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(jì)制作小車（一）》一課中，教師創(chuàng)造性地運(yùn)用全息智能交互終端設(shè)備，組織學(xué)生基于運(yùn)動(dòng)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(jì)、模型測試、數(shù)據(jù)分析、評(píng)估改進(jìn)活動(dòng)。這對(duì)于以往的工程設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)、創(chuàng)造的高階認(rèn)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(jì);創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)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(gè)新方向邁進(jìn)?；仡櫲n，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(dòng)手實(shí)踐提供支持。

1全息設(shè)備提升設(shè)計(jì)、建模與測試效率

課堂上，教師向?qū)W生提出任務(wù)：

請(qǐng)利用生活中的材料設(shè)計(jì)制作一輛具有動(dòng)力的小車，使它能在5秒內(nèi)把兩塊橡皮運(yùn)輸1米遠(yuǎn)。要求：用橡皮筋或氣球做動(dòng)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(diǎn)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)下行進(jìn)起來，在小車上方實(shí)時(shí)顯示出行駛時(shí)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(shí)間（秒）和總行駛距離（米）。此時(shí)，與設(shè)計(jì)同步，一份電子學(xué)習(xí)記錄單也自動(dòng)生成，方便各組將實(shí)驗(yàn)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(bào)與評(píng)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(jì)活動(dòng)（明確問題、設(shè)計(jì)方案、構(gòu)建模型、模型測試）提供了強(qiáng)大技術(shù)支持。

2全息設(shè)備“減”制作，“增”評(píng)改

在根據(jù)給定材料設(shè)計(jì)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(jì)之后的模型測試數(shù)據(jù)。這樣，“小工程師們”有更充裕的時(shí)間，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估與改進(jìn)。

課上，一個(gè)匯報(bào)組向大家展現(xiàn)了他們的學(xué)習(xí)記錄單：以氣球?yàn)閯?dòng)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(duì)自己設(shè)計(jì)的小車提出了改進(jìn)措施：小車載重能力不是很強(qiáng)，想用紙盒做車身，再試試。

另一個(gè)匯報(bào)組以橡皮筋為動(dòng)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(duì)自己的設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)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(dòng)力，因?yàn)橄鹌そ顒?dòng)力為20牛，而氣球動(dòng)力為40牛，如果用氣球做動(dòng)力，車會(huì)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(jì)優(yōu)化。

在全息設(shè)備支持下，各組開展了設(shè)計(jì)優(yōu)化與迭代。每次，全息投屏都會(huì)快速呈現(xiàn)改進(jìn)模型的立體動(dòng)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(jī)互動(dòng)后，到了再次設(shè)計(jì)評(píng)估并定型的階段。

一個(gè)匯報(bào)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(dòng)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(jìn)，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(gè)匯報(bào)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?yàn)閺娜切胃某砷L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(jì)中，“小工程師們”通過比較、分類、歸納概括得出新認(rèn)識(shí)：用塑料吸管做成三角形車架，用氣球作動(dòng)力，采用軸套吸管連接車身的設(shè)計(jì)，能讓小車更好地完成目標(biāo)。至U此，一輛小車的設(shè)計(jì)，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(dòng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3全息設(shè)備虛實(shí)相映，推動(dòng)思維發(fā)展

本節(jié)課重點(diǎn)在于小車設(shè)計(jì)的優(yōu)化。學(xué)生雖然沒有真正動(dòng)手利用真實(shí)材料根據(jù)設(shè)計(jì)做出模型，再進(jìn)行模型的實(shí)際測試，看似“務(wù)虛”多了些、“務(wù)實(shí)”少了些，實(shí)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(shí)的小車配件，組裝出許多不同配件組合而成的小車實(shí)體，進(jìn)行實(shí)際測試，獲得真實(shí)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(gè)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(jì)并建立起虛擬小車模型后，電腦會(huì)將學(xué)生的設(shè)計(jì)與機(jī)器內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)加以比較，快速推演，為設(shè)計(jì)者輸出小車行進(jìn)的仿真狀態(tài)和各項(xiàng)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(shí)體模型實(shí)際測試和真實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)、建模、測試的效率，使得學(xué)生針對(duì)每一次設(shè)計(jì)都有充分的評(píng)估和清晰的改進(jìn)方向和預(yù)期，有效推動(dòng)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(dòng)力、車身材料、車架外型、車輪、車軸等，每一項(xiàng)都對(duì)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(jìn)行多選一的活動(dòng)，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(jìn)小車設(shè)計(jì)的愿望后，他們就會(huì)將現(xiàn)有小車各個(gè)組成部分的選擇材料與未選材料進(jìn)行對(duì)比，利用求異因果關(guān)系推理，思考某個(gè)部分如果換用另一個(gè)材料、另一個(gè)做法，可能會(huì)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(dá)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(huì)有效降低車身重量，從而改變測試效果。

每一個(gè)部分的配件選擇，背后都指向一定的科學(xué)原理，都會(huì)無形中引導(dǎo)學(xué)生或運(yùn)用科學(xué)原理對(duì)現(xiàn)狀加以識(shí)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(shí)，就會(huì)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(duì)小車行進(jìn)有著怎樣的影響。在學(xué)生看來，車輪有花紋，對(duì)于剎車停止有利，但對(duì)于小車行進(jìn)更快更遠(yuǎn)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(huì)形成新的認(rèn)識(shí)。

本節(jié)課中，學(xué)生的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了充分的論證、改進(jìn)與迭代，最終定型。下節(jié)課，進(jìn)入動(dòng)手制作一輛小車的環(huán)節(jié)時(shí)，他們的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)過多次迭代更新、融入大量思考，使得制作活動(dòng)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(shí)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(jì)實(shí)踐，學(xué)生不斷獲得“學(xué)有所用”的切身感受，從而對(duì)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(qiáng)大的學(xué)習(xí)動(dòng)力。雖然這個(gè)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(dòng)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(xiàn)

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