程之颖

(江苏省苏州第十中学,江苏　苏州　215006)



·现代教育技术·

基于“未来教室”的物理与天文教学融合的探索

程之颖

(江苏省苏州第十中学,江苏苏州215006)

“未来教室”的电子双板和智能录播系统实现了现代教育资源和教学的融合,为广大师生提供了一个很好的教学整合平台.物理与天文有着密不可分的联系,本文以天体运动的教学实例,介绍在未来教室平台上,运用Stellarium虚拟天文馆等软件,在高中物理教学中取得的成效.

未来教室;学科融合;Stellarium

1　研究的背景

未来教室的教学环境集成解决方案着重强调教育内容、教学手段和教学方法的现代化,突出课堂教学设计和组织的作用,体现并适应教学个性化的需求,力求提高教师信息技术应用水平、更新教学观念,激发学生学习的兴趣和主动性,提高课堂教学的效率,促进课堂教学的变革与创新.

2　课题的选择

笔者选择天体运动一节作为未来教室教学实践的内容,有以下4个方面的考虑:

(1) 此部分内容在科学史上至关重要，天体运动与日心说的诞生息息相关.此后开普勒行星运动三定律和牛顿万有引力定律的发现,对物理学发展的作用不可限量.

(2) 学生对天体运动有着兴趣浓厚，宇宙学、天文学一直是科学的热点,也是青少年关注的焦点.2015年“新视野号”造访冥王星,“另一个地球”开普勒-452b的发现,都是学生课后议论的话题.每个人生日有对应的星座,到底是怎么来的,学生都很感兴趣.而这些内容,课本很难给出他们想要的解答.

(3) 关注我们生存的环境.人类从仰望星空开始,走上了研究科学、发展科技的道路,但是到了今天,城市的光污染和空气污染让现在的孩子们仰望星空也看不到璀璨的繁星.学生对星空的认识只限于物理和地理教科书的碎片化介绍,没有形成系统的认识.

(4) Stellarium虚拟天文馆软件具有非常强的仿真度,具有良好的互动体验.与未来教室平台相整合,可激发学生学习的兴趣和主动性,提高课堂教学的效率和效果,实现学科融合.传统的物理或者地理课堂采用PPT演示的方式,内容程式化,无法实时动态变化,而采用教具演示等方式又缺少互动性,费时费力,教学效率不高.

3　具体运用案例

笔者从多年教学实践中看到,学生对日心说普遍认为理所应当,对教材上提到的地心说以及托勒密为了解释行星逆行而建立的理论不屑一顾,甚至认为错误的理论不用提及.笔者在引入时首先提醒学生,人类的足迹只不过到达了月球,教科书上太阳系黄道平面的示意图,以及银河系是碟状的,太阳系位于一条旋臂之上,这些“上帝模式”的视图,都是前人在地球上通过观察分析得到的.科学的进步都是在对前人经验、错误的不断提高、修正之上获得的.

首先,打开虚拟天文馆Stellarium软件,将界面中的所在地设为苏州.这样所观察的星象都与实地看到的相同.界面中可见苏州的经纬度以及海拔高度，所在地若不在列表中,也可自行设置经纬度及海拔高度.

将时间按天快进,可以看到,每晚的同一时间、往同一方向看到的星空是不同的,星空如同幕布,向西方移动.在幕布上,可以看到绝大多数亮点的位置是不动的,这被我们的祖先称作恒星.指导学生运用搜索功能,找到火星,并将火星用“将已选物体置中”功能锁定于屏幕正中,方便观察每天的移动，按天快进.

图1

从图1可以看到火星在恒星背景上的移动.连续点动日期,笔者提示学生留意火星相对星空背景移动的方向.只有通过非常仔细的记录和长时间不间断的观察才能注意到行星的逆行现象，而对于土星、木星等行星,移动缓慢就更难观察逆行现象了.对于古人来说,观察和记录尚且不易,更不用说提出理论的解释了.

笔者随机抽取了几位学生,询问是什么星座的.学生都知道自己是什么星座,但其中的由来就不知道了.利用Stellarium软件的星座连线功能,给黄道带上的星座加上连线,同学们仍想象不出星座的样子.再用“标注功能”显示星座名称.最后再运用“星座图绘功能”.在惊叹声中,同学明白了星座的命名是为了描述和记录天体位置更方便,而其中还蕴含着古人天马行空般的想象(如图2所示的御夫座和金牛座).

图2

2015年6月3日太阳在金牛座，继续按天快进,7月3日时太阳移到双子座了.所以自己生日与星座的对应关系实际是太阳运行到黄道带上的那个星座背景之上，这些都可以用地心说顺理成章地进行解释.大地不动,恒星点缀在黑色的幕布之上,如同走马灯般绕着大地移动，这就是为什么地心说能维持如此之久的原因.

Stellarium软件还可以追踪天体的运动,给出实时数据.彗星的轨道偏心率很高,可以追踪彗星数据,验证开普勒行星运动定律.

搜索到哈雷彗星(编号1P/1982)，目前它在距离太阳34个天文单位的地方,速度是1.6km/s,还在向远日点移动.而当它在2022年到达远日点的时候,速度会降到0.9km/s.到了2062年时到达近日点的时候,速度会达到54.5km/s.可以明显看到近日点速度大,远日点速度小(如图3).

图3

虚拟天文馆可以展示任何时候、任何地点的天文现象.有兴趣的学生可以看到国外的日食月食,甚至可以把观察点移到冥王星上看日出.

虚拟天文馆再现了以地球为观察点所看到的星象变化,笔者问学生：如果你在古代,能据此建立日心说吗？可见日心说的创立,跳出了地球视角,从更高的层次思考问题,是重大的进步.但是为什么日心说能很好的解释行星的逆行呢？

笔者再次运用“太阳系行星视运动演示模型”这个软件.该软件可以同时展现以太阳为中心的行星运动以及从地球看其他行星在天球背景上的视运动.正是因为各行星轨道半径不同,绕太阳运动的周期不同,产生了超越与被超越的关系,从而产生了视运动上的逆行(如图4).

图4

4　总结与反思

在课堂中引入“未来教室”等信息技术看似复杂,实际上教师只要准备充分,反而比传统教学更加轻松.类似虚拟天文馆这样的软件,本身是一个庞大的在线数据库,可以调取各大天文台的观测数据,可以说应有尽有，斗转星移,尽在掌控.教师在引入完成、教会同学使用软件界面后,可以将探索星空的任务交给学生,充分调动学生的学习兴趣和积极性,提高课堂效率.

虚拟天文馆在课堂的使用,从本质上讲是一种虚拟实验.在实验过程中,学习者能方便地改变实验发生的条件以及观察所发生的变化,激发学生进一步提出问题与解决问题的兴趣.有助于学习者把科学的理解与逻辑、想象力和创造性相结合,有效地发挥自身的能动性.

刘权.基于未来教室的教学实践和思考—记《电容器的电容》一课的信息技术整合[J].物理之友，2016,32(1).