虚拟实验：“生活视角”与“宇宙视角”转换的好平台

曹文佳

[摘要]本文以《北极星“不动”的秘密》为例，利用自制教具进行虚拟实验，转化“生活视角”与“宇宙视角”，让学生体验生活中难以看到的现象及其产生过程，历经科学探究才能真正理解科学原理。

[关键词]自制教具;北极星“不动”;虚拟实验;转换视角

在小学科学的诸多知识点中，“地球与宇宙”领域的相关内容一直是教师们潜意识回避的教学难点。大家形象地称之为“难教课”。“如何转化空间视角”常常困扰着教师的“教”和学生的“学”。以教科版小学科学五年级下册第四单元第5课《北极星“不动”的秘密》为例，需要引导学生认识北极星“不动”的秘密是由于地球围着地轴自转，北极星在地轴的延长线上。这不但是本课的重难点，还是小学阶段“地球与宇宙”科学学习的关键点。在学习本课前，五年级的学生大多已经知道地球在自转并且围绕太阳公转，但仅仅是停留在“知道”这一层面上，具体的自转和公转现象并不清楚，甚至理解错误。同时，五年级学生的形象思维占主导，抽象思维比较薄弱。教学中人们常根据研究对象的本质特征，人为地建立或选择一种与之相似的模型，再在模型的基础上进行实验研究，然后将实验结果类推到原型中，以揭示研究对象的本质和规律。我从教材和学情出发，以难点、重点问题为着眼点，利用自制教具对实验进行了改进。采用了虚拟现实的手段，让学生经历了在“宇宙中”和“地球上”观察星空的情形，通过科学探究，学生找到了充足的证据来揭秘北极星“不动”的原因。

一、实验环境创新：教学情境的创设与调整

学习情境的创设有利于激发学生的学习兴趣。教学之前，教师用星空笔营造了满天繁星的效果，还用绿色激光笔投影出的绿色强光点来模拟北极星，用红色激光笔投影出的红色光点来模拟不知名的亮星。一下子吸引了学生的注意力，目光聚焦于“星空”，激发了探究的兴趣。同时这片“星空”还为后续实验打下了基础。上课初期，学生观察在北半球连续拍摄后得到的星空图片，很容易发现其他星星围着中间的星在做圆周运动，中间的星星看上去没有动。教师圈出中间不动的那颗星，介绍“在北天星空看起来不动的是北极星”。那么为什么其他星星旋转，北极星不动呢？同学们众说纷纭，产生思维碰撞，激起了探究的欲望。有学生根据前几课所学，猜测可能是地球自转引起的，但拿不出证据。教师抓住契机，顺势引出课题。

二、实验难点突破：转换视角。丰富体验

（一）教材的视角缺陷

围绕北极星为什么不动，教材安排了四个活动。

活动一：“旋转星空图片”，让学生观察到星体在旋转，北极星的位置“不动”。然而，事实上星空在短时间内是不动的，转动的是地球，而非星空。所以，此活动只让学生看到了现象，对于北极星“不动”则无法解释原因。

活动二：“坐在转椅上观察‘北极星”。需要学生看着“北极星”，使视觉中心保持不动，发现周围物体旋转。然而，在实际操作过程中，存在很多问题，如：“星星”难以贴高，而仅参照其他高处物，又不形象;转椅数量有限，只有部分同学体验等。也曾有一些改进方法，如高举星图，同样操作不方便;利用铁丝绑定一颗“星”在地轴延长线上，此时地轴延长线实体化，学生没有主动思考，思维受到了限制。

活动三：“转陀螺”，让学生把陀螺当成地球，理解地球自转也是围着轴心运动的。但是，实际上陀螺转动时轴的方向是变化的，而地球转动时地轴方向是不变的。这个活动没有起到很好的參考作用。

活动四：“转动贴着‘小人的‘地球”，思考如何转动，才能让球上的“小人”观察到“北极星”是不动的。这个活动需要学生想象自己是“小人”，正站在地球上观察，要将“地球”对着“北极星”转动，才能让“小人”观察到“北极星”不动。但“人”≠人，这和学生的直接感知存在一定的距离。

综观教材上的四个活动，虽然让学生有了直接感受，但均存在操作不规范、现象不精准，体验不到位等问题，实验证据不够充分，学生要借助推想才能稍稍理解“地球围着地轴自转，地轴是倾斜的”。这个过程具有很大的挑战和难度。

（二）利用自制教具，形成新的学习视角

针对教材存在的问题，我利用废旧的铁架台、地球仪（球体）、Pvc管、激光笔、滚珠轴承、手机架自制教具，对教材实验进行了替换和改进，大大降低学生理解的难度，突破重难点。利用自制教具，让实验现象精准、直观、科学。

1.星空、地球双视角：再现北极星“不动”的现象。首先，学生直接观察天花板上的“星空”，教师引导：“请大家移步到宇宙中”，此时看到的“星空”是不动的，讲解宇宙中的星空在短时间内是相对不动的。此时，学生对照片中的现象产生疑问，随即抛出问题：“那为什么一开始看到的照片里星星会围绕着一个中心转动呢？”我利用自制教具直观呈现现象，用手机摄像头模拟在地球上观看星空的人眼，再利用同屏技术在大屏幕上显示。引导学生：“我们一起来到地球上，以地球上人的视角来进行观察。”自西向东转动地球仪，模拟地球自转运动，学生清楚地在屏幕中看到“星空”在做逆时针圆周运动，旋转中心的“北极星”不动。通过这样的改进，既可以模拟从宇宙角度观察北极星，还可以模拟在地球上观察星空的变化，让生活中无法触及的现象尽在眼前，极大地拓展了学生的认知角度。

2.虚拟地轴直观化：探究北极星与地球的直线关系。但是，北极星为什么不动呢，它的位置和地球有什么联系呢？学生进行猜测，部分学生能猜到，但缺失科学的证据。教师适时追问：“真的是这样吗？”激发学生揭秘的欲望。对比改装的地球仪“不自转”和“自转”时电脑屏幕中的现象，学生能猜到原来其他星会围着北极星转，是因为地球在绕着一根虚拟的地轴在自转。此时，出示正在自转的地球动画，认识地轴。然而，虚拟的地轴其实并不是真实存在的，学生无法真实地看到，如果仅仅这么解释，学生还是云里雾里。于是，我利用便携式喷雾装置喷出的水雾让掩藏在“地轴”内的激光笔射出的红色的虚拟地轴显形，让学生清晰地看到（绿色）“北极星”在（红色激光呈线状）“地轴”延长线上。一目了然的效果，让学生很容易明白北极星在地轴的延长线上，由于它处在我们的视觉旋转中心，所以看起来不动。为了加深学生的理解，更好地激发学生的思维。我在教学时还增设了对比实验，如果北极星不在地轴延长线上，又会怎么样？将绿色的“北极星”移到其他地方。学生在镜头中看“地球”自转时“北极星”的位置也在发生变化。如当场没看清楚，可以在两次实验时点击手机上的拍摄按钮，通过录制下来的视频就能反复对比了。

三、实验探究创新：宇宙空间教学的新视野

在以往的“地球与宇宙”实验教学内容中，往往“教”为主，而缺少主动地“学”。虚拟实验为科学课堂的学习提供更好的支撑。具体来说，本节课的设计体现了以下价值：

1.通过实验改进，实现了从微观到宏观的进步，让原本虚无缥缈的宇宙，这一无法让学生实际去探索的天文现象，以缩小版的形式呈现在眼前，实际操作，从而顺利推导出宇宙中的现象。

2.巧用自制教具，打破了以往在宇宙视角去构建对天体之间的认识的局限，学生可以从宇宙和地球的视角同时进行对比观察，突破了难点，给学生留下更多时间和空间去思考;同屏技术的应用让实验的直观性大大加强。

3.增设对比实验，效果更优。对北极星顺向思维“不动”的奥秘只是一个现象的归纳和整理，对逆向思维“动”的奥秘才是理解和消化，知识才会迁移，学生才会真正理解与掌握北极星“不动”的奥秘。

虚拟实验对于学生科学学习的深度理解，提供了一定的参考价值和指导作用，也为“地球与宇宙”领域其他教学内容的学习提供了思考的方向。