利用全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端認(rèn)識日食成因

聶潤秋

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》將“宇宙”列為四大領(lǐng)域的一部分，囊括日、月、四季星空等若干天文學(xué)內(nèi)容。天文學(xué)是一門以觀測為主要手段的學(xué)科，然而，現(xiàn)在的學(xué)生雖然課外書的閱讀量相當(dāng)可觀，但實地觀測的機(jī)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(zhí)教《日食和月食》一課時，通過前測發(fā)現(xiàn)，雖然大多數(shù)學(xué)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(guān)系。可是，當(dāng)被問及示意圖的一些基本細(xì)節(jié)和原因時，學(xué)生的回答就五花八門了。即使課堂中學(xué)生能回答出“標(biāo)準(zhǔn)答案”，也未必真正理解。因此教師必須針對實際學(xué)情設(shè)計教學(xué)，讓學(xué)生不光在知識上有所得，更是在科學(xué)思維方法上學(xué)有所得。

基于以上思考，本節(jié)課設(shè)計了三個環(huán)節(jié)：第一，學(xué)生進(jìn)入教師創(chuàng)設(shè)的情境，觀察視頻中的日食現(xiàn)象，并根據(jù)全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端（下文簡稱“全息終端”）中呈現(xiàn)的太陽系天體運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對日食成因進(jìn)行假設(shè);第二，學(xué)生通過模擬實驗探究日食發(fā)生時的天體位置關(guān)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(xiàn)象，進(jìn)行成因假設(shè)

課前的準(zhǔn)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(jī)，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(guān)閉教室燈光，請學(xué)生摘下遮光罩，此時，全息屏上清晰地呈現(xiàn)出“太陽系”在黑暗中持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。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(yùn)用無藍(lán)光技術(shù)將動態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的“太陽系”投影在里面。這種無藍(lán)光技術(shù)，一來不易使學(xué)生產(chǎn)生視覺疲勞，二來空間立體感非常強(qiáng)，在黑暗環(huán)境中觀看，非常逼真，仿佛身處宇宙之中。

學(xué)生仔細(xì)地觀看后，開展了交流。

有的同學(xué)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(shù)的第三個。”

還有的說：“我看到了行星是繞太陽轉(zhuǎn)的，而且速度不一樣。”

學(xué)生觀察到的信息表面上和日食沒有什么關(guān)系，但涉及的天體大小、運(yùn)行周期、位置關(guān)系等內(nèi)容，不僅是分析日食現(xiàn)象時涉及的，更是所有天文學(xué)問題共同關(guān)注的。一般來說，現(xiàn)在的學(xué)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(xué)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(yùn)行周期、位置關(guān)系等維度）入手”的思維習(xí)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(xiàn)象的視頻，請學(xué)生描述現(xiàn)象并對其成因提出假設(shè)。一位學(xué)生提出：日食是因為月球運(yùn)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(fā)生了日食現(xiàn)象。馬上有學(xué)生質(zhì)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(xué)生沒有更多證據(jù)來論證，而我轉(zhuǎn)而詢問：“不管那個天體到底是什么，當(dāng)它運(yùn)行到太陽和地球之間時，真如大家所說，會出現(xiàn)日食現(xiàn)象嗎？你怎么證明？”引導(dǎo)學(xué)生先關(guān)注天體的位置與現(xiàn)象之間的關(guān)系。

由于之前的活動一直圍繞著全息終端，有學(xué)生脫口而出：“只要看這個設(shè)備就明白啦！”而有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，全息屏中的視角是宇宙空間視角，既無法呈現(xiàn)日食發(fā)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(jīng)過太陽和地球中間時會不會發(fā)生日食現(xiàn)象。因此要想得到確切的答案，除了“看”，還需要自己動動手，進(jìn)行模擬實驗。

用模擬實驗探究形成日食的天體位置關(guān)系

怎樣做模擬實驗？有的學(xué)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(xiàn)象。”我先請兩三位同學(xué)簡單地試一試，他們發(fā)現(xiàn)，充當(dāng)?shù)厍虻那蝮w是多余的，因為如果使用一個球充當(dāng)?shù)厍颍鳛橛^察者的這位同學(xué)的眼睛，則一定在“地球”外。那么，當(dāng)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(xiàn)象。因此，要讓學(xué)生的眼睛處于地球所在的位置，同組的學(xué)生觀察“日食”現(xiàn)象出現(xiàn)時的天體位置關(guān)系，兩位同學(xué)合作，就能將天體位置與現(xiàn)象對應(yīng)起來了。

當(dāng)所有同學(xué)明確了實驗計劃和目的后，教室燈再次關(guān)閉，學(xué)生進(jìn)行模擬實驗。開燈后，通過實驗匯報和討論，學(xué)生得出結(jié)論：三個天體在一條直線上時，就會出現(xiàn)日食現(xiàn)象。另外，學(xué)生還在模擬實驗中發(fā)現(xiàn)，日食現(xiàn)象發(fā)生時，觀察者的眼睛處在遮擋物小球的陰影當(dāng)中。這為學(xué)生在應(yīng)用環(huán)節(jié)，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(xué)生提出的質(zhì)疑：那個遮擋的天體，是不是月亮？有的學(xué)生說道：“從全息終端中可以看到，能運(yùn)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(wèi)星，除了月亮外，還有許多人造衛(wèi)星也能運(yùn)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(xiàn)象。”其他學(xué)生也紛紛表示疑惑。

此時，我通過全息終端，為學(xué)生解決遮擋物的身份問題。我請同學(xué)將一直蓋著互動屏的黑紙摘下，互動屏呈現(xiàn)了四個可以點(diǎn)選的天體（含人造天體）：月亮、水星、金星、國際空間站。我請學(xué)生兩兩一側(cè)自由點(diǎn)擊，每點(diǎn)擊一個天體圖片，都會看到該天體的掩食現(xiàn)象。學(xué)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(diǎn)”，只有月球，才能出現(xiàn)大面積的遮擋，形成日食（如上圖）。

全息終端的互動屏設(shè)計在這個環(huán)節(jié)中發(fā)揮了較大的作用：

在進(jìn)行對比觀察時，每個學(xué)生的節(jié)奏往往不同，有些學(xué)生傾向于在快速切換中對比，而有的學(xué)生則喜歡先看清楚一個，再看另一個。在傳統(tǒng)的課堂中，教師控制一個大屏幕，全班40人一同收看，學(xué)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(xué)就能使用一塊屏幕，學(xué)習(xí)更加自主，能一邊觀看一邊討論;

運(yùn)用全息終端觀察“太陽系”各種天體的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，不僅清楚明了，不用擔(dān)心傷眼，而且學(xué)生可以像查字典一樣，遇到問題，隨時查看天體動態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)情形;

天體運(yùn)行是復(fù)雜的、立體的、持續(xù)的，學(xué)生立體空間感的建立是個緩慢漸進(jìn)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(xué)生建立空間想象力也更有裨益。