基于“未來教室”的物理與天文教學融合的探索

程之穎

(江蘇省蘇州第十中學,江蘇　蘇州　215006)

?

·現代教育技術·

基于“未來教室”的物理與天文教學融合的探索

程之穎

(江蘇省蘇州第十中學,江蘇蘇州215006)

“未來教室”的電子雙板和智能錄播系統實現了現代教育資源和教學的融合,為廣大師生提供了一個很好的教學整合平臺.物理與天文有著密不可分的聯系,本文以天體運動的教學實例,介紹在未來教室平臺上,運用Stellarium虛擬天文館等軟件,在高中物理教學中取得的成效.

未來教室;學科融合;Stellarium

1　研究的背景

未來教室的教學環境集成解決方案著重強調教育內容、教學手段和教學方法的現代化,突出課堂教學設計和組織的作用,體現并適應教學個性化的需求,力求提高教師信息技術應用水平、更新教學觀念,激發學生學習的興趣和主動性,提高課堂教學的效率,促進課堂教學的變革與創新.

2　課題的選擇

筆者選擇天體運動一節作為未來教室教學實踐的內容,有以下4個方面的考慮:

(1) 此部分內容在科學史上至關重要，天體運動與日心說的誕生息息相關.此后開普勒行星運動三定律和牛頓萬有引力定律的發現,對物理學發展的作用不可限量.

(2) 學生對天體運動有著興趣濃厚，宇宙學、天文學一直是科學的熱點,也是青少年關注的焦點.2015年“新視野號”造訪冥王星,“另一個地球”開普勒-452b的發現,都是學生課后議論的話題.每個人生日有對應的星座,到底是怎么來的,學生都很感興趣.而這些內容,課本很難給出他們想要的解答.

(3) 關注我們生存的環境.人類從仰望星空開始,走上了研究科學、發展科技的道路,但是到了今天,城市的光污染和空氣污染讓現在的孩子們仰望星空也看不到璀璨的繁星.學生對星空的認識只限于物理和地理教科書的碎片化介紹,沒有形成系統的認識.

(4) Stellarium虛擬天文館軟件具有非常強的仿真度,具有良好的互動體驗.與未來教室平臺相整合,可激發學生學習的興趣和主動性,提高課堂教學的效率和效果,實現學科融合.傳統的物理或者地理課堂采用PPT演示的方式,內容程式化,無法實時動態變化,而采用教具演示等方式又缺少互動性,費時費力,教學效率不高.

3　具體運用案例

筆者從多年教學實踐中看到,學生對日心說普遍認為理所應當,對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,甚至認為錯誤的理論不用提及.筆者在引入時首先提醒學生,人類的足跡只不過到達了月球,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.科學的進步都是在對前人經驗、錯誤的不斷提高、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為蘇州.這樣所觀察的星象都與實地看到的相同.界面中可見蘇州的經緯度以及海拔高度，所在地若不在列表中,也可自行設置經緯度及海拔高度.

將時間按天快進,可以看到,每晚的同一時間、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.在幕布上,可以看到絕大多數亮點的位置是不動的,這被我們的祖先稱作恒星.指導學生運用搜索功能,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，按天快進.

圖1

從圖1可以看到火星在恒星背景上的移動.連續點動日期,筆者提示學生留意火星相對星空背景移動的方向.只有通過非常仔細的記錄和長時間不間斷的觀察才能注意到行星的逆行現象，而對于土星、木星等行星,移動緩慢就更難觀察逆行現象了.對于古人來說,觀察和記錄尚且不易,更不用說提出理論的解釋了.

筆者隨機抽取了幾位學生,詢問是什么星座的.學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,同學們仍想象不出星座的樣子.再用“標注功能”顯示星座名稱.最后再運用“星座圖繪功能”.在驚嘆聲中,同學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，繼續按天快進,7月3日時太陽移到雙子座了.所以自己生日與星座的對應關系實際是太陽運行到黃道帶上的那個星座背景之上，這些都可以用地心說順理成章地進行解釋.大地不動,恒星點綴在黑色的幕布之上,如同走馬燈般繞著大地移動，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動,給出實時數據.彗星的軌道偏心率很高,可以追蹤彗星數據,驗證開普勒行星運動定律.

搜索到哈雷彗星(編號1P/1982)，目前它在距離太陽34個天文單位的地方,速度是1.6km/s,還在向遠日點移動.而當它在2022年到達遠日點的時候,速度會降到0.9km/s.到了2062年時到達近日點的時候,速度會達到54.5km/s.可以明顯看到近日點速度大,遠日點速度小(如圖3).

圖3

虛擬天文館可以展示任何時候、任何地點的天文現象.有興趣的學生可以看到國外的日食月食,甚至可以把觀察點移到冥王星上看日出.

虛擬天文館再現了以地球為觀察點所看到的星象變化,筆者問學生：如果你在古代,能據此建立日心說嗎？可見日心說的創立,跳出了地球視角,從更高的層次思考問題,是重大的進步.但是為什么日心說能很好的解釋行星的逆行呢？

筆者再次運用“太陽系行星視運動演示模型”這個軟件.該軟件可以同時展現以太陽為中心的行星運動以及從地球看其他行星在天球背景上的視運動.正是因為各行星軌道半徑不同,繞太陽運動的周期不同,產生了超越與被超越的關系,從而產生了視運動上的逆行(如圖4).

圖4

4　總結與反思

在課堂中引入“未來教室”等信息技術看似復雜,實際上教師只要準備充分,反而比傳統教學更加輕松.類似虛擬天文館這樣的軟件,本身是一個龐大的在線數據庫,可以調取各大天文臺的觀測數據,可以說應有盡有，斗轉星移,盡在掌控.教師在引入完成、教會同學使用軟件界面后,可以將探索星空的任務交給學生,充分調動學生的學習興趣和積極性,提高課堂效率.

虛擬天文館在課堂的使用,從本質上講是一種虛擬實驗.在實驗過程中,學習者能方便地改變實驗發生的條件以及觀察所發生的變化,激發學生進一步提出問題與解決問題的興趣.有助于學習者把科學的理解與邏輯、想象力和創造性相結合,有效地發揮自身的能動性.

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