基于TPACK理論的 “地心說”教學實踐與思考

熊莉萍

隨著教育信息化進程不斷發展，各類基礎設施和信息技術手段融入常規教學中，教學質量和效率得以提升。在TPACK框架中，三種知識要素——學科內容（CK）、教學法（PK）、技術（TK）互相之間交叉融合，衍生出四種復合要素——學科教學知識（PCK）、整合技術的學科內容知識（TCK）、整合技術的教學法知識（TPK）以及整合技術的學科教學知識（TPACK）。這一模式不僅關注教學中的信息技術手段和學生學習的主體性，更強調教師應當密切關注上述三種知識要素之間的有機融合，充分發揮教師的引導作用，將信息技術靈活地、有效地整合于學科教學過程中。本文基于TPACK模式，利用Stellarium軟件在《行星的運動》之“地心說”內容展開了教學設計和實踐。

一、“地心說”教學分析

高中物理《萬有引力與宇宙航行》一章的主要內容是介紹行星運動規律及其動力學特點。第一節《行星的運動》是整章的先導內容，介紹了人類的認知過程和開普勒三大定律，為后面學習萬有引力定律作鋪墊。該節內容包括豐富的科學發展史，從托勒密“地心說”到哥白尼“日心說”，再到伽利略的發現、第谷的觀測數據以及開普勒提出三大定律，學生在了解科學家研究歷史的過程中，體會人類探索宇宙、科學求真求簡的精神。而在“地心說”這一環節的教學中，學生雖然已經知道“地球不是中心，地球繞太陽公轉”這一事實，但對古人的發現歷程以及“地心說”被提出的原因缺乏系統性了解。傳統的課堂教學主要采用教師語言講述，或者學生閱讀文字材料等常規方式來幫助學生了解人類認識天體運動的歷史進程，其中存在一些值得思考與改進的地方。

首先，大部分學生缺乏觀察星空的現實體驗，在教學中只是被動獲取信息，未能充分發揮主體能動性，調動探索和求知欲。其次，學生未能對現有的學習材料進行深度思考，導致一些值得注意的細節問題被忽視，例如：我們可以感受到太陽和月球在運動，但星星的運動是不易覺察的，古人是如何觀察并認為所有的星星是以地球為中心運動的？古人眼中的“恒星”“行星”與現代天文學中的含義是有區別的，其概念最初是如何被定義的？“火星逆行”是何種現象，為什么托勒密引入均輪和本輪的理論后就能解釋這一現象，以及“地球是宇宙中心”的錯誤觀念為什么會持續如此長的時間？對這些問題的闡釋可以還原地心說模型被提出、修正、最終淘汰的過程，反映出了物理規律的一般研究歷程：從現象觀測出發，構建模型解釋現象，經過修正優化使模型更接近于真實情況，必要時需要打破傳統觀念的束縛，堅持不懈地追求真理。在教學過程中，教師不僅應該幫助學生了解人類認識天體運動的歷史，激發學生的好奇心和學習興趣，更應該滲透歷史背后的科學思想方法，落實培養學生的科學態度與責任。

二、Stellarium融合教學

通過以上思考，針對大部分學生缺少觀察星空的現實體驗，現實生活中也難以開展對某顆星星進行長時間觀測活動的實際情況，運用信息技術手段可以有效地處理這一問題。Stellarium （虛擬天文館）是一款免費開源、支持多種操作系統的天象模擬軟件，能夠以3D形式真實地展現通過肉眼或望遠鏡所看到的天空。軟件的基本功能有：定位當前所在城市的星空、關閉地面和大氣層、顯示星座連線、加速或減緩時間流逝以及顯示天體基本信息等。

利用軟件中的“關閉大氣層”功能，在白天也可以看到地球外的滿天繁星。利用“加速時間流逝”功能，可以在短時間內看到星星運動的效果，使學生觀察到“似乎地球是宇宙的中心，所有星星都在繞地球運動”的現象。利用“顯示星座連線”，可以直觀地看到：雖然所有星星都在運動，但大部分的相對位置不變（星座連線不變），即為最初定義的“恒星”，有助于學生理解地心說模型中的“恒星天”。在認識到恒星的特點后，對于行星及其逆行的現象理解起來也就更容易了。古人發現金、木、水、火、土這幾顆星星相對于整個星空背景的位置會發生明顯變化，所以叫做“行星”。而行星在大多數時間是相對于恒星自西向東移動的，但有時候會突然向西移動一段時間，隨后又向東移動，此即“行星逆行”。

三、基于TPACK的“地心說”教學設計

將Stellarium軟件和多媒體教學方式融入《行星的運動》教學中，其中“地心說”內容的三種知識要素分別是學科內容知識（CK）：“地心說”的來由、觀點、模型特征；教學法知識（PK）：講授法、談話法、演示法；技術知識（TK）：多媒體課件、Stellarium軟件。以上三種知識要素交叉融合，衍生出四種復合要素。

學科教學知識（PCK）。教師通過問題引導學生思考“地心說”被提出的原因、基本觀點以及模型特征，介紹火星逆行現象，使學生認識到這一模型的有效性和復雜性。

整合技術的學科內容知識（TCK）。運用Stellarium觀察“星星繞地球運動”的現象；運用多媒體課件展示地心說的觀點和模型示意圖。

整合技術的教學法知識（TPK）。運用Stellarium軟件模擬星空，通過談話法引導學生思考問題；運用多媒體課件展示文字和圖片信息，輔助學生理解。

整合技術的學科教學知識（TPACK）。運用Stellarium軟件模擬所在城市的星空并加速時間流逝，通過問題引導學生觀察發現“星星以地球為中心運動”這一現象，進而理解“地心說”的來由和基本觀點。運用多媒體課件渲染探索宇宙的課堂氛圍，展示托勒密及其地心說模型示意圖。介紹火星逆行現象、均輪和本輪理論，利用動圖使學生直觀地感受地心說的復雜性。通過問題引導學生思考該模型的歷史局限性，提升科學態度與責任的核心素養。

在教學的具體實施過程中，教師在課前設置自主學習任務，由學生閱讀教材中的科學漫步欄目“人類對行星運動規律的認識”，查找相關科學人物的生平歷史事跡，并提出問題。教師收集和篩選問題，選擇有價值的問題在課堂中解答，在課堂中圍繞一系列問題引導學生觀察和思考，同時利用軟件和多媒體課件輔助教學。

綜上所述，Stellarium軟件效果逼真，在課堂上引起了學生的廣泛關注和好奇心，使學生從知識接受者的角色轉化為自然現象的觀察者、探索者，更好地幫助學生進入《萬有引力與宇宙航行》這一章的教學主題和情境中。在技術輔助和問題引導下，學生能夠主動深入思考，使教學效果得以提升。值得繼續探索的地方在于軟件本身功能強大，可以繼續嘗試將其合理運用于其他教學環節，切實提升課堂質量。運用信息技術改進傳統教學形式，將 TPACK 整合模式融入物理教學課堂有助于提升學生學科核心素養，提高教學質量。

【注：本文系廣東省教育科學研究課題“基于 TPACK 理論的中學新型教與學模式實證研究”（課題編號：2021YQJK591）研究成果】

責任編輯? 羅? 峰