技術賦能：跨學科可視化教與學

阮德懷 廣東省黃偉祥名師工作室成員/廣東省中山市實驗小學

《義務教育課程方案（2022年版）》明確提出，統籌設計綜合課程和跨學科主題學習，積極探索新技術背景下學習環境與方式的變革。教育部印發的《關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》指出，要提升教師應用現代信息技術開展跨學科教學能力，推動信息化教育教學創新。因此，筆者嘗試運用增強現實技術賦能跨學科情境學習（如圖1），用手持式實驗技術賦能跨學科實驗探究，用三維設計賦能跨學科工程設計，用圖形化編程技術賦能跨學科作品模擬。通過技術賦能，豐富跨學科學習形式，增強跨學科教學趣味性，提升教師應用現代信息技術開展跨學科教學水平，讓師生在技術賦能的跨學科教學中共成長，實現跨學科教學常態化。

圖1 技術賦能跨學科教與學

● 增強現實技術，賦能跨學科情境學習

1.AR閱讀，打造立體化閱讀情境

在跨學科教學中，為了拓寬和加深學生對某些知識的認識與理解，教師通常會提供相關學習材料給學生進行自主閱讀，但平面的學習材料對于部分學生而言吸引力不足，而AR閱讀可以將計算機生成的虛擬3D圖像和動畫疊加到傳統紙質書本上，讓原本平面的圖像文字變得立體生動，讓學生在立體化閱讀情境中閱讀，從而激發閱讀興趣。例如，在《夜行動物》一課中，筆者引入AR技術賦能夜行動物學習材料，讓原本靜態的文字、圖形立體化，學生可以觀看、拖動、旋轉夜行動物，從視覺、觸覺、聽覺等方面進行體驗和閱讀，這種立體化情境內有利于學生全方位認識和理解夜行動物，為后續的夜行動物綜合作品創作打下基礎。

2.AR游戲，構建三維探索情境

探索是兒童的天性，兒童與生俱來就對新事物、新技術有著強烈的求知欲。AR教育游戲通過將虛擬游戲與現實世界相結合，讓體驗者沉浸在一個接近現實的環境中體驗在現實中體驗不到的三維情境。引入AR教育游戲到跨學科教學中，讓學生沉浸在三維情境中進行探索，有利于釋放兒童的探索天性。例如，在《觀察物體》一課中，為了啟發學生學習“從不同的方向觀看物體，看到的物體形狀是不同的”這個知識點，筆者融入AR教育游戲，讓學生在三維情境中對物體進行拖動、擺放和旋轉，實現從不同角度觀察和分析物體，有利于學生更好地掌握和運用三視圖去觀察物體。同時，引入情境游戲闖關，更能激活學生的探索熱情，讓學生在情境游戲探索中掌握知識，鍛煉思維，落實核心素養。

● 手持式實驗技術，賦能跨學科實驗探究

科學實驗探究是跨學科教學中常見的教學環節，但小學生的思維發展還處于具體的運演階段，對相對抽象的知識需要通過具體的科學實驗進行觀察和探究，以實現抽象知識的學習和內化。手持式實驗技術借助移動微小儀器，與電腦連接，能實現自動、快速、動態傳輸實驗探究的數據，并將實驗探究數據實時可視化呈現，從而將抽象的知識形象化，激發學生跨學科實驗探究的興趣，讓學生體驗到跨學科實驗探究的樂趣。

例如，在《智能家居》一課中，筆者引入手持式實驗技術探究光敏傳感器感光值，顯示光敏傳感器感光數值可視化動態曲線，當感光曲線趨向于一條直線時，引導學生理解曲線“拐點”數值為該傳感器感光峰值，并將這個數值記錄下來，寫入編寫的程序中，作為判斷周圍光線變化的峰值。如果超過這個數值，可以讓智能家居的燈光調暗或關燈；如果小于這個數值，可以讓智能家居的燈光調亮或開燈補光。通過手持式實驗技術，將光敏傳感器工作原理和感光過程以可視化動態曲線的方式進行呈現，輔助學生將抽象感光過程形象化、數據化。該技術的應用，提升了學生編寫腳本的準確率，為后續作品的測試和完善奠定了基礎。

● 三維設計技術，賦能跨學科工程設計

1.從三維觀察到3D打印，降低工程設計難度

工程設計對于小學生而言具有一定的難度，然而工程設計又是跨學科作品創作的關鍵點，如何借助當前的新技術賦能工程設計，降低跨工程設計難度，讓小學生掌握一定的工程設計技能和思維呢？筆者嘗試引入三維觀察技術全方位觀察作品結構，進而借助3D打印筆將學生觀察到的結構圖形進行打印，通過3D打印筆所畫即成形的效果，提升學生學習興趣和活躍課堂氛圍，激發學生創作熱情，由淺入深逐步降低設計難度，讓學生在愉悅的狀態下完成作品的工程設計。

例如，在《神奇的風車》一課中，為了讓學生更好地設計風車結構，筆者采用觀一觀、說一說、畫一畫活動將抽象的風車結構設計進行3D打印。觀一觀：引導學生從三維角度觀察風車結構及其對應的平面圖形；說一說：組織學生將自己觀察的結果和收獲進行分享；畫一畫：使用3D打印筆將自己繪制的風車進行打印。通過上述活動，引導學生在觀察中學習風車結構，在表達中感悟觀察風車結構所得，在3D打印中學習風車結構的工程設計，進而為后續的立體風車結構工程設計打下知識與思維基礎。

觀察是學習的開始，三維觀察能讓人更全面地認識該事物，而3D打印是對所觀察和學習到的知識的進一步內化，運用三維觀察和3D打印技術賦能神奇的風車作品結構的學習與創意設計，可以為后面的三維個性化設計做好鋪墊，進而降低整個作品所需工程設計的難度。

2.從三維動畫到立體設計，激發工程設計靈感

靈感源于生活，而又高于生活。在《神奇的風車》一課中，學生已經借助三維觀察和3D打印技術對風車結構進行了學習和創意打印，那么，如何借助三維技術激發學生設計靈感，將平面創意打印的風車結構轉移到個性三維立體設計呢？

筆者以三維動畫賦能大風車歌曲的學習，讓學生在風車藝術中感受到風車結構的美，以音樂和三維動畫的藝術激活學生的設計靈感，進而運用3Done軟件對風車進行立體創作。為了讓學生從藝術熏陶中順利過渡到三維立體設計，筆者主要采用以下三個小環節：①平板互動，感知三維圖形。即通過平板中的圖形拖動，讓學生體驗三維圖形的拼搭，感受其中的樂趣。②三維建模，創意結構設計。即以3Done軟件為工具，組織學生借助三維軟件進行風車結構建模設計，并對設計的風車結構進行個性化修飾。③作品創意展示，思維碰撞。借助智慧課堂教學軟件展示各小組的創意三維風車結構，以點帶面激發全體學生的工程設計靈感。

三維技術賦能風車結構工程設計（如圖2）,讓學生經歷從風車結構觀察到風車結構創意設計打印，到感受風車蘊含的藝術美，再到創作三維立體風車結構的過程，對跨學科作品風車結構設計中蘊含的知識、藝術和思維進行可視化、立體化、沉浸式學習。

圖2 三維技術賦能風車工程設計

● 圖形化編程技術，賦能跨學科作品模擬

在跨學科教學中，有時受現實條件和教學時間的限制，無法完成一些相對復雜、耗時的作品，而基于圖形化編程的作品模擬為跨學科作品制作提供了新的思路和手段。

例如，在“校園停車場改造”項目中，學生在教師的引導下已經完成了校園停車場的實地調研，分析出當前校園停車場存在缺乏停車線、車位少、停車難等問題，并提出繪制停車線和建設立體停車場來解決停車難的問題。在學生提出的解決方法中，繪制停車線在現有條件下很容易實現，然而建設立體停車場在現有的條件下，還無法滿足學生的需求。為此，教師引入圖形化編程技術，將建設立體停車場的需求轉移到圖形化編程平臺中，通過圖形化編程平臺來建立立體停車場模型，以此來模擬解決校園停車場停車難的問題。在立體停車場作品創作的過程中，學生還需要對角色編寫相應的程序腳本，以實現立體停車場的模擬運行效果，獲得立體停車場的模擬運行數據，為校園停車場的真實改造提供建議和模擬數據參考。

圖形化編程技術賦能跨學科作品模擬，打破了現實條件的限制，減少了創作周期，提高了作品完成率，培養了學生編程思維和設計思維。同時，它減少了教師準備各類材料所需時間和工作量，讓教師有更多的時間和精力引導學生開展項目實施、分享和反思。

技術賦能跨學科教與學，不僅能改變跨學科教的內容和形式，而且能改變跨學科學的方式和方法，讓學生在跨學科學習中學得快樂、教師在跨學科教學中教得幸福，最終實現跨學科教學常態化。