基于智能軟件的“太陽視運(yùn)動”教學(xué)探索

武晨旭 王秋杰

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，利用智能手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備中的應(yīng)用程序嘗試輔助教學(xué)的地理課堂不斷增多，從常用的辦公軟件到復(fù)雜的專業(yè)軟件，越來越多的案例表明，基于移動互聯(lián)技術(shù)的現(xiàn)代媒體設(shè)備能夠明顯激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效率。本文以“地球運(yùn)動之太陽視運(yùn)動” 內(nèi)容為例，借助智能軟件“Ephemeris”的功能，分析該軟件如何助力地理課堂教學(xué)。

一、軟件功能簡介

Ephemeris包含太陽、月球、銀河系的精確軌跡信息，可以幫助使用者觀察日出日落方位及時間，還可模擬任一時間或地點(diǎn)的太陽、月球運(yùn)動軌跡，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）展示即時的太陽視運(yùn)動軌跡。

（一）頁面介紹

軟件主界面由頂欄、邊欄、主屏幕和底欄組成（如圖1）。

（1）頂欄：包括菜單鍵和位置設(shè)定兩部分，可以通過使用設(shè)備位置獲取當(dāng)前精確點(diǎn)位信息，也可通過輸入固定坐標(biāo)手動定位，位置設(shè)定好之后在正上方能夠得到時區(qū)、經(jīng)度、緯度等詳細(xì)信息。

（2）邊欄：包括太陽位置、太陽路徑、月球位置、月球路徑、銀河系中心位置、銀河系中心路徑以及黃金小時、藍(lán)色時刻、民用曙暮光等攝影愛好者常用信息等。輕按可以打開或關(guān)閉，向左滑動能獲取更加詳細(xì)的信息。再次點(diǎn)擊某一板塊，如日間信息，可以付費(fèi)了解未來一段時間內(nèi)的日出日落時間、晝長等信息。

（3）主屏幕：可以更改視圖模式、坐標(biāo)方格。視圖模式包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、3D指南針、手動模式三種，同時可以選擇地平線以上視圖或?qū)嵭那蛞晥D兩種模型。

（4）底欄：主體為時間滑塊，是其最重要的交互模塊，有一小時、一天、一年三個時間尺度供選擇。滑動時間滑塊，在主屏幕上可以觀察到太陽、月球、銀河系中心的位置變化。太陽高度、晝夜長短、日出日落方位也能根據(jù)位置和時間兩個變量呈現(xiàn)相應(yīng)的畫面、數(shù)值變化。

（二）功能介紹

1.演示太陽、月球、銀河系中心的運(yùn)動軌跡

使用者通過滑動時間滑塊，能夠模擬不同日期和不同地點(diǎn)太陽、月球、銀河系中心的軌跡，同時實(shí)時展示三者的位置，從日間信息中獲取當(dāng)天日出日落時間、方位、正午太陽高度角等信息。除此之外，在教學(xué)中運(yùn)用該軟件，還可以展示二分二至日時任意地區(qū)的太陽視運(yùn)動軌跡（如圖2）。

2. 展示日出日落時間、晝長變化的數(shù)據(jù)

使用者點(diǎn)擊日間信息后，可以獲取不同時間段日出、日落時間及晝長變化的詳細(xì)信息。通過設(shè)置特殊時間如二分二至日，上下滑動該界面可以觀察日出日落時間及晝長變化趨勢，利用直觀的數(shù)據(jù)展示來驗(yàn)證晝長變化規(guī)律。

二、智能軟件輔助下的教學(xué)案例

人教版普通高中地理教材（選擇性必修一）對于太陽視運(yùn)動沒有進(jìn)行系統(tǒng)的描述，僅僅涉及太陽高度的變化規(guī)律、正午太陽方位及正午太陽高度計(jì)算方法等較為零散的知識點(diǎn)，但在教材中卻出現(xiàn)了“北緯40°地區(qū)二分二至日”太陽視運(yùn)動軌跡圖。筆者認(rèn)為，學(xué)生只有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過太陽視運(yùn)動的相關(guān)原理，才能對這類圖像理解得更加透徹，在日常生活中也能更好地將理論與實(shí)踐結(jié)合起來。

太陽視運(yùn)動的學(xué)習(xí)對于高二學(xué)生來講難度較大，它對學(xué)生的時間感、空間感要求極高，也很難直接感知。因此，對于該內(nèi)容的講授，筆者主要借助智能軟件來輔助教學(xué)。Ephemeris軟件界面簡潔、操作簡便，能將太陽精確軌跡數(shù)據(jù)可視化、具象化，極大地提高本節(jié)課的教學(xué)效率。

（一）日間信息巧獲取，曲線選擇解難題

在復(fù)習(xí)回顧太陽高度角、正午太陽高度角、日出日落方位、正午太陽方位等知識后，教師引導(dǎo)學(xué)生從太陽高度入手，利用日出、正午、日落三個點(diǎn)位信息繪制簡單的太陽高度日變化曲線圖，讓學(xué)生通過繪制平面圖初步感受一天當(dāng)中太陽的動態(tài)變化過程。學(xué)生自行操作智能軟件獲取繪圖所需的日間信息，如日出、日落時間及正午太陽高度信息（如圖3），按照標(biāo)點(diǎn)、連線的畫圖步驟在學(xué)案中畫出太陽高度日變化曲線圖。學(xué)生標(biāo)出三個特殊點(diǎn)后，會面臨曲線選擇問題（如圖4）。兩種不同凸向的曲線反映的單位時間太陽高度變化趨勢也有所差異。在曲線選擇方面，學(xué)生操作軟件并滑動底欄時間滑塊，對比日出、正午前后單位時間內(nèi)太陽高度變化速率，從而選擇正確的曲線。曲線選擇問題的設(shè)置為地心天球模型的引入及進(jìn)一步利用軟件展示太陽視運(yùn)動軌跡作好鋪墊，將課堂教學(xué)順利引入下一環(huán)節(jié)。

（二）天球模型巧建立，軟件驗(yàn)證固知識

天球是為研究天體的位置和運(yùn)動而引進(jìn)的一個假想圓球。它是一個與地球同球心，并具有相同自轉(zhuǎn)軸、半徑無限大的球體。日月星辰都可以當(dāng)作投影在天球上的物體，它們相對于地球自東向西運(yùn)動。以地球?yàn)橹行拇罱ǖ牡匦奶烨蚰Ｐ?，有助于學(xué)生從直觀的視覺角度來研究軟件中涉及的太陽視運(yùn)動軌跡。圖形從平面到立體，從簡單到復(fù)雜，學(xué)生對太陽動態(tài)變化的感受逐漸變得立體化、具象化。利用該模型，可以模擬任意時間、地點(diǎn)的太陽視運(yùn)動過程。例如，選取北極點(diǎn)為觀測點(diǎn)位，可知觀測點(diǎn)地平面與地球北極點(diǎn)相切（圖中綠色的面），將地球適度縮小的同時地平面下移，再加入二分二至日太陽運(yùn)動軌跡，可獲得一半天空一半陸地的太陽視運(yùn)動軌跡圖（如圖5）。對此，學(xué)生能夠通過利用智能軟件驗(yàn)證理論的正確性。具體操作步驟如下：點(diǎn)擊主界面頂欄的設(shè)置位置按鈕，通過輸入固定坐標(biāo)設(shè)置觀測點(diǎn)（北極點(diǎn)、赤道、北回歸線），通過滑動時間滑塊觀察真實(shí)太陽視運(yùn)動軌跡（如圖6），并與課件上的模型圖片比對，驗(yàn)證所學(xué)。同時，根據(jù)圖像歸納總結(jié)二分二至日時晝長、夜長、正午太陽方位等規(guī)律，生生評價，教師補(bǔ)充完善。

地心天球模型的建立，有利于學(xué)生從原理出發(fā)了解太陽視運(yùn)動軌跡圖，并且促進(jìn)學(xué)生對太陽高度、晝夜長短、日出日落方位等相關(guān)知識的進(jìn)一步探究。學(xué)生利用軟件可以對課堂所學(xué)的相關(guān)知識、原理及現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到鞏固新知的作用。

三、對智能軟件輔助地理教學(xué)的理性思考

（一）軟件與地理教學(xué)融合應(yīng)用的價值體現(xiàn)

1.突破教學(xué)難點(diǎn)，提高課堂效率

太陽視運(yùn)動軌跡作為地球運(yùn)動中難度較高的學(xué)習(xí)內(nèi)容，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的抽象思維和時空想象力。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下搭建地心天球模型，將太陽高度角、日出日落方位等相對獨(dú)立的知識點(diǎn)聯(lián)系起來構(gòu)建太陽視運(yùn)動軌跡圖，再通過軟件對所學(xué)原理進(jìn)行演示與驗(yàn)證，使得抽象概念具象化、復(fù)雜知識簡單化、教學(xué)效益最大化，最終達(dá)到深化理解的目的。

2.增強(qiáng)課堂魅力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化了地理課堂，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式上作用非凡。智能軟件的融合，使抽象晦澀的教學(xué)內(nèi)容直觀化、具象化，使原本單一、枯燥的教學(xué)形式變得多樣化和生動化。活動環(huán)節(jié)涉及軟件的操作與展示，有效吸引了學(xué)生的注意力，激發(fā)了學(xué)生的求知欲。在興趣的加持下，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率達(dá)到最佳狀態(tài)。

3.課堂歸還學(xué)生，釋放學(xué)生天性

教學(xué)的目的不在于傳授知識，而是要喚醒學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的意識。本節(jié)課的教學(xué)要充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，使學(xué)生在主動投入的狀態(tài)下學(xué)習(xí)，體現(xiàn)以學(xué)生為主體的課堂構(gòu)建。筆者深刻記得學(xué)生在觀看與操作軟件時的驚奇感與興奮感。運(yùn)用軟件探究問題、繪制圖像時，學(xué)生的積極性與主動性被充分調(diào)動。由此可見，軟件與地理課堂的融合釋放了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的天性。

4.踐行TPACK理論，內(nèi)化融合理念

TPACK（technological pedagogical content knowledge，整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識）理論涉及學(xué)科內(nèi)容知識、教學(xué)法知識、技術(shù)知識三要素，提倡教師將信息技術(shù)融入具體學(xué)科內(nèi)容的教學(xué)法知識當(dāng)中。在整合技術(shù)的教學(xué)法知識（TPK）方面，軟件與地理教學(xué)的融合提高了直觀演示法的教學(xué)效果，通過教師與學(xué)生的操作和展示，能夠讓學(xué)生通過直觀的視覺感受更好地理解并掌握抽象晦澀的知識點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。在整合技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識（TCK）方面，學(xué)生利用軟件觀察太陽視運(yùn)動軌跡圖，自主總結(jié)特殊點(diǎn)位太陽視運(yùn)動規(guī)律。之后，教師對學(xué)生的探究成果進(jìn)行點(diǎn)評，可增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，突出師生交互學(xué)習(xí)過程。

（二）軟件與地理教學(xué)融合應(yīng)用存在的問題與局限

軟件與地理教學(xué)融合應(yīng)用的價值顯而易見，但也不得不指出融合應(yīng)用中還存在一定的問題與局限。

1.投屏方式受限，投影效果不佳

該軟件需要滑動時間滑塊展示太陽視運(yùn)動的動態(tài)變化，對投屏傳輸碼率要求高，因此通過局域網(wǎng)無線傳屏無法獲得較好的投影效果，從而直接影響課堂教學(xué)中師生互動的流暢性，只能選擇USB有線傳輸保證畫面的流暢性。不過，市面上大部分傳屏軟件有線投屏的可操作性都不盡如人意。再者，該軟件不支持橫屏操作，投影在屏幕上的畫面大小受限于移動電子設(shè)備豎屏的尺寸，導(dǎo)致教學(xué)過程中軟件投影效果不佳。

2.對教師專業(yè)素養(yǎng)要求較高，時間成本較高

軟件與地理教學(xué)的融合需要教師具有較高的信息技術(shù)素養(yǎng)，不僅要熟練掌握軟件的操作，而且要突破技術(shù)障礙，靈活應(yīng)對教學(xué)突發(fā)狀況。學(xué)生利用該軟件掌握太陽視運(yùn)動軌跡需要有太陽高度角、日出日落方位等知識儲備，天球模型的引入有利于學(xué)生理解該圖像的視覺原理，這些都需要教師投入大量的教學(xué)時間，與傳統(tǒng)教學(xué)相比成本較高。

綜上所述，在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的背景下，軟件與課堂教學(xué)的融合正在逐漸引起傳統(tǒng)課堂教學(xué)的改變。信息技術(shù)的發(fā)展與融入不僅能夠促進(jìn)教師專業(yè)成長，也能提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。合理運(yùn)用信息技術(shù)是地理教學(xué)改革的突破點(diǎn)，但信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)的融合有利有弊，如何揚(yáng)長避短，需要對兩者的有效融合做進(jìn)一步的探索。正文

（作者武晨旭系江蘇省常州市第三中學(xué)教師，中小學(xué)二級教師;王秋杰系江蘇省奔牛高級中學(xué)教師，中小學(xué)二級教師）

責(zé)任編輯：孫建輝