以“四季更替”直觀實驗塑造認知

〔摘 要〕 在“雙減”政策背景下，小學科學教師要增強課程教學的有效性，減輕學生的學習壓力，促使學生能夠更加積極地參與課堂學習活動，提升學習效率，提高綜合能力。在科學教學授課前，教師只有清楚了解學生的認知能力，準確把握學生的前概念水平，才能順利地開展后續的科學探究。本文以“四季更替”實驗教學為例進行簡要探究。

〔關鍵詞〕 小學科學；塑造認知；直觀實驗

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 19 043-045

在四季更替的自然現象中，最為明顯的是冷暖變化。因此研究四季更替的原因，自然就要從氣溫冷熱差異的角度入手。“冬天為什么冷，夏天為什么熱”？面對這個問題，大多數學生的認識是由地球距離太陽遠近變化引起的，這是“近熱遠冷”的思維定式的體現。產生這種想法的知識基礎是，地球繞太陽轉動的公轉軌道是橢圓的，太陽位居橢圓軌道的其中一個焦點。這樣，地球距離太陽有遠有近。但是，學生對于公轉的具體情況認識不夠全面、具體。尤其是對公轉過程中地球自轉的狀態、太陽光照射到地球的情況，知之甚少。他們的認知停留在以往科普視頻的動畫演示，地球繞太陽公轉一圈是一年。這也就僅限于地球的公轉和自轉這兩個概念。在本課的探究活動中，我設計了三個環節與學生共同探討這個問題。一是解讀數據，否定錯誤觀點；二是通過演示實驗確認陽光照射角度的變化也會造成冷熱不同；三是在模擬公轉過程中發現季節變化。

一、解讀數據，否定原有錯誤觀點

本環節的設計非常必要，只有先改正學生認知中的錯誤，才能引導學生參與后面的模擬公轉活動。分析地球公轉軌道數據，從中發現學生認知上的錯誤，打破思維定式，是這個環節的活動目標。

教師展示的地球公轉動畫，展現了地球的公轉軌道不是正圓而是橢圓，再次印證學生“近熱遠冷”的觀點：太陽位居其中一個焦點，地球距離太陽有遠有近，這是導致冬冷夏熱的根本原因。此外，地球北極朝向太陽與背對太陽時也會造成日地距離的差異變化，朝向太陽時顯得近一些，背向太陽時顯得遠一些。尤其是在縮小了1500億倍的公轉軌道上，所用地球儀僅比實際地球縮小了3000萬倍，這種直觀因素就更加凸顯。順應著學生的認識，下面這組數據自然而然地展現出來。接下來進入解讀數據的環節。

（一）解讀公轉軌道半長軸與半短軸的數據

從兩者相差2萬千米左右引導學生發現，雖然數字巨大，但是與日地平均距離相比要小得多。如果按這樣的比例，把公轉軌道縮小到直徑一米左右的板子上，就會發現長軸與短軸的差距竟然不到0.02厘米。這么小的差距，做出的公轉軌道“接近正圓”。微不足道的長短軸差距，不影響地球公轉軌道看起來接近圓形！這并不是大家頭腦中那個扁扁的橢圓，而是一個接近正圓的橢圓。

在以上的研究中，需要師生共同計算、畫圖，讓學生通過自己探索發現公轉的軌道與自己意識上的“扁扁的橢圓”是不一樣的。

（二）解讀近日距離與遠日距離的數據

兩個距離相差接近500萬千米，“那可是四百個地球直徑的距離啊！”此活動必將堅定了他們內心深處因“近熱遠冷”形成季節變化的觀點。

（三）解讀地球過近日點和遠日點時間的數據

“果真如此嗎？地球過近日點時是1月初，這是我們北半球比較冷的時候。”

科學家公布的科學數據直接打破了學生原有的觀點。“近冷遠熱”，這與學生的認知截然相反。

科學數據推翻了學生原有的認知：地球距離太陽遠近的變化不是造成季節變化的主要原因。

二、以直觀實驗塑造新的認知

陽光照射角度的變化也會造成冷熱不同現象。

解讀數據環節給了學生以震動。科學數據推翻了他們原有的認知。“冬天為什么冷，夏天為什么熱，四季產生的原因到底是什么？”現在需要一個新的理論來支撐他們的認知體系。

（一）從陽光照射的角度判斷季節

教師用如下圖片引發學生新的思考。“下面圖1中兩幅圖表現的都是正午時分，想一想哪一幅是夏季？你是怎么判斷的？”

這個題目對于十一二歲的學生來說并不難，他們經歷了十多個冬夏，有豐富的親身體驗。況且在三年級《太陽和影子》一課的教學中曾涉及“夏天太陽就在頭頂上直射過來，人的影子短，感覺很熱；冬天的中午太陽是斜射過來的，影子長，感覺不太熱。”原來我們忽視了一個自然現象：陽光照射角度不同，地面接收到的熱量也會不同，這個可能是造成冬天冷、夏天熱，四季輪回的原因。

（二）用直觀實驗進一步證實：陽光直射過來會更熱一些

為了幫助學生認同“陽光照射角度不同，產生的熱量不同”的感性認識，我設計了一個演示對比實驗。如下圖2所示，采用新聞燈照射直立與斜放的兩塊鐵板，兩塊鐵板上滴上相同的蠟油，比較哪塊鐵板的蠟油先融化。

（圖片說明：1300瓦新聞燈，與直立鐵板距離20厘米左右，鐵板表面粘貼黑色即時貼以增加接受熱量。）

實驗效果非常明顯，直立鐵板上的蠟油首先融化并流淌下來，僅用十多秒鐘。于是學生堅定了這樣的信念，陽光直射時產生的熱量高，斜射時產生的熱量低。

三、模擬地球公轉，觀察陽光照射角度的變化，從中發現季節變化

（一）探究活動繼續向前邁進

“在地球公轉過程中，濟南地區接受陽光，照射角度發生了怎樣的變化呢？”

接下來的模擬地球公轉活動，是全課探究活動的中心環節。地球公轉的模擬過程是否準確，決定了研究結果的科學性。操作過程必須保證以下三個因素相對不變，即地軸與公轉軌道面的夾角、表示太陽的手電筒與地球儀的相對高度、地軸朝向。為此，我專門設計制作了模擬地球公轉的實驗教具，包括公轉軌道面、燈座、強光手電筒并配合相應大小的地球儀，如圖3所示。

（圖片說明：公轉軌道面直徑1米，地球儀赤道直徑18厘米。手電支架高度20厘米，可直射地球儀赤道附近。）

在分組實驗中，學生將一個模型小人粘在地球儀上濟南的位置，觀察影子變化的情況，以陽光照射角度判斷春夏秋冬。

大家看到的現象是：在A點陽光斜射過來，模型小人的影子最長，在C點陽光在頭頂直射過來，影子最短，B點和D點影長居中，可以斷定A點是冬季，B、C、D點分別是春季、夏季和秋季。

通過以上活動，學生認同了“地球公轉是造成季節不同的原因”這個觀點。然而探究活動沒有就此停止，另一組材料出現在學生面前——一個地軸直立的地球儀。如圖4所示。

把兩個地球儀放在一起比較，學生十分驚訝。“這樣的地球做公轉運動時能否產生季節變化呢？”

學生渴望試一試。探究活動隨即展開。他們把直立的地球儀放入公轉軌道，用代表太陽的手電筒去照射。很快有了結論：7fUAjSesAtSbEU4WxUJfjQ==“這個地球儀在公轉軌道的各處影子變化不大。它的公轉不會產生季節變化。”

學生用眼睛真正看到了春夏秋冬更替的秘密：不僅是地球圍繞太陽的公轉，還有地球自身的傾斜，以及公轉中始終不變的地軸朝向，這些因素，共同造成了不同地區陽光照射角度發生季節性變化，導致接受陽光熱量不同從而產生了季節的更替。

（二）探究活動并未就此結束

“假如地球公轉中地軸與陽光射來方向平行，可能會出現什么情況？”

這樣的設計是希望學生就此開始一系列有趣的宇宙空間運動的模擬活動，讓我們的探究走向更深層次。

“四季更替”這節課有著空間想象的難點，以及固有思維定式的干擾，因此是一節不容易講透的課。在教學中，需要我們準確把握學生的前概念水平，勇于面對學生的思維定式，通過解讀科學數據的方式幫助學生發現原有的認知是錯誤的。以直觀有效的實驗手段，用有結構的探究材料，讓學生親眼看到冬夏的不同，認識四季更替的原因。

綜上所述，科學探究不僅僅是做實驗，更是通過搜集整理數據、分析解讀數據揭示事物真相，通過匯總實驗現象，探究導致結果的原因。在未來的研究中，還可以進一步探討如何設計和實施基于科學思維的教學活動，并評估其對學生學習成效和科學思維能力的影響。我們還要通過持續的研究和改進，不斷完善這種教學方法，進而不斷提高學生的科學素養和創造力。

參考文獻

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