在建模中探秘月相成因

许飞

月相变化是小学科学教学的传统内容,学生对月相成因的理解难度较大。我们平时的教学大多只是涉及月相变化规律而回避对月相成因的探索,即使有所涉及,也只是用模拟实验直接向学生演示一下,孩子们往往是一知半解,似懂非懂。对小学生来说,对月相成因的理解到底难在何处?小学生能不能用科学探究的思路来学习这一内容呢?笔者进行了多次尝试,发现引导学生亲历模型建构来探究月相成因,不仅降低了理解难度,而且还能让孩子们理解得更深刻!

一、认识月相,提出问题

先让学生画出平时看到的月相,然后出示各种月相照片,认识各种月相的名称。

然后提出问题:月亮的圆缺不仅给自己披上了神秘的面纱,也给人类带来无限遐思。古往今来,无数文人墨客为它吟诗作赋,才子佳人为它感伤情愁。那么月亮为什么会有圆缺变化呢?

二、观察原型,猜想成因

观察各种月相照片,引导学生猜想月相成因。

师:月亮为什么会有圆缺变化呢?请大家继续观察各种月相的照片,大胆提出自己的猜想。

生:我认为是地球把太阳光挡住了。

师:你的意思是地球的影子落在了月亮上,那为什么会变化呢?能说的具体一点吗?

生:因为地球在动,地球落在月球上的影子也在动,所以看到月亮也在变。

师:这个想法看起来很有道理,我们暂且把你的猜想称之为“地球影子说”。还有不同观点吗?

生:我认为月相变化是因为月球在绕着地球转。

师:为什么月球绕着地球转,月相就会变化呢?

生:因为月亮转动,太阳照射的角度就不同,照出的形状就不同。

师:你的意思是说,我们看到月亮不是自己发光的,而是太阳照亮了它。太阳照射的角度变化,让我们看到了不同的月亮。

生:对!

师:你的这个观点也很有道理,我们暂时把它称作“照射角度说”。还有其他看法吗?

生:我认为是云挡住了月亮。

师:云挡住了月亮?有不同意见吗?

生:不可能。有时弯弯的月亮挂在天上,看不到一点点云。

师:有道理!月相每个月都很有规律地发生变化,每个月云也会这么有规律地去遮月亮吗?

生:不可能。

师:刚才大家提出了很多有价值的观点,这些观点各有各的理由,我们暂时还不能肯定谁对谁错。但不管是对是错,大家都意识到这样两点:一是月球自己不发光,我们之所以能看到月亮,是因为它反射了太阳光。二是月相的变化可能跟月亮、地球以及太阳之间的位置变化有关系。那么到底是因为地球挡住了太阳,还是因为照射角度造成了月相变化呢?看来,我们要搞清楚月相变化的原因,首先必须研究一下月球、地球、太阳之间的位置运动关系。

从学生对月相成因的猜想来看,这确实不是一个简单的问题。但从孩子们的回答中,我们也欣喜地看到,大多数学生都意识到月相变化与地球、太阳、月球之间的位置变化有关,这也正是解释月相变化原因的关键。因此,要让孩子们真正理解月相成因,就必须先带领他们搞清楚地、月、日运动的位置关系,而地、月、日运动的位置关系显然不是仅依靠语言就能跟孩子们讲述清楚的。我们身在地球,想直接观察地、月运动的全貌是不可能的。所以,只有依靠模型来观察!

三、研究地月运行结构,构建地月运行位置模型师:老师这里有一个三球仪,它能演示太阳、地球及月亮之间的运动及位置关系。(边说边演示)你们看到了什么?

生:地球绕着太阳转,月亮绕着地球转。

师:月亮确实绕着地球转。现在这三个星球处于什么位置关系?老师这里有现成的地球、月球图片,能在黑板上摆出来吗?

师:月亮绕着太阳转,月亮运行的轨迹是怎样的?

(操作三球仪,引导学生观察后请一名学生到黑板上指划,再由老师协助其画出来。)

师:月球在这个轨道上运行,意味着月球将经过这个圆上的每一个点,我们需要每个点都研究吗?

生:不需要。

师:怎么取研究的点呢?知道月球绕地球转一周需要多少时间吗?

生:一个月(30天)。

师:大约30 天,我们每天取一个点也只要30 个点,但由于时间关系,我们可以取几个关键点。这样吧,我们采用取中点的原则来操作。一个月有30 天,30 的一半是15,月球在哪个位置?初一和十五的中点呢?

(引导学生选取如下位置作为月相观测的关键点。)

月亮绕着地球转,哪一天在哪个位置?把一个周期内运动的月、地、日位置关系定格下来,是进行模拟实验深入研究的前提。这张一个月的地月运动位置图就是孩子们进一步探索月相成因的模型。我们对这张图并不陌生,我读小学的时候就在《自然》课本上看到过它,但当时并不理解这张图上为什么会有那么多月亮。现在想来,造成这种困惑的原因在于我们没有经历这张图的构建过程,并不理解这张图的真实含义。为了避免孩子们重蹈覆辙,我带着他们从观察动态的三球仪开始,然后一步一步地根据三球仪的演示,把地月位置关系画出来,形成这样的示意图。因为经历了这张模型图构画的全过程,孩子们知道了其中的来龙去脉,为后面自己设计实验做好了铺垫。

四、运用地月模型,探索月相的形成

指导学生利用地月位置关系图,进一步设计实验模型来观察一个月内月相变化。先引导学生用一只皮球和一只手电筒来设计模拟实验。

师:通过刚才的研究,我们知道了些什么?

生:现在我们知道了一个月内,月球围绕地球转动所在的位置。

生:我们还知道了太阳光照射的方向。

……

师:接下来,我们该做什么呢?(学生短时间沉默,老师拿出一只皮球和一只手电筒)看,老师这里有一只皮球和一只手电筒,可以拿它们来充当什么?

生:皮球当月亮,手电筒当太阳。

师:我们可以用皮球和手电筒来模拟观察月相,怎么观察呢?比如,我们现在来研究初五这天的月亮,我应该把月亮摆在什么位置?

(学生回答略。有了刚才建构起来的地月位置关系图,这些问题都能迎刃而解了!)

师:那我们来试一试吧!(指名4 名同学到黑板前进行尝试)你们看到了月亮的样子了吗? 看到的“ 月相”很清晰吗?这个实验有没有什么不足之处?

生:手电的光照不均匀,容易照偏,四周环境太亮……

师:看来实验设备不能满足我们实验的需要。怎么改进呢?

(学生讨论交流。)

师:你们的改进方法都不错,老师这里也有一种方法,看看是不是更便于操作。(拿出一个一半涂成白色一半涂成黑色的皮球)这个球可以代替月亮吗?

生:可以,因为太阳始终只能照亮半个月球。

师:你们真聪明!拿它来代替月亮,应该在这个实验图中怎么摆放?

生:白色的朝向太阳,黑色的背对太阳。

师:请刚才观察的同学再来观察一下,看看效果是不是有所改善?

生:很清楚!

师:下面我们就要分组实验了。实验前,我们一起来把刚才探讨的实验方法归纳一下。

1.用黑白球模拟月亮,依次摆在实验图纸上月球所在位置,白色正对太阳的方向;

2.从地球的方向观察月亮,记录月相的形状(白色部分的形状)。在实验图最外圈的空白圆中直接涂出相应位置观察到的月相。

(学生分组实验,并对研究结果进行汇报与交流。)

用黑白球作为月球模型,降低了月相实验对环境和器材的要求,也降低了实验操作的难度,明显提高了实验效益。在这里,我并没有直接拿出黑白球让学生进行实验,而是先提供皮球(模拟月球)、手电筒(模拟太阳)等器材让学生开动脑筋设计实验。这是因为刚刚构建起来的月地日运动位置关系图上有太阳、月亮和地球,如果我直接拿出黑白球来模拟月球,就有越俎代庖的嫌疑,就可能剥夺了学生亲历建模的机会。先提供皮球、手电等器材,其实是为学生提供了进一步设计实验模型的“梯子和扶手”,让科学建模成为学生可以自主完成的理性过程。而后又以黑白球代替皮球和手电筒,则是顺应了科学模型建构的渐进性,让学生知道科学建模是一个不断修正的过程。

五、几点感悟

模型是科学解释世界的重要手段,也是我们给学生演示科学原理的常用工具。科学解释世界的模型是科学家在科学研究中建立起来的,我们在教学时更多地是直接利用现成的模型而忽略让学生亲历建模的过程,究其原因,是急功近利的思想在作怪。我们总觉得现成的模型用起来更便利,而引导学生构建模型太麻烦,难度也大。当我们用现成的模型演示时,往往忽视了学生是否真正理解这个模型所表示的内涵。事实上,当学生对模型缺乏深入了解时,我们的演示和讲解几乎是徒劳的。

探究是学生构建科学概念的基本方式的理念已经受到广泛认可,我们似乎习惯于用“探究”一词来表达学生的科学学习活动,其实从某种意义上讲,科学探究活动就是科学建模的过程。有人把科学模型大致分为两种类型,一类是以物质形式呈现的实物模型,一类是以思维形式呈现的概念模型。当我们通过科学探究活动帮助学生构建科学概念时,其实就是在进行一种建模。我们之所以强调让学生亲历探究,就是强调学生主动建构这些概念模型,而非灌输这些概念的文字定义。因为只有亲历了这些模型的建构过程,学生才能真正理解它和运用它。

所谓建模,其实就是把与研究对象相关的因素找出来,理清它们之间的关系或变化规律,然后用恰当的形式表达出来。如此理解建模,或许我们就不会再把建模想象得那样高深而不可为了。我们会发现,建模能将复杂问题进行分解,有利于我们引导学生分步完成探究,有效化解问题的难度。比如在这次教学尝试中,我们可以先引导学生意识到月相变化与地球、月亮、太阳之间的位置有关,至于三者之间的位置到底是什么关系,则是第二步要解决的问题。理清三者之间的位置关系后,再设法模拟观察。这样就将原本复杂的问题化解成三个问题,逐一解决,大大降低了解决问题的难度。

建模还是一个渐进的和不断修正的过程。我们不必急于让学生一下子获得最正确的结果,可以让学生先把已经获得但未必正确的发现,用自己擅长的形式(可以是图表,绘画、捏个橡皮泥……)建一个初步的模型,然后再通过进一步的研究来修正模型。可以想象,这个过程是一个渐进的过程,也是一个深入和深刻的过程。

从这次教学尝试中,我还深深感受到,建模过程是一个有观察、有问题、有思考、有实践、有尝试、有调整、有失败、有成功的富有挑战的过程。在这个过程中,动与静、图与文、符号与实物、平面与立体,或互相交替,或同时并存,不仅具有“所见即所得”的直观性,更有思维运作的抽象性,真可谓意趣横生!

江苏省南通市通州区实验小学(226300)

浏览次数:  更新时间:2016-09-14 14:31:02
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