技術(shù)賦能：跨學(xué)科可視化教與學(xué)

阮德懷 廣東省黃偉祥名師工作室成員/廣東省中山市實(shí)驗(yàn)小學(xué)

《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》明確提出，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)綜合課程和跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)，積極探索新技術(shù)背景下學(xué)習(xí)環(huán)境與方式的變革。教育部印發(fā)的《關(guān)于實(shí)施全國(guó)中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0的意見》指出，要提升教師應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)開展跨學(xué)科教學(xué)能力，推動(dòng)信息化教育教學(xué)創(chuàng)新。因此，筆者嘗試運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)賦能跨學(xué)科情境學(xué)習(xí)（如圖1），用手持式實(shí)驗(yàn)技術(shù)賦能跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)探究，用三維設(shè)計(jì)賦能跨學(xué)科工程設(shè)計(jì)，用圖形化編程技術(shù)賦能跨學(xué)科作品模擬。通過技術(shù)賦能，豐富跨學(xué)科學(xué)習(xí)形式，增強(qiáng)跨學(xué)科教學(xué)趣味性，提升教師應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)開展跨學(xué)科教學(xué)水平，讓師生在技術(shù)賦能的跨學(xué)科教學(xué)中共成長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué)常態(tài)化。

圖1 技術(shù)賦能跨學(xué)科教與學(xué)

● 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，賦能跨學(xué)科情境學(xué)習(xí)

1.AR閱讀，打造立體化閱讀情境

在跨學(xué)科教學(xué)中，為了拓寬和加深學(xué)生對(duì)某些知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解，教師通常會(huì)提供相關(guān)學(xué)習(xí)材料給學(xué)生進(jìn)行自主閱讀，但平面的學(xué)習(xí)材料對(duì)于部分學(xué)生而言吸引力不足，而AR閱讀可以將計(jì)算機(jī)生成的虛擬3D圖像和動(dòng)畫疊加到傳統(tǒng)紙質(zhì)書本上，讓原本平面的圖像文字變得立體生動(dòng)，讓學(xué)生在立體化閱讀情境中閱讀，從而激發(fā)閱讀興趣。例如，在《夜行動(dòng)物》一課中，筆者引入AR技術(shù)賦能夜行動(dòng)物學(xué)習(xí)材料，讓原本靜態(tài)的文字、圖形立體化，學(xué)生可以觀看、拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)夜行動(dòng)物，從視覺、觸覺、聽覺等方面進(jìn)行體驗(yàn)和閱讀，這種立體化情境內(nèi)有利于學(xué)生全方位認(rèn)識(shí)和理解夜行動(dòng)物，為后續(xù)的夜行動(dòng)物綜合作品創(chuàng)作打下基礎(chǔ)。

2.AR游戲，構(gòu)建三維探索情境

探索是兒童的天性，兒童與生俱來就對(duì)新事物、新技術(shù)有著強(qiáng)烈的求知欲。AR教育游戲通過將虛擬游戲與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，讓體驗(yàn)者沉浸在一個(gè)接近現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)中體驗(yàn)不到的三維情境。引入AR教育游戲到跨學(xué)科教學(xué)中，讓學(xué)生沉浸在三維情境中進(jìn)行探索，有利于釋放兒童的探索天性。例如，在《觀察物體》一課中，為了啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)“從不同的方向觀看物體，看到的物體形狀是不同的”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，筆者融入AR教育游戲，讓學(xué)生在三維情境中對(duì)物體進(jìn)行拖動(dòng)、擺放和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)從不同角度觀察和分析物體，有利于學(xué)生更好地掌握和運(yùn)用三視圖去觀察物體。同時(shí)，引入情境游戲闖關(guān)，更能激活學(xué)生的探索熱情，讓學(xué)生在情境游戲探索中掌握知識(shí)，鍛煉思維，落實(shí)核心素養(yǎng)。

● 手持式實(shí)驗(yàn)技術(shù)，賦能跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)探究

科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究是跨學(xué)科教學(xué)中常見的教學(xué)環(huán)節(jié)，但小學(xué)生的思維發(fā)展還處于具體的運(yùn)演階段，對(duì)相對(duì)抽象的知識(shí)需要通過具體的科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察和探究，以實(shí)現(xiàn)抽象知識(shí)的學(xué)習(xí)和內(nèi)化。手持式實(shí)驗(yàn)技術(shù)借助移動(dòng)微小儀器，與電腦連接，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、快速、動(dòng)態(tài)傳輸實(shí)驗(yàn)探究的數(shù)據(jù)，并將實(shí)驗(yàn)探究數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化呈現(xiàn)，從而將抽象的知識(shí)形象化，激發(fā)學(xué)生跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)探究的興趣，讓學(xué)生體驗(yàn)到跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)探究的樂趣。

例如，在《智能家居》一課中，筆者引入手持式實(shí)驗(yàn)技術(shù)探究光敏傳感器感光值，顯示光敏傳感器感光數(shù)值可視化動(dòng)態(tài)曲線，當(dāng)感光曲線趨向于一條直線時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生理解曲線“拐點(diǎn)”數(shù)值為該傳感器感光峰值，并將這個(gè)數(shù)值記錄下來，寫入編寫的程序中，作為判斷周圍光線變化的峰值。如果超過這個(gè)數(shù)值，可以讓智能家居的燈光調(diào)暗或關(guān)燈；如果小于這個(gè)數(shù)值，可以讓智能家居的燈光調(diào)亮或開燈補(bǔ)光。通過手持式實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將光敏傳感器工作原理和感光過程以可視化動(dòng)態(tài)曲線的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，輔助學(xué)生將抽象感光過程形象化、數(shù)據(jù)化。該技術(shù)的應(yīng)用，提升了學(xué)生編寫腳本的準(zhǔn)確率，為后續(xù)作品的測(cè)試和完善奠定了基礎(chǔ)。

● 三維設(shè)計(jì)技術(shù)，賦能跨學(xué)科工程設(shè)計(jì)

1.從三維觀察到3D打印，降低工程設(shè)計(jì)難度

工程設(shè)計(jì)對(duì)于小學(xué)生而言具有一定的難度，然而工程設(shè)計(jì)又是跨學(xué)科作品創(chuàng)作的關(guān)鍵點(diǎn)，如何借助當(dāng)前的新技術(shù)賦能工程設(shè)計(jì)，降低跨工程設(shè)計(jì)難度，讓小學(xué)生掌握一定的工程設(shè)計(jì)技能和思維呢？筆者嘗試引入三維觀察技術(shù)全方位觀察作品結(jié)構(gòu)，進(jìn)而借助3D打印筆將學(xué)生觀察到的結(jié)構(gòu)圖形進(jìn)行打印，通過3D打印筆所畫即成形的效果，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)作熱情，由淺入深逐步降低設(shè)計(jì)難度，讓學(xué)生在愉悅的狀態(tài)下完成作品的工程設(shè)計(jì)。

例如，在《神奇的風(fēng)車》一課中，為了讓學(xué)生更好地設(shè)計(jì)風(fēng)車結(jié)構(gòu)，筆者采用觀一觀、說一說、畫一畫活動(dòng)將抽象的風(fēng)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行3D打印。觀一觀：引導(dǎo)學(xué)生從三維角度觀察風(fēng)車結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的平面圖形；說一說：組織學(xué)生將自己觀察的結(jié)果和收獲進(jìn)行分享；畫一畫：使用3D打印筆將自己繪制的風(fēng)車進(jìn)行打印。通過上述活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生在觀察中學(xué)習(xí)風(fēng)車結(jié)構(gòu)，在表達(dá)中感悟觀察風(fēng)車結(jié)構(gòu)所得，在3D打印中學(xué)習(xí)風(fēng)車結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)，進(jìn)而為后續(xù)的立體風(fēng)車結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)打下知識(shí)與思維基礎(chǔ)。

觀察是學(xué)習(xí)的開始，三維觀察能讓人更全面地認(rèn)識(shí)該事物，而3D打印是對(duì)所觀察和學(xué)習(xí)到的知識(shí)的進(jìn)一步內(nèi)化，運(yùn)用三維觀察和3D打印技術(shù)賦能神奇的風(fēng)車作品結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)與創(chuàng)意設(shè)計(jì)，可以為后面的三維個(gè)性化設(shè)計(jì)做好鋪墊，進(jìn)而降低整個(gè)作品所需工程設(shè)計(jì)的難度。

2.從三維動(dòng)畫到立體設(shè)計(jì)，激發(fā)工程設(shè)計(jì)靈感

靈感源于生活，而又高于生活。在《神奇的風(fēng)車》一課中，學(xué)生已經(jīng)借助三維觀察和3D打印技術(shù)對(duì)風(fēng)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了學(xué)習(xí)和創(chuàng)意打印，那么，如何借助三維技術(shù)激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)靈感，將平面創(chuàng)意打印的風(fēng)車結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到個(gè)性三維立體設(shè)計(jì)呢？

筆者以三維動(dòng)畫賦能大風(fēng)車歌曲的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在風(fēng)車藝術(shù)中感受到風(fēng)車結(jié)構(gòu)的美，以音樂和三維動(dòng)畫的藝術(shù)激活學(xué)生的設(shè)計(jì)靈感，進(jìn)而運(yùn)用3Done軟件對(duì)風(fēng)車進(jìn)行立體創(chuàng)作。為了讓學(xué)生從藝術(shù)熏陶中順利過渡到三維立體設(shè)計(jì)，筆者主要采用以下三個(gè)小環(huán)節(jié)：①平板互動(dòng)，感知三維圖形。即通過平板中的圖形拖動(dòng)，讓學(xué)生體驗(yàn)三維圖形的拼搭，感受其中的樂趣。②三維建模，創(chuàng)意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。即以3Done軟件為工具，組織學(xué)生借助三維軟件進(jìn)行風(fēng)車結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行個(gè)性化修飾。③作品創(chuàng)意展示，思維碰撞。借助智慧課堂教學(xué)軟件展示各小組的創(chuàng)意三維風(fēng)車結(jié)構(gòu)，以點(diǎn)帶面激發(fā)全體學(xué)生的工程設(shè)計(jì)靈感。

三維技術(shù)賦能風(fēng)車結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)（如圖2）,讓學(xué)生經(jīng)歷從風(fēng)車結(jié)構(gòu)觀察到風(fēng)車結(jié)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計(jì)打印，到感受風(fēng)車蘊(yùn)含的藝術(shù)美，再到創(chuàng)作三維立體風(fēng)車結(jié)構(gòu)的過程，對(duì)跨學(xué)科作品風(fēng)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中蘊(yùn)含的知識(shí)、藝術(shù)和思維進(jìn)行可視化、立體化、沉浸式學(xué)習(xí)。

圖2 三維技術(shù)賦能風(fēng)車工程設(shè)計(jì)

● 圖形化編程技術(shù)，賦能跨學(xué)科作品模擬

在跨學(xué)科教學(xué)中，有時(shí)受現(xiàn)實(shí)條件和教學(xué)時(shí)間的限制，無(wú)法完成一些相對(duì)復(fù)雜、耗時(shí)的作品，而基于圖形化編程的作品模擬為跨學(xué)科作品制作提供了新的思路和手段。

例如，在“校園停車場(chǎng)改造”項(xiàng)目中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下已經(jīng)完成了校園停車場(chǎng)的實(shí)地調(diào)研，分析出當(dāng)前校園停車場(chǎng)存在缺乏停車線、車位少、停車難等問題，并提出繪制停車線和建設(shè)立體停車場(chǎng)來解決停車難的問題。在學(xué)生提出的解決方法中，繪制停車線在現(xiàn)有條件下很容易實(shí)現(xiàn)，然而建設(shè)立體停車場(chǎng)在現(xiàn)有的條件下，還無(wú)法滿足學(xué)生的需求。為此，教師引入圖形化編程技術(shù)，將建設(shè)立體停車場(chǎng)的需求轉(zhuǎn)移到圖形化編程平臺(tái)中，通過圖形化編程平臺(tái)來建立立體停車場(chǎng)模型，以此來模擬解決校園停車場(chǎng)停車難的問題。在立體停車場(chǎng)作品創(chuàng)作的過程中，學(xué)生還需要對(duì)角色編寫相應(yīng)的程序腳本，以實(shí)現(xiàn)立體停車場(chǎng)的模擬運(yùn)行效果，獲得立體停車場(chǎng)的模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)，為校園停車場(chǎng)的真實(shí)改造提供建議和模擬數(shù)據(jù)參考。

圖形化編程技術(shù)賦能跨學(xué)科作品模擬，打破了現(xiàn)實(shí)條件的限制，減少了創(chuàng)作周期，提高了作品完成率，培養(yǎng)了學(xué)生編程思維和設(shè)計(jì)思維。同時(shí)，它減少了教師準(zhǔn)備各類材料所需時(shí)間和工作量，讓教師有更多的時(shí)間和精力引導(dǎo)學(xué)生開展項(xiàng)目實(shí)施、分享和反思。

技術(shù)賦能跨學(xué)科教與學(xué)，不僅能改變跨學(xué)科教的內(nèi)容和形式，而且能改變跨學(xué)科學(xué)的方式和方法，讓學(xué)生在跨學(xué)科學(xué)習(xí)中學(xué)得快樂、教師在跨學(xué)科教學(xué)中教得幸福，最終實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué)常態(tài)化。