運(yùn)用Stellarium軟件突破地理教學(xué)難點(diǎn)
——以“地球的宇宙環(huán)境”為例

金開任 王夢(mèng)夢(mèng)

（浙江省平陽中學(xué), 浙江 溫州 325400）

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）指出，信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是地理教學(xué)改革的助推器，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)方式和教師教學(xué)方式的改變具有重要作用。[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前學(xué)生的地理空間思維能力較為薄弱，對(duì)宇宙空間的認(rèn)知不容樂觀。Stellarium是一款虛擬星象儀的計(jì)算機(jī)軟件，可以用來查閱天文奇觀，虛擬演示天文現(xiàn)象，是天文愛好者野外天文觀測(cè)的重要輔助工具?；诖?，筆者以高中必修《地理一》第一章第一節(jié)“地球的宇宙環(huán)境”為例，統(tǒng)計(jì)近十年高考地理試題，分析天體觀測(cè)試題特點(diǎn)，嘗試運(yùn)用Stellarium軟件輔助地理課堂教學(xué)，探索將信息技術(shù)作為環(huán)境、作為手段、作為內(nèi)容、作為思想融入教學(xué)，[2]提升學(xué)生地理空間思維能力，突破宇宙空間認(rèn)知教學(xué)難點(diǎn)。

一、考情分析

1.真題回顧

筆者通過對(duì)2013～2022年近十年高考地理試題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，天文觀測(cè)試題出現(xiàn)頻率高（見表1）。從考查內(nèi)容來看，主要集中在太陽系常見天體觀測(cè)。從考試題型看，主要為選擇題。從試題發(fā)展變化來看，難度有所加深。從考查角度來看，主要從時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)變化及聯(lián)系的視角來考查，對(duì)學(xué)生的時(shí)間思維、空間思維和時(shí)空綜合思維的能力要求較高。

表1 2013～2022年高考地理天體觀測(cè)類試題部分統(tǒng)計(jì)

2.天文觀測(cè)教學(xué)難點(diǎn)形成的原因

(1)天文地理專業(yè)詞語多，概念內(nèi)容抽象

“地球的宇宙環(huán)境”涉及的天文現(xiàn)象專業(yè)性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的空間位置感、方向感與空間想象能力要求高。在許多問題情境中出現(xiàn)凌日、沖日、日食、月食、超級(jí)月亮等概念，這些概念與學(xué)生日常生活聯(lián)系不夠緊密，受多種因素影響，教科書也沒有對(duì)這些概念進(jìn)行詳細(xì)的說明解釋。加上高一學(xué)生的宇宙空間知識(shí)儲(chǔ)備少，學(xué)習(xí)途徑有限，“地球的宇宙環(huán)境”中天體觀測(cè)便成為教師“難”教、學(xué)生“難”學(xué)的知識(shí)點(diǎn)。

(2)空間轉(zhuǎn)換思維要求高，試題難度較大

從近十年的高考真題來看，這類試題學(xué)生得分率普遍比較低，因?yàn)樵擃愒囶}對(duì)學(xué)生文字概括能力、圖文轉(zhuǎn)化能力和圖文結(jié)合能力要求很高。例如，在浙江卷2020年第20題“月球與八大行星一樣自西向東公轉(zhuǎn)，在地球上的觀測(cè)者可以觀測(cè)到月球、地內(nèi)行星經(jīng)過太陽表面的天象，且前者比后者經(jīng)過日面的時(shí)間短。若觀測(cè)者在甲地某日先后觀測(cè)到月球、水星經(jīng)過太陽表面的天象，則第二天正午三大天體在星空中的位置可能是……”該題對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力要求高，學(xué)生需要對(duì)試題中的顯性信息和隱性信息進(jìn)行獲取、分析和重組，學(xué)生需要在大腦中構(gòu)想日地月三者位置及相關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再疊加八大行星繞日公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生空間轉(zhuǎn)換思維和邏輯推理能力要求高。

(3)地理實(shí)踐力要求高，實(shí)地天文觀測(cè)受限

統(tǒng)計(jì)分析高考真題發(fā)現(xiàn)，天文觀測(cè)試題對(duì)學(xué)生的空間思維、時(shí)間思維和時(shí)空綜合思維要求高，對(duì)核心素養(yǎng)中的綜合思維要求高。因天文觀測(cè)還涉及到天文學(xué)、物理學(xué)、立體幾何等跨學(xué)科交叉融合知識(shí)，學(xué)生運(yùn)用起來較難。部分學(xué)校受諸多條件限制，從來沒有組織學(xué)生進(jìn)行過天文觀測(cè)，使得地理實(shí)踐力的培養(yǎng)難以落地，也使得真實(shí)情境下的天文觀測(cè)難以開展，阻礙了學(xué)生地理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

二、運(yùn)用Stellarium軟件突破教學(xué)難點(diǎn)

1.延展課本核心概念，突破概念簡(jiǎn)單抽象難點(diǎn)

教科書是學(xué)生學(xué)習(xí)地理專業(yè)知識(shí)的主要載體，但因教科書整體篇幅的限制，不可能對(duì)與該主題相關(guān)的所有地理概念內(nèi)容都進(jìn)行詳細(xì)闡述，于是教科書中出現(xiàn)的部分地理概念便成為學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn)。例如教科書展示了獵戶座星云的圖片（見圖1），學(xué)生不禁會(huì)產(chǎn)生疑問：何為恒星、星云、星座、星系？它們的形狀、大小關(guān)系如何？而這些概念缺少詳盡的介紹和比較。教師在備課時(shí)也會(huì)思考采取哪些有效的途徑和方法讓這些抽象的概念直觀形象，突破教學(xué)難點(diǎn)。例如，案例1辨識(shí)“獵戶座星系”。

圖1 人教版教科書中獵戶座星云插圖

【案例1】辨識(shí)“獵戶座星系”

圖2 Stellarium 軟件中的獵戶座星云

Stellarium軟件利用圖文結(jié)合的方式，突破概念教學(xué)難點(diǎn)，模擬天體體積大小及運(yùn)動(dòng)特征，可增強(qiáng)學(xué)生空間感知，促進(jìn)學(xué)生對(duì)抽象地理概念的可視化理解，提升地理空間想象能力。操作Stellarium軟件中天體所在位置的放大或縮小功能，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)不同天體體積大小和空間距離的感知，可以更好地展現(xiàn)地理問題，將圖形信息、文字信息進(jìn)行多維度、多形式的有效轉(zhuǎn)換。同時(shí)在認(rèn)識(shí)與解決地理問題過程中，促進(jìn)地理概念辨析和抽象地理概念教學(xué)的可視化，可以培養(yǎng)學(xué)生地理空間思維能力。

2.剖析疑難問題情境，突破空間視角轉(zhuǎn)換難點(diǎn)

情境作為高考評(píng)價(jià)體系的重要載體，按知識(shí)應(yīng)用和產(chǎn)生方式的不同，主要分為學(xué)習(xí)探索情境和生活實(shí)踐情境兩種。學(xué)習(xí)探索情境，源于真實(shí)的研究過程或?qū)嶋H的探索過程，涵蓋學(xué)習(xí)探索和科學(xué)探究過程中所涉及的問題。[4]不同節(jié)氣下的太陽視運(yùn)動(dòng)圖牽扯到太陽直射點(diǎn)在地球上的空間位置，整合了地球自轉(zhuǎn)與地球公轉(zhuǎn)的相關(guān)知識(shí)，綜合性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生空間思維能力要求高。[5]為了更好地突破難點(diǎn)問題，可借助Stellarium軟件動(dòng)態(tài)演示某日某地太陽視運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)過程，由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)剖析疑難考點(diǎn)，將復(fù)雜的空間想象轉(zhuǎn)化為直觀的影像資料，使疑難知識(shí)變得更直觀易懂。

【案例2】剖析疑難問題“太陽視運(yùn)動(dòng)”

（2018 江蘇高考真題）下圖為“某地二分二至日太陽視運(yùn)動(dòng)示意圖”（見圖3）。讀圖回答下列小題。

圖3 某地二分二至日太陽視運(yùn)動(dòng)示意圖

線①所示太陽視運(yùn)動(dòng)軌跡出現(xiàn)時(shí)的節(jié)氣為（D）

A.春分 B.夏至 C.秋分 D.冬至

太陽視運(yùn)動(dòng)試題對(duì)學(xué)生地理空間思維能力要求高，是學(xué)生地理學(xué)習(xí)的一大難點(diǎn)。為了更好地解答上述地理試題，學(xué)生需要調(diào)動(dòng)與運(yùn)用不同節(jié)氣、不同緯度太陽視運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，把握不同緯度晝夜長(zhǎng)短和正午太陽高度的變化規(guī)律。為了更好地呈現(xiàn)地理問題解決過程，以春分日為例，通過重設(shè)Stellarium軟件的時(shí)間和位置就能很快還原當(dāng)時(shí)的太陽方位及變化，直觀感受太陽運(yùn)動(dòng)軌跡，繼而推理夏至、冬至太陽視運(yùn)動(dòng)軌跡，具體步驟如下。

點(diǎn)擊應(yīng)用圖標(biāo)，啟動(dòng)Stellarium軟件→點(diǎn)擊時(shí)間按鈕“”，更改時(shí)間，設(shè)定春分日3月21日6時(shí)→點(diǎn)擊所在地點(diǎn)按鈕“”，將位置更改為我國(guó)某地，如浙江溫州（見圖4）→按住Ctrl鍵同時(shí)滾動(dòng)鼠標(biāo)，將畫面視圖縮小到將天頂呈現(xiàn)在畫面中央→點(diǎn)擊打開地平網(wǎng)絡(luò)“”→拖動(dòng)時(shí)間軸可還原當(dāng)天太陽運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化過程（見圖5）→根據(jù)當(dāng)天太陽視運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)變化過程，可以獲得太陽軌跡合成圖（見圖6）→做出判斷，不符合題中①軌跡。接著分別重新設(shè)定時(shí)間為夏至、冬至日，重復(fù)以上操作，直至觀察到冬至日的太陽視運(yùn)動(dòng)符合題意。

圖4 觀測(cè)位置設(shè)定操作界面

圖5 春分日溫州太陽視運(yùn)動(dòng)過程動(dòng)態(tài)演示

圖6 春分日溫州太陽視運(yùn)動(dòng)軌跡合成圖

Stellarium軟件通過調(diào)整所在位置實(shí)現(xiàn)視線范圍內(nèi)的星空模擬，還具有尋星功能，能給學(xué)生提供較好的觀星體驗(yàn)。通過Stellarium軟件演示，可以將兩個(gè)及兩個(gè)以上地理圖層信息有效疊加到相同區(qū)域，以揭示不同地理事物之間的空間聯(lián)系、判斷地理事物的空間影響，培養(yǎng)學(xué)生地理空間疊加思維。學(xué)生反復(fù)實(shí)踐與記錄，可以提升其在具象星空與抽象題目之間切換的能力，提升地理空間思維能力，突破教學(xué)難點(diǎn)。

3.開展課后地理實(shí)踐，突破天體實(shí)地觀測(cè)難點(diǎn)

新課標(biāo)指出，教師可組織學(xué)生觀察星空，提高學(xué)生對(duì)天文學(xué)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)宇宙天體的欣賞能力，激發(fā)探索宇宙的愿望，幫助學(xué)生形成對(duì)天文現(xiàn)象的正確認(rèn)識(shí)，逐步建立科學(xué)的宇宙觀。[6]紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。借助Stellarium軟件設(shè)計(jì)地理課外實(shí)踐活動(dòng)，能讓學(xué)生運(yùn)用最新的信息技術(shù)去探索地理規(guī)律，提高天文觀測(cè)的針對(duì)性和有效性，不僅能檢驗(yàn)學(xué)生的地理空間思維和實(shí)踐操作能力，還可以使其體驗(yàn)天文觀測(cè)之美妙。合理有效地開展地理野外觀測(cè)活動(dòng)，可以活躍學(xué)生的地理空間思維，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)素養(yǎng)、探究精神和實(shí)踐能力。結(jié)合教科書后面的活動(dòng)題，可以適當(dāng)開展相關(guān)天文觀測(cè)活動(dòng)（見表2），提升天文觀測(cè)興趣和能力。

表2 “獵戶座流星雨”觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

近年來，高考試題中基于日照?qǐng)D的變式圖日趨多樣，過去由于對(duì)“側(cè)視光照?qǐng)D”的轉(zhuǎn)化應(yīng)用未加以重視，學(xué)生解題思維受限，抓不住解題的切入點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，以致在考場(chǎng)上屢次受挫。借助信息技術(shù)手段是面向未來的學(xué)習(xí)方式之一。信息技術(shù)的使用可以輔助學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，促進(jìn)地理學(xué)習(xí)的拓展和深入。[7]實(shí)踐證明，合理借助Stellarium等信息技術(shù)軟件，可以豐富教學(xué)情境資源和創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式，讓地理課堂有趣、有序、有層次地持續(xù)推進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)的發(fā)生，[8]促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)實(shí)景空間、二維空間和三維空間轉(zhuǎn)換，突破教學(xué)難點(diǎn)，提升地理學(xué)科核心素養(yǎng)。