地球公轉模型設計與應用
--四季成因探究

福建省廈門市廈門實驗中學(361100) 徐 玲 福建省廈門市廈門第一中學(361100) 李 彬

0 引言

小學科學注重思維的培養,科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式,主要包括模型建構、推理論證和創新思維等[1]。科學思維的培養常常滲透于科學實驗中,小學科學中常見的實驗類型有對比實驗、模擬實驗以及對比實驗和模擬實驗的混合實驗。5年級的學生在學習有關地球運動的內容時,難以從模擬地球公轉運動的角度去探究地球四季變化的原因,對于學生而言,模擬實驗是難點,尤其是有關地球運動的模擬實驗。這是因為5年級的學生還處于具體運算思維向形式運算思維過渡的階段,思維還偏向具象性,而模擬實驗具有一定的抽象性。因此筆者在教材實驗的基礎上設計了適合學生自主探究地球公轉的模型,降低學生對于地球公轉的學習難度,輔助學生自主建構地球公轉模型。

1 教材實驗不足之處

“四季循環”一課出自蘇教版5年級下冊第3單元[2],本課學科核心概念是宇宙中的地球,課標要求學生知道地球圍繞太陽公轉的周期和方向,理解四季的形成與地球的公轉有關。通過測量正午時物體的影長,說明不同季節正午影長的變化情況。本課的難點在于模擬地球圍繞太陽公轉的運動狀態,并將影子變化與地球運動聯系起來,然而教材中的實驗對于教學難點的突破存在2點不足:

(1)牙簽在皮球上的投影效果不明顯,因此學生難以看出粘在皮球上的牙簽圍繞燈泡做圓周運動時影子長度的變化。

(2)實驗設計沒有體現出學生對于地球圍繞太陽運動模型的自主構建。實驗要求學生將皮球圍繞燈泡運動一周,然后直接告訴學生地球是圍繞太陽運動導致四季的變化,而不是學生根據自然現象去探究地球是如何圍繞太陽運動造成四季的變化。該實驗缺少探究的意味,難以滿足學生高階思維的培養。

2 實驗改進思路

改進此實驗,一方面要考慮實驗材料的選取,提高投影效果,另一方面是如何設計學生可以自主建構的地球公轉模型。其中第二方面是重點要考慮的內容,在小學科學中地球公轉模型的提出主要是為輔助學生理解四季變化的原因,地球圍繞太陽運動一周形成了一年四季。地球公轉模型主要包含太陽和地球2個要素,由于是讓學生自主建構地球公轉模型,因此該模型中太陽和地球的位置不是固定的,而是可以根據學生想法調整的?？偟膩碚f,模型需要滿足以下3個條件:①模擬太陽光的電燈泡能夠近似平行光射向地球模型;②地球模型可以圍繞太陽做圓周運動,地球模型的位置可以隨意變化;③模型可以通過影長變化來判斷季節的變化。

基于上述分析,此地球公轉模型主要是為了讓學生更好地理解四季變化與地球公轉之間的關系,因此以四季影長變化為切入點,尋找某個地區的四季,這個地區可以是學生生活的所在地,或是學生感興趣的地方,其較為熟悉該地四季的變化。使用4個白色泡沫球模擬地球,分布在太陽(電燈泡)的四周,分別代表某個地區在不同季節時地球的運動狀態,學生則可以通過影子的長度來區分某個地區的四季。學生在尋找熟悉地區的四季過程中構建地球圍繞太陽運動的模型。

3 改進實驗教具材料及原理

3.1 實驗材料

4個插有竹簽的白色泡沫球、8根牙簽、1塊80 cm × 80 cm泡沫板和1個電燈泡、4個標簽貼(春夏秋冬)。

白色泡沫球模擬地球,牙簽所插的位置代表本實驗選取的地區(廈門和紐曼)的位置(如圖1所示),泡沫板平面模擬地球運動軌道(如圖2所示),電燈泡發出的光模擬太陽光(如圖3所示),牙簽正對燈泡時形成的影長模擬廈門(或紐曼)正午的影長。

圖1 泡沫球 圖2 泡沫板 圖3 電燈泡

3.2 實驗原理

以泡沫板作為地球圍繞太陽運動的軌道平面,4個插有牙簽的泡沫球模擬地球,牙簽插在泡沫球上代表某個地區,裸露在外面的牙簽長度要相同。電燈泡發出的光模擬太陽光,由于電燈泡和泡沫球的距離較近,因此光線近似平行,電燈泡固定在泡沫板的中央,可以向四周散發光亮。在確定四季的過程中,可以將泡沫球插在泡沫板的任意位置,通過比較牙簽影長來判斷季節。

4 教具創新點

(1)影子在白色的泡沫球上投影效果好,實驗現象明顯,學生可以根據影子的長短來分辨四季。

(2)插有牙簽的泡沫球可以調整傾斜角度和方向,學生能夠自主探究地軸傾斜對物體四季影長是否會產生影響。

(3)插有竹簽的泡沫球能夠轉動,通過觀察泡沫球的亮面和暗面分布情況,可以探究晝夜變化以及南北極極晝極夜現象。

(4)插有竹簽的白色泡沫球可以調整高度,學生能夠探究地球圍繞太陽運動的軌跡是否處于同一平面,進一步豐富地球公轉模型。

(5)實驗材料易取易制,使用方法簡單,并且教具可重復使用,節約用料。

5 實驗教學設計

5.1 實驗教學目標

(1)科學觀念:知道四季的形成與地球傾斜著圍繞太陽運動有關。

(2)科學思維:通過太陽高度角、影子長度與溫度之間的關系建構地球公轉模型來探究四季成因。

(3)探究實踐:能夠根據地球公轉的特征做模擬實驗,并將正午影子變化與地球運動聯系起來。

(4)態度責任:樂于嘗試用多種思路去推測四季成因并通過模擬實驗進行驗證,能夠基于證據反思和調整地球公轉模型。

5.2 實驗教學內容

本實驗的教學內容是尋找廈門的春夏秋冬,以位于南半球的澳大利亞紐曼為參照(廈門和紐曼經度和緯度相近)。通過對比廈門和紐曼的四季影長變化來確定地球所處的位置,學生在尋找廈門四季的過程中建構地球圍繞太陽運動的模型。以南北半球的城市作比較,實驗現象會更加明顯,學生能夠清晰地對比南北半球物體四季影子的長度,進而將其與南北半球的四季溫度變化聯系起來。

5.3 實驗教學過程

(1)確定影子、太陽高度角以及溫度之間的關系

在開展實驗之前,學生先要梳理影子、太陽高度角以及溫度之間的關系。學生在4年級“太陽”這一課時已經學習了太陽高度角與影子長度之間的關系,當太陽高度角大時,影子短,太陽高度角小時,影子長。如何將溫度的高低與影子長度之間的關系建立起來,是學生在實驗之前需要掌握的。教師引導學生通過對比某個地區一天之中太陽高度角與溫度之間的關系,建立起溫度與影長之間的關系。學生通過正午影子的長短來判斷太陽高度角和溫度的高低。當影子長時,太陽高度角小,溫度低;影子短時,太陽高度角大,溫度高。于是學生能夠根據影子長度與溫度之間的關系來建構地球公轉模型,探究四季變化的原因。

(2)建構地球公轉模型

實驗的第一步是尋找廈門的夏季,因為夏季時南北半球同緯度的地區溫差較大,物體影子長度差異較大,學生易于探究地球與太陽的位置。廈門夏季天氣炎熱,影子短,而紐曼處于冬季,影子長。學生根據影子和溫度之間關系擺放1號小球的位置,學生在多次嘗試后會發現當地軸傾斜時會出現廈門影子長,紐曼影子短的情況(如圖4所示)。

圖4 夏季地球位置

接著尋找廈門的冬季,冬季同樣是南北半球同緯度的地區溫差較大的時侯,學生較易發現地球與太陽的位置關系。學生根據廈門冬季天氣冷,影子長,此時紐曼是夏季,影子短的事實來擺放2號小球的位置。學生在擺放2號小球時要考慮地軸是否傾斜,以及2個泡沫球傾斜的角度和方向是否一致的問題,對模型進行調整。此時教師可能需要適時為學生提供學習支架,在前面學習的“晝夜交替”一課中,學生已經知道地軸是始終指向北極星的,根據這一事實,2個泡沫球傾斜的角度和方向只能是一致的,學生的疑問也就迎刃而解了(如圖5所示)。

圖5 冬季地球位置

最后是尋找廈門的春季和秋季,廈門和紐曼這兩個季節氣溫相近,根據溫度和影長之間的關系,那么兩個城市春季和秋季的影子長度也是相近的。學生據此推測來擺放3號和4號泡沫球。學生在反復改變泡沫球位置的過程中會發現,當光源直射在“地球”的赤道位置時,兩側的牙簽影子長度是差不多長的。加之要符合4個泡沫球地軸指向一致的要求,那么代表春季和秋季的泡沫球的位置就可以確定了。有一些學生根據四季變化的周期是一年,因此推測代表四季的泡沫球分別處于燈泡的四周,其運動軌跡各占1/4。而如何確定3號和4號泡沫球分別代表什么季節?學生需要查閱資料確定地球圍繞太陽運動的方向是順時針還是逆時針,再進行確定。

(3)調整地球公轉模型

學生建構的地球公轉模型(如圖6所示),不一定就符合科學家們實際的推測,但是該教具可以滿足學生調整地球與太陽位置關系的需求。學生在影長與溫度之間關系的基礎上思考地球與太陽之間的位置關系,依據自然現象去論證所構建的地球公轉模型是否合理,然后不斷修正地球公轉模型。在此過程中,學生的科學探究和模型建構能力得到提升,邏輯思維能力得到培養。

圖6 地球公轉模型

6 評價與反思

該實驗現象明顯,學生可以根據溫度與影子長度確定泡沫球的位置,并在調整泡沫球位置的過程中不斷思考和論證自己的推理是否合理。該實驗裝置除了可以探究四季變化的成因,還能探究地球晝夜變化和極晝極夜等現象,以及地球圍繞太陽運動是否處于同一平面,可以豐富學生關于地球運動的認識。

然而此實驗教具也存在一些待改進之處,如實驗數據不能量化。對此,可以將影子長度、溫度和地軸傾斜角度的數據可視化,如加入影子長度測量工具、傳感器等實時監控長度、溫度的變化,便于對比兩地的物體影子長度和溫度,以及當地溫度和物體影子長度之間的關系。