巧用Star Chart软件开展交互式可视化物理教学——以“行星的运动”为例

文 迅，周 勋，周 艳，张祥赞

贵州师范大学物理与电子科学学院，贵阳 550025

物理课堂的交互是指物理教师与学生之间的交互、学生与学生之间的交互、师生与教学资源之间的交互以及师生与教学设备之间的交互。高质量的交互过程有助于教学目标的达成。长期以来，教材、教辅资料、投影仪等设备被认为是实现课堂教学可视化的主要工具，但其弊端是信息流通单向、使用途径单一，无法满足交互式可视化教学的要求。而手机软件性能优良、携带方便，是交互式可视化物理教学的得力助手。以手机软件Star Chart（星图）为例，给出开展交互式可视化物理教学的思路方法，供开展交互式可视化教学的物理教师参考。

1 Star Chart软件介绍

Star Chart能通过先进的全球定位系统以及物理信息系统，为用户展示一个虚拟的宇宙空间，实时地模拟地球上可观测的各种行星和天体。它可以模拟3D太阳系，包括太阳、行星等，其主要功能和操作方式如表1所示。在该软件的基础功能上挖掘出了三个交互可视化的物理教学方法。

表1 Star Chart软件主要教学功能介绍

下面以人教版必修二第七章第1节“行星的运动”为例，进行案例分析。

2 Star Chart软件的教学案例分析

2.1 模型与过程可视化，激发学生学习兴趣

从信息技术的视角来看，可视化就是通过计算机软件将事物及其发展变化的形式和过程，用仿真化、形象化的方式表现出来［1］。

Star Chart不仅能展现天体的高清图片和各种参数，还可以模拟天体的运动，实现物理课堂的可视化教学。了解常见的天文现象是学习行星运动的基础，把天体的形状和运动过程可视化，学生才能画出天体运行的示意图。

案例1：“天文现象”教学片段

师：你知道生活中有哪些常见的天文现象吗？

生：日食，月食。

师：出现日食和月食现象的原因是什么？

生：光沿直线传播。

师：接下来老师利用Star Chart模拟日食和月食现象。

师：操作软件。

步骤：

①启动软件；

②点击时间机器，把时间设置为2020年6月21日（出现日食的日期）；

③点击功能菜单，在下拉菜单“模式”中选择“3D 探索模式”，如图 1（a）所示；

④点击“3D探索模式”，适当滑动界面，界面中会出现太阳、地球、月球的3D影像，如图1（b）所示；

⑤两只手指同时接触屏幕捏放改变界面大小，找到日食现象的最佳观察视角，如图1（c）所示；

图1 Star Chart软件模拟“日食”过程图

⑥点击时间机器，调节时间向未来流逝，可观察日食现象的整个过程。

模拟月食现象时，时间设置为月食出现的日期2022年5月16日。步骤④改为：点击“3D探索模式”后，自动跳回主画面，界面呈现太阳、地球和月球的3D影像，在“天体搜索”中输入“月球”，点击屏幕上的“3D探索”图标进入（若看不见太阳的3D影像，可直接在“天体搜索”中输入“太阳”）。其余步骤不变。

案例1中，教师通过软件模拟再现天文现象，为课堂提供了丰富的可视化素材，满足了学生对宇宙的探究欲。因此，在课堂中使用该软件，不仅有利于学生理解天文现象的本质，还能提高学生的积极性和课堂的趣味性。

2.2 尺度与角度交互，培养学生三维空间思维

运动是视觉最容易强烈感知的现象［2］。传统教学更多的是展示静态的示意图，学生难以想象天体的空间运动状态，不利于培养其空间想象能力。而Star Chart软件为学生提供可视化的、动态的虚拟宇宙空间，学生可以从不同尺度和角度了解天体的运动状态，从而有效培养学生的三维空间思维。

案例2：“日心说”教学片段

师：日食、月食现象不仅证明了地球不是静止不动的，还揭露了太阳、地球、月球的相对运动关系。另外，日食现象反驳了托勒密的“地心说”，支持了哥白尼的“日心说”。哥白尼提出行星和地球绕太阳做匀速圆周运动、只有月亮环绕地球运行的观点。现在，请同学们使用软件，观察各行星的运动方向和运动轨迹。

生：操作软件。

步骤：

①启动软件；

②点击功能菜单；

③点击下拉菜单的“模式”，选择“3D探索模式”；

④点击“3D探索模式”，主界面出现地球的3D影像，在“天体搜索”中输入“太阳”，点击“3D探索”图标，太阳的3D影像出现在屏幕正中央，如图 2（a）所示；

⑤用两根手指从屏幕边缘向屏幕中央滑动，扩大观察尺度，观察各大行星的轨道形状，如图 2（b）所示；

⑥向屏幕下方滑动，改变观察角度，当界面不再改变时，表示从南极上空俯瞰太阳系，如图2（c）所示；

图2 学生操作软件的部分过程图

⑦点击时间机器，加快时间流逝，观察行星运动方向和轨迹。

案例2中，学生通过软件改变观察尺度的大小，了解太阳系的组成，认识各大行星距离太阳的远近和次序，从而建构太阳系的空间结构。

调节时间机器向前或往后流逝，滑动屏幕，从多种角度观察各大行星绕日运动的方向和轨迹，从而发现它们围绕太阳运动而不是围绕地球运动的现象。这些可视化操作有利于学生理解哥白尼提出的“日心说”，为学习开普勒运动定律打下基础。

2.3 信息共享交互，师生学习成果交流

物理新课标提出：“通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，增强科学探究能力和解决实际问题的能力”［3］。这就要求学生运用恰当的方式，表达自己的见解、分享自己的探究过程和成果。该软件支持信息分享，学生可将收集到的天体信息分享到QQ、微信等通信平台。

案例3：“开普勒第一定律”教学片段

师：我们学习了哥白尼的“日心说”，你同意哥白尼提出的行星围绕太阳运动的轨道是完美圆周的观点吗？现在，请同学们利用软件，将收集到的证据截图分享到班级微信群中，老师会随机选择一个同学的证据，放到幻灯片上，并请他具体说明。

生：（展示证据）图3是Star Chart模拟的水星公转轨道。可以看出，水星围绕太阳运动的轨道不是完美圆周，而是椭圆。图中数据显示，2022年9月23日水星和太阳相距53.1百万千米，而其他时间并不是这个值，这充分反驳了哥白尼提出的轨道是完美圆周的观点。因此，可以得出结论：行星绕太阳运动的轨道是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。

图3 “开普勒第一定律”教学片段交流图

需要特别提醒的是，针对“分享菜单”存在缺陷的软件版本，可以借助手机的“截屏”功能或“屏幕录制”功能分享。

案例3中，学生学习完哥白尼的“日心说”相关知识后，通过人机交互、师生交互、生生交互的学习方式，将自己收集到的反驳“日心说”中行星围绕太阳运动的轨道是完美圆周的观点的证据分享到班级微信群中和全班同学交流。同时，分享交流也能锻炼学生的信息收集、归纳和分析能力。

3 Star Chart软件的教学启示

3.1 打造与时俱进的教师队伍

教育部发布的《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》明确指出：“信息技术应用能力是新时代高素质教师的核心素养”［4］。新时代的教育不仅仅要求教师具备扎实的知识结构基础，还要求教师具备信息技术知识和应用能力。学校可以通过观摩学习、个人研修、参加集体培训等方式切实促进教师更新理念、提升信息化素养、增强资源整合与开发的意识等，提升教师队伍的信息技术应用能力。

3.2 开发多种手机软件的教学功能

教师应根据教学内容，选择适当的手机软件，开发其教学功能，使其成为物理教学资源。例如，在进行“宇宙航行”教学时，教师可选择专门模拟人造卫星的天文软件，呈现各种人造卫星围绕地球运行的实时画面，并提问学生人造卫星的运行轨道有什么共同特点。

3.3 注意适度原则和交互的及时性

在课堂教学中，并不是所有的教学环节都要用到手机软件，不能盲目地追求手机软件的应用，背离教学的初心。因此，只在需要的环节才使用手机软件进行教学演示或科学探究。教师在教学过程中，要安排好课堂的教学逻辑，将软件的应用步骤条理化。手机软件的应用要符合课堂教学的现实环境，符合学生的认知逻辑，顾及学生的学习体验。

在实际教学中，教师往往倾向于结论式的教学方式，忽略知识的探究过程，不能对学生的学习结果和学习过程中出现的学习障碍进行及时反馈。因此，教师应该重视学生遇到的疑惑。