全息设备创新科学实验教学

范颖

摘要数字化信息技术与科学学习的融合正日益深入。在《设计制作小车（一）》一课中，教师创造性地运用全息智能交互终端设备，组织学生基于运动与力的科学原理，通过虚拟技术开展小车的原型设计、模型测试、数据分析、评估改进活动。这对于以往的工程设计过程是一种技术层面的变革，更是一种学习方式的变革：促使学生更充分地经历着分析、评价、创造的高阶认知过程，从而发展他们的高水平思维能力。

关键词全息设备;设计;创新

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.36.040

Holographic Equipment Innovation and Scientific Experiment Teaching

——Take the lesson of "designing and making trolley （I）" as an example

FAN Ying

（Basic Education and Teaching Research Center of Beijing Academy of Educational Sciences，Beijing 100036）

Abstract：The integration of digital information technology and scientific learning is deepening day by day. In the lesson of "designing and making trolley （I）"，teachers creatively use holographic intelligent interactive terminal equipment to organize students to carry out prototype design，model test，data analysis，evaluation and improvement activities of the car based on the scientific principle of motion and force through virtual technology . This is not only a technical change for the previous engineering de sign process，but also a change in learning methods：it promotes students to fully experience the high-level cognitive process of analysis，evaluation and creation，so as to develop their high-level thinking ability.

Keywords：holographic equipment;design;innovation

北京市房山區李斐老师执教的《设计制作小车（一）》一课，探索将全息交互智能终端设备（以下简称全息设备）引入教学，助推技术设备的使用向着一个新方向迈进。回顾全课，笔者感受到了全息设备越发展越体现出人工智能的一面：它更像有大脑的参谋，接收外界输入的信息、分析处理信息、输出可能的测试状态及结果，为“小工程师们”做出决策、动手实践提供支持。

1全息设备提升设计、建模与测试效率

课堂上，教师向学生提出任务：

请利用生活中的材料设计制作一辆具有动力的小车，使它能在5秒内把两块橡皮运输1米远。要求：用橡皮筋或气球做动力，只能利用教师提供的材料。

在虚拟条件下，全息设备下方触碰屏幕中呈现了多种小车配件（纸盒、塑料吸管、轮胎等）平面图，学生用指尖触碰屏幕，自选配件，形成组合方案，从而快速构建出虚拟的小车模型，全息投屏中出现了立体的、可多角度旋转查看的小车虚拟影像。学生点击屏幕上的“开始”按钮，全息投屏中的虚拟小车在气球或者橡皮筋动力驱动下行进起来，在小车上方实时显示出行驶时间和行驶距离变化，并随小车停止行驶而呈现出最后的总时间（秒）和总行驶距离（米）。此时，与设计同步，一份电子学习记录单也自动生成，方便各组将实验结果抄写在纸质学习记录单上，用于接下来的汇报与评估。

全息设备为学生高效开展技术工程类中的设计活动（明确问题、设计方案、构建模型、模型测试）提供了强大技术支持。

2全息设备“减”制作，“增”评改

在根据给定材料设计小车、快速建模并测试的过程中，学生利用全息设备很快得到第一次设计之后的模型测试数据。这样，“小工程师们”有更充裕的时间，对设计进行评估与改进。

课上，一个汇报组向大家展现了他们的学习记录单：以气球为动力，以塑料吸管为车身材料，三角形车架、无花纹的车轮车轴直接穿过车身。测试结果是能完成目标任务，具体数据为车重25克，行驶1.93米，速度3.71米/秒。他们对自己设计的小车提出了改进措施：小车载重能力不是很强，想用纸盒做车身，再试试。

另一个汇报组以橡皮筋为动力，以纸盒为车身材料，三角形车架、有花纹的车轮、车轴直接穿过车身。测试结果是不能完成任务，具体数据为车重50克，行驶0米，速度0米/秒。他们对自己的设计提出了改进措施：减少车身的重量，用吸管做车身，选用三角形车架，以减少阻力。其他组提出建议：可以尝试用气球作动力，因为橡皮筋动力为20牛，而气球动力为40牛，如果用气球做动力，车会跑得更快。在充分交流后，各组跃跃欲试，准备模型重组、虚拟测试，开展第二次、第三次设计优化。

在全息设备支持下，各组开展了设计优化与迭代。每次，全息投屏都会快速呈现改进模型的立体动态图像，触碰屏同步形成测试结果及数据。一段紧张有序的人机互动后，到了再次设计评估并定型的阶段。

一个汇报小组发言：我们第一次没有成功，就想减轻车身的重量。所以第二次用吸管做车身材料，采用三角形车架，还是用气球作动力，选用有花纹的车轮，车轴直接穿过车身。结果很顺利地完成目标，具体数据为车重25克，行驶2.04米，速度3.53米/秒。第三次改进，我们把车轴套上吸管再次测试成功，具体数据为车重25克，行驶3.05米，速度1.52米/秒。

另一个汇报组发言：我们第一次到第二次，把车身材料改成了吸管，车身改为长方形，没有明显的优化效果。因为从三角形改成长方形车身，小车迎风面积增加，所以无法加快速度。第三次我们就把车身从长方形改回三角形，还是车轴套上吸管，发现这样不但车身变轻，而且跑得还快。我们还用有花纹的车轮，增大摩擦力，让它跑得快。第三次測试完成目标，效果最好，具体数据为车重25克，行驶3.08米，速度1.72米/秒。

在一次次的迭代设计中，“小工程师们”通过比较、分类、归纳概括得出新认识：用塑料吸管做成三角形车架，用气球作动力，采用轴套吸管连接车身的设计，能让小车更好地完成目标。至U此，一辆小车的设计，经过多次测试、不断优化，最终定型。这为下节课开展制作小车成品的活动打下坚实的基础。

3全息设备虚实相映，推动思维发展

本节课重点在于小车设计的优化。学生虽然没有真正动手利用真实材料根据设计做出模型，再进行模型的实际测试，看似“务虚”多了些、“务实”少了些，实则不然。

首先是小车测试虚拟样态与数据的呈现。据全息设备技术研发人员介绍，课前，教师与技术人员利用真实的小车配件，组装出许多不同配件组合而成的小车实体，进行实际测试，获得真实的数据与行驶状态，并输入全息设备系统中，从而组建了一个丰富的、准确的数据库。课上，当不同的小组选取不同虚拟构件，设计并建立起虚拟小车模型后，电脑会将学生的设计与机器内部存储的数据加以比较，快速推演，为设计者输出小车行进的仿真状态和各项测试数据。可以说，全息设备中虚拟的各种小车模型的测试样态、数据，都是基于海量的实体模型实际测试和真实数据的输入与输出。本节课中教师利用全息设备教学，正是带领学生感受信息化、智能化研发的过程，是拓宽技术视野、创新实验教学的有益尝试。

其次，全息设备提供的一切虚拟技术手段，提高了每一次设计、建模、测试的效率，使得学生针对每一次设计都有充分的评估和清晰的改进方向和预期，有效推动了学生的思维发展。

教师引导学生借助全息设备提供的车辆立体影像观察、比较和分类，将小车的构成分为动力、车身材料、车架外型、车轮、车轴等，每一项都对应着可选择使用的材料配件。学生从小车各组成部分中，依次进行多选一的活动，呈现出不同组合效果的小车模型，体现了组合的灵活性。当小车模型虚拟测试完毕，学生产生改进小车设计的愿望后，他们就会将现有小车各个组成部分的选择材料与未选材料进行对比，利用求异因果关系推理，思考某个部分如果换用另一个材料、另一个做法，可能会带来不同的结果。例如，有的组用纸盒做车身，模型测试没有达到目标要求后，学生就开始思考在其他部分不变的前提下，将纸盒车身更换为塑料吸管车身，是否会有效降低车身重量，从而改变测试效果。

每一个部分的配件选择，背后都指向一定的科学原理，都会无形中引导学生或运用科学原理对现状加以识别、判断与解释，或尝试选择其他方法，看看效果如何改变，从而摸索其中的科学规律。例如，车轮的有花纹与无花纹问题，学生在选择时，就会思考车轮粗糙度与和地面摩擦力间的关系，探寻这种摩擦力大小对小车行进有着怎样的影响。在学生看来，车轮有花纹，对于刹车停止有利，但对于小车行进更快更远是否有利，不甚清楚。在选择、预期和替换测试中，学生就会形成新的认识。

本节课中，学生的设计经历了充分的论证、改进与迭代，最终定型。下节课，进入动手制作一辆小车的环节时，他们的设计方案已经过多次迭代更新、融入大量思考，使得制作活动的目标清晰、明确且单一，大大提高制作小车任务的成功率。

4结语

从本课实践可以看出，通过全息设备支持学生开展虚拟仿真工程设计实践，学生不断获得“学有所用”的切身感受，从而对技术工程学习产生更浓厚的兴趣，引发更深层的思维，唤起更强大的学习动力。虽然这个过程还略显稚嫩，但能让更多教师感受技术装备与创新教学融合的新动向，发挥抛砖引玉、引发思考、促成探讨的研究功能。

参考文献

[1]何克抗.深度学习：网络时代学习方式的变革[J].教育研究，2018，5：111-115.