程之穎

(江蘇省蘇州第十中學(xué),江蘇　蘇州　215006)

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·現(xiàn)代教育技術(shù)·

基于“未來教室”的物理與天文教學(xué)融合的探索

程之穎

(江蘇省蘇州第十中學(xué),江蘇蘇州215006)

“未來教室”的電子雙板和智能錄播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代教育資源和教學(xué)的融合,為廣大師生提供了一個(gè)很好的教學(xué)整合平臺(tái).物理與天文有著密不可分的聯(lián)系,本文以天體運(yùn)動(dòng)的教學(xué)實(shí)例,介紹在未來教室平臺(tái)上,運(yùn)用Stellarium虛擬天文館等軟件,在高中物理教學(xué)中取得的成效.

未來教室;學(xué)科融合;Stellarium

1　研究的背景

未來教室的教學(xué)環(huán)境集成解決方案著重強(qiáng)調(diào)教育內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法的現(xiàn)代化,突出課堂教學(xué)設(shè)計(jì)和組織的作用,體現(xiàn)并適應(yīng)教學(xué)個(gè)性化的需求,力求提高教師信息技術(shù)應(yīng)用水平、更新教學(xué)觀念,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性,提高課堂教學(xué)的效率,促進(jìn)課堂教學(xué)的變革與創(chuàng)新.

2　課題的選擇

筆者選擇天體運(yùn)動(dòng)一節(jié)作為未來教室教學(xué)實(shí)踐的內(nèi)容,有以下4個(gè)方面的考慮:

(1) 此部分內(nèi)容在科學(xué)史上至關(guān)重要，天體運(yùn)動(dòng)與日心說的誕生息息相關(guān).此后開普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律和牛頓萬有引力定律的發(fā)現(xiàn),對(duì)物理學(xué)發(fā)展的作用不可限量.

(2) 學(xué)生對(duì)天體運(yùn)動(dòng)有著興趣濃厚，宇宙學(xué)、天文學(xué)一直是科學(xué)的熱點(diǎn),也是青少年關(guān)注的焦點(diǎn).2015年“新視野號(hào)”造訪冥王星,“另一個(gè)地球”開普勒-452b的發(fā)現(xiàn),都是學(xué)生課后議論的話題.每個(gè)人生日有對(duì)應(yīng)的星座,到底是怎么來的,學(xué)生都很感興趣.而這些內(nèi)容,課本很難給出他們想要的解答.

(3) 關(guān)注我們生存的環(huán)境.人類從仰望星空開始,走上了研究科學(xué)、發(fā)展科技的道路,但是到了今天,城市的光污染和空氣污染讓現(xiàn)在的孩子們仰望星空也看不到璀璨的繁星.學(xué)生對(duì)星空的認(rèn)識(shí)只限于物理和地理教科書的碎片化介紹,沒有形成系統(tǒng)的認(rèn)識(shí).

(4) Stellarium虛擬天文館軟件具有非常強(qiáng)的仿真度,具有良好的互動(dòng)體驗(yàn).與未來教室平臺(tái)相整合,可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性,提高課堂教學(xué)的效率和效果,實(shí)現(xiàn)學(xué)科融合.傳統(tǒng)的物理或者地理課堂采用PPT演示的方式,內(nèi)容程式化,無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化,而采用教具演示等方式又缺少互動(dòng)性,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,教學(xué)效率不高.

3　具體運(yùn)用案例

筆者從多年教學(xué)實(shí)踐中看到,學(xué)生對(duì)日心說普遍認(rèn)為理所應(yīng)當(dāng),對(duì)教材上提到的地心說以及托勒密為了解釋行星逆行而建立的理論不屑一顧,甚至認(rèn)為錯(cuò)誤的理論不用提及.筆者在引入時(shí)首先提醒學(xué)生,人類的足跡只不過到達(dá)了月球,教科書上太陽系黃道平面的示意圖,以及銀河系是碟狀的,太陽系位于一條旋臂之上,這些“上帝模式”的視圖,都是前人在地球上通過觀察分析得到的.科學(xué)的進(jìn)步都是在對(duì)前人經(jīng)驗(yàn)、錯(cuò)誤的不斷提高、修正之上獲得的.

首先,打開虛擬天文館Stellarium軟件,將界面中的所在地設(shè)為蘇州.這樣所觀察的星象都與實(shí)地看到的相同.界面中可見蘇州的經(jīng)緯度以及海拔高度，所在地若不在列表中,也可自行設(shè)置經(jīng)緯度及海拔高度.

將時(shí)間按天快進(jìn),可以看到,每晚的同一時(shí)間、往同一方向看到的星空是不同的,星空如同幕布,向西方移動(dòng).在幕布上,可以看到絕大多數(shù)亮點(diǎn)的位置是不動(dòng)的,這被我們的祖先稱作恒星.指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用搜索功能,找到火星,并將火星用“將已選物體置中”功能鎖定于屏幕正中,方便觀察每天的移動(dòng)，按天快進(jìn).

圖1

從圖1可以看到火星在恒星背景上的移動(dòng).連續(xù)點(diǎn)動(dòng)日期,筆者提示學(xué)生留意火星相對(duì)星空背景移動(dòng)的方向.只有通過非常仔細(xì)的記錄和長時(shí)間不間斷的觀察才能注意到行星的逆行現(xiàn)象，而對(duì)于土星、木星等行星,移動(dòng)緩慢就更難觀察逆行現(xiàn)象了.對(duì)于古人來說,觀察和記錄尚且不易,更不用說提出理論的解釋了.

筆者隨機(jī)抽取了幾位學(xué)生,詢問是什么星座的.學(xué)生都知道自己是什么星座,但其中的由來就不知道了.利用Stellarium軟件的星座連線功能,給黃道帶上的星座加上連線,同學(xué)們?nèi)韵胂蟛怀鲂亲臉幼?再用“標(biāo)注功能”顯示星座名稱.最后再運(yùn)用“星座圖繪功能”.在驚嘆聲中,同學(xué)明白了星座的命名是為了描述和記錄天體位置更方便,而其中還蘊(yùn)含著古人天馬行空般的想象(如圖2所示的御夫座和金牛座).

圖2

2015年6月3日太陽在金牛座，繼續(xù)按天快進(jìn),7月3日時(shí)太陽移到雙子座了.所以自己生日與星座的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)際是太陽運(yùn)行到黃道帶上的那個(gè)星座背景之上，這些都可以用地心說順理成章地進(jìn)行解釋.大地不動(dòng),恒星點(diǎn)綴在黑色的幕布之上,如同走馬燈般繞著大地移動(dòng)，這就是為什么地心說能維持如此之久的原因.

Stellarium軟件還可以追蹤天體的運(yùn)動(dòng),給出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).彗星的軌道偏心率很高,可以追蹤彗星數(shù)據(jù),驗(yàn)證開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律.

搜索到哈雷彗星(編號(hào)1P/1982)，目前它在距離太陽34個(gè)天文單位的地方,速度是1.6km/s,還在向遠(yuǎn)日點(diǎn)移動(dòng).而當(dāng)它在2022年到達(dá)遠(yuǎn)日點(diǎn)的時(shí)候,速度會(huì)降到0.9km/s.到了2062年時(shí)到達(dá)近日點(diǎn)的時(shí)候,速度會(huì)達(dá)到54.5km/s.可以明顯看到近日點(diǎn)速度大,遠(yuǎn)日點(diǎn)速度小(如圖3).

圖3

虛擬天文館可以展示任何時(shí)候、任何地點(diǎn)的天文現(xiàn)象.有興趣的學(xué)生可以看到國外的日食月食,甚至可以把觀察點(diǎn)移到冥王星上看日出.

虛擬天文館再現(xiàn)了以地球?yàn)橛^察點(diǎn)所看到的星象變化,筆者問學(xué)生：如果你在古代,能據(jù)此建立日心說嗎？可見日心說的創(chuàng)立,跳出了地球視角,從更高的層次思考問題,是重大的進(jìn)步.但是為什么日心說能很好的解釋行星的逆行呢？

筆者再次運(yùn)用“太陽系行星視運(yùn)動(dòng)演示模型”這個(gè)軟件.該軟件可以同時(shí)展現(xiàn)以太陽為中心的行星運(yùn)動(dòng)以及從地球看其他行星在天球背景上的視運(yùn)動(dòng).正是因?yàn)楦餍行擒壍腊霃讲煌?繞太陽運(yùn)動(dòng)的周期不同,產(chǎn)生了超越與被超越的關(guān)系,從而產(chǎn)生了視運(yùn)動(dòng)上的逆行(如圖4).

圖4

4　總結(jié)與反思

在課堂中引入“未來教室”等信息技術(shù)看似復(fù)雜,實(shí)際上教師只要準(zhǔn)備充分,反而比傳統(tǒng)教學(xué)更加輕松.類似虛擬天文館這樣的軟件,本身是一個(gè)龐大的在線數(shù)據(jù)庫,可以調(diào)取各大天文臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù),可以說應(yīng)有盡有，斗轉(zhuǎn)星移,盡在掌控.教師在引入完成、教會(huì)同學(xué)使用軟件界面后,可以將探索星空的任務(wù)交給學(xué)生,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,提高課堂效率.

虛擬天文館在課堂的使用,從本質(zhì)上講是一種虛擬實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)習(xí)者能方便地改變實(shí)驗(yàn)發(fā)生的條件以及觀察所發(fā)生的變化,激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步提出問題與解決問題的興趣.有助于學(xué)習(xí)者把科學(xué)的理解與邏輯、想象力和創(chuàng)造性相結(jié)合,有效地發(fā)揮自身的能動(dòng)性.

劉權(quán).基于未來教室的教學(xué)實(shí)踐和思考—記《電容器的電容》一課的信息技術(shù)整合[J].物理之友，2016,32(1).