利用全息交互协作学习终端认识日食成因

聂润秋

《义务教育小学科学课程标准》将“宇宙”列为四大领域的一部分，囊括日、月、四季星空等若干天文学内容。天文学是一门以观测为主要手段的学科，然而，现在的学生虽然课外书的阅读量相当可观，但实地观测的机会越来越少;知识面虽然很广，但往往知其然，而不知其所以然。

执教《日食和月食》一课时，通过前测发现，虽然大多数学生没有亲眼见过日食，但能大致绘出日食形成时三个天体的位置关系。可是，当被问及示意图的一些基本细节和原因时，学生的回答就五花八门了。即使课堂中学生能回答出“标准答案”，也未必真正理解。因此教师必须针对实际学情设计教学，让学生不光在知识上有所得，更是在科学思维方法上学有所得。

基于以上思考，本节课设计了三个环节：第一，学生进入教师创设的情境，观察视频中的日食现象，并根据全息交互协作学习终端（下文简称“全息终端”）中呈现的太阳系天体运转情况，对日食成因进行假设;第二，学生通过模拟实验探究日食发生时的天体位置关系;第三，通过全息终端所提供的资料，分析出遮挡物的身份，明确日食成因。

观察日食现象，进行成因假设

课前的准备阶段，我先将每个全息终端下部4个不同方向的互动屏用黑纸遮住，然后将全息终端放置在小组的实验桌中央（每桌1台，每组8人，围实验桌而坐，每2人使用终端的同一面互动屏），接好电源并开机，然后用遮光罩将全息终端完全遮住，拉上教室的遮光帘。

上课伊始，我关闭教室灯光，请学生摘下遮光罩，此时，全息屏上清晰地呈现出“太阳系”在黑暗中持续运转。我讲解道：全息终端由上下两部分组成，上半部分是金字塔形状的全息投影屏幕，四面都是透明的，运用无蓝光技术将动态运转的“太阳系”投影在里面。这种无蓝光技术，一来不易使学生产生视觉疲劳，二来空间立体感非常强，在黑暗环境中观看，非常逼真，仿佛身处宇宙之中。

学生仔细地观看后，开展了交流。

有的同学说：“我看到了太阳和八大行星。”

有的说：“我看到了地球身边有一个‘小跟班，也就是月亮。”

有的说：“地球排在从里往外数的第三个。”

还有的说：“我看到了行星是绕太阳转的，而且速度不一样。”

学生观察到的信息表面上和日食没有什么关系，但涉及的天体大小、运行周期、位置关系等内容，不仅是分析日食现象时涉及的，更是所有天文学问题共同关注的。一般来说，现在的学生课外阅读面比较广泛，很容易回答出日食的成因，但我希望学生形成“拿到天文问题，先从最重要的几个维度（即天体大小、运行周期、位置关系等维度）入手”的思维习惯，而不是直接给出通过课外阅读知道的答案。因此，我一开始没有提出需探究的问题，而是让他们先自主观察，广泛收集信息。

我又播放了两段日食现象的视频，请学生描述现象并对其成因提出假设。一位学生提出：日食是因为月球运动到太阳和地球中间，如果三者正好处在一条直线时，月球就会挡住太阳射向地球的光，月球身后的黑影正好落到地球上，这时就发生了日食现象。马上有学生质疑：“从全息终端中可以看到，许多天体都能挡住太阳，凭什么就断定是月亮？”此时第一个学生没有更多证据来论证，而我转而询问：“不管那个天体到底是什么，当它运行到太阳和地球之间时，真如大家所说，会出现日食现象吗？你怎么证明？”引导学生先关注天体的位置与现象之间的关系。

由于之前的活动一直围绕着全息终端，有学生脱口而出：“只要看这个设备就明白啦！”而有的学生发现，全息屏中的视角是宇宙空间视角，既无法呈现日食发生时地面上的人们观察到的情形，也不能直接告诉我们其他天体经过太阳和地球中间时会不会发生日食现象。因此要想得到确切的答案，除了“看”，还需要自己动动手，进行模拟实验。

用模拟实验探究形成日食的天体位置关系

怎样做模拟实验？有的学生提出：“用三个大小不一的球体，摆放到一条直线上，看看有没有‘日食现象。”我先请两三位同学简单地试一试，他们发现，充当地球的球体是多余的，因为如果使用一个球充当地球，作为观察者的这位同学的眼睛，则一定在“地球”外。那么，当太阳、地球和月亮处在同一直线上时，观察者的眼睛并不在這条直线上，也就看不到日食现象。因此，要让学生的眼睛处于地球所在的位置，同组的学生观察“日食”现象出现时的天体位置关系，两位同学合作，就能将天体位置与现象对应起来了。

当所有同学明确了实验计划和目的后，教室灯再次关闭，学生进行模拟实验。开灯后，通过实验汇报和讨论，学生得出结论：三个天体在一条直线上时，就会出现日食现象。另外，学生还在模拟实验中发现，日食现象发生时，观察者的眼睛处在遮挡物小球的阴影当中。这为学生在应用环节，思考“木星上有一个圆形黑影是怎么回事”埋下了伏笔。

通过全息终端，解决遮挡物的身份问题

解决了遮挡物的位置问题，我们又回到了最开始学生提出的质疑：那个遮挡的天体，是不是月亮？有的学生说道：“从全息终端中可以看到，能运行到太阳和地球中间的天体，除了月亮，还有水星和金星;即使同为地球的卫星，除了月亮外，还有许多人造卫星也能运行到太阳和地球之间，不知道它们在太阳和地球之间时是不是也有日食现象。”其他学生也纷纷表示疑惑。

此时，我通过全息终端，为学生解决遮挡物的身份问题。我请同学将一直盖着互动屏的黑纸摘下，互动屏呈现了四个可以点选的天体（含人造天体）：月亮、水星、金星、国际空间站。我请学生两两一侧自由点击，每点击一个天体图片，都会看到该天体的掩食现象。学生切换对比观察后恍然大悟：金星、水星、国际空间站位于太阳和地球之间时，只是太阳前面的一个“小黑点”，只有月球，才能出现大面积的遮挡，形成日食（如上图）。

全息终端的互动屏设计在这个环节中发挥了较大的作用：

在进行对比观察时，每个学生的节奏往往不同，有些学生倾向于在快速切换中对比，而有的学生则喜欢先看清楚一个，再看另一个。在传统的课堂中，教师控制一个大屏幕，全班40人一同收看，学生不能自主地按自己喜欢的方式观察，全息终端有四个面，每两位同学就能使用一块屏幕，学习更加自主，能一边观看一边讨论;

运用全息终端观察“太阳系”各种天体的运转规律，不仅清楚明了，不用担心伤眼，而且学生可以像查字典一样，遇到问题，随时查看天体动态运转情形;

天体运行是复杂的、立体的、持续的，学生立体空间感的建立是个缓慢渐进的过程，全息屏幕透明的属性让观感更加立体逼真，视觉效果更震撼，对学生建立空间想象力也更有裨益。