巧用Star Chart軟件開展交互式可視化物理教學
——以“行星的運動”為例

文 迅，周 勛，周 艷，張祥贊

貴州師范大學物理與電子科學學院，貴陽 550025

物理課堂的交互是指物理教師與學生之間的交互、學生與學生之間的交互、師生與教學資源之間的交互以及師生與教學設備之間的交互。高質量的交互過程有助于教學目標的達成。長期以來，教材、教輔資料、投影儀等設備被認為是實現課堂教學可視化的主要工具，但其弊端是信息流通單向、使用途徑單一，無法滿足交互式可視化教學的要求。而手機軟件性能優良、攜帶方便，是交互式可視化物理教學的得力助手。以手機軟件Star Chart（星圖）為例，給出開展交互式可視化物理教學的思路方法，供開展交互式可視化教學的物理教師參考。

1 Star Chart軟件介紹

Star Chart能通過先進的全球定位系統以及物理信息系統，為用戶展示一個虛擬的宇宙空間，實時地模擬地球上可觀測的各種行星和天體。它可以模擬3D太陽系，包括太陽、行星等，其主要功能和操作方式如表1所示。在該軟件的基礎功能上挖掘出了三個交互可視化的物理教學方法。

表1 Star Chart軟件主要教學功能介紹

下面以人教版必修二第七章第1節“行星的運動”為例，進行案例分析。

2 Star Chart軟件的教學案例分析

2.1 模型與過程可視化，激發學生學習興趣

從信息技術的視角來看，可視化就是通過計算機軟件將事物及其發展變化的形式和過程，用仿真化、形象化的方式表現出來［1］。

Star Chart不僅能展現天體的高清圖片和各種參數，還可以模擬天體的運動，實現物理課堂的可視化教學。了解常見的天文現象是學習行星運動的基礎，把天體的形狀和運動過程可視化，學生才能畫出天體運行的示意圖。

案例1：“天文現象”教學片段

師：你知道生活中有哪些常見的天文現象嗎？

生：日食，月食。

師：出現日食和月食現象的原因是什么？

生：光沿直線傳播。

師：接下來老師利用Star Chart模擬日食和月食現象。

師：操作軟件。

步驟：

①啟動軟件；

②點擊時間機器，把時間設置為2020年6月21日（出現日食的日期）；

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

④點擊“3D探索模式”，適當滑動界面，界面中會出現太陽、地球、月球的3D影像，如圖1（b）所示；

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

圖1 Star Chart軟件模擬“日食”過程圖

⑥點擊時間機器，調節時間向未來流逝，可觀察日食現象的整個過程。

模擬月食現象時，時間設置為月食出現的日期2022年5月16日。步驟④改為：點擊“3D探索模式”后，自動跳回主畫面，界面呈現太陽、地球和月球的3D影像，在“天體搜索”中輸入“月球”，點擊屏幕上的“3D探索”圖標進入（若看不見太陽的3D影像，可直接在“天體搜索”中輸入“太陽”）。其余步驟不變。

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

2.2 尺度與角度交互，培養學生三維空間思維

運動是視覺最容易強烈感知的現象［2］。傳統教學更多的是展示靜態的示意圖，學生難以想象天體的空間運動狀態，不利于培養其空間想象能力。而Star Chart軟件為學生提供可視化的、動態的虛擬宇宙空間，學生可以從不同尺度和角度了解天體的運動狀態，從而有效培養學生的三維空間思維。

案例2：“日心說”教學片段

師：日食、月食現象不僅證明了地球不是靜止不動的，還揭露了太陽、地球、月球的相對運動關系。另外，日食現象反駁了托勒密的“地心說”，支持了哥白尼的“日心說”。哥白尼提出行星和地球繞太陽做勻速圓周運動、只有月亮環繞地球運行的觀點?，F在，請同學們使用軟件，觀察各行星的運動方向和運動軌跡。

生：操作軟件。

步驟：

①啟動軟件；

②點擊功能菜單；

③點擊下拉菜單的“模式”，選擇“3D探索模式”；

④點擊“3D探索模式”，主界面出現地球的3D影像，在“天體搜索”中輸入“太陽”，點擊“3D探索”圖標，太陽的3D影像出現在屏幕正中央，如圖 2（a）所示；

⑤用兩根手指從屏幕邊緣向屏幕中央滑動，擴大觀察尺度，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，改變觀察角度，當界面不再改變時，表示從南極上空俯瞰太陽系，如圖2（c）所示；

圖2 學生操作軟件的部分過程圖

⑦點擊時間機器，加快時間流逝，觀察行星運動方向和軌跡。

案例2中，學生通過軟件改變觀察尺度的大小，了解太陽系的組成，認識各大行星距離太陽的遠近和次序，從而建構太陽系的空間結構。

調節時間機器向前或往后流逝，滑動屏幕，從多種角度觀察各大行星繞日運動的方向和軌跡，從而發現它們圍繞太陽運動而不是圍繞地球運動的現象。這些可視化操作有利于學生理解哥白尼提出的“日心說”，為學習開普勒運動定律打下基礎。

2.3 信息共享交互，師生學習成果交流

物理新課標提出：“通過多樣化的教學方式，利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質，增強科學探究能力和解決實際問題的能力”［3］。這就要求學生運用恰當的方式，表達自己的見解、分享自己的探究過程和成果。該軟件支持信息分享，學生可將收集到的天體信息分享到QQ、微信等通信平臺。

案例3：“開普勒第一定律”教學片段

師：我們學習了哥白尼的“日心說”，你同意哥白尼提出的行星圍繞太陽運動的軌道是完美圓周的觀點嗎？現在，請同學們利用軟件，將收集到的證據截圖分享到班級微信群中，老師會隨機選擇一個同學的證據，放到幻燈片上，并請他具體說明。

生：（展示證據）圖3是Star Chart模擬的水星公轉軌道?？梢钥闯觯菄@太陽運動的軌道不是完美圓周，而是橢圓。圖中數據顯示，2022年9月23日水星和太陽相距53.1百萬千米，而其他時間并不是這個值，這充分反駁了哥白尼提出的軌道是完美圓周的觀點。因此，可以得出結論：行星繞太陽運動的軌道是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。

圖3 “開普勒第一定律”教學片段交流圖

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

案例3中，學生學習完哥白尼的“日心說”相關知識后，通過人機交互、師生交互、生生交互的學習方式，將自己收集到的反駁“日心說”中行星圍繞太陽運動的軌道是完美圓周的觀點的證據分享到班級微信群中和全班同學交流。同時，分享交流也能鍛煉學生的信息收集、歸納和分析能力。

3 Star Chart軟件的教學啟示

3.1 打造與時俱進的教師隊伍

教育部發布的《關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》明確指出：“信息技術應用能力是新時代高素質教師的核心素養”［4］。新時代的教育不僅僅要求教師具備扎實的知識結構基礎，還要求教師具備信息技術知識和應用能力。學校可以通過觀摩學習、個人研修、參加集體培訓等方式切實促進教師更新理念、提升信息化素養、增強資源整合與開發的意識等，提升教師隊伍的信息技術應用能力。

3.2 開發多種手機軟件的教學功能

教師應根據教學內容，選擇適當的手機軟件，開發其教學功能，使其成為物理教學資源。例如，在進行“宇宙航行”教學時，教師可選擇專門模擬人造衛星的天文軟件，呈現各種人造衛星圍繞地球運行的實時畫面，并提問學生人造衛星的運行軌道有什么共同特點。

3.3 注意適度原則和交互的及時性

在課堂教學中，并不是所有的教學環節都要用到手機軟件，不能盲目地追求手機軟件的應用，背離教學的初心。因此，只在需要的環節才使用手機軟件進行教學演示或科學探究。教師在教學過程中，要安排好課堂的教學邏輯，將軟件的應用步驟條理化。手機軟件的應用要符合課堂教學的現實環境，符合學生的認知邏輯，顧及學生的學習體驗。

在實際教學中，教師往往傾向于結論式的教學方式，忽略知識的探究過程，不能對學生的學習結果和學習過程中出現的學習障礙進行及時反饋。因此，教師應該重視學生遇到的疑惑。