3D技術在小學科學教學中的適用項目分析

小學科學課程實施的主要形式是探究活動，要在教學中開展探究活動，必須有能激發學生探究欲望的問題情境、適合學生探究的結構化的材料。但在小學科學教學內容的四大領域（物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程）中，總有一些教學內容無法創設真實的情境，也很難提供實驗材料讓學生探究。對于這樣的課例，以往老師們的解決辦法通常是借助文字、圖片或2D視頻等課件資料進行講解，學生理解起來有一定的難度，尤其是對于那些視覺學習者和動覺學習者來說，這樣的學習方式很難達到理想的效果。現在有了3D技術，這些問題便能得到較好的解決。

一、呈現立體空間關系，促進地球與宇宙科學領域的學習

地球與宇宙科學領域的內容，可能是小學科學課中最難的了。由于傳統的方法難以提供真實的情境和實驗材料供學生探究，所以，老師們普遍覺得這一領域的課很難上，學生也覺得難懂、無趣。要解決這一難題，3D技術無疑是一種行之有效的方法。如“地球”方面的內容，3D技術可廣泛用于“地球表面地形”“水土保持”“火山噴發”“地震”等內容的學習中，讓學生在虛擬的情境中獲得多種感官的參與、體驗，從而留下深刻的印象。

例如，《地球表面的地形》一課的教學中，有位老師給學生提供了3D沙盤模型，借助軟硬件的支持，學生通過自己的操作，在沙盤上立體地呈現了地球上幾種典型的地形，該模型還能顯示等高線，方便學生比較幾種地形在海拔高度上的區別。

《宇宙》單元也可借助3D技術。以《日食和月食》一課為例，學生要理解日食和月食形成的原因，需要知道太陽、地球、月球三個天體的運行情況及它們的相對位置關系。以往教學時，一般是借助模型（如三球儀）來演示，雖然有一定的作用，但模型畢竟是假的，與真實的情境相差太遠，學生覺得不可信，而且，模型中的各組件及其運行軌道是固定的、不可變的。有不少學生在看了用三球儀演示的日食發生時三個天體的位置關系后，提出疑問：月球繞地球每月公轉一圈，從這個模型上看，月球每月都會出現在太陽和地球中間一次，三個天體成一條直線，可是為什么現實生活中不會每個月都出現日食呢？

若用3D模型，效果就不一樣了。由于3D模型是結構件，可以根據需要進行調整和改變。當學生戴上3D設備，看到太陽、地球、月球等天體立體地呈現在眼前時，他們的頭腦中便有了空間立體感。借助3D動畫演示，學生發現：由于月球公轉的軌道面與地球公轉的軌道面并不在同一平面（即存在黃白交角），所以，當每個月農歷初一，月球運行到太陽和地球之間時，三個天體的位置關系并不是每次都成一條直線。從宇宙中看，月球的陰影并不是每次都能投射到地球上；從地球上看，太陽的圓面并不是每次都被月球遮擋。借助這樣的技術手段，學生不僅得到了解疑釋惑，而且他們對天文學的研究興趣也會被激發。

此外，如果學校的硬件設施齊備，學生還可以利用3D星空軟件（如Stellarium），在電腦桌面上進行各種虛擬的天文觀測，包括月相觀測、日食和月食觀測、星座的認識、星座在四季的位置變化、太陽系和銀河系的觀察等。這種虛擬軟件可以自主設置時間和地點，可以讓時間快進和快退，可以將觀察對象放大和縮小、調近和調遠……因此，學生可以不受時間和空間的限制，在電腦上模擬觀測地球上任一時間、任一地點的天文現象。這就彌補了現實條件下因時間、空間的限制或其他客觀因素的影響（如城市的光污染）而無法進行觀測的遺憾。

二、增強3D互動體驗，促進生命科學領域的學習

在生命科學領域的教學內容中，一些關于植物、動物等方面的內容可以通過種植和飼養活動，讓學生直接進行觀察和探究，如種鳳仙花和養蠶等。但有很多內容無法進行直接觀察，如《我們的身體》單元就是老師們普遍感到“不好上”的內容。人體的骨骼、關節和肌肉到底是怎樣起作用的，相互之間如何協調？食物在人體內是怎樣被消化和吸收的？人運動起來呼吸和心跳為什么要加快？這些問題，用傳統的方法和手段很難讓學生進行互動式的觀察和探究學習，如果引入3D互動技術，則可大大增加學生動手動腦的機會。

在《骨骼、關節和肌肉》一課的教學中，學生利用平板或電腦設備，可以進行一些自主探究，如將虛擬的人體表面的皮膚隱去，呈現皮膚下面的肌肉；將肌肉和內臟隱去，重點觀察骨骼。在研究骨骼和關節時，可以先將骨頭拆散，再由學生通過觀察比較之后，將結構上互相適應的、相鄰的骨頭拖到一起，組合成相應的關節，并讓關節呈現出它所能做的運動。在此基礎上，學生可以給關節添上肌肉，通過觀察，能發現肌肉是附著在相鄰骨頭（而不是同一根骨頭）上的。再通過讓肌肉收縮的指令，來認識關節運動的力量來自肌肉對骨頭的牽拉作用。以肘關節為例，當學生點擊上臂前面的肌肉（肱二頭肌）時，肱二頭肌收縮（外形上有所改變），同時肱三頭肌舒張（外形上改變），前臂的骨頭被拉起，于是就產生了肘關節彎曲的動作；如果學生點擊上臂后面的肌肉（肱三頭肌）時，肌肉的收縮和舒張情況與剛才相反，產生肘關節伸直的動作。這樣的互動、直觀體驗活動，可以讓學生對學習內容產生濃厚的興趣，主動地投入到探究活動當中。

再如，學習消化器官、呼吸器官（肺）、血液循環器官（心臟）等的結構與功能時，學生可借助AR技術的支持，多角度、全方位地對外部和內部結構進行觀察。在此基礎上，通過3D動畫的呈現，幫助學生理解這些器官的功能及相互之間的協調配合。

三、立體放大微觀粒子，助力物質科學領域的學習

物質科學領域的許多內容可以通過對實物材料的探究來進行學習，3D技術主要應用于微觀領域，通過“放大”或“可視化”等技術手段，幫助學生對物質微粒的運動和變化情況形成直觀印象，促進學生對一些難點問題的理解，促進他們概念的建構。

如學習“空氣”這一內容，要想讓學生建構“空氣是混合物”“空氣沒有固定的體積”“空氣的形狀隨容器而變”“空氣可以被壓縮”等概念，僅僅通過講授或二維圖片的演示，學生往往難以理解。如果借助3D技術，將空氣的成分可視化，將空氣分子立體放大，有助于學生對空氣的認識和了解。比如，在3D互動技術的支持下，學生將同樣多的空氣放入不同形狀的容器中，發現“空氣分子”總是能自由擴散、填滿容器的每個空間；把空氣進行壓縮，會發現空氣分子間的距離變小了，擠在一起。有了這樣的直觀體驗，再結合生活經驗和真實情境中的實驗觀察，學生對空氣的相關概念的建構就變得容易了。

類似的可以利用3D技術來突破難點的內容還有許多，比如《溶解》單元中物質的顆粒在液體中的分散過程、過濾實驗時濾紙的作用原理，《聲音》單元中聲波的傳導過程、聲音的高低和強弱分別與什么有關等，都可以利用3D技術的可視化及立體放大功能，幫助學生建構正確的科學概念。

此外，在技術與工程領域的學習中，3D技術能很好地幫助學生理解人工世界、產品、設計、工程、技術等關鍵詞，而且，3D技術的應用本身，就是在實施這一內容的教學。

綜上所述，小學科學課的教學內容中，有許多項目需要借助3D技術的獨特優勢來促進學生的探究學習。在這樣的場景中學習，學生的興趣更濃厚、注意力更集中、思維更活躍，教學的效果也更好。

當然，在小學科學教學中，3D技術只是一種輔助手段，誠如新課標中指出的那樣：“在發揮現代教學媒體優勢的同時，不應忽視真實情境、直接經驗對小學生的重要作用。不應讓鼠標替代能動手做的科學活動，親手做實驗的感覺與做虛擬實驗的感覺差異很大，意義也不一樣。”我們需要積極探索如何將真實情境中的探究活動與3D技術及其他教學媒體的使用有機地融合起來，更好地促進學生的學習和發展。

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