利用全息交互協作學習終端認識日食成因

聶潤秋

《義務教育小學科學課程標準》將“宇宙”列為四大領域的一部分，囊括日、月、四季星空等若干天文學內容。天文學是一門以觀測為主要手段的學科，然而，現在的學生雖然課外書的閱讀量相當可觀，但實地觀測的機會越來越少;知識面雖然很廣，但往往知其然，而不知其所以然。

執教《日食和月食》一課時，通過前測發現，雖然大多數學生沒有親眼見過日食，但能大致繪出日食形成時三個天體的位置關系。可是，當被問及示意圖的一些基本細節和原因時，學生的回答就五花八門了。即使課堂中學生能回答出“標準答案”，也未必真正理解。因此教師必須針對實際學情設計教學，讓學生不光在知識上有所得，更是在科學思維方法上學有所得。

基于以上思考，本節課設計了三個環節：第一，學生進入教師創設的情境，觀察視頻中的日食現象，并根據全息交互協作學習終端（下文簡稱“全息終端”）中呈現的太陽系天體運轉情況，對日食成因進行假設;第二，學生通過模擬實驗探究日食發生時的天體位置關系;第三，通過全息終端所提供的資料，分析出遮擋物的身份，明確日食成因。

觀察日食現象，進行成因假設

課前的準備階段，我先將每個全息終端下部4個不同方向的互動屏用黑紙遮住，然后將全息終端放置在小組的實驗桌中央（每桌1臺，每組8人，圍實驗桌而坐，每2人使用終端的同一面互動屏），接好電源并開機，然后用遮光罩將全息終端完全遮住，拉上教室的遮光簾。

上課伊始，我關閉教室燈光，請學生摘下遮光罩，此時，全息屏上清晰地呈現出“太陽系”在黑暗中持續運轉。我講解道：全息終端由上下兩部分組成，上半部分是金字塔形狀的全息投影屏幕，四面都是透明的，運用無藍光技術將動態運轉的“太陽系”投影在里面。這種無藍光技術，一來不易使學生產生視覺疲勞，二來空間立體感非常強，在黑暗環境中觀看，非常逼真，仿佛身處宇宙之中。

學生仔細地觀看后，開展了交流。

有的同學說：“我看到了太陽和八大行星。”

有的說：“我看到了地球身邊有一個‘小跟班，也就是月亮。”

有的說：“地球排在從里往外數的第三個。”

還有的說：“我看到了行星是繞太陽轉的，而且速度不一樣。”

學生觀察到的信息表面上和日食沒有什么關系，但涉及的天體大小、運行周期、位置關系等內容，不僅是分析日食現象時涉及的，更是所有天文學問題共同關注的。一般來說，現在的學生課外閱讀面比較廣泛，很容易回答出日食的成因，但我希望學生形成“拿到天文問題，先從最重要的幾個維度（即天體大小、運行周期、位置關系等維度）入手”的思維習慣，而不是直接給出通過課外閱讀知道的答案。因此，我一開始沒有提出需探究的問題，而是讓他們先自主觀察，廣泛收集信息。

我又播放了兩段日食現象的視頻，請學生描述現象并對其成因提出假設。一位學生提出：日食是因為月球運動到太陽和地球中間，如果三者正好處在一條直線時，月球就會擋住太陽射向地球的光，月球身后的黑影正好落到地球上，這時就發生了日食現象。馬上有學生質疑：“從全息終端中可以看到，許多天體都能擋住太陽，憑什么就斷定是月亮？”此時第一個學生沒有更多證據來論證，而我轉而詢問：“不管那個天體到底是什么，當它運行到太陽和地球之間時，真如大家所說，會出現日食現象嗎？你怎么證明？”引導學生先關注天體的位置與現象之間的關系。

由于之前的活動一直圍繞著全息終端，有學生脫口而出：“只要看這個設備就明白啦！”而有的學生發現，全息屏中的視角是宇宙空間視角，既無法呈現日食發生時地面上的人們觀察到的情形，也不能直接告訴我們其他天體經過太陽和地球中間時會不會發生日食現象。因此要想得到確切的答案，除了“看”，還需要自己動動手，進行模擬實驗。

用模擬實驗探究形成日食的天體位置關系

怎樣做模擬實驗？有的學生提出：“用三個大小不一的球體，擺放到一條直線上，看看有沒有‘日食現象。”我先請兩三位同學簡單地試一試，他們發現，充當地球的球體是多余的，因為如果使用一個球充當地球，作為觀察者的這位同學的眼睛，則一定在“地球”外。那么，當太陽、地球和月亮處在同一直線上時，觀察者的眼睛并不在這條直線上，也就看不到日食現象。因此，要讓學生的眼睛處于地球所在的位置，同組的學生觀察“日食”現象出現時的天體位置關系，兩位同學合作，就能將天體位置與現象對應起來了。

當所有同學明確了實驗計劃和目的后，教室燈再次關閉，學生進行模擬實驗。開燈后，通過實驗匯報和討論，學生得出結論：三個天體在一條直線上時，就會出現日食現象。另外，學生還在模擬實驗中發現，日食現象發生時，觀察者的眼睛處在遮擋物小球的陰影當中。這為學生在應用環節，思考“木星上有一個圓形黑影是怎么回事”埋下了伏筆。

通過全息終端，解決遮擋物的身份問題

解決了遮擋物的位置問題，我們又回到了最開始學生提出的質疑：那個遮擋的天體，是不是月亮？有的學生說道：“從全息終端中可以看到，能運行到太陽和地球中間的天體，除了月亮，還有水星和金星;即使同為地球的衛星，除了月亮外，還有許多人造衛星也能運行到太陽和地球之間，不知道它們在太陽和地球之間時是不是也有日食現象。”其他學生也紛紛表示疑惑。

此時，我通過全息終端，為學生解決遮擋物的身份問題。我請同學將一直蓋著互動屏的黑紙摘下，互動屏呈現了四個可以點選的天體（含人造天體）：月亮、水星、金星、國際空間站。我請學生兩兩一側自由點擊，每點擊一個天體圖片，都會看到該天體的掩食現象。學生切換對比觀察后恍然大悟：金星、水星、國際空間站位于太陽和地球之間時，只是太陽前面的一個“小黑點”，只有月球，才能出現大面積的遮擋，形成日食（如上圖）。

全息終端的互動屏設計在這個環節中發揮了較大的作用：

在進行對比觀察時，每個學生的節奏往往不同，有些學生傾向于在快速切換中對比，而有的學生則喜歡先看清楚一個，再看另一個。在傳統的課堂中，教師控制一個大屏幕，全班40人一同收看，學生不能自主地按自己喜歡的方式觀察，全息終端有四個面，每兩位同學就能使用一塊屏幕，學習更加自主，能一邊觀看一邊討論;

運用全息終端觀察“太陽系”各種天體的運轉規律，不僅清楚明了，不用擔心傷眼，而且學生可以像查字典一樣，遇到問題，隨時查看天體動態運轉情形;

天體運行是復雜的、立體的、持續的，學生立體空間感的建立是個緩慢漸進的過程，全息屏幕透明的屬性讓觀感更加立體逼真，視覺效果更震撼，對學生建立空間想象力也更有裨益。