基于TPACK理论的 “地心说”教学实践与思考

熊莉萍

随着教育信息化进程不断发展，各类基础设施和信息技术手段融入常规教学中，教学质量和效率得以提升。在TPACK框架中，三种知识要素——学科内容（CK）、教学法（PK）、技术（TK）互相之间交叉融合，衍生出四种复合要素——学科教学知识（PCK）、整合技术的学科内容知识（TCK）、整合技术的教学法知识（TPK）以及整合技术的学科教学知识（TPACK）。这一模式不仅关注教学中的信息技术手段和学生学习的主体性，更强调教师应当密切关注上述三种知识要素之间的有机融合，充分发挥教师的引导作用，将信息技术灵活地、有效地整合于学科教学过程中。本文基于TPACK模式，利用Stellarium软件在《行星的运动》之“地心说”内容展开了教学设计和实践。

一、“地心说”教学分析

高中物理《万有引力与宇宙航行》一章的主要内容是介绍行星运动规律及其动力学特点。第一节《行星的运动》是整章的先导内容，介绍了人类的认知過程和开普勒三大定律，为后面学习万有引力定律作铺垫。该节内容包括丰富的科学发展史，从托勒密“地心说”到哥白尼“日心说”，再到伽利略的发现、第谷的观测数据以及开普勒提出三大定律，学生在了解科学家研究历史的过程中，体会人类探索宇宙、科学求真求简的精神。而在“地心说”这一环节的教学中，学生虽然已经知道“地球不是中心，地球绕太阳公转”这一事实，但对古人的发现历程以及“地心说”被提出的原因缺乏系统性了解。传统的课堂教学主要采用教师语言讲述，或者学生阅读文字材料等常规方式来帮助学生了解人类认识天体运动的历史进程，其中存在一些值得思考与改进的地方。

首先，大部分学生缺乏观察星空的现实体验，在教学中只是被动获取信息，未能充分发挥主体能动性，调动探索和求知欲。其次，学生未能对现有的学习材料进行深度思考，导致一些值得注意的细节问题被忽视，例如：我们可以感受到太阳和月球在运动，但星星的运动是不易觉察的，古人是如何观察并认为所有的星星是以地球为中心运动的？古人眼中的“恒星”“行星”与现代天文学中的含义是有区别的，其概念最初是如何被定义的？“火星逆行”是何种现象，为什么托勒密引入均轮和本轮的理论后就能解释这一现象，以及“地球是宇宙中心”的错误观念为什么会持续如此长的时间？对这些问题的阐释可以还原地心说模型被提出、修正、最终淘汰的过程，反映出了物理规律的一般研究历程：从现象观测出发，构建模型解释现象，经过修正优化使模型更接近于真实情况，必要时需要打破传统观念的束缚，坚持不懈地追求真理。在教学过程中，教师不仅应该帮助学生了解人类认识天体运动的历史，激发学生的好奇心和学习兴趣，更应该渗透历史背后的科学思想方法，落实培养学生的科学态度与责任。

二、Stellarium融合教学

通过以上思考，针对大部分学生缺少观察星空的现实体验，现实生活中也难以开展对某颗星星进行长时间观测活动的实际情况，运用信息技术手段可以有效地处理这一问题。Stellarium （虚拟天文馆）是一款免费开源、支持多种操作系统的天象模拟软件，能够以3D形式真实地展现通过肉眼或望远镜所看到的天空。软件的基本功能有：定位当前所在城市的星空、关闭地面和大气层、显示星座连线、加速或减缓时间流逝以及显示天体基本信息等。

利用软件中的“关闭大气层”功能，在白天也可以看到地球外的满天繁星。利用“加速时间流逝”功能，可以在短时间内看到星星运动的效果，使学生观察到“似乎地球是宇宙的中心，所有星星都在绕地球运动”的现象。利用“显示星座连线”，可以直观地看到：虽然所有星星都在运动，但大部分的相对位置不变（星座连线不变），即为最初定义的“恒星”，有助于学生理解地心说模型中的“恒星天”。在认识到恒星的特点后，对于行星及其逆行的现象理解起来也就更容易了。古人发现金、木、水、火、土这几颗星星相对于整个星空背景的位置会发生明显变化，所以叫做“行星”。而行星在大多数时间是相对于恒星自西向东移动的，但有时候会突然向西移动一段时间，随后又向东移动，此即“行星逆行”。

三、基于TPACK的“地心说”教学设计

将Stellarium软件和多媒体教学方式融入《行星的运动》教学中，其中“地心说”内容的三种知识要素分别是学科内容知识（CK）：“地心说”的来由、观点、模型特征；教学法知识（PK）：讲授法、谈话法、演示法；技术知识（TK）：多媒体课件、Stellarium软件。以上三种知识要素交叉融合，衍生出四种复合要素。

学科教学知识（PCK）。教师通过问题引导学生思考“地心说”被提出的原因、基本观点以及模型特征，介绍火星逆行现象，使学生认识到这一模型的有效性和复杂性。

整合技术的学科内容知识（TCK）。运用Stellarium观察“星星绕地球运动”的现象；运用多媒体课件展示地心说的观点和模型示意图。

整合技术的教学法知识（TPK）。运用Stellarium软件模拟星空，通过谈话法引导学生思考问题；运用多媒体课件展示文字和图片信息，辅助学生理解。

整合技术的学科教学知识（TPACK）。运用Stellarium软件模拟所在城市的星空并加速时间流逝，通过问题引导学生观察发现“星星以地球为中心运动”这一现象，进而理解“地心说”的来由和基本观点。运用多媒体课件渲染探索宇宙的课堂氛围，展示托勒密及其地心说模型示意图。介绍火星逆行现象、均轮和本轮理论，利用动图使学生直观地感受地心说的复杂性。通过问题引导学生思考该模型的历史局限性，提升科学态度与责任的核心素养。

在教学的具体实施过程中，教师在课前设置自主学习任务，由学生阅读教材中的科学漫步栏目“人类对行星运动规律的认识”，查找相关科学人物的生平历史事迹，并提出问题。教师收集和筛选问题，选择有价值的问题在课堂中解答，在课堂中围绕一系列问题引导学生观察和思考，同时利用软件和多媒体课件辅助教学。

综上所述，Stellarium软件效果逼真，在课堂上引起了学生的广泛关注和好奇心，使学生从知识接受者的角色转化为自然现象的观察者、探索者，更好地帮助学生进入《万有引力与宇宙航行》这一章的教学主题和情境中。在技术辅助和问题引导下，学生能够主动深入思考，使教学效果得以提升。值得继续探索的地方在于软件本身功能强大，可以继续尝试将其合理运用于其他教学环节，切实提升课堂质量。运用信息技术改进传统教学形式，将 TPACK 整合模式融入物理教学课堂有助于提升学生学科核心素养，提高教学质量。

【注：本文系广东省教育科学研究课题“基于 TPACK 理论的中学新型教与学模式实证研究”（课题编号：2021YQJK591）研究成果】

责任编辑  罗  峰