地球公转模型设计与应用
--四季成因探究

福建省厦门市厦门实验中学(361100) 徐 玲 福建省厦门市厦门第一中学(361100) 李 彬

0 引言

小学科学注重思维的培养,科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式,主要包括模型建构、推理论证和创新思维等[1]。科学思维的培养常常渗透于科学实验中,小学科学中常见的实验类型有对比实验、模拟实验以及对比实验和模拟实验的混合实验。5年级的学生在学习有关地球运动的内容时,难以从模拟地球公转运动的角度去探究地球四季变化的原因,对于学生而言,模拟实验是难点,尤其是有关地球运动的模拟实验。这是因为5年级的学生还处于具体运算思维向形式运算思维过渡的阶段,思维还偏向具象性,而模拟实验具有一定的抽象性。因此笔者在教材实验的基础上设计了适合学生自主探究地球公转的模型,降低学生对于地球公转的学习难度,辅助学生自主建构地球公转模型。

1 教材实验不足之处

“四季循环”一课出自苏教版5年级下册第3单元[2],本课学科核心概念是宇宙中的地球,课标要求学生知道地球围绕太阳公转的周期和方向,理解四季的形成与地球的公转有关。通过测量正午时物体的影长,说明不同季节正午影长的变化情况。本课的难点在于模拟地球围绕太阳公转的运动状态,并将影子变化与地球运动联系起来,然而教材中的实验对于教学难点的突破存在2点不足:

(1)牙签在皮球上的投影效果不明显,因此学生难以看出粘在皮球上的牙签围绕灯泡做圆周运动时影子长度的变化。

(2)实验设计没有体现出学生对于地球围绕太阳运动模型的自主构建。实验要求学生将皮球围绕灯泡运动一周,然后直接告诉学生地球是围绕太阳运动导致四季的变化,而不是学生根据自然现象去探究地球是如何围绕太阳运动造成四季的变化。该实验缺少探究的意味,难以满足学生高阶思维的培养。

2 实验改进思路

改进此实验,一方面要考虑实验材料的选取,提高投影效果,另一方面是如何设计学生可以自主建构的地球公转模型。其中第二方面是重点要考虑的内容,在小学科学中地球公转模型的提出主要是为辅助学生理解四季变化的原因,地球围绕太阳运动一周形成了一年四季。地球公转模型主要包含太阳和地球2个要素,由于是让学生自主建构地球公转模型,因此该模型中太阳和地球的位置不是固定的,而是可以根据学生想法调整的。总的来说,模型需要满足以下3个条件:①模拟太阳光的电灯泡能够近似平行光射向地球模型;②地球模型可以围绕太阳做圆周运动,地球模型的位置可以随意变化;③模型可以通过影长变化来判断季节的变化。

基于上述分析,此地球公转模型主要是为了让学生更好地理解四季变化与地球公转之间的关系,因此以四季影长变化为切入点,寻找某个地区的四季,这个地区可以是学生生活的所在地,或是学生感兴趣的地方,其较为熟悉该地四季的变化。使用4个白色泡沫球模拟地球,分布在太阳(电灯泡)的四周,分别代表某个地区在不同季节时地球的运动状态,学生则可以通过影子的长度来区分某个地区的四季。学生在寻找熟悉地区的四季过程中构建地球围绕太阳运动的模型。

3 改进实验教具材料及原理

3.1 实验材料

4个插有竹签的白色泡沫球、8根牙签、1块80 cm × 80 cm泡沫板和1个电灯泡、4个标签贴(春夏秋冬)。

白色泡沫球模拟地球,牙签所插的位置代表本实验选取的地区(厦门和纽曼)的位置(如图1所示),泡沫板平面模拟地球运动轨道(如图2所示),电灯泡发出的光模拟太阳光(如图3所示),牙签正对灯泡时形成的影长模拟厦门(或纽曼)正午的影长。

图1 泡沫球 图2 泡沫板 图3 电灯泡

3.2 实验原理

以泡沫板作为地球围绕太阳运动的轨道平面,4个插有牙签的泡沫球模拟地球,牙签插在泡沫球上代表某个地区,裸露在外面的牙签长度要相同。电灯泡发出的光模拟太阳光,由于电灯泡和泡沫球的距离较近,因此光线近似平行,电灯泡固定在泡沫板的中央,可以向四周散发光亮。在确定四季的过程中,可以将泡沫球插在泡沫板的任意位置,通过比较牙签影长来判断季节。

4 教具创新点

(1)影子在白色的泡沫球上投影效果好,实验现象明显,学生可以根据影子的长短来分辨四季。

(2)插有牙签的泡沫球可以调整倾斜角度和方向,学生能够自主探究地轴倾斜对物体四季影长是否会产生影响。

(3)插有竹签的泡沫球能够转动,通过观察泡沫球的亮面和暗面分布情况,可以探究昼夜变化以及南北极极昼极夜现象。

(4)插有竹签的白色泡沫球可以调整高度,学生能够探究地球围绕太阳运动的轨迹是否处于同一平面,进一步丰富地球公转模型。

(5)实验材料易取易制,使用方法简单,并且教具可重复使用,节约用料。

5 实验教学设计

5.1 实验教学目标

(1)科学观念:知道四季的形成与地球倾斜着围绕太阳运动有关。

(2)科学思维:通过太阳高度角、影子长度与温度之间的关系建构地球公转模型来探究四季成因。

(3)探究实践:能够根据地球公转的特征做模拟实验,并将正午影子变化与地球运动联系起来。

(4)态度责任:乐于尝试用多种思路去推测四季成因并通过模拟实验进行验证,能够基于证据反思和调整地球公转模型。

5.2 实验教学内容

本实验的教学内容是寻找厦门的春夏秋冬,以位于南半球的澳大利亚纽曼为参照(厦门和纽曼经度和纬度相近)。通过对比厦门和纽曼的四季影长变化来确定地球所处的位置,学生在寻找厦门四季的过程中建构地球围绕太阳运动的模型。以南北半球的城市作比较,实验现象会更加明显,学生能够清晰地对比南北半球物体四季影子的长度,进而将其与南北半球的四季温度变化联系起来。

5.3 实验教学过程

(1)确定影子、太阳高度角以及温度之间的关系

在开展实验之前,学生先要梳理影子、太阳高度角以及温度之间的关系。学生在4年级“太阳”这一课时已经学习了太阳高度角与影子长度之间的关系,当太阳高度角大时,影子短,太阳高度角小时,影子长。如何将温度的高低与影子长度之间的关系建立起来,是学生在实验之前需要掌握的。教师引导学生通过对比某个地区一天之中太阳高度角与温度之间的关系,建立起温度与影长之间的关系。学生通过正午影子的长短来判断太阳高度角和温度的高低。当影子长时,太阳高度角小,温度低;影子短时,太阳高度角大,温度高。于是学生能够根据影子长度与温度之间的关系来建构地球公转模型,探究四季变化的原因。

(2)建构地球公转模型

实验的第一步是寻找厦门的夏季,因为夏季时南北半球同纬度的地区温差较大,物体影子长度差异较大,学生易于探究地球与太阳的位置。厦门夏季天气炎热,影子短,而纽曼处于冬季,影子长。学生根据影子和温度之间关系摆放1号小球的位置,学生在多次尝试后会发现当地轴倾斜时会出现厦门影子长,纽曼影子短的情况(如图4所示)。

图4 夏季地球位置

接着寻找厦门的冬季,冬季同样是南北半球同纬度的地区温差较大的时侯,学生较易发现地球与太阳的位置关系。学生根据厦门冬季天气冷,影子长,此时纽曼是夏季,影子短的事实来摆放2号小球的位置。学生在摆放2号小球时要考虑地轴是否倾斜,以及2个泡沫球倾斜的角度和方向是否一致的问题,对模型进行调整。此时教师可能需要适时为学生提供学习支架,在前面学习的“昼夜交替”一课中,学生已经知道地轴是始终指向北极星的,根据这一事实,2个泡沫球倾斜的角度和方向只能是一致的,学生的疑问也就迎刃而解了(如图5所示)。

图5 冬季地球位置

最后是寻找厦门的春季和秋季,厦门和纽曼这两个季节气温相近,根据温度和影长之间的关系,那么两个城市春季和秋季的影子长度也是相近的。学生据此推测来摆放3号和4号泡沫球。学生在反复改变泡沫球位置的过程中会发现,当光源直射在“地球”的赤道位置时,两侧的牙签影子长度是差不多长的。加之要符合4个泡沫球地轴指向一致的要求,那么代表春季和秋季的泡沫球的位置就可以确定了。有一些学生根据四季变化的周期是一年,因此推测代表四季的泡沫球分别处于灯泡的四周,其运动轨迹各占1/4。而如何确定3号和4号泡沫球分别代表什么季节?学生需要查阅资料确定地球围绕太阳运动的方向是顺时针还是逆时针,再进行确定。

(3)调整地球公转模型

学生建构的地球公转模型(如图6所示),不一定就符合科学家们实际的推测,但是该教具可以满足学生调整地球与太阳位置关系的需求。学生在影长与温度之间关系的基础上思考地球与太阳之间的位置关系,依据自然现象去论证所构建的地球公转模型是否合理,然后不断修正地球公转模型。在此过程中,学生的科学探究和模型建构能力得到提升,逻辑思维能力得到培养。

图6 地球公转模型

6 评价与反思

该实验现象明显,学生可以根据温度与影子长度确定泡沫球的位置,并在调整泡沫球位置的过程中不断思考和论证自己的推理是否合理。该实验装置除了可以探究四季变化的成因,还能探究地球昼夜变化和极昼极夜等现象,以及地球围绕太阳运动是否处于同一平面,可以丰富学生关于地球运动的认识。

然而此实验教具也存在一些待改进之处,如实验数据不能量化。对此,可以将影子长度、温度和地轴倾斜角度的数据可视化,如加入影子长度测量工具、传感器等实时监控长度、温度的变化,便于对比两地的物体影子长度和温度,以及当地温度和物体影子长度之间的关系。