巧用Star Chart軟件開(kāi)展交互式可視化物理教學(xué)
——以“行星的運(yùn)動(dòng)”為例

文 迅，周 勛，周 艷，張祥贊

貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025

物理課堂的交互是指物理教師與學(xué)生之間的交互、學(xué)生與學(xué)生之間的交互、師生與教學(xué)資源之間的交互以及師生與教學(xué)設(shè)備之間的交互。高質(zhì)量的交互過(guò)程有助于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。長(zhǎng)期以來(lái)，教材、教輔資料、投影儀等設(shè)備被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)可視化的主要工具，但其弊端是信息流通單向、使用途徑單一，無(wú)法滿足交互式可視化教學(xué)的要求。而手機(jī)軟件性能優(yōu)良、攜帶方便，是交互式可視化物理教學(xué)的得力助手。以手機(jī)軟件Star Chart（星圖）為例，給出開(kāi)展交互式可視化物理教學(xué)的思路方法，供開(kāi)展交互式可視化教學(xué)的物理教師參考。

1 Star Chart軟件介紹

Star Chart能通過(guò)先進(jìn)的全球定位系統(tǒng)以及物理信息系統(tǒng)，為用戶展示一個(gè)虛擬的宇宙空間，實(shí)時(shí)地模擬地球上可觀測(cè)的各種行星和天體。它可以模擬3D太陽(yáng)系，包括太陽(yáng)、行星等，其主要功能和操作方式如表1所示。在該軟件的基礎(chǔ)功能上挖掘出了三個(gè)交互可視化的物理教學(xué)方法。

表1 Star Chart軟件主要教學(xué)功能介紹

下面以人教版必修二第七章第1節(jié)“行星的運(yùn)動(dòng)”為例，進(jìn)行案例分析。

2 Star Chart軟件的教學(xué)案例分析

2.1 模型與過(guò)程可視化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

從信息技術(shù)的視角來(lái)看，可視化就是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件將事物及其發(fā)展變化的形式和過(guò)程，用仿真化、形象化的方式表現(xiàn)出來(lái)［1］。

Star Chart不僅能展現(xiàn)天體的高清圖片和各種參數(shù)，還可以模擬天體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物理課堂的可視化教學(xué)。了解常見(jiàn)的天文現(xiàn)象是學(xué)習(xí)行星運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，把天體的形狀和運(yùn)動(dòng)過(guò)程可視化，學(xué)生才能畫(huà)出天體運(yùn)行的示意圖。

案例1：“天文現(xiàn)象”教學(xué)片段

師：你知道生活中有哪些常見(jiàn)的天文現(xiàn)象嗎？

生：日食，月食。

師：出現(xiàn)日食和月食現(xiàn)象的原因是什么？

生：光沿直線傳播。

師：接下來(lái)老師利用Star Chart模擬日食和月食現(xiàn)象。

師：操作軟件。

步驟：

①啟動(dòng)軟件；

②點(diǎn)擊時(shí)間機(jī)器，把時(shí)間設(shè)置為2020年6月21日（出現(xiàn)日食的日期）；

③點(diǎn)擊功能菜單，在下拉菜單“模式”中選擇“3D 探索模式”，如圖 1（a）所示；

④點(diǎn)擊“3D探索模式”，適當(dāng)滑動(dòng)界面，界面中會(huì)出現(xiàn)太陽(yáng)、地球、月球的3D影像，如圖1（b）所示；

⑤兩只手指同時(shí)接觸屏幕捏放改變界面大小，找到日食現(xiàn)象的最佳觀察視角，如圖1（c）所示；

圖1 Star Chart軟件模擬“日食”過(guò)程圖

⑥點(diǎn)擊時(shí)間機(jī)器，調(diào)節(jié)時(shí)間向未來(lái)流逝，可觀察日食現(xiàn)象的整個(gè)過(guò)程。

模擬月食現(xiàn)象時(shí)，時(shí)間設(shè)置為月食出現(xiàn)的日期2022年5月16日。步驟④改為：點(diǎn)擊“3D探索模式”后，自動(dòng)跳回主畫(huà)面，界面呈現(xiàn)太陽(yáng)、地球和月球的3D影像，在“天體搜索”中輸入“月球”，點(diǎn)擊屏幕上的“3D探索”圖標(biāo)進(jìn)入（若看不見(jiàn)太陽(yáng)的3D影像，可直接在“天體搜索”中輸入“太陽(yáng)”）。其余步驟不變。

案例1中，教師通過(guò)軟件模擬再現(xiàn)天文現(xiàn)象，為課堂提供了豐富的可視化素材，滿足了學(xué)生對(duì)宇宙的探究欲。因此，在課堂中使用該軟件，不僅有利于學(xué)生理解天文現(xiàn)象的本質(zhì)，還能提高學(xué)生的積極性和課堂的趣味性。

2.2 尺度與角度交互，培養(yǎng)學(xué)生三維空間思維

運(yùn)動(dòng)是視覺(jué)最容易強(qiáng)烈感知的現(xiàn)象［2］。傳統(tǒng)教學(xué)更多的是展示靜態(tài)的示意圖，學(xué)生難以想象天體的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不利于培養(yǎng)其空間想象能力。而Star Chart軟件為學(xué)生提供可視化的、動(dòng)態(tài)的虛擬宇宙空間，學(xué)生可以從不同尺度和角度了解天體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的三維空間思維。

案例2：“日心說(shuō)”教學(xué)片段

師：日食、月食現(xiàn)象不僅證明了地球不是靜止不動(dòng)的，還揭露了太陽(yáng)、地球、月球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。另外，日食現(xiàn)象反駁了托勒密的“地心說(shuō)”，支持了哥白尼的“日心說(shuō)”。哥白尼提出行星和地球繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)、只有月亮環(huán)繞地球運(yùn)行的觀點(diǎn)?，F(xiàn)在，請(qǐng)同學(xué)們使用軟件，觀察各行星的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)軌跡。

生：操作軟件。

步驟：

①啟動(dòng)軟件；

②點(diǎn)擊功能菜單；

③點(diǎn)擊下拉菜單的“模式”，選擇“3D探索模式”；

④點(diǎn)擊“3D探索模式”，主界面出現(xiàn)地球的3D影像，在“天體搜索”中輸入“太陽(yáng)”，點(diǎn)擊“3D探索”圖標(biāo)，太陽(yáng)的3D影像出現(xiàn)在屏幕正中央，如圖 2（a）所示；

⑤用兩根手指從屏幕邊緣向屏幕中央滑動(dòng)，擴(kuò)大觀察尺度，觀察各大行星的軌道形狀，如圖 2（b）所示；

⑥向屏幕下方滑動(dòng)，改變觀察角度，當(dāng)界面不再改變時(shí)，表示從南極上空俯瞰太陽(yáng)系，如圖2（c）所示；

圖2 學(xué)生操作軟件的部分過(guò)程圖

⑦點(diǎn)擊時(shí)間機(jī)器，加快時(shí)間流逝，觀察行星運(yùn)動(dòng)方向和軌跡。

案例2中，學(xué)生通過(guò)軟件改變觀察尺度的大小，了解太陽(yáng)系的組成，認(rèn)識(shí)各大行星距離太陽(yáng)的遠(yuǎn)近和次序，從而建構(gòu)太陽(yáng)系的空間結(jié)構(gòu)。

調(diào)節(jié)時(shí)間機(jī)器向前或往后流逝，滑動(dòng)屏幕，從多種角度觀察各大行星繞日運(yùn)動(dòng)的方向和軌跡，從而發(fā)現(xiàn)它們圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)而不是圍繞地球運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這些可視化操作有利于學(xué)生理解哥白尼提出的“日心說(shuō)”，為學(xué)習(xí)開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)定律打下基礎(chǔ)。

2.3 信息共享交互，師生學(xué)習(xí)成果交流

物理新課標(biāo)提出：“通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力”［3］。這就要求學(xué)生運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆绞?，表達(dá)自己的見(jiàn)解、分享自己的探究過(guò)程和成果。該軟件支持信息分享，學(xué)生可將收集到的天體信息分享到QQ、微信等通信平臺(tái)。

案例3：“開(kāi)普勒第一定律”教學(xué)片段

師：我們學(xué)習(xí)了哥白尼的“日心說(shuō)”，你同意哥白尼提出的行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是完美圓周的觀點(diǎn)嗎？現(xiàn)在，請(qǐng)同學(xué)們利用軟件，將收集到的證據(jù)截圖分享到班級(jí)微信群中，老師會(huì)隨機(jī)選擇一個(gè)同學(xué)的證據(jù)，放到幻燈片上，并請(qǐng)他具體說(shuō)明。

生：（展示證據(jù)）圖3是Star Chart模擬的水星公轉(zhuǎn)軌道?？梢钥闯?，水星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道不是完美圓周，而是橢圓。圖中數(shù)據(jù)顯示，2022年9月23日水星和太陽(yáng)相距53.1百萬(wàn)千米，而其他時(shí)間并不是這個(gè)值，這充分反駁了哥白尼提出的軌道是完美圓周的觀點(diǎn)。因此，可以得出結(jié)論：行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是橢圓，太陽(yáng)處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。

圖3 “開(kāi)普勒第一定律”教學(xué)片段交流圖

需要特別提醒的是，針對(duì)“分享菜單”存在缺陷的軟件版本，可以借助手機(jī)的“截屏”功能或“屏幕錄制”功能分享。

案例3中，學(xué)生學(xué)習(xí)完哥白尼的“日心說(shuō)”相關(guān)知識(shí)后，通過(guò)人機(jī)交互、師生交互、生生交互的學(xué)習(xí)方式，將自己收集到的反駁“日心說(shuō)”中行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是完美圓周的觀點(diǎn)的證據(jù)分享到班級(jí)微信群中和全班同學(xué)交流。同時(shí)，分享交流也能鍛煉學(xué)生的信息收集、歸納和分析能力。

3 Star Chart軟件的教學(xué)啟示

3.1 打造與時(shí)俱進(jìn)的教師隊(duì)伍

教育部發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施全國(guó)中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0的意見(jiàn)》明確指出：“信息技術(shù)應(yīng)用能力是新時(shí)代高素質(zhì)教師的核心素養(yǎng)”［4］。新時(shí)代的教育不僅僅要求教師具備扎實(shí)的知識(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，還要求教師具備信息技術(shù)知識(shí)和應(yīng)用能力。學(xué)?？梢酝ㄟ^(guò)觀摩學(xué)習(xí)、個(gè)人研修、參加集體培訓(xùn)等方式切實(shí)促進(jìn)教師更新理念、提升信息化素養(yǎng)、增強(qiáng)資源整合與開(kāi)發(fā)的意識(shí)等，提升教師隊(duì)伍的信息技術(shù)應(yīng)用能力。

3.2 開(kāi)發(fā)多種手機(jī)軟件的教學(xué)功能

教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)氖謾C(jī)軟件，開(kāi)發(fā)其教學(xué)功能，使其成為物理教學(xué)資源。例如，在進(jìn)行“宇宙航行”教學(xué)時(shí)，教師可選擇專門(mén)模擬人造衛(wèi)星的天文軟件，呈現(xiàn)各種人造衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行的實(shí)時(shí)畫(huà)面，并提問(wèn)學(xué)生人造衛(wèi)星的運(yùn)行軌道有什么共同特點(diǎn)。

3.3 注意適度原則和交互的及時(shí)性

在課堂教學(xué)中，并不是所有的教學(xué)環(huán)節(jié)都要用到手機(jī)軟件，不能盲目地追求手機(jī)軟件的應(yīng)用，背離教學(xué)的初心。因此，只在需要的環(huán)節(jié)才使用手機(jī)軟件進(jìn)行教學(xué)演示或科學(xué)探究。教師在教學(xué)過(guò)程中，要安排好課堂的教學(xué)邏輯，將軟件的應(yīng)用步驟條理化。手機(jī)軟件的應(yīng)用要符合課堂教學(xué)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯，顧及學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

在實(shí)際教學(xué)中，教師往往傾向于結(jié)論式的教學(xué)方式，忽略知識(shí)的探究過(guò)程，不能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的學(xué)習(xí)障礙進(jìn)行及時(shí)反饋。因此，教師應(yīng)該重視學(xué)生遇到的疑惑。