3D技术在小学科学教学中的适用项目分析

3D技术在小学科学教学中的适用项目分析

作者：潘翠君

来源：《湖北教育·科学课》2017年第05期

小学科学课程实施的主要形式是探究活动，要在教学中开展探究活动，必须有能激发学生探究欲望的问题情境、适合学生探究的结构化的材料。但在小学科学教学内容的四大领域（物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程）中，总有一些教学内容无法创设真实的情境，也很难提供实验材料让学生探究。对于这样的课例，以往老师们的解决办法通常是借助文字、图片或2D视频等课件资料进行讲解，学生理解起来有一定的难度，尤其是对于那些视觉学习者和动觉学习者来说，这样的学习方式很难达到理想的效果。现在有了3D技术，这些问题便能得到较好的解决。

一、呈现立体空间关系，促进地球与宇宙科学领域的学习

地球与宇宙科学领域的内容，可能是小学科学课中最难的了。由于传统的方法难以提供真实的情境和实验材料供学生探究，所以，老师们普遍觉得这一领域的课很难上，学生也觉得难懂、无趣。要解决这一难题，3D技术无疑是一种行之有效的方法。如“地球”方面的内容，3D技术可广泛用于“地球表面地形”“水土保持”“火山喷发”“地震”等内容的学习中，让学生在虚拟的情境中获得多种感官的参与、体验，从而留下深刻的印象。

例如，《地球表面的地形》一课的教学中，有位老师给学生提供了3D沙盘模型，借助软硬件的支持，学生通过自己的操作，在沙盘上立体地呈现了地球上几种典型的地形，该模型还能显示等高线，方便学生比较几种地形在海拔高度上的区别。

《宇宙》单元也可借助3D技术。以《日食和月食》一课为例，学生要理解日食和月食形成的原因，需要知道太阳、地球、月球三个天体的运行情况及它们的相对位置关系。以往教学时，一般是借助模型（如三球仪）来演示，虽然有一定的作用，但模型毕竟是假的，与真实的情境相差太远，学生觉得不可信，而且，模型中的各组件及其运行轨道是固定的、不可变的。有不少学生在看了用三球仪演示的日食发生时三个天体的位置关系后，提出疑问：月球绕地球每月公转一圈，从这个模型上看，月球每月都会出现在太阳和地球中间一次，三个天体成一条直线，可是为什么现实生活中不会每个月都出现日食呢？

若用3D模型，效果就不一样了。由于3D模型是结构件，可以根据需要进行调整和改变。当学生戴上3D设备，看到太阳、地球、月球等天体立体地呈现在眼前时，他们的头脑中便有了空间立体感。借助3D动画演示，学生发现：由于月球公转的轨道面与地球公转的轨道面并不在同一平面（即存在黄白交角），所以，当每个月农历初一，月球运行到太阳和地球之间时，三个天体的位置关系并不是每次都成一条直线。从宇宙中看，月球的阴影并不是每次都

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能投射到地球上；从地球上看，太阳的圆面并不是每次都被月球遮挡。借助这样的技术手段，学生不仅得到了解疑释惑，而且他们对天文学的研究兴趣也会被激发。

此外，如果学校的硬件设施齐备，学生还可以利用3D星空软件（如Stellarium），在电脑桌面上进行各种虚拟的天文观测，包括月相观测、日食和月食观测、星座的认识、星座在四季的位置变化、太阳系和银河系的观察等。这种虚拟软件可以自主设置时间和地点，可以让时间快进和快退，可以将观察对象放大和缩小、调近和调远……因此，学生可以不受时间和空间的限制，在电脑上模拟观测地球上任一时间、任一地点的天文现象。这就弥补了现实条件下因时间、空间的限制或其他客观因素的影响（如城市的光污染）而无法进行观测的遗憾。 二、增强3D互动体验，促进生命科学领域的学习

在生命科学领域的教学内容中，一些关于植物、动物等方面的内容可以通过种植和饲养活动，让学生直接进行观察和探究，如种凤仙花和养蚕等。但有很多内容无法进行直接观察，如《我们的身体》单元就是老师们普遍感到“不好上”的内容。人体的骨骼、关节和肌肉到底是怎样起作用的，相互之间如何协调？食物在人体内是怎样被消化和吸收的？人运动起来呼吸和心跳为什么要加快？这些问题，用传统的方法和手段很难让学生进行互动式的观察和探究学习，如果引入3D互动技术，则可大大增加学生动手动脑的机会。

在《骨骼、关节和肌肉》一课的教学中，学生利用平板或电脑设备，可以进行一些自主探究，如将虚拟的人体表面的皮肤隐去，呈现皮肤下面的肌肉；将肌肉和内脏隐去，重点观察骨骼。在研究骨骼和关节时，可以先将骨头拆散，再由学生通过观察比较之后，将结构上互相适应的、相邻的骨头拖到一起，组合成相应的关节，并让关节呈现出它所能做的运动。在此基础上，学生可以给关节添上肌肉，通过观察，能发现肌肉是附着在相邻骨头（而不是同一根骨头）上的。再通过让肌肉收缩的指令，来认识关节运动的力量来自肌肉对骨头的牵拉作用。以肘关节为例，当学生点击上臂前面的肌肉（肱二头肌）时，肱二头肌收缩（外形上有所改变），同时肱三头肌舒张（外形上改变），前臂的骨头被拉起，于是就产生了肘关节弯曲的动作；如果学生点击上臂后面的肌肉（肱三头肌）时，肌肉的收缩和舒张情况与刚才相反，产生肘关节伸直的动作。这样的互动、直观体验活动，可以让学生对学习内容产生浓厚的兴趣，主动地投入到探究活动当中。

再如，学习消化器官、呼吸器官（肺）、血液循环器官（心脏）等的结构与功能时，学生可借助AR技术的支持，多角度、全方位地对外部和内部结构进行观察。在此基础上，通过3D动画的呈现，帮助学生理解这些器官的功能及相互之间的协调配合。 三、立体放大微观粒子，助力物质科学领域的学习

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物质科学领域的许多内容可以通过对实物材料的探究来进行学习，3D技术主要应用于微观领域，通过“放大”或“可视化”等技术手段，帮助学生对物质微粒的运动和变化情况形成直观印象，促进学生对一些难点问题的理解，促进他们概念的建构。

如学习“空气”这一内容，要想让学生建构“空气是混合物”“空气没有固定的体积”“空气的形状随容器而变”“空气可以被压缩”等概念，仅仅通过讲授或二维图片的演示，学生往往难以理解。如果借助3D技术，将空气的成分可视化，将空气分子立体放大，有助于学生对空气的认识和了解。比如，在3D互动技术的支持下，学生将同样多的空气放入不同形状的容器中，发现“空气分子”总是能自由扩散、填满容器的每个空间；把空气进行压缩，会发现空气分子间的距离变小了，挤在一起。有了这样的直观体验，再结合生活经验和真实情境中的实验观察，学生对空气的相关概念的建构就变得容易了。

类似的可以利用3D技术来突破难点的内容还有许多，比如《溶解》单元中物质的颗粒在液体中的分散过程、过滤实验时滤纸的作用原理，《声音》单元中声波的传导过程、声音的高低和强弱分别与什么有关等，都可以利用3D技术的可视化及立体放大功能，帮助学生建构正确的科学概念。

此外，在技术与工程领域的学习中，3D技术能很好地帮助学生理解人工世界、产品、设计、工程、技术等关键词，而且，3D技术的应用本身，就是在实施这一内容的教学。 综上所述，小学科学课的教学内容中，有许多项目需要借助3D技术的独特优势来促进学生的探究学习。在这样的场景中学习，学生的兴趣更浓厚、注意力更集中、思维更活跃，教学的效果也更好。

当然，在小学科学教学中，3D技术只是一种辅助手段，诚如新课标中指出的那样：“在发挥现代教学媒体优势的同时，不应忽视真实情境、直接经验对小学生的重要作用。不应让鼠标替代能动手做的科学活动，亲手做实验的感觉与做虚拟实验的感觉差异很大，意义也不一样。”我们需要积极探索如何将真实情境中的探究活动与3D技术及其他教学媒体的使用有机地融合起来，更好地促进学生的学习和发展。 广东省深圳市宝安区宝安小学（518100）