全息設(shè)備創(chuàng)新科學(xué)實驗教學(xué)

范穎

摘要數(shù)字化信息技術(shù)與科學(xué)學(xué)習(xí)的融合正日益深入。在《設(shè)計制作小車（一）》一課中，教師創(chuàng)造性地運用全息智能交互終端設(shè)備，組織學(xué)生基于運動與力的科學(xué)原理，通過虛擬技術(shù)開展小車的原型設(shè)計、模型測試、數(shù)據(jù)分析、評估改進活動。這對于以往的工程設(shè)計過程是一種技術(shù)層面的變革，更是一種學(xué)習(xí)方式的變革：促使學(xué)生更充分地經(jīng)歷著分析、評價、創(chuàng)造的高階認知過程，從而發(fā)展他們的高水平思維能力。

關(guān)鍵詞全息設(shè)備;設(shè)計;創(chuàng)新

中圖分類號：G424文獻標(biāo)識碼：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(qū)李斐老師執(zhí)教的《設(shè)計制作小車（一）》一課，探索將全息交互智能終端設(shè)備（以下簡稱全息設(shè)備）引入教學(xué)，助推技術(shù)設(shè)備的使用向著一個新方向邁進。回顧全課，筆者感受到了全息設(shè)備越發(fā)展越體現(xiàn)出人工智能的一面：它更像有大腦的參謀，接收外界輸入的信息、分析處理信息、輸出可能的測試狀態(tài)及結(jié)果，為“小工程師們”做出決策、動手實踐提供支持。

1全息設(shè)備提升設(shè)計、建模與測試效率

課堂上，教師向?qū)W生提出任務(wù)：

請利用生活中的材料設(shè)計制作一輛具有動力的小車，使它能在5秒內(nèi)把兩塊橡皮運輸1米遠。要求：用橡皮筋或氣球做動力，只能利用教師提供的材料。

在虛擬條件下，全息設(shè)備下方觸碰屏幕中呈現(xiàn)了多種小車配件（紙盒、塑料吸管、輪胎等）平面圖，學(xué)生用指尖觸碰屏幕，自選配件，形成組合方案，從而快速構(gòu)建出虛擬的小車模型，全息投屏中出現(xiàn)了立體的、可多角度旋轉(zhuǎn)查看的小車虛擬影像。學(xué)生點擊屏幕上的“開始”按鈕，全息投屏中的虛擬小車在氣球或者橡皮筋動力驅(qū)動下行進起來，在小車上方實時顯示出行駛時間和行駛距離變化，并隨小車停止行駛而呈現(xiàn)出最后的總時間（秒）和總行駛距離（米）。此時，與設(shè)計同步，一份電子學(xué)習(xí)記錄單也自動生成，方便各組將實驗結(jié)果抄寫在紙質(zhì)學(xué)習(xí)記錄單上，用于接下來的匯報與評估。

全息設(shè)備為學(xué)生高效開展技術(shù)工程類中的設(shè)計活動（明確問題、設(shè)計方案、構(gòu)建模型、模型測試）提供了強大技術(shù)支持。

2全息設(shè)備“減”制作，“增”評改

在根據(jù)給定材料設(shè)計小車、快速建模并測試的過程中，學(xué)生利用全息設(shè)備很快得到第一次設(shè)計之后的模型測試數(shù)據(jù)。這樣，“小工程師們”有更充裕的時間，對設(shè)計進行評估與改進。

課上，一個匯報組向大家展現(xiàn)了他們的學(xué)習(xí)記錄單：以氣球為動力，以塑料吸管為車身材料，三角形車架、無花紋的車輪車軸直接穿過車身。測試結(jié)果是能完成目標(biāo)任務(wù)，具體數(shù)據(jù)為車重25克，行駛1.93米，速度3.71米/秒。他們對自己設(shè)計的小車提出了改進措施：小車載重能力不是很強，想用紙盒做車身，再試試。

另一個匯報組以橡皮筋為動力，以紙盒為車身材料，三角形車架、有花紋的車輪、車軸直接穿過車身。測試結(jié)果是不能完成任務(wù)，具體數(shù)據(jù)為車重50克，行駛0米，速度0米/秒。他們對自己的設(shè)計提出了改進措施：減少車身的重量，用吸管做車身，選用三角形車架，以減少阻力。其他組提出建議：可以嘗試用氣球作動力，因為橡皮筋動力為20牛，而氣球動力為40牛，如果用氣球做動力，車會跑得更快。在充分交流后，各組躍躍欲試，準(zhǔn)備模型重組、虛擬測試，開展第二次、第三次設(shè)計優(yōu)化。

在全息設(shè)備支持下，各組開展了設(shè)計優(yōu)化與迭代。每次，全息投屏都會快速呈現(xiàn)改進模型的立體動態(tài)圖像，觸碰屏同步形成測試結(jié)果及數(shù)據(jù)。一段緊張有序的人機互動后，到了再次設(shè)計評估并定型的階段。

一個匯報小組發(fā)言：我們第一次沒有成功，就想減輕車身的重量。所以第二次用吸管做車身材料，采用三角形車架，還是用氣球作動力，選用有花紋的車輪，車軸直接穿過車身。結(jié)果很順利地完成目標(biāo)，具體數(shù)據(jù)為車重25克，行駛2.04米，速度3.53米/秒。第三次改進，我們把車軸套上吸管再次測試成功，具體數(shù)據(jù)為車重25克，行駛3.05米，速度1.52米/秒。

另一個匯報組發(fā)言：我們第一次到第二次，把車身材料改成了吸管，車身改為長方形，沒有明顯的優(yōu)化效果。因為從三角形改成長方形車身，小車迎風(fēng)面積增加，所以無法加快速度。第三次我們就把車身從長方形改回三角形，還是車軸套上吸管，發(fā)現(xiàn)這樣不但車身變輕，而且跑得還快。我們還用有花紋的車輪，增大摩擦力，讓它跑得快。第三次測試完成目標(biāo)，效果最好，具體數(shù)據(jù)為車重25克，行駛3.08米，速度1.72米/秒。

在一次次的迭代設(shè)計中，“小工程師們”通過比較、分類、歸納概括得出新認識：用塑料吸管做成三角形車架，用氣球作動力，采用軸套吸管連接車身的設(shè)計，能讓小車更好地完成目標(biāo)。至U此，一輛小車的設(shè)計，經(jīng)過多次測試、不斷優(yōu)化，最終定型。這為下節(jié)課開展制作小車成品的活動打下堅實的基礎(chǔ)。

3全息設(shè)備虛實相映，推動思維發(fā)展

本節(jié)課重點在于小車設(shè)計的優(yōu)化。學(xué)生雖然沒有真正動手利用真實材料根據(jù)設(shè)計做出模型，再進行模型的實際測試，看似“務(wù)虛”多了些、“務(wù)實”少了些，實則不然。

首先是小車測試虛擬樣態(tài)與數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)。據(jù)全息設(shè)備技術(shù)研發(fā)人員介紹，課前，教師與技術(shù)人員利用真實的小車配件，組裝出許多不同配件組合而成的小車實體，進行實際測試，獲得真實的數(shù)據(jù)與行駛狀態(tài)，并輸入全息設(shè)備系統(tǒng)中，從而組建了一個豐富的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫。課上，當(dāng)不同的小組選取不同虛擬構(gòu)件，設(shè)計并建立起虛擬小車模型后，電腦會將學(xué)生的設(shè)計與機器內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)加以比較，快速推演，為設(shè)計者輸出小車行進的仿真狀態(tài)和各項測試數(shù)據(jù)?？梢哉f，全息設(shè)備中虛擬的各種小車模型的測試樣態(tài)、數(shù)據(jù)，都是基于海量的實體模型實際測試和真實數(shù)據(jù)的輸入與輸出。本節(jié)課中教師利用全息設(shè)備教學(xué)，正是帶領(lǐng)學(xué)生感受信息化、智能化研發(fā)的過程，是拓寬技術(shù)視野、創(chuàng)新實驗教學(xué)的有益嘗試。

其次，全息設(shè)備提供的一切虛擬技術(shù)手段，提高了每一次設(shè)計、建模、測試的效率，使得學(xué)生針對每一次設(shè)計都有充分的評估和清晰的改進方向和預(yù)期，有效推動了學(xué)生的思維發(fā)展。

教師引導(dǎo)學(xué)生借助全息設(shè)備提供的車輛立體影像觀察、比較和分類，將小車的構(gòu)成分為動力、車身材料、車架外型、車輪、車軸等，每一項都對應(yīng)著可選擇使用的材料配件。學(xué)生從小車各組成部分中，依次進行多選一的活動，呈現(xiàn)出不同組合效果的小車模型，體現(xiàn)了組合的靈活性。當(dāng)小車模型虛擬測試完畢，學(xué)生產(chǎn)生改進小車設(shè)計的愿望后，他們就會將現(xiàn)有小車各個組成部分的選擇材料與未選材料進行對比，利用求異因果關(guān)系推理，思考某個部分如果換用另一個材料、另一個做法，可能會帶來不同的結(jié)果。例如，有的組用紙盒做車身，模型測試沒有達到目標(biāo)要求后，學(xué)生就開始思考在其他部分不變的前提下，將紙盒車身更換為塑料吸管車身，是否會有效降低車身重量，從而改變測試效果。

每一個部分的配件選擇，背后都指向一定的科學(xué)原理，都會無形中引導(dǎo)學(xué)生或運用科學(xué)原理對現(xiàn)狀加以識別、判斷與解釋，或嘗試選擇其他方法，看看效果如何改變，從而摸索其中的科學(xué)規(guī)律。例如，車輪的有花紋與無花紋問題，學(xué)生在選擇時，就會思考車輪粗糙度與和地面摩擦力間的關(guān)系，探尋這種摩擦力大小對小車行進有著怎樣的影響。在學(xué)生看來，車輪有花紋，對于剎車停止有利，但對于小車行進更快更遠是否有利，不甚清楚。在選擇、預(yù)期和替換測試中，學(xué)生就會形成新的認識。

本節(jié)課中，學(xué)生的設(shè)計經(jīng)歷了充分的論證、改進與迭代，最終定型。下節(jié)課，進入動手制作一輛小車的環(huán)節(jié)時，他們的設(shè)計方案已經(jīng)過多次迭代更新、融入大量思考，使得制作活動的目標(biāo)清晰、明確且單一，大大提高制作小車任務(wù)的成功率。

4結(jié)語

從本課實踐可以看出，通過全息設(shè)備支持學(xué)生開展虛擬仿真工程設(shè)計實踐，學(xué)生不斷獲得“學(xué)有所用”的切身感受，從而對技術(shù)工程學(xué)習(xí)產(chǎn)生更濃厚的興趣，引發(fā)更深層的思維，喚起更強大的學(xué)習(xí)動力。雖然這個過程還略顯稚嫩，但能讓更多教師感受技術(shù)裝備與創(chuàng)新教學(xué)融合的新動向，發(fā)揮拋磚引玉、引發(fā)思考、促成探討的研究功能。

參考文獻

[1]何克抗.深度學(xué)習(xí)：網(wǎng)絡(luò)時代學(xué)習(xí)方式的變革[J].教育研究，2018，5：111-115.