基于TPACK理論的 “地心說”教學(xué)實踐與思考

熊莉萍

隨著教育信息化進程不斷發(fā)展，各類基礎(chǔ)設(shè)施和信息技術(shù)手段融入常規(guī)教學(xué)中，教學(xué)質(zhì)量和效率得以提升。在TPACK框架中，三種知識要素——學(xué)科內(nèi)容（CK）、教學(xué)法（PK）、技術(shù)（TK）互相之間交叉融合，衍生出四種復(fù)合要素——學(xué)科教學(xué)知識（PCK）、整合技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識（TCK）、整合技術(shù)的教學(xué)法知識（TPK）以及整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識（TPACK）。這一模式不僅關(guān)注教學(xué)中的信息技術(shù)手段和學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，更強調(diào)教師應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注上述三種知識要素之間的有機融合，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，將信息技術(shù)靈活地、有效地整合于學(xué)科教學(xué)過程中。本文基于TPACK模式，利用Stellarium軟件在《行星的運動》之“地心說”內(nèi)容展開了教學(xué)設(shè)計和實踐。

一、“地心說”教學(xué)分析

高中物理《萬有引力與宇宙航行》一章的主要內(nèi)容是介紹行星運動規(guī)律及其動力學(xué)特點。第一節(jié)《行星的運動》是整章的先導(dǎo)內(nèi)容，介紹了人類的認(rèn)知過程和開普勒三大定律，為后面學(xué)習(xí)萬有引力定律作鋪墊。該節(jié)內(nèi)容包括豐富的科學(xué)發(fā)展史，從托勒密“地心說”到哥白尼“日心說”，再到伽利略的發(fā)現(xiàn)、第谷的觀測數(shù)據(jù)以及開普勒提出三大定律，學(xué)生在了解科學(xué)家研究歷史的過程中，體會人類探索宇宙、科學(xué)求真求簡的精神。而在“地心說”這一環(huán)節(jié)的教學(xué)中，學(xué)生雖然已經(jīng)知道“地球不是中心，地球繞太陽公轉(zhuǎn)”這一事實，但對古人的發(fā)現(xiàn)歷程以及“地心說”被提出的原因缺乏系統(tǒng)性了解。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)主要采用教師語言講述，或者學(xué)生閱讀文字材料等常規(guī)方式來幫助學(xué)生了解人類認(rèn)識天體運動的歷史進程，其中存在一些值得思考與改進的地方。

首先，大部分學(xué)生缺乏觀察星空的現(xiàn)實體驗，在教學(xué)中只是被動獲取信息，未能充分發(fā)揮主體能動性，調(diào)動探索和求知欲。其次，學(xué)生未能對現(xiàn)有的學(xué)習(xí)材料進行深度思考，導(dǎo)致一些值得注意的細節(jié)問題被忽視，例如：我們可以感受到太陽和月球在運動，但星星的運動是不易覺察的，古人是如何觀察并認(rèn)為所有的星星是以地球為中心運動的？古人眼中的“恒星”“行星”與現(xiàn)代天文學(xué)中的含義是有區(qū)別的，其概念最初是如何被定義的？“火星逆行”是何種現(xiàn)象，為什么托勒密引入均輪和本輪的理論后就能解釋這一現(xiàn)象，以及“地球是宇宙中心”的錯誤觀念為什么會持續(xù)如此長的時間？對這些問題的闡釋可以還原地心說模型被提出、修正、最終淘汰的過程，反映出了物理規(guī)律的一般研究歷程：從現(xiàn)象觀測出發(fā)，構(gòu)建模型解釋現(xiàn)象，經(jīng)過修正優(yōu)化使模型更接近于真實情況，必要時需要打破傳統(tǒng)觀念的束縛，堅持不懈地追求真理。在教學(xué)過程中，教師不僅應(yīng)該幫助學(xué)生了解人類認(rèn)識天體運動的歷史，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，更應(yīng)該滲透歷史背后的科學(xué)思想方法，落實培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

二、Stellarium融合教學(xué)

通過以上思考，針對大部分學(xué)生缺少觀察星空的現(xiàn)實體驗，現(xiàn)實生活中也難以開展對某顆星星進行長時間觀測活動的實際情況，運用信息技術(shù)手段可以有效地處理這一問題。Stellarium （虛擬天文館）是一款免費開源、支持多種操作系統(tǒng)的天象模擬軟件，能夠以3D形式真實地展現(xiàn)通過肉眼或望遠鏡所看到的天空。軟件的基本功能有：定位當(dāng)前所在城市的星空、關(guān)閉地面和大氣層、顯示星座連線、加速或減緩時間流逝以及顯示天體基本信息等。

利用軟件中的“關(guān)閉大氣層”功能，在白天也可以看到地球外的滿天繁星。利用“加速時間流逝”功能，可以在短時間內(nèi)看到星星運動的效果，使學(xué)生觀察到“似乎地球是宇宙的中心，所有星星都在繞地球運動”的現(xiàn)象。利用“顯示星座連線”，可以直觀地看到：雖然所有星星都在運動，但大部分的相對位置不變（星座連線不變），即為最初定義的“恒星”，有助于學(xué)生理解地心說模型中的“恒星天”。在認(rèn)識到恒星的特點后，對于行星及其逆行的現(xiàn)象理解起來也就更容易了。古人發(fā)現(xiàn)金、木、水、火、土這幾顆星星相對于整個星空背景的位置會發(fā)生明顯變化，所以叫做“行星”。而行星在大多數(shù)時間是相對于恒星自西向東移動的，但有時候會突然向西移動一段時間，隨后又向東移動，此即“行星逆行”。

三、基于TPACK的“地心說”教學(xué)設(shè)計

將Stellarium軟件和多媒體教學(xué)方式融入《行星的運動》教學(xué)中，其中“地心說”內(nèi)容的三種知識要素分別是學(xué)科內(nèi)容知識（CK）：“地心說”的來由、觀點、模型特征；教學(xué)法知識（PK）：講授法、談話法、演示法；技術(shù)知識（TK）：多媒體課件、Stellarium軟件。以上三種知識要素交叉融合，衍生出四種復(fù)合要素。

學(xué)科教學(xué)知識（PCK）。教師通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考“地心說”被提出的原因、基本觀點以及模型特征，介紹火星逆行現(xiàn)象，使學(xué)生認(rèn)識到這一模型的有效性和復(fù)雜性。

整合技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識（TCK）。運用Stellarium觀察“星星繞地球運動”的現(xiàn)象；運用多媒體課件展示地心說的觀點和模型示意圖。

整合技術(shù)的教學(xué)法知識（TPK）。運用Stellarium軟件模擬星空，通過談話法引導(dǎo)學(xué)生思考問題；運用多媒體課件展示文字和圖片信息，輔助學(xué)生理解。

整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識（TPACK）。運用Stellarium軟件模擬所在城市的星空并加速時間流逝，通過問題引導(dǎo)學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)“星星以地球為中心運動”這一現(xiàn)象，進而理解“地心說”的來由和基本觀點。運用多媒體課件渲染探索宇宙的課堂氛圍，展示托勒密及其地心說模型示意圖。介紹火星逆行現(xiàn)象、均輪和本輪理論，利用動圖使學(xué)生直觀地感受地心說的復(fù)雜性。通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考該模型的歷史局限性，提升科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的核心素養(yǎng)。

在教學(xué)的具體實施過程中，教師在課前設(shè)置自主學(xué)習(xí)任務(wù)，由學(xué)生閱讀教材中的科學(xué)漫步欄目“人類對行星運動規(guī)律的認(rèn)識”，查找相關(guān)科學(xué)人物的生平歷史事跡，并提出問題。教師收集和篩選問題，選擇有價值的問題在課堂中解答，在課堂中圍繞一系列問題引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考，同時利用軟件和多媒體課件輔助教學(xué)。

綜上所述，Stellarium軟件效果逼真，在課堂上引起了學(xué)生的廣泛關(guān)注和好奇心，使學(xué)生從知識接受者的角色轉(zhuǎn)化為自然現(xiàn)象的觀察者、探索者，更好地幫助學(xué)生進入《萬有引力與宇宙航行》這一章的教學(xué)主題和情境中。在技術(shù)輔助和問題引導(dǎo)下，學(xué)生能夠主動深入思考，使教學(xué)效果得以提升。值得繼續(xù)探索的地方在于軟件本身功能強大，可以繼續(xù)嘗試將其合理運用于其他教學(xué)環(huán)節(jié)，切實提升課堂質(zhì)量。運用信息技術(shù)改進傳統(tǒng)教學(xué)形式，將 TPACK 整合模式融入物理教學(xué)課堂有助于提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，提高教學(xué)質(zhì)量。

【注：本文系廣東省教育科學(xué)研究課題“基于 TPACK 理論的中學(xué)新型教與學(xué)模式實證研究”（課題編號：2021YQJK591）研究成果】

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