地球公轉(zhuǎn)模型設(shè)計與應(yīng)用
--四季成因探究

福建省廈門市廈門實驗中學(xué)(361100) 徐 玲 福建省廈門市廈門第一中學(xué)(361100) 李 彬

0 引言

小學(xué)科學(xué)注重思維的培養(yǎng),科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式,主要包括模型建構(gòu)、推理論證和創(chuàng)新思維等[1]。科學(xué)思維的培養(yǎng)常常滲透于科學(xué)實驗中,小學(xué)科學(xué)中常見的實驗類型有對比實驗、模擬實驗以及對比實驗和模擬實驗的混合實驗。5年級的學(xué)生在學(xué)習(xí)有關(guān)地球運動的內(nèi)容時,難以從模擬地球公轉(zhuǎn)運動的角度去探究地球四季變化的原因,對于學(xué)生而言,模擬實驗是難點,尤其是有關(guān)地球運動的模擬實驗。這是因為5年級的學(xué)生還處于具體運算思維向形式運算思維過渡的階段,思維還偏向具象性,而模擬實驗具有一定的抽象性。因此筆者在教材實驗的基礎(chǔ)上設(shè)計了適合學(xué)生自主探究地球公轉(zhuǎn)的模型,降低學(xué)生對于地球公轉(zhuǎn)的學(xué)習(xí)難度,輔助學(xué)生自主建構(gòu)地球公轉(zhuǎn)模型。

1 教材實驗不足之處

“四季循環(huán)”一課出自蘇教版5年級下冊第3單元[2],本課學(xué)科核心概念是宇宙中的地球,課標要求學(xué)生知道地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的周期和方向,理解四季的形成與地球的公轉(zhuǎn)有關(guān)。通過測量正午時物體的影長,說明不同季節(jié)正午影長的變化情況。本課的難點在于模擬地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的運動狀態(tài),并將影子變化與地球運動聯(lián)系起來,然而教材中的實驗對于教學(xué)難點的突破存在2點不足:

(1)牙簽在皮球上的投影效果不明顯,因此學(xué)生難以看出粘在皮球上的牙簽圍繞燈泡做圓周運動時影子長度的變化。

(2)實驗設(shè)計沒有體現(xiàn)出學(xué)生對于地球圍繞太陽運動模型的自主構(gòu)建。實驗要求學(xué)生將皮球圍繞燈泡運動一周,然后直接告訴學(xué)生地球是圍繞太陽運動導(dǎo)致四季的變化,而不是學(xué)生根據(jù)自然現(xiàn)象去探究地球是如何圍繞太陽運動造成四季的變化。該實驗缺少探究的意味,難以滿足學(xué)生高階思維的培養(yǎng)。

2 實驗改進思路

改進此實驗,一方面要考慮實驗材料的選取,提高投影效果,另一方面是如何設(shè)計學(xué)生可以自主建構(gòu)的地球公轉(zhuǎn)模型。其中第二方面是重點要考慮的內(nèi)容,在小學(xué)科學(xué)中地球公轉(zhuǎn)模型的提出主要是為輔助學(xué)生理解四季變化的原因,地球圍繞太陽運動一周形成了一年四季。地球公轉(zhuǎn)模型主要包含太陽和地球2個要素,由于是讓學(xué)生自主建構(gòu)地球公轉(zhuǎn)模型,因此該模型中太陽和地球的位置不是固定的,而是可以根據(jù)學(xué)生想法調(diào)整的。總的來說,模型需要滿足以下3個條件:①模擬太陽光的電燈泡能夠近似平行光射向地球模型;②地球模型可以圍繞太陽做圓周運動,地球模型的位置可以隨意變化;③模型可以通過影長變化來判斷季節(jié)的變化。

基于上述分析,此地球公轉(zhuǎn)模型主要是為了讓學(xué)生更好地理解四季變化與地球公轉(zhuǎn)之間的關(guān)系,因此以四季影長變化為切入點,尋找某個地區(qū)的四季,這個地區(qū)可以是學(xué)生生活的所在地,或是學(xué)生感興趣的地方,其較為熟悉該地四季的變化。使用4個白色泡沫球模擬地球,分布在太陽(電燈泡)的四周,分別代表某個地區(qū)在不同季節(jié)時地球的運動狀態(tài),學(xué)生則可以通過影子的長度來區(qū)分某個地區(qū)的四季。學(xué)生在尋找熟悉地區(qū)的四季過程中構(gòu)建地球圍繞太陽運動的模型。

3 改進實驗教具材料及原理

3.1 實驗材料

4個插有竹簽的白色泡沫球、8根牙簽、1塊80 cm × 80 cm泡沫板和1個電燈泡、4個標簽貼(春夏秋冬)。

白色泡沫球模擬地球,牙簽所插的位置代表本實驗選取的地區(qū)(廈門和紐曼)的位置(如圖1所示),泡沫板平面模擬地球運動軌道(如圖2所示),電燈泡發(fā)出的光模擬太陽光(如圖3所示),牙簽正對燈泡時形成的影長模擬廈門(或紐曼)正午的影長。

圖1 泡沫球 圖2 泡沫板 圖3 電燈泡

3.2 實驗原理

以泡沫板作為地球圍繞太陽運動的軌道平面,4個插有牙簽的泡沫球模擬地球,牙簽插在泡沫球上代表某個地區(qū),裸露在外面的牙簽長度要相同。電燈泡發(fā)出的光模擬太陽光,由于電燈泡和泡沫球的距離較近,因此光線近似平行,電燈泡固定在泡沫板的中央,可以向四周散發(fā)光亮。在確定四季的過程中,可以將泡沫球插在泡沫板的任意位置,通過比較牙簽影長來判斷季節(jié)。

4 教具創(chuàng)新點

(1)影子在白色的泡沫球上投影效果好,實驗現(xiàn)象明顯,學(xué)生可以根據(jù)影子的長短來分辨四季。

(2)插有牙簽的泡沫球可以調(diào)整傾斜角度和方向,學(xué)生能夠自主探究地軸傾斜對物體四季影長是否會產(chǎn)生影響。

(3)插有竹簽的泡沫球能夠轉(zhuǎn)動,通過觀察泡沫球的亮面和暗面分布情況,可以探究晝夜變化以及南北極極晝極夜現(xiàn)象。

(4)插有竹簽的白色泡沫球可以調(diào)整高度,學(xué)生能夠探究地球圍繞太陽運動的軌跡是否處于同一平面,進一步豐富地球公轉(zhuǎn)模型。

(5)實驗材料易取易制,使用方法簡單,并且教具可重復(fù)使用,節(jié)約用料。

5 實驗教學(xué)設(shè)計

5.1 實驗教學(xué)目標

(1)科學(xué)觀念:知道四季的形成與地球傾斜著圍繞太陽運動有關(guān)。

(2)科學(xué)思維:通過太陽高度角、影子長度與溫度之間的關(guān)系建構(gòu)地球公轉(zhuǎn)模型來探究四季成因。

(3)探究實踐:能夠根據(jù)地球公轉(zhuǎn)的特征做模擬實驗,并將正午影子變化與地球運動聯(lián)系起來。

(4)態(tài)度責任:樂于嘗試用多種思路去推測四季成因并通過模擬實驗進行驗證,能夠基于證據(jù)反思和調(diào)整地球公轉(zhuǎn)模型。

5.2 實驗教學(xué)內(nèi)容

本實驗的教學(xué)內(nèi)容是尋找廈門的春夏秋冬,以位于南半球的澳大利亞紐曼為參照(廈門和紐曼經(jīng)度和緯度相近)。通過對比廈門和紐曼的四季影長變化來確定地球所處的位置,學(xué)生在尋找廈門四季的過程中建構(gòu)地球圍繞太陽運動的模型。以南北半球的城市作比較,實驗現(xiàn)象會更加明顯,學(xué)生能夠清晰地對比南北半球物體四季影子的長度,進而將其與南北半球的四季溫度變化聯(lián)系起來。

5.3 實驗教學(xué)過程

(1)確定影子、太陽高度角以及溫度之間的關(guān)系

在開展實驗之前,學(xué)生先要梳理影子、太陽高度角以及溫度之間的關(guān)系。學(xué)生在4年級“太陽”這一課時已經(jīng)學(xué)習(xí)了太陽高度角與影子長度之間的關(guān)系,當太陽高度角大時,影子短,太陽高度角小時,影子長。如何將溫度的高低與影子長度之間的關(guān)系建立起來,是學(xué)生在實驗之前需要掌握的。教師引導(dǎo)學(xué)生通過對比某個地區(qū)一天之中太陽高度角與溫度之間的關(guān)系,建立起溫度與影長之間的關(guān)系。學(xué)生通過正午影子的長短來判斷太陽高度角和溫度的高低。當影子長時,太陽高度角小,溫度低;影子短時,太陽高度角大,溫度高。于是學(xué)生能夠根據(jù)影子長度與溫度之間的關(guān)系來建構(gòu)地球公轉(zhuǎn)模型,探究四季變化的原因。

(2)建構(gòu)地球公轉(zhuǎn)模型

實驗的第一步是尋找廈門的夏季,因為夏季時南北半球同緯度的地區(qū)溫差較大,物體影子長度差異較大,學(xué)生易于探究地球與太陽的位置。廈門夏季天氣炎熱,影子短,而紐曼處于冬季,影子長。學(xué)生根據(jù)影子和溫度之間關(guān)系擺放1號小球的位置,學(xué)生在多次嘗試后會發(fā)現(xiàn)當?shù)剌S傾斜時會出現(xiàn)廈門影子長,紐曼影子短的情況(如圖4所示)。

圖4 夏季地球位置

接著尋找廈門的冬季,冬季同樣是南北半球同緯度的地區(qū)溫差較大的時侯,學(xué)生較易發(fā)現(xiàn)地球與太陽的位置關(guān)系。學(xué)生根據(jù)廈門冬季天氣冷,影子長,此時紐曼是夏季,影子短的事實來擺放2號小球的位置。學(xué)生在擺放2號小球時要考慮地軸是否傾斜,以及2個泡沫球傾斜的角度和方向是否一致的問題,對模型進行調(diào)整。此時教師可能需要適時為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架,在前面學(xué)習(xí)的“晝夜交替”一課中,學(xué)生已經(jīng)知道地軸是始終指向北極星的,根據(jù)這一事實,2個泡沫球傾斜的角度和方向只能是一致的,學(xué)生的疑問也就迎刃而解了(如圖5所示)。

圖5 冬季地球位置

最后是尋找廈門的春季和秋季,廈門和紐曼這兩個季節(jié)氣溫相近,根據(jù)溫度和影長之間的關(guān)系,那么兩個城市春季和秋季的影子長度也是相近的。學(xué)生據(jù)此推測來擺放3號和4號泡沫球。學(xué)生在反復(fù)改變泡沫球位置的過程中會發(fā)現(xiàn),當光源直射在“地球”的赤道位置時,兩側(cè)的牙簽影子長度是差不多長的。加之要符合4個泡沫球地軸指向一致的要求,那么代表春季和秋季的泡沫球的位置就可以確定了。有一些學(xué)生根據(jù)四季變化的周期是一年,因此推測代表四季的泡沫球分別處于燈泡的四周,其運動軌跡各占1/4。而如何確定3號和4號泡沫球分別代表什么季節(jié)?學(xué)生需要查閱資料確定地球圍繞太陽運動的方向是順時針還是逆時針,再進行確定。

(3)調(diào)整地球公轉(zhuǎn)模型

學(xué)生建構(gòu)的地球公轉(zhuǎn)模型(如圖6所示),不一定就符合科學(xué)家們實際的推測,但是該教具可以滿足學(xué)生調(diào)整地球與太陽位置關(guān)系的需求。學(xué)生在影長與溫度之間關(guān)系的基礎(chǔ)上思考地球與太陽之間的位置關(guān)系,依據(jù)自然現(xiàn)象去論證所構(gòu)建的地球公轉(zhuǎn)模型是否合理,然后不斷修正地球公轉(zhuǎn)模型。在此過程中,學(xué)生的科學(xué)探究和模型建構(gòu)能力得到提升,邏輯思維能力得到培養(yǎng)。

圖6 地球公轉(zhuǎn)模型

6 評價與反思

該實驗現(xiàn)象明顯,學(xué)生可以根據(jù)溫度與影子長度確定泡沫球的位置,并在調(diào)整泡沫球位置的過程中不斷思考和論證自己的推理是否合理。該實驗裝置除了可以探究四季變化的成因,還能探究地球晝夜變化和極晝極夜等現(xiàn)象,以及地球圍繞太陽運動是否處于同一平面,可以豐富學(xué)生關(guān)于地球運動的認識。

然而此實驗教具也存在一些待改進之處,如實驗數(shù)據(jù)不能量化。對此,可以將影子長度、溫度和地軸傾斜角度的數(shù)據(jù)可視化,如加入影子長度測量工具、傳感器等實時監(jiān)控長度、溫度的變化,便于對比兩地的物體影子長度和溫度,以及當?shù)販囟群臀矬w影子長度之間的關(guān)系。