虛擬實(shí)驗(yàn)：“生活視角”與“宇宙視角”轉(zhuǎn)換的好平臺(tái)

曹文佳

[摘要]本文以《北極星“不動(dòng)”的秘密》為例，利用自制教具進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)化“生活視角”與“宇宙視角”，讓學(xué)生體驗(yàn)生活中難以看到的現(xiàn)象及其產(chǎn)生過(guò)程，歷經(jīng)科學(xué)探究才能真正理解科學(xué)原理。

[關(guān)鍵詞]自制教具;北極星“不動(dòng)”;虛擬實(shí)驗(yàn);轉(zhuǎn)換視角

在小學(xué)科學(xué)的諸多知識(shí)點(diǎn)中，“地球與宇宙”領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容一直是教師們潛意識(shí)回避的教學(xué)難點(diǎn)。大家形象地稱之為“難教課”。“如何轉(zhuǎn)化空間視角”常常困擾著教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”。以教科版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)下冊(cè)第四單元第5課《北極星“不動(dòng)”的秘密》為例，需要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)北極星“不動(dòng)”的秘密是由于地球圍著地軸自轉(zhuǎn)，北極星在地軸的延長(zhǎng)線上。這不但是本課的重難點(diǎn)，還是小學(xué)階段“地球與宇宙”科學(xué)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵點(diǎn)。在學(xué)習(xí)本課前，五年級(jí)的學(xué)生大多已經(jīng)知道地球在自轉(zhuǎn)并且圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，但僅僅是停留在“知道”這一層面上，具體的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)現(xiàn)象并不清楚，甚至理解錯(cuò)誤。同時(shí)，五年級(jí)學(xué)生的形象思維占主導(dǎo)，抽象思維比較薄弱。教學(xué)中人們常根據(jù)研究對(duì)象的本質(zhì)特征，人為地建立或選擇一種與之相似的模型，再在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，然后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果類推到原型中，以揭示研究對(duì)象的本質(zhì)和規(guī)律。我從教材和學(xué)情出發(fā)，以難點(diǎn)、重點(diǎn)問(wèn)題為著眼點(diǎn)，利用自制教具對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。采用了虛擬現(xiàn)實(shí)的手段，讓學(xué)生經(jīng)歷了在“宇宙中”和“地球上”觀察星空的情形，通過(guò)科學(xué)探究，學(xué)生找到了充足的證據(jù)來(lái)揭秘北極星“不動(dòng)”的原因。

一、實(shí)驗(yàn)環(huán)境創(chuàng)新：教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)與調(diào)整

學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)之前，教師用星空筆營(yíng)造了滿天繁星的效果，還用綠色激光筆投影出的綠色強(qiáng)光點(diǎn)來(lái)模擬北極星，用紅色激光筆投影出的紅色光點(diǎn)來(lái)模擬不知名的亮星。一下子吸引了學(xué)生的注意力，目光聚焦于“星空”，激發(fā)了探究的興趣。同時(shí)這片“星空”還為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。上課初期，學(xué)生觀察在北半球連續(xù)拍攝后得到的星空?qǐng)D片，很容易發(fā)現(xiàn)其他星星圍著中間的星在做圓周運(yùn)動(dòng)，中間的星星看上去沒(méi)有動(dòng)。教師圈出中間不動(dòng)的那顆星，介紹“在北天星空看起來(lái)不動(dòng)的是北極星”。那么為什么其他星星旋轉(zhuǎn)，北極星不動(dòng)呢？同學(xué)們眾說(shuō)紛紜，產(chǎn)生思維碰撞，激起了探究的欲望。有學(xué)生根據(jù)前幾課所學(xué)，猜測(cè)可能是地球自轉(zhuǎn)引起的，但拿不出證據(jù)。教師抓住契機(jī)，順勢(shì)引出課題。

二、實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)突破：轉(zhuǎn)換視角。豐富體驗(yàn)

（一）教材的視角缺陷

圍繞北極星為什么不動(dòng)，教材安排了四個(gè)活動(dòng)。

活動(dòng)一：“旋轉(zhuǎn)星空?qǐng)D片”，讓學(xué)生觀察到星體在旋轉(zhuǎn)，北極星的位置“不動(dòng)”。然而，事實(shí)上星空在短時(shí)間內(nèi)是不動(dòng)的，轉(zhuǎn)動(dòng)的是地球，而非星空。所以，此活動(dòng)只讓學(xué)生看到了現(xiàn)象，對(duì)于北極星“不動(dòng)”則無(wú)法解釋原因。

活動(dòng)二：“坐在轉(zhuǎn)椅上觀察‘北極星”。需要學(xué)生看著“北極星”，使視覺(jué)中心保持不動(dòng)，發(fā)現(xiàn)周圍物體旋轉(zhuǎn)。然而，在實(shí)際操作過(guò)程中，存在很多問(wèn)題，如：“星星”難以貼高，而僅參照其他高處物，又不形象;轉(zhuǎn)椅數(shù)量有限，只有部分同學(xué)體驗(yàn)等。也曾有一些改進(jìn)方法，如高舉星圖，同樣操作不方便;利用鐵絲綁定一顆“星”在地軸延長(zhǎng)線上，此時(shí)地軸延長(zhǎng)線實(shí)體化，學(xué)生沒(méi)有主動(dòng)思考，思維受到了限制。

活動(dòng)三：“轉(zhuǎn)陀螺”，讓學(xué)生把陀螺當(dāng)成地球，理解地球自轉(zhuǎn)也是圍著軸心運(yùn)動(dòng)的。但是，實(shí)際上陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸的方向是變化的，而地球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)地軸方向是不變的。這個(gè)活動(dòng)沒(méi)有起到很好的參考作用。

活動(dòng)四：“轉(zhuǎn)動(dòng)貼著‘小人的‘地球”，思考如何轉(zhuǎn)動(dòng)，才能讓球上的“小人”觀察到“北極星”是不動(dòng)的。這個(gè)活動(dòng)需要學(xué)生想象自己是“小人”，正站在地球上觀察，要將“地球”對(duì)著“北極星”轉(zhuǎn)動(dòng)，才能讓“小人”觀察到“北極星”不動(dòng)。但“人”≠人，這和學(xué)生的直接感知存在一定的距離。

綜觀教材上的四個(gè)活動(dòng)，雖然讓學(xué)生有了直接感受，但均存在操作不規(guī)范、現(xiàn)象不精準(zhǔn)，體驗(yàn)不到位等問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)證據(jù)不夠充分，學(xué)生要借助推想才能稍稍理解“地球圍著地軸自轉(zhuǎn)，地軸是傾斜的”。這個(gè)過(guò)程具有很大的挑戰(zhàn)和難度。

（二）利用自制教具，形成新的學(xué)習(xí)視角

針對(duì)教材存在的問(wèn)題，我利用廢舊的鐵架臺(tái)、地球儀（球體）、Pvc管、激光筆、滾珠軸承、手機(jī)架自制教具，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了替換和改進(jìn)，大大降低學(xué)生理解的難度，突破重難點(diǎn)。利用自制教具，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象精準(zhǔn)、直觀、科學(xué)。

1.星空、地球雙視角：再現(xiàn)北極星“不動(dòng)”的現(xiàn)象。首先，學(xué)生直接觀察天花板上的“星空”，教師引導(dǎo)：“請(qǐng)大家移步到宇宙中”，此時(shí)看到的“星空”是不動(dòng)的，講解宇宙中的星空在短時(shí)間內(nèi)是相對(duì)不動(dòng)的。此時(shí)，學(xué)生對(duì)照片中的現(xiàn)象產(chǎn)生疑問(wèn)，隨即拋出問(wèn)題：“那為什么一開(kāi)始看到的照片里星星會(huì)圍繞著一個(gè)中心轉(zhuǎn)動(dòng)呢？”我利用自制教具直觀呈現(xiàn)現(xiàn)象，用手機(jī)攝像頭模擬在地球上觀看星空的人眼，再利用同屏技術(shù)在大屏幕上顯示。引導(dǎo)學(xué)生：“我們一起來(lái)到地球上，以地球上人的視角來(lái)進(jìn)行觀察。”自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)地球儀，模擬地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，學(xué)生清楚地在屏幕中看到“星空”在做逆時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)中心的“北極星”不動(dòng)。通過(guò)這樣的改進(jìn)，既可以模擬從宇宙角度觀察北極星，還可以模擬在地球上觀察星空的變化，讓生活中無(wú)法觸及的現(xiàn)象盡在眼前，極大地拓展了學(xué)生的認(rèn)知角度。

2.虛擬地軸直觀化：探究北極星與地球的直線關(guān)系。但是，北極星為什么不動(dòng)呢，它的位置和地球有什么聯(lián)系呢？學(xué)生進(jìn)行猜測(cè)，部分學(xué)生能猜到，但缺失科學(xué)的證據(jù)。教師適時(shí)追問(wèn)：“真的是這樣嗎？”激發(fā)學(xué)生揭秘的欲望。對(duì)比改裝的地球儀“不自轉(zhuǎn)”和“自轉(zhuǎn)”時(shí)電腦屏幕中的現(xiàn)象，學(xué)生能猜到原來(lái)其他星會(huì)圍著北極星轉(zhuǎn)，是因?yàn)榈厍蛟诶@著一根虛擬的地軸在自轉(zhuǎn)。此時(shí)，出示正在自轉(zhuǎn)的地球動(dòng)畫，認(rèn)識(shí)地軸。然而，虛擬的地軸其實(shí)并不是真實(shí)存在的，學(xué)生無(wú)法真實(shí)地看到，如果僅僅這么解釋，學(xué)生還是云里霧里。于是，我利用便攜式噴霧裝置噴出的水霧讓掩藏在“地軸”內(nèi)的激光筆射出的紅色的虛擬地軸顯形，讓學(xué)生清晰地看到（綠色）“北極星”在（紅色激光呈線狀）“地軸”延長(zhǎng)線上。一目了然的效果，讓學(xué)生很容易明白北極星在地軸的延長(zhǎng)線上，由于它處在我們的視覺(jué)旋轉(zhuǎn)中心，所以看起來(lái)不動(dòng)。為了加深學(xué)生的理解，更好地激發(fā)學(xué)生的思維。我在教學(xué)時(shí)還增設(shè)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如果北極星不在地軸延長(zhǎng)線上，又會(huì)怎么樣？將綠色的“北極星”移到其他地方。學(xué)生在鏡頭中看“地球”自轉(zhuǎn)時(shí)“北極星”的位置也在發(fā)生變化。如當(dāng)場(chǎng)沒(méi)看清楚，可以在兩次實(shí)驗(yàn)時(shí)點(diǎn)擊手機(jī)上的拍攝按鈕，通過(guò)錄制下來(lái)的視頻就能反復(fù)對(duì)比了。

三、實(shí)驗(yàn)探究創(chuàng)新：宇宙空間教學(xué)的新視野

在以往的“地球與宇宙”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，往往“教”為主，而缺少主動(dòng)地“學(xué)”。虛擬實(shí)驗(yàn)為科學(xué)課堂的學(xué)習(xí)提供更好的支撐。具體來(lái)說(shuō)，本節(jié)課的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了以下價(jià)值：

1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了從微觀到宏觀的進(jìn)步，讓原本虛無(wú)縹緲的宇宙，這一無(wú)法讓學(xué)生實(shí)際去探索的天文現(xiàn)象，以縮小版的形式呈現(xiàn)在眼前，實(shí)際操作，從而順利推導(dǎo)出宇宙中的現(xiàn)象。

2.巧用自制教具，打破了以往在宇宙視角去構(gòu)建對(duì)天體之間的認(rèn)識(shí)的局限，學(xué)生可以從宇宙和地球的視角同時(shí)進(jìn)行對(duì)比觀察，突破了難點(diǎn)，給學(xué)生留下更多時(shí)間和空間去思考;同屏技術(shù)的應(yīng)用讓實(shí)驗(yàn)的直觀性大大加強(qiáng)。

3.增設(shè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，效果更優(yōu)。對(duì)北極星順向思維“不動(dòng)”的奧秘只是一個(gè)現(xiàn)象的歸納和整理，對(duì)逆向思維“動(dòng)”的奧秘才是理解和消化，知識(shí)才會(huì)遷移，學(xué)生才會(huì)真正理解與掌握北極星“不動(dòng)”的奧秘。

虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的深度理解，提供了一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)作用，也為“地球與宇宙”領(lǐng)域其他教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)提供了思考的方向。