随着《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《标准》）的发布，我们真正进入了以“素养为本”的时代
［1］。综观许多研究者关于科学核心素养的培养或深度学习的研究成果发现，核心素养检测或针对学生核心素养达成度的评价内容与方式尚有欠缺，如从定性方面看，有的成果只是根据表象得出结论。近年来，随着信息技术的快速发展，虚拟实验在教育领域得到了广泛应用。以中央电教馆中小学虚拟实验服务平台为例，在该虚拟实验教学服务系统中，既具有实验操作自我检测功能，又具有创编功能，学生可以借此对概念的本质进行探索，对真实问题进行探究。在虚拟实验的操作展示、内容探索与方式、探究问题的深度与高度中，该系统可以检测或评估学生核心素养的达成程度。笔者以虚拟实验“鉴”学生素养的进阶。
1 虚拟实验、心智模型与学习进阶概述
作为一种新型的实验形式，虚拟实验借助计算机技术模拟真实实验场景和过程，能帮助学生操作和观察实验，达成实验目的。虚拟实验的显著特点是：具有时空灵活性、安全性和经济性、交互性和自主性，以及实验重现性等。这些特点使得虚拟实验成为促进学生心智模型进化的有力工具，可以提高学生的实验操作能力、探究精神和创新能力，进一步推动学生科学素养的提升。虚拟实验既可达成超视距或微观世界信息的可视化，又可延长或缩短实验时间，从而在课堂时间内完成实验，将概念建构现象化，便于建立可识记的知识逻辑链。
学生心智模型，是指学生对学习对象的认知、理解、解释和预测的内在表征。它是学生个体对于特定学科领域知识结构的心智映射，同时包含了学生对学习策略、认知过程和元认知的理解与应用。通过对观察、访谈、问卷调查和实验等信息源的综合考量，可以帮助研究者全面而准确地了解学生的心智模型，从而为进一步的干预和培养策略提供依据。学生心智模型的发展可以被分为多个阶段，有学者将其分为3个阶段：初始阶段，被称为“表象阶段”；第二阶段是“概念阶段”；第三阶段，将进入“专家阶段”。还有学者认为，学生具有三重心智：自主心智、算法心智与反思心智。
科学教育领域第一次提出学习进阶是在2004年，《加拿大科学、数学和技术教育杂志》第4卷第1期专刊发表关于学生长期科学概念发展的学习进阶研究报告。2007年，美国国家研究理事会指出，学习进阶是对学生连贯且逐渐深入思维方式的描述。通过学习进阶，发展学生对核心概念的理解，帮助学生形成良好的知识结构，深度理解科学知识可以提高解决问题的能力，已经成为当代基础教育科学课程改革的核心理念
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2 核心素养、虚拟实验、心智模型与学习进阶之间的联系
科学学科要培养的学生科学核心素养是科学知识、科学思维、实践探究和态度责任，其中实践探究是达成其他3个方面目标的基础
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图1为核心素养、虚拟实验、心智模型与学习进阶之间的关联，其左边表达了探究实践的基础性作用；从中间部分的描述可以清楚地看到基于《标准》的学习被分为彼此有明确逻辑关系的3个阶梯，则心智模型恰好对应着3个层次的3个目标。
（1） 新课标一级水平所用动词：认知性目标——知道、举例说出、说出、描述、识别、列举和了解；技能性目标——观察、观测、测量和记录；体验性目标——关注、感受和体验。此阶段侧重对科学知识的把握，可粗略地与心智模型的“自主心智—表象阶段”相对应，其表征是借助虚拟实验操作将知识形象化。
（2） 新课标的二级水平所用动词：认知性目标—— 比较、举例说明、说明、概述、解释、认识和理解；技能性目标——使用、调查、估测和查阅；体验性目标——感知、领悟、认同和关心。此阶段更多的是侧重对科学思维的把握，可粗略地与心智模型的“算法心智—概念阶段”相对应，其表征是借助虚拟实验操作将知识逻辑探究化。
（3） 新课标的三级水平所用动词：认知性目标——区别、辨析、判断、分析、阐明、分类、应用、预测和评价；技能性目标——计算、绘制、设计、制作、检测、优化和改进；体验性目标——养成、质疑、形成和树立。此阶段侧重对科学思维与态度责任的把握，可粗略地与心智模型的“反思心智—专家阶段”相对应，其表征是借助虚拟实验操作实现自主设计、创意、项目的探究化。
（4） 虚拟实验应用情况既可以表征学生对科学知识的理解水平，也可以表征学生对科学思维的获得情况，更能体现出其辨析、应用和评价等能力的水准。虚拟实验是一种发展学生获得性知识与技能、方法与态度的方式，也可从学生应用虚拟实验中衡量其进阶水平（
图1右边部分）。
一方面，学生通过操作虚拟实验获得一些简单数据，教师可从中看出学生对知识的理解程度，也即反映出心智模型的层次；另一方面，教师可通过一些应用虚拟实验的探究活动（比较、设计、展示等）体现出心智模型的发展与进阶，再根据学习者的操作与问题解决程度，体现心智模型的发展水平与进阶情况。因此，虚拟实验既是反映心智模型进阶的工具，也是促进心智模型发展的手段与途径。
3 虚拟实验促进学生心智模型进化的实证研究
在虚拟实验中，学生通过参与模拟实际场景的活动，能够主动获取知识、建构心智模型，并不断加以修正和演进。这种实证研究旨在探究虚拟实验对学生心智模型进化的影响及其机制的建立，并验证其有效性，如
图2所示。笔者以“测定小灯泡功率”一课的演绎来阐述实证研究的过程。
3.1 “鉴知”基础把握程度——以虚拟实验的简单操作了解此阶段的心智模型
通过虚拟实验，学生可以观察和亲身体验现实世界中难以获得的现象，从而增强其对问题的理解和解决能力。这种由积极参与而获得的经验能够促进学生心智模型的进化，使其不断得到更新和完善。由其操作过程可以知晓学生对知识的掌握程度，同时可以反映出其对概念的理解程度。
例如，“测定小灯泡功率”一课的第一环节为：明确概念（额定电压、功率、实际电压与功率）从一个疑问开始，有人说LED灯的亮度主要是看其实际功率，有人说是看其额定功率，如何测实际功率？如何测额定功率？带着这些问题，组织学生进行探究，即让学生用虚拟实验中的器材组装一个完整的测功率电路。
在这一环节中，接收到许多学生的反馈信息，从中反映出学生的现有心智模型水平。如：该实验测功率的公式为
P=
UI，需要明确电压表与电流表的使用，电源的电压选择，电表的连接与量程选择，滑动变阻器的型号选择，额定电压和实际电压的概念，以及简单的计算应用等。当然，我们可以利用“央馆虚拟实验”的检测功能进行必要的操作。其具体内容如
表1所示，学生可以根据
表1（评价量表）自己对实验进行评价，即以“知道、说出、描述、观测、测量和体验”等动词作为评价素养的依据。
该环节可以让学生自我评估。教师从学生的操作评价中可看出：相关认知性目标的“知道、说出、描述、识别和了解”；相关技能性目标的“观察、测量和记录”；相关体验性目标的“感受、体验”。从
表1还可看出，评价较好地检测了心智模型“自主心智—表象阶段”的发展情况。同时，若学生在操作时有困难，则可以通过生生交流、师生互动解决，且虚拟实验的应用能够让学生的心智模型得到提升。虽然现实实验的操作也能够反映出学生心智模型的发展情况，但是在学生实验操作的基础上，进行再确认，既能节约时间，也能快速地反馈，不需要教师一个个地去“批改”，重要的几个“节点”都反映出来了，即表征是借助虚拟实验操作将知识形象化。此外，还有除纸笔测试之外的更多维度——美学、表达和情感等。
3.2 “鉴定”探究本质能力——用虚拟实验提升学生的心智模型发展水平
虚拟实验提供了一个风险和自由度较高的环境，学生可以在实验中进行多次尝试和发现错误，而不会带来实际损失。这种“试错”机制能够培养学生的实验能力，同时也为他们提供了探索不同方案的机会。通过不断尝试和反思，学生逐渐建立起更高阶的心智模型。基于虚拟实验具有交互性的特点，学生可以通过互动来获得反馈和建议。这种互动可以激发学生的思维碰撞和合作探究，促进其心智模型的进化。
以“测定小灯泡功率”一课第二环节为例，在讲授故障处理与注意点时，让学生采用虚拟实验的形式进行大胆的探究，即：无论是短路还是断路，无论是烧坏电表还是烧坏电源，我们都应该大胆地鼓励学生进行尝试与探究。当碰到故障与问题时，可以组织学生解决问题。
此时，我们只要给予学生一个探究问题的思路就可以了，即“故障现象—分析原因—改进办法”三步法，或者给学生一个思维支架：判断故障一定要会找“蛛丝马迹”。例如，遇到某些电表有读数（指针偏转）或无示数，或灯的亮暗等情况时，即可通过这些方法分析电路中的哪一路是有电流的（通的），哪一路是没有电流的（不通的），哪一路电流不正常——过大、过小或不变等。
通过虚拟实验，教师指导学生能够发现电流的有无与大小。或者说，通过操作、分析、交流与改进完善，学生就能够在原有心智模型基础上建立起更高阶的心智模型。在此环节中，教师可以检测或了解到认知性目标：“比较、举例说明、解释和理解”；技能性目标：“使用、调查和估测”；体验性目标：“感知、领悟和认同”。此环节主要体现出师生对科学思维的把握程度，即可洞见心智模型的较高一层——算法心智（概念阶段）的发展状况。
3.3 “鉴别”深度探究层次——借虚拟实验发展更高层心智模型
虚拟实验具有个性化的特点。虚拟实验可以根据个体的学习特点和进展情况，提供个性化的学习资源和指导，如在对新出现的问题进行思考与分析时，借助虚拟实验进行大胆的设计、猜想与验证，可以开启更多的创意实验设计，并在操作过程与思辨过程中积累方法与技能，从而帮助学生更好地理解和应用所学知识。
以“测定小灯泡功率”一课的第三环节为例，对一些更深层次的问题进行探究。若某一只电表坏了以后，还能测量吗？怎么测量？电路图是怎样的？如
图3所示，在串联电路中利用两只电压表分别测出定值电阻（10 Ω）与小灯泡的电压，即可通过简单计算得出此时小灯泡的电功率。学生通过虚拟实验可以设定实验步骤、尝试实验和进行适当的计算，从中可以看出学生是否获得了更高层次的心智模型或者通过虚拟实验实现了更高的心智模型进阶。若现实实验有一定的误差，则这一误差会来自哪里（虚拟实验中电流表的内阻可以调零，电压表的电阻可以调至数千欧姆）？学生经分析后得出，当电压表内阻比较小时，会对实验产生误差。
3.4 探究小灯泡的电功率随电阻变化而变化的规律
在上述问题的驱动下，学生主动思考，教师留给学生时间思考，同时把虚拟实验作为研究工具，让学生经历合作探究、主动设计阶段，并在相互研讨交流过程中向更高一级的心智模型跃进。在该环节中，可以评价相关认知性目标（辨析、分析、分类、应用、预测和评价），技能性目标（计算、设计、检测和优化），体验性目标（质疑、形成）的发展状况。同时，可与心智模型的“反思心智—专家阶段”进行比较。虚拟实验促进学生心智模型进阶的实证研究主要采用量化和定性两种方法，即通过问卷调查、实验设计和观察记录等工具采集和分析数据，不仅对科学教育的效率产生一定的正向作用，更能促进“双减”政策的高效实施，具有推广价值。
4 结语
在具体的教学过程中，虚拟实验在促进学生心智模型进化方面具有显著的优势和潜力，通过创设丰富的感知刺激、试错机制、交互性和个性化的学习环境，能够激发学生的主动性和创造性思维，帮助其更好地理解和应用所学知识，从而促进其心智模型的进阶。
浙江省教育信息化研究2022年度课题（教育装备管理与实验教学单列课题）“基于央馆虚拟实验系统的科学混合式教学研究”(2022ETD20)
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