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)的太陽觀測教學(xué)中，傳統(tǒng)的教法是利用竿影的變化，測量出太陽的方位及仰角，記錄太陽的位置，讓學(xué)生觀察太陽運(yùn)行的規(guī)律。然而長期的觀察記錄，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題，其操作方式簡單易學(xué)，適用于模擬任何時(shí)間、地點(diǎn)、季節(jié)的太陽位置及運(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，太陽觀測，太陽軌跡一、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。動手制作各種類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)的太陽觀測教學(xué)中，由于太陽光強(qiáng)烈刺眼，無法直接用眼睛觀察，傳統(tǒng)的教法是利用太陽和影子的關(guān)系，指導(dǎo)學(xué)生測量出太陽的方位及仰角，呈現(xiàn)出太陽在天空中的位置，再利用觀測竿影長短方向的變化，反推太陽在天空中方位和仰角的變化，讓學(xué)生進(jìn)一步觀察到太陽運(yùn)行軌跡的規(guī)律性。然而，太陽運(yùn)行規(guī)律的概念涉及到復(fù)雜的日地相對關(guān)系，需要立體空間推理能力才能理解，這是大部分小學(xué)生甚至高年級學(xué)生都難以達(dá)成的，加上研究太陽的運(yùn)行變化規(guī)律，需要長期的觀察和記錄，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)，只能借助專業(yè)機(jī)構(gòu)的觀測數(shù)據(jù)以及平面圖形來幫助學(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)用的原理是太陽周日視運(yùn)動。由于萬有引力，地球始終圍繞著太陽周而復(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，人們在地面上觀察時(shí)會發(fā)現(xiàn)天空中的太陽漸漸地自東向西運(yùn)動，形成了一條運(yùn)動軌跡，如果我們以天空為背景，太陽就是天空中的一個(gè)很亮的光球，太陽從早晨到晚上的運(yùn)動軌跡體現(xiàn)在人們眼睛里我們就稱為太陽周日視運(yùn)動。當(dāng)然，在不同緯度的地區(qū)觀察太陽運(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，各種與太陽有關(guān)的生活現(xiàn)象。為了提升觀測太陽和地球單元的教學(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模擬太陽周日視運(yùn)動，將觀測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，所觀測到的太陽似乎在這個(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，因此可以將太陽的位置記錄在立體天空模型上。立體天空模型操作方式簡單、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：太陽周日視運(yùn)動（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、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)出來的，能夠找出太陽的仰角度數(shù)。半球形透明罩用來模擬天空，同時(shí)也可以將太陽運(yùn)行的軌跡記錄在半球罩上。方位盤底盤上面標(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)生描述太陽的方位，同時(shí)在底盤上還畫上了間距為1CM的同心圓，方便觀察和記錄影子的長度。指南針幫助底盤快速確定方向與實(shí)際方向一致。使用立體天空模型記錄一天中太陽運(yùn)行軌跡在有太陽的情況下，立體天空模型可以用來記錄一天中太陽運(yùn)行軌跡，具體操作過程如下：（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準(zhǔn)正南方。（4）.把鉛筆尖放在立體天空模型上移動，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個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就可以代表當(dāng)時(shí)太陽在天空中的位置。（6）.每隔一節(jié)課做一次記號，持續(xù)白天的記錄。圖3以陽光下實(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的位置。由立體天空模型可以清楚地看到太陽運(yùn)行的軌跡（找出任一時(shí)刻的太陽方位和仰角）。使用立體天空模型轉(zhuǎn)錄一年中太陽運(yùn)行軌跡古人在觀察太陽運(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運(yùn)行軌跡時(shí)，可以將這四天的太陽觀測數(shù)據(jù)（也就是太陽的方位和仰角）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在天空中的位置不同，中央氣象局實(shí)測一年中太陽運(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)的太陽觀測資料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上，固定好，利用指南針校正方位，校正好后不要再移動，將仰角尺用大頭針插在模型的天頂上，調(diào)整方向使其對準(zhǔn)10點(diǎn)鐘太陽的方位125度。(b):沿著仰角尺找到仰角53度，并畫上標(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)連接起來并標(biāo)上箭頭，就是9月23日太陽在天空中的運(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)教育階段與太陽觀測有關(guān)的教學(xué)活動，比如影長的四季變化規(guī)律，晝夜交替現(xiàn)象等等?，F(xiàn)選取教科版小學(xué)科學(xué)六年級上冊《地球的運(yùn)動》單元第五課《影長的四季變化》來展示教學(xué)過程，具體如下表：表3：《影長的四季變化》教學(xué)過程教學(xué)流程結(jié)果1、聯(lián)系生活，發(fā)現(xiàn)問題：上課伊始，教師出示三幅太陽、柵欄及其影子的圖片，讓學(xué)生看看有什么發(fā)現(xiàn)，接著提問物體的影長在四季究竟會發(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)刻太陽的位置和柵欄的影子都不一樣夏至冬至春秋分2、活動探究，收集數(shù)據(jù)：為了突破教學(xué)難點(diǎn)，先給學(xué)生播放氣象局測量太陽運(yùn)行軌跡的微視頻，讓他們認(rèn)識到可以用仰角和方位角來描述太陽的位置，接著指導(dǎo)學(xué)生將觀測資料轉(zhuǎn)錄到半球形透明罩上。畫完之后學(xué)生便能直觀的看到一年四季太陽的運(yùn)動情形，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，各小組將觀測到的數(shù)據(jù)記錄在表格中并繪制了日影長度折線圖，通過觀察分析，得出了影長在四季變化的規(guī)律：從夏到冬，日影逐漸變長；從冬到夏，日影逐漸變短；夏季日影最短，冬季日影最長，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的位置，同時(shí)也能輸出太陽位置。教師在課后讓學(xué)生將立體天空模型放在室外陽光下，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，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個(gè)點(diǎn)并貼上太陽貼紙。最后提醒讓學(xué)生每隔一節(jié)課做一個(gè)記號，持續(xù)白天記錄，就可以得出一天中太陽的運(yùn)行軌跡。標(biāo)注一天當(dāng)中太陽在不同時(shí)刻的位置標(biāo)注一天當(dāng)中太陽在不同時(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)概念上類似于生活中的羅盤，其功能相當(dāng)于一個(gè)完整的太陽位置記錄器，可以稱之為“太陽羅盤”，按照其指示，不僅能夠?qū)⒁阎奶栍^測記錄轉(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)生容易理解的太陽高度角和太陽方位角坐標(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，就可以用太陽高度角和太陽方位角的平面坐標(biāo)模式在象征天空的半球形透明罩上進(jìn)行觀測記錄。因此在地球單元的教學(xué)活動中，教師可以用它來作為向?qū)W生展示太陽運(yùn)行軌跡的教學(xué)模型，這樣使得學(xué)生不用再直視太陽，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)間所觀測到的太陽運(yùn)行軌跡，進(jìn)一步觀察、歸納和理解太陽軌跡的變化規(guī)律。研究結(jié)論在學(xué)生已有的概念中，知道太陽從東邊升起，西邊落下，中午在頭頂上，并且他們認(rèn)為太陽每一天運(yùn)行的軌跡是相同的，不會發(fā)生改變。雖然通過竿影教學(xué)觀測出來的方位和高度角數(shù)據(jù)，可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)中午的太陽并不一定在正頭頂上，而且每一天太陽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)際空間中太陽的運(yùn)行路線，對小學(xué)生來說并不容易。現(xiàn)在通過立體天空模型，可以把太陽每天運(yùn)行的路徑具體清楚的模擬呈現(xiàn)出來，對學(xué)生建構(gòu)“太陽運(yùn)行規(guī)律”的概念有很大的幫助。太陽運(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。因此通過在立體天空模型上繪制一天的太陽運(yùn)行軌跡，學(xué)生可以清楚的看出太陽一天的升落變化情況，了解其日變化的規(guī)律性。在觀察太陽年變化的規(guī)律時(shí)，由于時(shí)間較長，變化不明顯，通常學(xué)生無法清楚的感受察覺，通過操作立體天空模型，繪制出四季代表日的太陽運(yùn)行軌跡圖，可以清楚的看到一年中早晚太陽方位的變化，以及太陽運(yùn)行路徑的南北位移變化，使得學(xué)生對太陽年變化的規(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單易學(xué)，能夠突破觀測時(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)太陽運(yùn)行的概念，有效提升了小學(xué)科學(xué)《地球的運(yùn)動》單元的教學(xué)效率和學(xué)習(xí)成效，是值得推廣的新