立體天空模型在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

立體天空模型在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用摘要：在小學(xué)的太陽(yáng)觀測(cè)教學(xué)中，傳統(tǒng)的教法是利用竿影的變化，測(cè)量出太陽(yáng)的方位及仰角，記錄太陽(yáng)的位置，讓學(xué)生觀察太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律。然而長(zhǎng)期的觀察記錄，易受到天氣、課程、學(xué)生等因素的影響，實(shí)際上往往難以落實(shí)。運(yùn)用立體天空模型可以很好解決這一問(wèn)題，其操作方式簡(jiǎn)單易學(xué)，適用于模擬任何時(shí)間、地點(diǎn)、季節(jié)的太陽(yáng)位置及運(yùn)行軌跡，而且立體的呈現(xiàn)方式更加適合學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展。關(guān)鍵詞：立體天空模型，太陽(yáng)觀測(cè)，太陽(yáng)軌跡一、立體天空模型（一）立體天空模型的研究背景在小學(xué)階段，學(xué)生受空間想象能力等多種因素的影響，學(xué)習(xí)地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容存在一定的難度，這就需要尋找一些較為有效的學(xué)習(xí)方法。動(dòng)手制作各種類(lèi)型的地球模型并展示、分享自己的模型，是學(xué)生非常感興趣的內(nèi)容，難度較低，能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在小學(xué)的太陽(yáng)觀測(cè)教學(xué)中，由于太陽(yáng)光強(qiáng)烈刺眼，無(wú)法直接用眼睛觀察，傳統(tǒng)的教法是利用太陽(yáng)和影子的關(guān)系，指導(dǎo)學(xué)生測(cè)量出太陽(yáng)的方位及仰角，呈現(xiàn)出太陽(yáng)在天空中的位置，再利用觀測(cè)竿影長(zhǎng)短方向的變化，反推太陽(yáng)在天空中方位和仰角的變化，讓學(xué)生進(jìn)一步觀察到太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的規(guī)律性。然而，太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律的概念涉及到復(fù)雜的日地相對(duì)關(guān)系，需要立體空間推理能力才能理解，這是大部分小學(xué)生甚至高年級(jí)學(xué)生都難以達(dá)成的，加上研究太陽(yáng)的運(yùn)行變化規(guī)律，需要長(zhǎng)期的觀察和記錄，常常受到天氣、時(shí)間和課程的影響，實(shí)際上往往難以落實(shí)，只能借助專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及平面圖形來(lái)幫助學(xué)生理解，在教與學(xué)方面都存在不足之處。由于宇宙空間觀察的條件限制，常常通過(guò)模型與模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行宇宙科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)。而科學(xué)家在進(jìn)行此領(lǐng)域的研究時(shí)，也會(huì)把已知表達(dá)在模型上，并利用模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，從而得出新知，再通過(guò)實(shí)踐觀察驗(yàn)證新知。（二）立體天空模型的科學(xué)原理本儀器設(shè)計(jì)所運(yùn)用的原理是太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)。由于萬(wàn)有引力，地球始終圍繞著太陽(yáng)周而復(fù)始地進(jìn)行公轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，地球本身也繞著自身的地軸自西向東進(jìn)行自轉(zhuǎn)。因此，人們?cè)诘孛嫔嫌^察時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)天空中的太陽(yáng)漸漸地自東向西運(yùn)動(dòng)，形成了一條運(yùn)動(dòng)軌跡，如果我們以天空為背景，太陽(yáng)就是天空中的一個(gè)很亮的光球，太陽(yáng)從早晨到晚上的運(yùn)動(dòng)軌跡體現(xiàn)在人們眼睛里我們就稱為太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，在不同緯度的地區(qū)觀察太陽(yáng)運(yùn)行軌跡，其高、低仰角也不一樣，所以也就造成了不同地區(qū)的觀察者們所觀察到的日照角度和日照時(shí)間的差異。換言之，只要我們能夠掌握掌握太陽(yáng)運(yùn)行軌跡變化的規(guī)律，就能充分了解地球上不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同時(shí)間，各種與太陽(yáng)有關(guān)的生活現(xiàn)象。為了提升觀測(cè)太陽(yáng)和地球單元的教學(xué)與學(xué)習(xí)成效，填補(bǔ)竿影教學(xué)的不足之處，本文采用立體天空模型來(lái)模擬太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)，將觀測(cè)者視為站在方位板的中央仰望天空，其視線所及看成一個(gè)半圓形的罩子，所觀測(cè)到的太陽(yáng)似乎在這個(gè)罩子上，因?yàn)楣馐茄刂本€前進(jìn)的，光源、物體和影子可以連成一條線，因此可以將太陽(yáng)的位置記錄在立體天空模型上。立體天空模型操作方式簡(jiǎn)單、易學(xué)、有趣，有效突破了如上述關(guān)于時(shí)間、空間與氣候等外在條件的限制。圖1：太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)（三）立體天空模型的使用方法立體天空模型的構(gòu)造立體天空模型主要包含了半球形透明罩、仰角尺、方位盤(pán)、指南針?biāo)膫€(gè)部分，其外形如圖2所示。本研究將立體天空模型的相關(guān)構(gòu)造及其具體功能整合于表1。圖2：立體天空模型的外形表1：立體天空模型的相關(guān)構(gòu)造及功能整合名稱功能圖示仰角尺根據(jù)量角器設(shè)計(jì)出來(lái)的，能夠找出太陽(yáng)的仰角度數(shù)。半球形透明罩用來(lái)模擬天空，同時(shí)也可以將太陽(yáng)運(yùn)行的軌跡記錄在半球罩上。方位盤(pán)底盤(pán)上面標(biāo)注了規(guī)范的方位坐標(biāo)，（正北方0度，正東方為90度，正南方為180度，正西方為270度）有助于學(xué)生描述太陽(yáng)的方位，同時(shí)在底盤(pán)上還畫(huà)上了間距為1CM的同心圓，方便觀察和記錄影子的長(zhǎng)度。指南針幫助底盤(pán)快速確定方向與實(shí)際方向一致。使用立體天空模型記錄一天中太陽(yáng)運(yùn)行軌跡在有太陽(yáng)的情況下，立體天空模型可以用來(lái)記錄一天中太陽(yáng)運(yùn)行軌跡，具體操作過(guò)程如下：（1）.將立體天空模型放在方位板上，固定好。（2）.再將方位底板放在室外陽(yáng)光下。（3）.利用指南針調(diào)整方位底板的方向，使方位底板的南方對(duì)準(zhǔn)正南方。（4）.把鉛筆尖放在立體天空模型上移動(dòng)，讓筆尖的影子和底板中心的[＋]字點(diǎn)重疊。（5）.用白板筆在筆尖所指的地方畫(huà)個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就可以代表當(dāng)時(shí)太陽(yáng)在天空中的位置。（6）.每隔一節(jié)課做一次記號(hào)，持續(xù)白天的記錄。圖3以陽(yáng)光下實(shí)際操作探討得知，當(dāng)半天球模型表面的筆尖影子能落在底板中央時(shí)，該筆尖位置就是在半天球模型上太陽(yáng)的位置。由立體天空模型可以清楚地看到太陽(yáng)運(yùn)行的軌跡（找出任一時(shí)刻的太陽(yáng)方位和仰角）。使用立體天空模型轉(zhuǎn)錄一年中太陽(yáng)運(yùn)行軌跡古人在觀察太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律時(shí)，設(shè)定了二十四節(jié)氣，其中春分、夏至、秋分、冬至這四個(gè)節(jié)氣非常重要，在使用立體天空模型模擬一年中太陽(yáng)運(yùn)行軌跡時(shí)，可以將這四天的太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)（也就是太陽(yáng)的方位和仰角）轉(zhuǎn)錄至半球形透明罩上。以安徽地區(qū)為例，一年四季我們看到太陽(yáng)在天空中的位置不同，中央氣象局實(shí)測(cè)一年中太陽(yáng)運(yùn)行的軌跡資料如表2，具體操作方法如圖4所示。表2：安徽地區(qū)的太陽(yáng)觀測(cè)資料53度方位125度（b）（a）仰角53度方位125度（b）（a）仰角53度夏至春秋分夏至春秋分冬至（d）（c）（d）（c）圖4：(a):將半球面天空模型放在方位盤(pán)上，固定好，利用指南針校正方位，校正好后不要再移動(dòng)，將仰角尺用大頭針插在模型的天頂上，調(diào)整方向使其對(duì)準(zhǔn)10點(diǎn)鐘太陽(yáng)的方位125度。(b):沿著仰角尺找到仰角53度，并畫(huà)上標(biāo)記，就完成十點(diǎn)鐘觀日資料的轉(zhuǎn)錄工作。(c):以此方法將其他時(shí)刻的數(shù)據(jù)標(biāo)記在天空模型上，將不同時(shí)刻的標(biāo)記點(diǎn)連接起來(lái)并標(biāo)上箭頭，就是9月23日太陽(yáng)在天空中的運(yùn)行軌跡。(d):用同樣的方法完成春分、夏至、冬至的轉(zhuǎn)錄工作。運(yùn)用立體天空模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)本教具適用于義務(wù)教育階段與太陽(yáng)觀測(cè)有關(guān)的教學(xué)活動(dòng)，比如影長(zhǎng)的四季變化規(guī)律，晝夜交替現(xiàn)象等等。現(xiàn)選取教科版小學(xué)科學(xué)六年級(jí)上冊(cè)《地球的運(yùn)動(dòng)》單元第五課《影長(zhǎng)的四季變化》來(lái)展示教學(xué)過(guò)程，具體如下表：表3：《影長(zhǎng)的四季變化》教學(xué)過(guò)程教學(xué)流程結(jié)果1、聯(lián)系生活，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：上課伊始，教師出示三幅太陽(yáng)、柵欄及其影子的圖片，讓學(xué)生看看有什么發(fā)現(xiàn)，接著提問(wèn)物體的影長(zhǎng)在四季究竟會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢？激發(fā)學(xué)生探究的欲望。學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)四季同一時(shí)刻太陽(yáng)的位置和柵欄的影子都不一樣夏至冬至學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)四季同一時(shí)刻太陽(yáng)的位置和柵欄的影子都不一樣夏至冬至春秋分2、活動(dòng)探究，收集數(shù)據(jù)：為了突破教學(xué)難點(diǎn)，先給學(xué)生播放氣象局測(cè)量太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的微視頻，讓他們認(rèn)識(shí)到可以用仰角和方位角來(lái)描述太陽(yáng)的位置，接著指導(dǎo)學(xué)生將觀測(cè)資料轉(zhuǎn)錄到半球形透明罩上。畫(huà)完之后學(xué)生便能直觀的看到一年四季太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)情形，隨后讓學(xué)生用手電筒分別從四季正午時(shí)分照射標(biāo)桿，觀察記錄影子的長(zhǎng)度變化。夏至夏至正午12點(diǎn)正午12點(diǎn)正午12點(diǎn)春秋分冬至3、分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律：實(shí)驗(yàn)完成之后，各小組將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)記錄在表格中并繪制了日影長(zhǎng)度折線圖，通過(guò)觀察分析，得出了影長(zhǎng)在四季變化的規(guī)律：從夏到冬，日影逐漸變長(zhǎng)；從冬到夏，日影逐漸變短；夏季日影最短，冬季日影最長(zhǎng)，春秋日影適中。學(xué)以致用，課外拓展：立體天空模型不僅能夠錄入太陽(yáng)的位置，同時(shí)也能輸出太陽(yáng)位置。教師在課后讓學(xué)生將立體天空模型放在室外陽(yáng)光下，利用指南針調(diào)整方向，然后把鉛筆筆尖放在天空模型上移動(dòng)，讓筆尖的影子和底板中心的十字點(diǎn)重疊，再用白板筆在筆尖的位置畫(huà)個(gè)點(diǎn)并貼上太陽(yáng)貼紙。最后提醒讓學(xué)生每隔一節(jié)課做一個(gè)記號(hào)，持續(xù)白天記錄，就可以得出一天中太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡。標(biāo)注一天當(dāng)中太陽(yáng)在不同時(shí)刻的位置標(biāo)注一天當(dāng)中太陽(yáng)在不同時(shí)刻的位置立體天空模型的創(chuàng)新之處立體天空模型在建構(gòu)概念上類(lèi)似于生活中的羅盤(pán)，其功能相當(dāng)于一個(gè)完整的太陽(yáng)位置記錄器，可以稱之為“太陽(yáng)羅盤(pán)”，按照其指示，不僅能夠?qū)⒁阎奶?yáng)觀測(cè)記錄轉(zhuǎn)錄到半球形天空模型上，同時(shí)也能在半球形天空模型上記錄一天中太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡。由于立體天空模型的特殊構(gòu)造設(shè)計(jì)，能夠?qū)?fù)雜的日地空間位置轉(zhuǎn)換成學(xué)生容易理解的太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角坐標(biāo)，使用者并不需要二者之間轉(zhuǎn)換的規(guī)則和理論，只要直接依據(jù)操作步驟進(jìn)行操作，就可以用太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角的平面坐標(biāo)模式在象征天空的半球形透明罩上進(jìn)行觀測(cè)記錄。因此在地球單元的教學(xué)活動(dòng)中，教師可以用它來(lái)作為向?qū)W生展示太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的教學(xué)模型，這樣使得學(xué)生不用再直視太陽(yáng)，非常的安全。同時(shí)，學(xué)生也可以用立體天空模型模擬地球上任何地點(diǎn)、任何季節(jié)與任何時(shí)間所觀測(cè)到的太陽(yáng)運(yùn)行軌跡，進(jìn)一步觀察、歸納和理解太陽(yáng)軌跡的變化規(guī)律。研究結(jié)論在學(xué)生已有的概念中，知道太陽(yáng)從東邊升起，西邊落下，中午在頭頂上，并且他們認(rèn)為太陽(yáng)每一天運(yùn)行的軌跡是相同的，不會(huì)發(fā)生改變。雖然通過(guò)竿影教學(xué)觀測(cè)出來(lái)的方位和高度角數(shù)據(jù)，可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)中午的太陽(yáng)并不一定在正頭頂上，而且每一天太陽(yáng)升起和落下的方位也并不相同，然而要將這些數(shù)據(jù)建構(gòu)成實(shí)際空間中太陽(yáng)的運(yùn)行路線，對(duì)小學(xué)生來(lái)說(shuō)并不容易?，F(xiàn)在通過(guò)立體天空模型，可以把太陽(yáng)每天運(yùn)行的路徑具體清楚的模擬呈現(xiàn)出來(lái)，對(duì)學(xué)生建構(gòu)“太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律”的概念有很大的幫助。太陽(yáng)運(yùn)行具有日變化和年變化的規(guī)律，其本質(zhì)是由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)引起的，在以往的教學(xué)中學(xué)生很容易將二者混淆。因此通過(guò)在立體天空模型上繪制一天的太陽(yáng)運(yùn)行軌跡，學(xué)生可以清楚的看出太陽(yáng)一天的升落變化情況，了解其日變化的規(guī)律性。在觀察太陽(yáng)年變化的規(guī)律時(shí)，由于時(shí)間較長(zhǎng)，變化不明顯，通常學(xué)生無(wú)法清楚的感受察覺(jué)，通過(guò)操作立體天空模型，繪制出四季代表日的太陽(yáng)運(yùn)行軌跡圖，可以清楚的看到一年中早晚太陽(yáng)方位的變化，以及太陽(yáng)運(yùn)行路徑的南北位移變化，使得學(xué)生對(duì)太陽(yáng)年變化的規(guī)律能夠更好的理解和掌握。另外，學(xué)生一般對(duì)日常生活中的東南西北方位并不熟悉，并且很容易混淆概念，因此教師在教學(xué)之前可以帶領(lǐng)學(xué)生利用指南針認(rèn)識(shí)學(xué)校所在位置的東南西北正確方位，學(xué)校也可以在校園空曠處設(shè)立正確的方向標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生空間方位概念?？傊?，立體天空模型的操作簡(jiǎn)單易學(xué)，能夠突破觀測(cè)時(shí)間、地點(diǎn)及天氣變化的影響和限制，用立體模型幫助學(xué)生建構(gòu)太陽(yáng)運(yùn)行的概念，有效提升了小學(xué)科學(xué)《地球的運(yùn)動(dòng)》單元的教學(xué)效率和學(xué)習(xí)成效，是值得推廣的新