运用Stellarium软件突破地理教学难点——以“地球的宇宙环境”为例

金开任 王梦梦

（浙江省平阳中学, 浙江 温州 325400）

《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）指出，信息技术的发展和应用是地理教学改革的助推器，对学生学习方式和教师教学方式的改变具有重要作用。[1]调查发现，当前学生的地理空间思维能力较为薄弱，对宇宙空间的认知不容乐观。Stellarium是一款虚拟星象仪的计算机软件，可以用来查阅天文奇观，虚拟演示天文现象，是天文爱好者野外天文观测的重要辅助工具。基于此，笔者以高中必修《地理一》第一章第一节“地球的宇宙环境”为例，统计近十年高考地理试题，分析天体观测试题特点，尝试运用Stellarium软件辅助地理课堂教学，探索将信息技术作为环境、作为手段、作为内容、作为思想融入教学，[2]提升学生地理空间思维能力，突破宇宙空间认知教学难点。

一、考情分析

1.真题回顾

笔者通过对2013～2022年近十年高考地理试题进行统计后发现，天文观测试题出现频率高（见表1）。从考查内容来看，主要集中在太阳系常见天体观测。从考试题型看，主要为选择题。从试题发展变化来看，难度有所加深。从考查角度来看，主要从时间、空间、运动变化及联系的视角来考查，对学生的时间思维、空间思维和时空综合思维的能力要求较高。

表1 2013～2022年高考地理天体观测类试题部分统计

2.天文观测教学难点形成的原因

(1)天文地理专业词语多，概念内容抽象

“地球的宇宙环境”涉及的天文现象专业性强，对学生的空间位置感、方向感与空间想象能力要求高。在许多问题情境中出现凌日、冲日、日食、月食、超级月亮等概念，这些概念与学生日常生活联系不够紧密，受多种因素影响，教科书也没有对这些概念进行详细的说明解释。加上高一学生的宇宙空间知识储备少，学习途径有限，“地球的宇宙环境”中天体观测便成为教师“难”教、学生“难”学的知识点。

(2)空间转换思维要求高，试题难度较大

从近十年的高考真题来看，这类试题学生得分率普遍比较低，因为该类试题对学生文字概括能力、图文转化能力和图文结合能力要求很高。例如，在浙江卷2020年第20题“月球与八大行星一样自西向东公转，在地球上的观测者可以观测到月球、地内行星经过太阳表面的天象，且前者比后者经过日面的时间短。若观测者在甲地某日先后观测到月球、水星经过太阳表面的天象，则第二天正午三大天体在星空中的位置可能是……”该题对学生学习能力要求高，学生需要对试题中的显性信息和隐性信息进行获取、分析和重组，学生需要在大脑中构想日地月三者位置及相关运动规律，再叠加八大行星绕日公转运动规律和特点，对学生空间转换思维和逻辑推理能力要求高。

(3)地理实践力要求高，实地天文观测受限

统计分析高考真题发现，天文观测试题对学生的空间思维、时间思维和时空综合思维要求高，对核心素养中的综合思维要求高。因天文观测还涉及到天文学、物理学、立体几何等跨学科交叉融合知识，学生运用起来较难。部分学校受诸多条件限制，从来没有组织学生进行过天文观测，使得地理实践力的培养难以落地，也使得真实情境下的天文观测难以开展，阻碍了学生地理学科核心素养的培养。

二、运用Stellarium软件突破教学难点

1.延展课本核心概念，突破概念简单抽象难点

教科书是学生学习地理专业知识的主要载体，但因教科书整体篇幅的限制，不可能对与该主题相关的所有地理概念内容都进行详细阐述，于是教科书中出现的部分地理概念便成为学生学习的一个难点。例如教科书展示了猎户座星云的图片（见图1），学生不禁会产生疑问：何为恒星、星云、星座、星系？它们的形状、大小关系如何？而这些概念缺少详尽的介绍和比较。教师在备课时也会思考采取哪些有效的途径和方法让这些抽象的概念直观形象，突破教学难点。例如，案例1辨识“猎户座星系”。

图1 人教版教科书中猎户座星云插图

【案例1】辨识“猎户座星系”

图2 Stellarium 软件中的猎户座星云

Stellarium软件利用图文结合的方式，突破概念教学难点，模拟天体体积大小及运动特征，可增强学生空间感知，促进学生对抽象地理概念的可视化理解，提升地理空间想象能力。操作Stellarium软件中天体所在位置的放大或缩小功能，可增强学生对不同天体体积大小和空间距离的感知，可以更好地展现地理问题，将图形信息、文字信息进行多维度、多形式的有效转换。同时在认识与解决地理问题过程中，促进地理概念辨析和抽象地理概念教学的可视化，可以培养学生地理空间思维能力。

2.剖析疑难问题情境，突破空间视角转换难点

情境作为高考评价体系的重要载体，按知识应用和产生方式的不同，主要分为学习探索情境和生活实践情境两种。学习探索情境，源于真实的研究过程或实际的探索过程，涵盖学习探索和科学探究过程中所涉及的问题。[4]不同节气下的太阳视运动图牵扯到太阳直射点在地球上的空间位置，整合了地球自转与地球公转的相关知识，综合性强，对学生空间思维能力要求高。[5]为了更好地突破难点问题，可借助Stellarium软件动态演示某日某地太阳视运动的移动过程，由静态到动态剖析疑难考点，将复杂的空间想象转化为直观的影像资料，使疑难知识变得更直观易懂。

【案例2】剖析疑难问题“太阳视运动”

（2018 江苏高考真题）下图为“某地二分二至日太阳视运动示意图”（见图3）。读图回答下列小题。

图3 某地二分二至日太阳视运动示意图

线①所示太阳视运动轨迹出现时的节气为（D）

A.春分 B.夏至 C.秋分 D.冬至

太阳视运动试题对学生地理空间思维能力要求高，是学生地理学习的一大难点。为了更好地解答上述地理试题，学生需要调动与运用不同节气、不同纬度太阳视运动的相关知识，把握不同纬度昼夜长短和正午太阳高度的变化规律。为了更好地呈现地理问题解决过程，以春分日为例，通过重设Stellarium软件的时间和位置就能很快还原当时的太阳方位及变化，直观感受太阳运动轨迹，继而推理夏至、冬至太阳视运动轨迹，具体步骤如下。

点击应用图标，启动Stellarium软件→点击时间按钮“”，更改时间，设定春分日3月21日6时→点击所在地点按钮“”，将位置更改为我国某地，如浙江温州（见图4）→按住Ctrl键同时滚动鼠标，将画面视图缩小到将天顶呈现在画面中央→点击打开地平网络“”→拖动时间轴可还原当天太阳运动的动态变化过程（见图5）→根据当天太阳视运动动态变化过程，可以获得太阳轨迹合成图（见图6）→做出判断，不符合题中①轨迹。接着分别重新设定时间为夏至、冬至日，重复以上操作，直至观察到冬至日的太阳视运动符合题意。

图4 观测位置设定操作界面

图5 春分日温州太阳视运动过程动态演示

图6 春分日温州太阳视运动轨迹合成图

Stellarium软件通过调整所在位置实现视线范围内的星空模拟，还具有寻星功能，能给学生提供较好的观星体验。通过Stellarium软件演示，可以将两个及两个以上地理图层信息有效叠加到相同区域，以揭示不同地理事物之间的空间联系、判断地理事物的空间影响，培养学生地理空间叠加思维。学生反复实践与记录，可以提升其在具象星空与抽象题目之间切换的能力，提升地理空间思维能力，突破教学难点。

3.开展课后地理实践，突破天体实地观测难点

新课标指出，教师可组织学生观察星空，提高学生对天文学的兴趣，增强学生对宇宙天体的欣赏能力，激发探索宇宙的愿望，帮助学生形成对天文现象的正确认识，逐步建立科学的宇宙观。[6]纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。借助Stellarium软件设计地理课外实践活动，能让学生运用最新的信息技术去探索地理规律，提高天文观测的针对性和有效性，不仅能检验学生的地理空间思维和实践操作能力，还可以使其体验天文观测之美妙。合理有效地开展地理野外观测活动，可以活跃学生的地理空间思维，培养学生严谨细致的科学素养、探究精神和实践能力。结合教科书后面的活动题，可以适当开展相关天文观测活动（见表2），提升天文观测兴趣和能力。

表2 “猎户座流星雨”观测方案设计

近年来，高考试题中基于日照图的变式图日趋多样，过去由于对“侧视光照图”的转化应用未加以重视，学生解题思维受限，抓不住解题的切入点和关键点，以致在考场上屡次受挫。借助信息技术手段是面向未来的学习方式之一。信息技术的使用可以辅助学生自主学习、探究学习和合作学习，促进地理学习的拓展和深入。[7]实践证明，合理借助Stellarium等信息技术软件，可以丰富教学情境资源和创新学习方式，让地理课堂有趣、有序、有层次地持续推进，促进学生自主建构知识的发生，[8]促进学生实现实景空间、二维空间和三维空间转换，突破教学难点，提升地理学科核心素养。