虛擬實驗：“生活視角”與“宇宙視角”轉換的好平臺

曹文佳

[摘要]本文以《北極星“不動”的秘密》為例，利用自制教具進行虛擬實驗，轉化“生活視角”與“宇宙視角”，讓學生體驗生活中難以看到的現(xiàn)象及其產(chǎn)生過程，歷經(jīng)科學探究才能真正理解科學原理。

[關鍵詞]自制教具;北極星“不動”;虛擬實驗;轉換視角

在小學科學的諸多知識點中，“地球與宇宙”領域的相關內容一直是教師們潛意識回避的教學難點。大家形象地稱之為“難教課”?！叭绾无D化空間視角”常常困擾著教師的“教”和學生的“學”。以教科版小學科學五年級下冊第四單元第5課《北極星“不動”的秘密》為例，需要引導學生認識北極星“不動”的秘密是由于地球圍著地軸自轉，北極星在地軸的延長線上。這不但是本課的重難點，還是小學階段“地球與宇宙”科學學習的關鍵點。在學習本課前，五年級的學生大多已經(jīng)知道地球在自轉并且圍繞太陽公轉，但僅僅是停留在“知道”這一層面上，具體的自轉和公轉現(xiàn)象并不清楚，甚至理解錯誤。同時，五年級學生的形象思維占主導，抽象思維比較薄弱。教學中人們常根據(jù)研究對象的本質特征，人為地建立或選擇一種與之相似的模型，再在模型的基礎上進行實驗研究，然后將實驗結果類推到原型中，以揭示研究對象的本質和規(guī)律。我從教材和學情出發(fā)，以難點、重點問題為著眼點，利用自制教具對實驗進行了改進。采用了虛擬現(xiàn)實的手段，讓學生經(jīng)歷了在“宇宙中”和“地球上”觀察星空的情形，通過科學探究，學生找到了充足的證據(jù)來揭秘北極星“不動”的原因。

一、實驗環(huán)境創(chuàng)新：教學情境的創(chuàng)設與調整

學習情境的創(chuàng)設有利于激發(fā)學生的學習興趣。教學之前，教師用星空筆營造了滿天繁星的效果，還用綠色激光筆投影出的綠色強光點來模擬北極星，用紅色激光筆投影出的紅色光點來模擬不知名的亮星。一下子吸引了學生的注意力，目光聚焦于“星空”，激發(fā)了探究的興趣。同時這片“星空”還為后續(xù)實驗打下了基礎。上課初期，學生觀察在北半球連續(xù)拍攝后得到的星空圖片，很容易發(fā)現(xiàn)其他星星圍著中間的星在做圓周運動，中間的星星看上去沒有動。教師圈出中間不動的那顆星，介紹“在北天星空看起來不動的是北極星”。那么為什么其他星星旋轉，北極星不動呢？同學們眾說紛紜，產(chǎn)生思維碰撞，激起了探究的欲望。有學生根據(jù)前幾課所學，猜測可能是地球自轉引起的，但拿不出證據(jù)。教師抓住契機，順勢引出課題。

二、實驗難點突破：轉換視角。豐富體驗

（一）教材的視角缺陷

圍繞北極星為什么不動，教材安排了四個活動。

活動一：“旋轉星空圖片”，讓學生觀察到星體在旋轉，北極星的位置“不動”。然而，事實上星空在短時間內是不動的，轉動的是地球，而非星空。所以，此活動只讓學生看到了現(xiàn)象，對于北極星“不動”則無法解釋原因。

活動二：“坐在轉椅上觀察‘北極星”。需要學生看著“北極星”，使視覺中心保持不動，發(fā)現(xiàn)周圍物體旋轉。然而，在實際操作過程中，存在很多問題，如：“星星”難以貼高，而僅參照其他高處物，又不形象;轉椅數(shù)量有限，只有部分同學體驗等。也曾有一些改進方法，如高舉星圖，同樣操作不方便;利用鐵絲綁定一顆“星”在地軸延長線上，此時地軸延長線實體化，學生沒有主動思考，思維受到了限制。

活動三：“轉陀螺”，讓學生把陀螺當成地球，理解地球自轉也是圍著軸心運動的。但是，實際上陀螺轉動時軸的方向是變化的，而地球轉動時地軸方向是不變的。這個活動沒有起到很好的參考作用。

活動四：“轉動貼著‘小人的‘地球”，思考如何轉動，才能讓球上的“小人”觀察到“北極星”是不動的。這個活動需要學生想象自己是“小人”，正站在地球上觀察，要將“地球”對著“北極星”轉動，才能讓“小人”觀察到“北極星”不動。但“人”≠人，這和學生的直接感知存在一定的距離。

綜觀教材上的四個活動，雖然讓學生有了直接感受，但均存在操作不規(guī)范、現(xiàn)象不精準，體驗不到位等問題，實驗證據(jù)不夠充分，學生要借助推想才能稍稍理解“地球圍著地軸自轉，地軸是傾斜的”。這個過程具有很大的挑戰(zhàn)和難度。

（二）利用自制教具，形成新的學習視角

針對教材存在的問題，我利用廢舊的鐵架臺、地球儀（球體）、Pvc管、激光筆、滾珠軸承、手機架自制教具，對教材實驗進行了替換和改進，大大降低學生理解的難度，突破重難點。利用自制教具，讓實驗現(xiàn)象精準、直觀、科學。

1.星空、地球雙視角：再現(xiàn)北極星“不動”的現(xiàn)象。首先，學生直接觀察天花板上的“星空”，教師引導：“請大家移步到宇宙中”，此時看到的“星空”是不動的，講解宇宙中的星空在短時間內是相對不動的。此時，學生對照片中的現(xiàn)象產(chǎn)生疑問，隨即拋出問題：“那為什么一開始看到的照片里星星會圍繞著一個中心轉動呢？”我利用自制教具直觀呈現(xiàn)現(xiàn)象，用手機攝像頭模擬在地球上觀看星空的人眼，再利用同屏技術在大屏幕上顯示。引導學生：“我們一起來到地球上，以地球上人的視角來進行觀察。”自西向東轉動地球儀，模擬地球自轉運動，學生清楚地在屏幕中看到“星空”在做逆時針圓周運動，旋轉中心的“北極星”不動。通過這樣的改進，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，讓生活中無法觸及的現(xiàn)象盡在眼前，極大地拓展了學生的認知角度。

2.虛擬地軸直觀化：探究北極星與地球的直線關系。但是，北極星為什么不動呢，它的位置和地球有什么聯(lián)系呢？學生進行猜測，部分學生能猜到，但缺失科學的證據(jù)。教師適時追問：“真的是這樣嗎？”激發(fā)學生揭秘的欲望。對比改裝的地球儀“不自轉”和“自轉”時電腦屏幕中的現(xiàn)象，學生能猜到原來其他星會圍著北極星轉，是因為地球在繞著一根虛擬的地軸在自轉。此時，出示正在自轉的地球動畫，認識地軸。然而，虛擬的地軸其實并不是真實存在的，學生無法真實地看到，如果僅僅這么解釋，學生還是云里霧里。于是，我利用便攜式噴霧裝置噴出的水霧讓掩藏在“地軸”內的激光筆射出的紅色的虛擬地軸顯形，讓學生清晰地看到（綠色）“北極星”在（紅色激光呈線狀）“地軸”延長線上。一目了然的效果，讓學生很容易明白北極星在地軸的延長線上，由于它處在我們的視覺旋轉中心，所以看起來不動。為了加深學生的理解，更好地激發(fā)學生的思維。我在教學時還增設了對比實驗，如果北極星不在地軸延長線上，又會怎么樣？將綠色的“北極星”移到其他地方。學生在鏡頭中看“地球”自轉時“北極星”的位置也在發(fā)生變化。如當場沒看清楚，可以在兩次實驗時點擊手機上的拍攝按鈕，通過錄制下來的視頻就能反復對比了。

三、實驗探究創(chuàng)新：宇宙空間教學的新視野

在以往的“地球與宇宙”實驗教學內容中，往往“教”為主，而缺少主動地“學”。虛擬實驗為科學課堂的學習提供更好的支撐。具體來說，本節(jié)課的設計體現(xiàn)了以下價值：

1.通過實驗改進，實現(xiàn)了從微觀到宏觀的進步，讓原本虛無縹緲的宇宙，這一無法讓學生實際去探索的天文現(xiàn)象，以縮小版的形式呈現(xiàn)在眼前，實際操作，從而順利推導出宇宙中的現(xiàn)象。

2.巧用自制教具，打破了以往在宇宙視角去構建對天體之間的認識的局限，學生可以從宇宙和地球的視角同時進行對比觀察，突破了難點，給學生留下更多時間和空間去思考;同屏技術的應用讓實驗的直觀性大大加強。

3.增設對比實驗，效果更優(yōu)。對北極星順向思維“不動”的奧秘只是一個現(xiàn)象的歸納和整理，對逆向思維“動”的奧秘才是理解和消化，知識才會遷移，學生才會真正理解與掌握北極星“不動”的奧秘。

虛擬實驗對于學生科學學習的深度理解，提供了一定的參考價值和指導作用，也為“地球與宇宙”領域其他教學內容的學習提供了思考的方向。