可拆卸式多星座教具模型的创新设计与教学应用

摘要

可拆卸式多星座教具模型针对教科版科学六年级“认识星座”一课进行创新设计，旨在解决传统教具操作复杂、精准度低等问题。该模型融合激光切割与3D打印技术，采用木质小棍定位与3D打印小球模拟天体，提高定位精准度与实验效率。模型设计为拼接式立方体框架，便于多角度观察星座投影，并扩展至猎户座、天琴座等多个星座，拓宽教学范围。

Graphical abstract

关键词

可拆卸式教具 / 多星座模型 / 激光切割 / 3D打印 / 科学实验教学 / 星球

随着教育技术的不断发展，科学教学对教具的要求也越来越高。开发新型教具，提高科学教学的质量和效率，成了当前教育领域的重要任务之一。在教科版科学六年级上册“认识星座”一课中，传统教具使用细绳悬挂橡皮泥圆球来模拟宇宙中的天体，存在悬挂方式不稳、小球晃动、等待时间长等问题。为了解决这些问题，笔者设计了一种新型可拆卸式多星座科普教具模型，该模型采用现代技术，具有操作简便、精准度高、可更新性强等特点，为科学教学提供了新的工具和方法。

1 教材实验分析

在教科版科学六年级上册“认识星座”一课中，原教材所设计的实验方案在逻辑性和实用性方面存在若干不足。首先，实验采用细绳悬挂橡皮泥圆球来模拟宇宙中的天体，这种设计在实际操作中存在明显的缺陷。由于悬挂方式的不稳定性，小球会不断晃动，学生需要长时间等待小球稳定下来，这无疑增加了实验的难度和耗时^［1］。其次，原教材中的星座板仅仅采用一张纸来制作，不仅容易损坏，还容易产生较大的实验误差，纸张的轻薄和易变性使得星座图案难以精确呈现，从而影响了学生的观察结果。此外，纸张星座板在实际操作过程中也容易出现移位或变形，进一步加大了实验误差。同时，在原实验模型中，学生在使用手电筒照射观察投影时，需要移动模型靠近墙面，操作过程十分不便。

２ 可拆卸式多星座教具模型的设计

2.1 设计思路

考虑原教材实验存在的不足，笔者开发设计了一种可拆卸式多星座教具模型，该教具模型由立体外框架、背景板、星座板、小木棍、小球组成（图1）。外框架利用AutoCAD软件进行绘制，并利用激光切割技术将立方体结构各个部分切割后进行拼接。使用SolidWorks三维设计软件建立天体小球模型，并通过3D打印机打印制作完成。为了较准确地模拟星座中各成员天体相对于地球的真实距离，通过详细的数据收集、汇总和整理，等比例缩小和计算得到了各成员天体到地球的距离，在AutoCAD绘图软件中绘制出星座模型定位板，利用激光切割和雕刻技术制作完成。根据肉眼实际观测到的星座投影图像，制作不同长短的小木棒，并绘制1∶1比例的使用说明图纸。

学生在实验过程中可以选择任意想要观察的星座模型，依据使用说明图纸将对应的木棍插入星座板相应的位置，将背景板从不同方向插入，以模拟从不同方向观测星座所形成的投影。

2.2 制作方法

（1） 为了增强天体模型定位的精准性并缩短实验等待时间，笔者采取了将原教材中细绳悬挂的方式改进为使用木质小棍插入星座定位板中的策略。在天体模型的建构上，摒弃了传统的橡皮泥小球模拟方法，根据所使用的木质小棍的尺寸，在SolidWorks三维设计软件中建立与之相匹配的圆球模型，并通过3D打印制作完成（图2）。这不仅简化了学生的准备工序，还有效提高了课堂效率。

（2） 对整个星座模型进行了创新设计，将其改进为拼接式的立方体框架结构。通过AutoCAD画图软件绘制设计图纸（图3），并借助激光切割技术将各个部分精准切割后进行拼接。这种设计可以让学生从前后左右4个不同方向插入背板，从而观察到不同角度的星座投影，使实验效果更为显著，便于学生进行观察和记录。

（3） 在星座模型的选择上，除了沿用原教材中的北斗七星星座模型外，还增加了夏季星空中易于观察和识别的猎户座及夏季大三角成员星座天琴座。未来，还可以根据学生的实际情况增加更多的星座模型，以拓宽学生的视野并增强他们的实验体验。

（4） 为了方便学生进行模拟实验，根据肉眼实际观测到的星座投影图像，制作了不同长短的小木棒，并绘制了1∶1比例的使用说明图纸（图4）。学生可以根据自身兴趣选择想要观测的星座，并根据图纸上的指导匹配相应的小木棍与小球进行组装。

2.3 创新点

（1） 定位精准度提高。本教具模型采用木质小棍定位方式，通过插入星座定位板，实现了小球的高精准度定位，避免了传统教具中细绳悬挂方式导致的小球晃动问题，提高了实验的准确性和可靠性。

（2） 制作简便。利用3D打印技术制作天体小球，不仅简化了学生的准备工序，还保证了天体模型的规范性和一致性。同时，采用拼接式立方体框架结构，方便学生拆卸和组装，降低了制作难度。

（3） 观察角度多样。教具模型设计为拼接式立方体框架结构，学生可以仅改变背板插入的方向，就能从不同角度观察星座投影，增强了科学体验性。此外，这种设计有助于学生更好地理解星座的构成和位置关系。

（4） 可更新性强。除了原教材中使用的北斗七星星座模型外，本教具模型还可以根据教学需要增加其他星座模型，如猎户座、天琴座等。这种设计使得教具模型具有较强的可更新性，能够满足不同教学需求。

（5） 可推广性强。该教具采用了3 mm厚度的椴木板和PLA材料的3D打印耗材，经过计算，一套模型所耗材料费用大约为5~6元，相较于市面上的模型教具价格更为实惠。此外，该模型可多次拆卸与组装，便于运输和保存，进一步提升了实用性，易于在一线科学教师队伍中进行推广。

3 可拆卸式多星座教具模型在教学中的应用

3.1 实验教学目标

本实验需学生通过模型观察，认识到星座是远近不同、没有联系的恒星在天空中的视觉图像。如果从不同角度观察，星座的图形也会不同，并通过展开空间想象，对模型进行合理推理并做出解释。在实践中制作星座模型，并通过模型进行观察想象，对观察结果提出自己的观点，在实践中认识到建立模型的重要性，最终让学生对天文知识充满探究欲望，意识到随着科学技术的发展，人类对宇宙的认识会越来越深刻。

3.2 实验环节的改进

学生应用改进后的实验装置，按照组装、探究、研讨的步骤开展学习活动^［2］，学生以小组合作的形式组装完成星座模型教具。探究环节自行选择1~3个星座进行观测，通过改变背景板的位置，模拟从宇宙的不同角度观察天体，学生将观察得到的星座图形记录在学习任务单中。根据不同小组的观察结果，全班研讨得出“星座就是由远近不同、没有联系的恒星在天空中组成的视觉图像”这一科学概念。改进后的探究实验实施框架如图5所示。

3.3 实验改进效果

（1） 提高了学生对星座的认识和理解能力。学生通过亲自操作教具模型，能够直观地感受到星座中每个天体在宇宙中的位置关系和投影效果，从而更好地理解星座的构成和特征。

（2） 增强了科学教学的趣味性和互动性。教具模型的设计新颖、操作简单、观察角度多样，激发了学生的学习兴趣和探究欲望，使得科学教学更加生动有趣。

（3） 提高了课堂效率和教学质量。教具模型的使用简化了实验步骤和准备工序，缩短了实验时间，提高了课堂效率。教具模型具有精准度高、可更新性强等特点。

（4） 提升了学生动手操作能力和团结协作能力。在实验过程中充分锻炼了学生的动手、动脑、加工和处理信息的能力，小组成员分工合作，促进学生之间的交流，在交流中解放了学生的思维，有助于学生养成勇于发表自己见解、认真听取和尊重别人意见的好习惯。

4 总结与展望

创新自制的可拆卸式多星座教具模型有效解决了传统教具操作复杂、精准度不高、难以更新等问题。在实际教学应用中，该教具模型已经显示出其独特的优势，学生通过使用该教具，能够真实感受星球在宇宙中的位置与人眼所观察到的星座图像之间的关系，从而更加深入地理解星座的概念和特性。

未来，教师可以根据教学需要和学生反馈，增加更多星座模型，使教具更加全面和丰富。还可以探索使用更多现代技术，如增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术，将实验教学带入一个更加真实和生动的环境中。

核心素养导向下的小学科学教学需要创新，但不可盲目创新。因此，教师需要将精力集中到符合学生认知与逻辑发展的项目上，杜绝单一化、极端化、标签化、浅表化和烦琐化的教学。从教学视角看，科学做好活动设计，能够强化实验的探究深度和操作性，使学生在学好科学知识的同时提升思维能力，最终实现核心素养发展的目标。另外，切实做好科学教育加法，即在科学教学中注重学生的互动体验，设计合理的科学探究活动，让学生在情境教学中提升科学素养，以便落实好学生科学思维进阶的目标。

参考文献

[1] 朱灿.自制教具走向系列化：以地球与宇宙教学中系列教具的整合应用为例［J］.教育与装备研究，2019，35（01）：50-52.

[2] 俞晓东.“模拟鼓膜的振动”实验改进［J］.实验教学与仪器，2023，40（12）：85-87. （上接第113页）

[3] 度进行思考，感受水资源短缺所产生的不良影响，进而正确认识到节约用水的意义。教师可组织学生开展探讨活动，引导其围绕节约用水方法等进行探究；鼓励学生自主规划方案，就方案展开对话，在不断优化方案的同时，培养其责任意识；在明确科学探究方向的过程中，提高学生的批判性思维能力，加深其对这一问题的认识。

[4] 结语