互联系，了解发电过程，这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的。教学《水的三态变化》一课时，通过虚拟技术，学生在教室里仿佛来到大自然，感受云、雾、露、霜、雪的形成。教学《身体的结构》《骨骼、关节和肌肉》《食物在体内的旅行》《我们是怎样听到声音的》等课时，应用分布式虚拟现实系统建造人体模型，提供更为逼真的虚拟环境，能使学生的学习活动更加有趣，更能享受其中的乐趣。
二、增加学习的容量，提高学习效率
虚拟现实技术有利于打破空间、时间对教学的限制，将一些长时间或长期的变化过程压缩到可接受的时间里呈现给学生。像岩石的变化、植物的生长、动物的生命周期、天体运动等知识的教学能够得以形象直观、快速完整的进行，学生可以形象直观地了解板块运动和宇宙中各主要天体运行的大概情况。
虚拟现实技术还可以模拟显现那些在现实中存在， 但在一般教学环境下很难、甚至是无法显现的事物与现象。如地震、火山喷发和泥石流等，可以借助于虚拟的方法构建模型，对有关问题进行研究。通过沉浸型虚拟现实， 学生们可以获得置身于现场的感觉， 甚至能融入到过程中。
利用虚拟现实技术，可以打破时间与空间的限制，消除时间与空间造成的认知阻断，为学生提供生动活泼的、直观形象的思维材料，让他们观察到在现实生活中不能观察到的事物，大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以“进入”这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。虚拟现实技术能够将过去世界、现在世界、未来世界、微观世界、宏观世界、宇观世界、客观世界、主观世界、幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机组合，学生可以到达宇宙空间之中，更好地认知和学习。
在小学科学教学中，由于受时间条件的限制，许多实验都无法在短时间内完成。利用虚拟现实技术，可以有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾，学生足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验一样的体会。学生可以走进虚拟实验室，身临其境般地操作虚拟仪器，既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。另外，真实的实验或操作往往会带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。例如，岩石的风化、化学变化伴随的现象等实验，需要的时间较长，一节课不能完成而且有危险性，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。 三、有利于學生深刻理解科学概念
使用虚拟现实技术，可以用接近人类认知特点的方式来组织教学内容、构建知识结构，这种组织信息的方式是非线性结构的。虚拟现实技术可以将信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性有效结合起来，为学生提供一种动态、开放的结构化认知形式，其中既包括学科的基本内容，又包括学科内容之间的逻辑关系；既注重知识的形成过程，又注重知识的结构。可以凭借我们的视觉、听觉、触觉的协调作用，使教学内容的统一性与灵活性有机结合，有利于学生思维的扩散，使他们在原有的知识基础上，获得新知识。使用虚拟现实技术呈现的内容更加立体，使人产生一种身临其境的真实感觉，能够使人与虚拟环境之间进行多维信息的交互，使人从定性和定量综合集成的虚拟环境中获得对客观世界、客观事物的感性及理性认识，并建构新的观念，有效帮助学生理解科学概念。
太空是一个神秘而陌生的世界，在教学中，我们需要向学生展示这些空间，但由于条件的限制，不可能让学生进入这些空间，在以往教学中，往往是通过教师的描绘来激发学生的想象，使学生在头脑中创建出一个虚拟的空间。使用虚拟现实技术，我们不仅能在学生头脑中建立这些空间，而且可以让他们看得见、听得见，甚至可以摸得着。
一位老师在教学《无限宇宙》一课时，通过虚拟显示技术，让学生搭上了太空飞船，并且探索了太阳系每一个星球，观察太阳系中各个行星的面貌和运动情况，体会人体在失重状态下的感受，甚至可以在月球上做石头和羽毛同时着地的实验来感受地球引力，感受在真空的条件下重物的下降速度。
一位老师在教学《奇妙的海底世界》一课时，让学生进入一个完全虚拟的世界，置身于陌生的、美丽的海底环境中，他们仿佛穿着潜水衣在虚拟的世界里漫游，身临其境地观察各种水母、珊瑚、珍稀鱼类。他们还能直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力，好像真实地触碰到每个生物。
一位老师在教学《各种各样的动物》一课时，当学生戴上VR设备，出现在他们眼前的是一个虚拟的教室，里面有一个虚拟的森林、草原。他们想到非洲大草原看看，虚拟的场景就立刻切换到虚拟的草原，可以观察草原上各种动物，甚至会出现一只蝴蝶飞出显示屏，展现双翅上每一个美丽的细节，对于人的挑逗，蝴蝶能根据情况的不同做出各种复杂的反应，甚至能够进行对话。
四、使工程与技术领域的教学更有创新性
运用虚拟现实技术进行工程与技术领域的教学，学生可以从各个方面了解自己的设计。他们可运用虚拟现实技术进行三维模型的设计，构建一个与实物同样的三维物体，如采用3dsMAX建模，存储为VRML格式，然后在VRML播放器中使用，或者利用QUICKTIME VR等都可以得到很好的效果。
在教学《做框架》《建高塔》《桥的形状和结构》《用纸造一座“桥”》《设计太阳能热水器》《自制乐器》等课时，在VR实验室，如果利用VRML语言进行设计展示，让学生从不同角度观察，可以让他们更深刻地认识到结构的重要性，同时提高创新技能。
教育是借助于一定的技术和手段来实现的，教育技术的变革必然带来教育模式、规模和意识上的变革。随着计算机技术的发展、虚拟现实系统的价格不断下降以及软件的适用性不断增强， 虚拟现实正掀开其神秘的面纱，逐渐走进科学课教学，必将促使教学条件、教学环境的改善，以及教学理念的更新。
运用课堂交往中可能存在的各种文化因素的冲撞来推进课堂教学，以丰富和深化学生的学习理解。
再者，教师要懂得学生的喜好与情感表达、学生之间的友谊与小团队等，善于运用“非指导”方式，即不采用直接告诉、简单命令、详细指示等方式，而采用间接的、不明确指示和命令、不做详细指点的方式，引导学生建立一些课堂交往的理性规则。例如，尊重并倾听其他人的观点，学会科学地解释与合理地反驳，能基于自己的思考提出质疑或评论，开展有观点、有证据的交流与讨论，能准确到位地展示自己的证据或数据，等等。
教师的教是为了学生的学。理解学生、研究学生、懂得学生，是科学教师开展有效教学的前提。科学教师应当关注、尊重和理解学生对科学、对自然界、对周围的喜好与需求、想法与观点，观察、记录和研究学生在科学学习中的言语与行为、疑惑与进步，长此以往，相信一定能提升自己的教学专业水平和能力。
我国当前小学科学教育所受到的重视与支持程度，与21世纪科技发展对科学教育的要求是不匹配的。看到诸多非理科专业出身的小学科学特级教师、名师，长期坚守在小学科学教师这一岗位上，通过不断地学习教学理论和专业知识，积极地进行教学实践，千方百计地为小学生创设科学学习的机会；看到千余名与会者坚守在会场，认真、踊跃地发言，探讨科学概念、科学思维以及小学科学的教学定位等问题；看到小学科学教师对科学专业知识、教学理论、发表文章与论著等理论与科研的高度热情……在敬佩教师们敬业与上进的同时，笔者认为，教师不仅要学理论，拜专家为师，更要把研究学生、理解学生作为自己专业发展的路径之一。
一、理解学生，把握教学起点
教学应当从学生的已知出发，这是广大小學科学教师耳熟能详的教学理念。在当今科技渗透人们生活方方面面之际，儿童在步入小学科学课堂之前，对科技已有诸多的日常概念。作为儿童科学启蒙的小学科学，基于小学生的已知，梳理小学生的日常概念来开展教学，尤其重要。
许多教师可能听说过“鱼牛”的故事。这个故事说的是从小一起生活在一个池塘中的一对好朋友：小鱼和小蝌蚪。小蝌蚪长大后变成青蛙，到陆地上游玩了一趟，回来后将所见的牛告诉鱼，鱼根据青蛙的描述，想象出一头有着鱼身而长有一对角和四条腿的“鱼牛”。这个故事是对建构主义学习观的一个隐喻，比喻所有学习者都是根据自己的已知来构建新知的。
不同的家庭背景，不同的生活经历，每位小学生在日常生活中都会形成各自的对周边事物、环境乃至对自然界的认识。这些认识具有强烈的个体性，非他人所能取代。美国儿童对一些自然现象的认识或解释，会不同于我国儿童。我国北京、上海、深圳等地儿童的一些科学观念，会不同于甘肃、内蒙、东北等地儿童的科学观念。所以，教师必须把握学情，通过观察、访谈等方式，走近学生、研究学生、了解学生、理解学生，才能有效地掌握学情。
为此，教师需要练习以学生为中心的观察与访谈。以学生为中心的观察，是指教师不干预、不指令学生的活动，聆听、观察和记录学生真实、自然的表现和话语。以学生为中心的访谈，可以借鉴皮亚杰的“临床法”。访谈中，教师一方面要让学生在宽松自由的情境中无拘束地交谈，不诱导、不干扰学生的表达，不歪曲学生概念理解的实际水平；另一方面，又不放任学生的言行，不要忘记了自己所调查的主题而被学生主导了访谈内容。“临床法”要求教师通过谈话和观察，能够对学生的言行信息进行迅速准确地筛选、细致深入地分析和实事求是地判断，能抓住隐藏在学生言语之中本质的东西以推进访谈的进行，所以，“临床法”对教师的要求比较高。在使用“临床法”访谈时，要在访谈前设计好访谈提纲，以避免发生漫无目的的自由谈话；要创设真实情境，让学生作为“局外人”来进行分析、评价和判断，从而避免发生“儿童说别人要他说的话，而不是他自己的真心话”这一现象。
二、研究学生，掌握学生科学学习进阶
诸多的研究表明，学生获得科学概念的过程与人类探索科学概念的过程相似，是一个不断纠正错误概念、逐步丰富完善科学概念的动态发展过程。因此，教师不仅要基于学生的已知开展教学，还要清楚学生的学习发展轨迹，从而系统地设计教学计划并合理地制定每节课的教学目标。
对于学生的学习发展轨迹，目前国际科学教育界以“学习进阶”作为研究话题，已经开展了一系列颇有成效的研究。关于学习进阶，一般的定义是指以概念序列的方式描述学生在各年级学习某一主题时所表现的连贯的、逐渐深入的概念理解过程。也就是说，对学生科学概念学习进阶的研究，在于揭示学生对概念的实际理解过程，而不是单纯地从科学知识体系的逻辑出发。学习进阶显示的是学生学习科学概念的实然过程。
调查学生在概念理解上的深度发展，而不是科学事实或信息的增加，以确定学生概念学习的“进阶石”，这是研究学生科学概念学习进阶的重点。
例如，小学生在没有形成密度概念时，对物体在液体中的沉浮现象，会有各种不同的解释。将小学生的各种解释进行统计分析，可以归纳出小学生对沉浮现象的理解呈现出三种水平：
1.以外在的一些特征给予解释，如学生认为物体膨胀、中空、充气或挖孔等就会漂浮；
2.关注物体的质量或体积，如学生认为质量小或者体积大的物体能漂浮；
3.综合考虑物体的质量与体积，如学生认为一个体积大但质量小的物体会漂浮。
这三种理解水平，从关注外在特征到联系物体的质量与体积，显示小学生对沉浮现象理解深度上的发展，可以作为小学生密度前科学概念发展的三级“进阶石”。这三种理解水平，可能存在于同一年级的小学生之中，也可能存在于三至六年级的小学生乃至初中生之中。教师可以通过访谈，也可以编制试题来测试学生，了解学生对沉浮现象的各种理解水平，从而制定合理的、适宜小学生认知发展水平的教学目标，有针对性地挑选各种材料设计教学活动，让他们通过观察不同物体在液体中的沉浮现象来转化前科学概念。
走近学生、研究学生，确定学生科学概念发展的各级“进阶石”，也就掌握了学生科学概念的学习进阶。需要注意的是，因学生个体差异以及学习的复杂性，学习进阶所呈现的只是一种假设与某种路径，不宜僵化地运用于教学之中。在统计分析方法上，目前国际科学教育界普遍采用Rasch模型研究学生学习进阶，可以使用的相应的计算机软件有Winsteps、ConQuest等。另外，学习进阶的研究思路与方法，也逐渐被用于研究学生在科学思维、探究能力以及更为综合的科学素养方面的发展情况，以更好地开展遵循学生学习规律的科学教育。
三、懂得学生，开展合理的课堂交往
有研究表明，积极的情绪在人的学习中有着不可低估的作用。要让课堂成为学生科学学习的场所，教师除了研究学生、掌握学生学习的起点、制定适宜的教学目标之外，还需要以合理的课堂交往激发、维持和引导他们的主动思维、主动探究以及学习内容的有意义建构。 有效促进学生学习的课堂交往，能够让作为学习主体的学生成为课堂交往的主体与中心，而不是教师。教师在课堂的对话与活动中，需要“隐退”权威的身份，要让学生自主、自由、真实、充分地表达自己的观点和想法。
首先，教师要与学生建立良好的师生关系，真挚地尊重学生之间的差异和个性，真诚地重视每位学生的观点和想法，营造安全、平等、宽松的氛围，激励学生勇于表达自己的真实想法。
其次，教师要以社会与文化的视角来理解和组织课堂交往，懂得学生的语言、文化、性别以及家庭、社会经济地位等因素对他们的学习已知和学习经历的影响，创设适宜学生的课堂学习情境，充分虚拟现实（Virtual Reality）是在综合计算机图形学、计算机模拟与仿真、传感技术、显示技术等基础上发展起来的一种计算机应用新技术，是把客观上存在的或并不存在的东西，通过运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到如同真实存在的一种技术。虚拟现实技术有以下特性：
交互性。参与者通过输入设备向虚拟现实软件發出指令，虚拟现实软件接受指令并智能地给予解释， 然后更新虚拟世界，而不是像观看三维动画那样，只能被动地接受信息或仅仅作为一个旁观者。
临场性。在参与者与虚拟世界进行交互时，由于头盔显示器、数据衣及数据手套的作用，虚拟系统将参与者置于一种隔离的环境中，参与者头、手、眼、语言及身体的运动都会使虚拟环境中的图像与声音实时地跟随变化。拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且可以听到三维仿真的声音。参与者在虚拟环境中，一切感觉都极其逼真，使其有一种身临其境的感觉。
多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，使用者在虚拟环境中可以获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。
目前应用的虚拟现实系统主要有桌面虚拟现实系统、沉浸虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统、增强现实等四类。虚拟现实技术应用于教育是教育技术发展的一个飞跃，它营造了“自主学习”的环境，学习者可以通过自身与信息环境的相互作用来学习知识和技能。本文重点就桌面虚拟现实系统和沉浸虚拟现实系统给小学科学教学带来的变革作些探讨。
一、增加学习内容的形象性和趣味性
虚拟场景是指在现实生活中可能出现的一些场景，通过虚拟现实在不同的时间或地点表示出来。虚拟现实技术能够创建与现实社会类似的环境，对于抽象的概念和原理，不但可以用文字和语音描述，还可以用逼真的实景来展现，进而解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求。通过VR进行教育教学活动，可以让教学具有游戏性，真正做到寓教于乐，从而有效地激发学生的学习兴趣。如学生们戴上VR眼镜，就可以身临其境地体验到与现实一样的情境，仿佛进入某个课程的虚拟场景的三维环境里，进行人、物、景的多重交互，即可重现某些自然场景或现实中肉眼无法观察到物体的多维展示。学生们坐在教室里，可以通过这些虚拟设备来探索自然界，学生在虚拟的场景里如同亲临现场，感知每个方位的场景，享受真实感与立体感皆强的学习体验，更易激发学生主动学习。
应用虚拟现实技术开发的三维虚拟学习环境能够营造逼真、直观的学习环境，让学生沉浸在虚拟世界进行实时观察、交互、参与、实验、漫游等操作，将枯燥难懂的知识以“身临其境”的方式来感受和体会。将虚拟现实技术作为一种新的媒体形式嵌入、融合到多媒体课件中，可以对教学情景、教学实验、技能训练等进行虚拟，利用虚拟现实场景交互性、沉浸性、多感知性和可操作性等优势来表现教学内容，解决教学中的重点、难点问题，充分调动学习者的主动性和创造性，促进学习者知识的积极建构，使他们在安全和易受控制的环境中实践他们所学的东西，在理论和实践之间架起沟通的桥梁。
例如，教学《电从哪里来》一课时，通过虚拟技术，学生进入虚拟发电厂内，考察发电机的每个部件的工作情况以及部件之间的相互联系，了解发电过程，这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的。教学《水的三态变化》一课时，通过虚拟技术，学生在教室里仿佛来到大自然，感受云、雾、露、霜、雪的形成。教学《身体的结构》《骨骼、关节和肌肉》《食物在体内的旅行》《我们是怎样听到声音的》等课时，应用分布式虚拟现实系统建造人体模型，提供更为逼真的虚拟环境，能使学生的学习活动更加有趣，更能享受其中的乐趣。
二、增加学习的容量，提高学习效率
虚拟现实技术有利于打破空间、时间对教学的限制，将一些长时间或长期的变化过程压缩到可接受的时间里呈现给学生。像岩石的变化、植物的生长、动物的生命周期、天体运动等知识的教学能够得以形象直观、快速完整的进行，学生可以形象直观地了解板块运动和宇宙中各主要天体运行的大概情况。
虚拟现实技术还可以模拟显现那些在现实中存在， 但在一般教学环境下很难、甚至是无法显现的事物与现象。如地震、火山喷发和泥石流等，可以借助于虚拟的方法构建模型，对有关问题进行研究。通过沉浸型虚拟现实， 学生们可以获得置身于现场的感觉， 甚至能融入到过程中。
利用虚拟现实技术，可以打破时间与空间的限制，消除时间与空间造成的认知阻断，为学生提供生动活泼的、直观形象的思维材料，让他们观察到在现实生活中不能观察到的事物，大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以“进入”这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。虚拟现实技术能够将过去世界、现在世界、未来世界、微观世界、宏观世界、宇观世界、客观世界、主观世界、幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机组合，学生可以到达宇宙空间之中，更好地认知和学习。
在小学科学教学中，由于受时间条件的限制，许多实验都无法在短时间内完成。利用虚拟现实技术，可以有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾，学生足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验一样的体会。学生可以走进虚拟实验室，身临其境般地操作虚拟仪器，既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。另外，真实的实验或操作往往会带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。例如，岩石的风化、化学变化伴随的现象等实验，需要的时间较长，一节课不能完成而且有危险性，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。 三、有利于學生深刻理解科学概念
使用虚拟现实技术，可以用接近人类认知特点的方式来组织教学内容、构建知识结构，这种组织信息的方式是非线性结构的。虚拟现实技术可以将信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性有效结合起来，为学生提供一种动态、开放的结构化认知形式，其中既包括学科的基本内容，又包括学科内容之间的逻辑关系；既注重知识的形成过程，又注重知识的结构。可以凭借我们的视觉、听觉、触觉的协调作用，使教学内容的统一性与灵活性有机结合，有利于学生思维的扩散，使他们在原有的知识基础上，获得新知识。使用虚拟现实技术呈现的内容更加立体，使人产生一种身临其境的真实感觉，能够使人与虚拟环境之间进行多维信息的交互，使人从定性和定量综合集成的虚拟环境中获得对客观世界、客观事物的感性及理性认识，并建构新的观念，有效帮助学生理解科学概念。
太空是一个神秘而陌生的世界，在教学中，我们需要向学生展示这些空间，但由于条件的限制，不可能让学生进入这些空间，在以往教学中，往往是通过教师的描绘来激发学生的想象，使学生在头脑中创建出一个虚拟的空间。使用虚拟现实技术，我们不仅能在学生头脑中建立这些空间，而且可以让他们看得见、听得见，甚至可以摸得着。
一位老师在教学《无限宇宙》一课时，通过虚拟显示技术，让学生搭上了太空飞船，并且探索了太阳系每一个星球，观察太阳系中各个行星的面貌和运动情况，体会人体在失重状态下的感受，甚至可以在月球上做石头和羽毛同时着地的实验来感受地球引力，感受在真空的条件下重物的下降速度。
一位老师在教学《奇妙的海底世界》一课时，让学生进入一个完全虚拟的世界，置身于陌生的、美丽的海底环境中，他们仿佛穿着潜水衣在虚拟的世界里漫游，身临其境地观察各种水母、珊瑚、珍稀鱼类。他们还能直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力，好像真实地触碰到每个生物。
一位老师在教学《各种各样的动物》一课时，当学生戴上VR设备，出现在他们眼前的是一个虚拟的教室，里面有一个虚拟的森林、草原。他们想到非洲大草原看看，虚拟的场景就立刻切换到虚拟的草原，可以观察草原上各种动物，甚至会出现一只蝴蝶飞出显示屏，展现双翅上每一个美丽的细节，对于人的挑逗，蝴蝶能根据情况的不同做出各种复杂的反应，甚至能够进行对话。
四、使工程与技术领域的教学更有创新性
运用虚拟现实技术进行工程与技术领域的教学，学生可以从各个方面了解自己的设计。他们可运用虚拟现实技术进行三维模型的设计，构建一个与实物同样的三维物体，如采用3dsMAX建模，存储为VRML格式，然后在VRML播放器中使用，或者利用QUICKTIME VR等都可以得到很好的效果。
在教学《做框架》《建高塔》《桥的形状和结构》《用纸造一座“桥”》《设计太阳能热水器》《自制乐器》等课时，在VR实验室，如果利用VRML语言进行设计展示，让学生从不同角度观察，可以让他们更深刻地认识到结构的重要性，同时提高创新技能。
教育是借助于一定的技术和手段来实现的，教育技术的变革必然带来教育模式、规模和意识上的变革。随着计算机技术的发展、虚拟现实系统的价格不断下降以及软件的适用性不断增强， 虚拟现实正掀开其神秘的面纱，逐渐走进科学课教学，必将促使教学条件、教学环境的改善，以及教学理念的更新。
运用课堂交往中可能存在的各种文化因素的冲撞来推进课堂教学，以丰富和深化学生的学习理解。
再者，教师要懂得学生的喜好与情感表达、学生之间的友谊与小团队等，善于运用“非指导”方式，即不采用直接告诉、简单命令、详细指示等方式，而采用间接的、不明确指示和命令、不做详细指点的方式，引导学生建立一些课堂交往的理性规则。例如，尊重并倾听其他人的观点，学会科学地解释与合理地反驳，能基于自己的思考提出质疑或评论，开展有观点、有证据的交流与讨论，能准确到位地展示自己的证据或数据，等等。
教师的教是为了学生的学。理解学生、研究学生、懂得学生，是科学教师开展有效教学的前提。科学教师应当关注、尊重和理解学生对科学、对自然界、对周围的喜好与需求、想法与观点，观察、记录和研究学生在科学学习中的言语与行为、疑惑与进步，长此以往，相信一定能提升自己的教学专业水平和能力。