1.1 地球的宇宙环境
【教学目标和要求】
1.根据图像资料,结合天文观测活动,描述各类天体的特点以及天体系统的层次结构。
2.运用示意图等指出地球在不同层级天体系统中的位置,描述地球的宇宙环境。
3.运用资料说出行星地球的普通性和特殊性,体会保护地球宇宙环境的必要性。
【教材设计思路】
本节教材重点落实课程标准中“描述地球的宇宙环境”这一内容。对于地球的宇宙环境,可以从以下几个方面来考虑。第一,要认识宇宙,需要明确宇宙间物质的存在形式和宇宙的范围。第二,从地球上看,其他天体都在“天上”,而相对于其他天体而言,地球也在“天上”,所以需要在宇宙这一大环境中对地球进行定位,而区分不同层级的天体系统是定位地球的基础。第三,在人类已经认识的宇宙范围内,尤其是相对太阳系其他行星而言,地球是唯一存在高级智慧生命的星球,这与地球的宇宙环境条件息息相关。
基于此,本节教材在组织内容时,用“地球在宇宙中的位置”和“行星地球”两个标题来具体落实课程标准的要求。前者重在“谈天”,后者重在“说地”。“谈天”是为了“说地”,即天体系统层次的划分是为了说明地球的位置。对地球而言,最直接和最主要的影响来自太阳。因此描述地球的宇宙环境更多是围绕地球在太阳系中所处的位置来进行的。因此,由宏观(可观测宇宙)到微观(太阳系)认识地球所处位置与宇宙环境是本节内容的主线。
本节开篇的情境节选了航天员杨利伟描述自己从太空看地球的文字,并配了“风云四号”卫星拍摄的地球照片,带领学生感受从太空看地球的美景,体会从宇宙空间观察、研究地球的视角。教材据此情境设计了系列问题,引导学生带着这几个问题逐步展开对本节内容的学习。通过学习,学生能够明确天体系统层级,以及恒星与行星的关系,特别是地球与太阳的关系,从而回答情境中的问题。
第一个标题“地球在宇宙中的位置”帮助学生在宇宙中定位地球。教材首先通过文字描述并结合图片示例,给出天体的概念,并在这个基础上,告诉学生宇宙中的天体处于不同层级的天体系统中。地球所处的天体系统从低级到高级依次为地月系、太阳系、银河系、可观测宇宙。地球在不同层级天体系统中所处的位置是重点内容,教材先通过包含不同层级天体系统的组图让学生宏观把握地球的位置,再按照从低级到高级的顺序概括介绍各层级天体系统。
对于地球所处的不同层级的天体系统,教材处理方式不同。例如,对于太阳系,教材提供了更为详细的太阳系模式图,并用图下注释的方式介绍了太阳系的行星构成,这是考虑后面学习“行星地球”的需要。又如对于银河系,由于学生对银河已有初步的了解,在介绍银河系时既展示了银河系的俯视图,又提供了在地球上看到的银河的景观照片,以深化学生对银河系的认识。
考虑很多学生对天文现象都有强烈的好奇心,一些学校也具备相应的天文观测条件,教材安排了“开展简单的天文现象观测活动”的“活动”,选择了贴近学生生活、操作性强的月相观测,并提供了详细的观测步骤和观测方法供老师和学生参考。教材这样安排目的不在月相观测本身,而是建议和引导学校结合自身实际开展天文观测活动,加强对学生地理实践力的培养。
第二个标题“行星地球”从行星的角度介绍地球。教材提供了表格(表1.2)和图片(图1.9),对比太阳系的其他行星来介绍地球。表1.2列出行星的轨道倾角和偏心率的数据,帮助学生通过数据分析来认识行星轨道具有共面性和近圆性的特点。图1.9示意八颗行星的相对体积和位置,学生可以直接感受这些行星的大小差异以及距离太阳的远近。通过数据分析和图像感知,引导学生获得如下结论：不管是与太阳的距离,还是自身体积,地球都很普通。
在感受地球是一颗普通的行星之后,学生需要认识地球也是特殊的。地球的特殊性在于其上生存着生命尤其是高级智慧生命。地球上拥有适宜高级智慧生命生存和繁衍的条件,包括适宜的温度、水、大气等条件,这是后面章节要进一步学习和落实的内容。教材在本节将重点放在地球上形成这些适宜条件的宇宙环境,尤其是地球在太阳系中的位置。
在介绍行星地球的普通性和特殊性之后,教材拓展了一些关于地球宇宙环境保护的内容。人类在对宇宙空间进行探索的同时,也给地球的宇宙环境带来一些负面影响。教材引导学生用辩证的思维来思考问题,认识保护地球宇宙环境的重要性。
教材最后安排了题为“人类观测宇宙的工具—天文望远镜”的“自学窗”供学生自学。该“自学窗”重点介绍天文望远镜对人们认识太阳系、银河系、河外星系等的贡献,旨在帮助学生认识“观测是获得认知的重要渠道”。随着科技的发展,人类观测宇宙的手段会越来越先进,对宇宙的认识也会越来越深入。
本节内容结构如图1-2所示。
【内容要点说明】
情境设计
1.航天员杨利伟描述在太空中看到的地球的文字,出自其所著的《天地九重》一书。
2.此处没有选用流传最广的、由美国宇航员拍摄的非洲大陆位于主体位置的地球照片,而是选用“风云四号”卫星于2017年拍摄的中国位于主体位置的地球照片。“风云四号”是我国自主研制的地球静止轨道气象卫星,是世界最先进的气象卫星之一。教材选用此照片并标注了来源,一方面展示从太空看到的地球,另一方面也宣传我国航空航天技术的成就。
地球在宇宙中的位置
1.教材中图1.2中的土星有一个显著的行星环(可以通过望远镜直接观测),其主要成分是冰粒和少量岩石残骸及尘土。木星、天王星和海王星也有行星环,规模远小于土星的行星环。
2.宇宙是没有边界的。在天文学和物理学中有一个狭义的宇宙定义—“可观测宇宙”,该定义在此次教材修订中替换了传统说法“总星系”。现代宇宙学的研究告诉我们,宇宙的年龄是有限的,它起源于约137亿年以前的“大爆炸”。由于光的传播速度是有限的,所以我们在宇宙中能看到的最远距离就是光速乘以宇宙的年龄。更远地方发出的光还没有足够的时间“跑到”我们这里,我们看不见。这个观测上的极限称为“宇宙视界”。视界范围内的宇宙就是可观测宇宙。这里的可观测宇宙不同于哈勃体积所指的“可观测宇宙”,哈勃体积考虑了宇宙的膨胀,因此,哈勃体积所指的“可观测宇宙”范围要更大。
3.2006年8月24日,国际天文联合会重新对太阳系内天体分类后新增加了一组独立天体—矮行星。简单来说矮行星介乎于行星与小行星这两类天体之间,呈球形,绕太阳公转,但没能清除轨道内的其他天体碎片。此定义仅适用于太阳系内。根据新的分类方案,天文学家认为太阳系中至少存在几百颗矮行星,目前已经确定的矮行星有冥王星、谷神星等5颗,海王星之外可能还存在大量类似天体。这一分类还需进一步研究确定,对学生来说难以理解,教材也难以解释。所以教材在太阳系的天体构成举例时没有列出矮行星。
行星地球
1.对生命存在的条件,人类是按照地球生命的生存条件—氧气、水、适宜的温度等去定义的。随着研究的深入和更多的发现,科学家发现生命存在的条件并不限于这些。而且由于人类目前的科技水平有限,对宇宙空间的探索范围还很小,未知领域很多,不宜给出定论。在太阳系的八颗行星中,地球是目前发现的唯一存在高级智慧生命的星球,这一结论是无疑的。因此教材在相关论述中设定了限制性前提,以提醒学生科学思维、严谨论述。
2.太阳系中的天体除了八颗行星及其卫星外,还有许多其他天体,比如矮行星、小行星、彗星。教材中图1.9的主要目的是比较八颗行星的体积和距离太阳的远近。考虑版面大小,该图没有显示其他天体,最远范围只到海王星。
【教学建议】
教学思路与方法建议
本节教学总体可遵循“现象感知-实例分析-模型建构-特征描述”的思路展开。引导学生从感性再到理性,通过“识别-分析-综合-概括”等思维过程,对地球所处的宇宙环境形成整体认识。首先利用或借鉴“杨利伟在太空中的描述”等情境,提出问题：太空中的地球为什么是明亮的?这与它在宇宙中所处的位置有怎样的关系?以此为切入点,展示、介绍宇宙中所存在的天体形式,并对恒星、行星等进行重点阐释。接着通过月球、地球、太阳之间的绕转关系分析,引导学生以示意图的方式逐步建构从低级到高级各层级的天体系统,明确地球在宇宙中所处的位置。然后着重基于对太阳系中各行星的比较分析,阐明地球在太阳系行星中的普通性和特殊性。最后师生共同总结知识框架和核心问题的结论,并结合简单的天文现象观测活动,巩固所学知识。具体教学过程中,要注意以下四点。
第一,增强学生对宇宙的感性认识。由于学生对宇宙空间的宏观认识并不清晰,为了帮助学生对宇宙环境尤其是地球所处的太阳系有更具体、感性的认识,教学中可以顺应学生对神秘宇宙的好奇心,鼓励学生课前利用网络、专业书籍等,收集天文信息及图片,增加对宇宙环境的认识。同时,可以充分利用教材上提供的图片和资料,鼓励学生结合自己的认识,动手绘制天体系统层次图,加深对“可观测宇宙”的理解,提升空间思维能力。
第二,凸显地理学科特点。本节对宇宙的认识是基于地理学科视角的,特别强调地球在宇宙中的位置。分析其他天体与地球的关系都是基于位置展开的,描述行星地球也突出地球在太阳系中的位置。教学中要与天文、物理学科相区别,特别注意紧扣情境中“这与它在宇宙中所处的位置有什么关系?”这一核心问题展开,引导学生始终立足“位置”分析地球的宇宙环境和行星地球的特征。
第三,切实指导学生开展天文观测活动。可根据教学进度,以作业的方式布置学生连续观测、记录月相、行星、星系等天象。条件允许的情况下,教师可以与学生一起利用天文馆等设施在适合的夜间进行天文观测,示范观测过程、分享观测发现,并通过案例分析引导学生将相关知识应用在今后的生活、工作中,提升地理实践力。
第四,淡化宇宙空间探测,突出宇宙环境认识。本节有关内容教学的重点不应是空间探测技术本身,而应是通过这些技术手段让我们能更清楚地认识地球的宇宙环境,从而更好地为研究地球的自然环境服务。同时,为突出地球作为人类目前在宇宙中唯一的家园这一现实,教学中不宜过多拓展天文、物理等方面的内容,而应把握“唯一的家园”现状,引导学生既要着眼宇宙环境,理解人类生命的神奇,更要用自身行动珍惜和保护地球的宇宙环境。
重点和难点
从全节教学内容看,“地球在天体系统中的位置”“地球上生命存在的条件”是重点,“认识地球是一颗既普通又特殊的行星”“地球上生命存在的条件”是难点。
课时建议 1课时。
实施建议
【导入】
教学中,引入教材设计的情境要实现两个功能：一是激发学生的好奇心,吸引学生关注宇宙环境中的地球；二是引发学生的认知冲突。地球不发光为何光彩夺目?为何杨利伟描述地球就像站在宇宙舞台的中央?这样的设问可激发学生的认知冲突。具体方式可结合教学实际灵活安排。
关于地球及其他天体(天体系统)的图片及资料,网络媒体上很多,如关注度很高的我国“神舟”系列飞船从太空拍摄的图片等。因此,可以利用教材的情境设计引入,也可以结合学生查找的相关素材进行拓展,或者利用歌曲《夜空中最亮的星》及科教片《宇宙与人》等创设情境,引起学生对宇宙的兴趣,从而提出问题：为什么卫星在太空中可以拍摄到明亮的地球?在宇宙中除了地球外还有哪些物质?在浩瀚的宇宙中,地球究竟处于什么位置?通过设问进入教学。
【地球在宇宙中的位置】
这部分教学活动的重点是以示意图为手段建构天体系统模式,进而说明天体系统的形成和层次关系,引导学生逐步清晰而准确地确认和描述地球所处的位置。具体教学可分两个层次展开。
一、阐明天体的概念,列举常见的天体类型
1.对天体概念的理解要引导学生把“天体”与常说的“星星”等词语区分开来,点明教材中所指的天体均指天然天体,并强调概念中的要点：宇宙中物质存在形式、空间探测手段能够探测、星际空间物质。
2.由于天体概念比较抽象,教学中要着重运用教材中图1.2来进一步阐释,还可通过网络收集与图中天体相对应的视频和图片,拓展这些天体的具体形象,帮助学生理解不同类型天体的特点。
二、阐明天体系统的层级关系,了解各层级天体系统的组成和结构
1.对天体系统的层级关系的理解要与教材中图1.3相结合,引导学生对照图观察地月系、太阳系、银河系和可观测宇宙这四个层级,认识这四者由低级到高级的层级关系。
2.根据天体系统的层级关系,由低级到高级依次描述各级天体系统的组成和结构。介绍地月系时可适当对“活动”的月相进行简单解释。在阐述太阳系的组成和结构时,着重引导学生结合教材中图1.4回答下列问题：太阳系中有几颗行星?距离太阳由近及远依次分布着哪些行星?在说明银河系时,可借助教材中图1.5向学生展示地球上所能看到的银河,并运用距离单位“光年”和教材中图1.6将太阳系和银河系进行对比,进而帮助学生认识银河系是庞大的恒星系统。另外,在教学中要强调地球在各级天体系统中的位置。
【活动：开展简单的天文现象观测活动】
此活动可按如下步骤开展。
一、做好观测前准备工作
1.明确观测任务,合理进行组间和组内分工。
2.选取合适的观测地点,确定合适的参照物以便确定月亮(或其他天体)方位。配备指南针以便确定方向。
3.介绍月亮(或其他天体)高度角的简单估算方法。
二、组织实地观测并记录
1.各小组按照分工,开展实地观测活动。利用肉眼直接观测,结合指南针、参照物及高度角估算方法等进行记录。
2.老师通过一定的方式,实时对学生进行指导,并与学生交流和合作。
3.在观测过程中,各小组可交流信息,相互帮助。
三、总结观测结果
各小组将记录的数据整理、归纳,总结月亮(或其他天体)位置和形状的逐日变化。教师及时对各小组的观察流程及结果进行评价。评价内容应包括前期准备工作、安全注意事项、观测记录内容、存在的主要问题等方面。
【行星地球】
这部分内容教学的重点是引导学生理解“地球是太阳系中一颗既普通又特殊的行星”。对“特殊”的理解要建立在对“普通”的了解之上。具体可采用比较的方式分两个步骤进行。
一、比较八颗行星的结构特征和运动特征
从分析课本图表信息入手,了解太阳系的主要成员,即八颗行星。对八颗行星的基本特点进行对比,进而分析地球是一颗怎样的行星。根据八颗行星的表面性质、体积大小等,可把它们划分为类地行星、巨行星和远日行星三大类。教材中图1.9直观地表现了八颗行星的体积差异和距日远近。在读图时,先引导学生注意图名,把握读图的重点,分析和对比太阳系八颗行星的体积和距日远近。
分析教材中表1.2相关数据。在分析时,建议结合教材中图1.4进行。引导学生运用基本的数理知识比较八颗行星的运动特征(公转方向、轨道平面夹角、公转轨道形状等),从而得出八颗行星公转轨道具有同向性、共面性和近圆性。
从以上分析可以得出：无论从距日远近、自身的体积,还是从公转特征来看,地球都是太阳系中一颗普通的行星。
教学中要突出学生自主学习的能力,鼓励学生围绕地球的普通性,通过分析图表、自主查阅资料和小组讨论探究的方式,挖掘其中隐含的地理信息。
二、分析地球适宜高级智慧生命生存和繁衍的条件
对于地球的特殊性,应侧重引导学生通过对地球的普通性和特殊性的认识,学会辩证地看待地理问题。教学中可依据教材提出的“地球上具有适宜高级智慧生命生存和繁衍的温度、水、大气等条件”,鼓励学生读图表分析。可重点围绕教材中图1.9展开,提出如下问题：
1.按距太阳由近及远,地球是第几颗行星?日地平均距离是多少?
2.地球所处的位置对地球温度有何影响?
3.地球的体积和质量对地球上存在大气有何影响?
4.地球上存在大量的液态水与地球所处的位置有何关系?
解答上述问题时,教师要引导学生运用多学科知识,从太阳系宏观结构和地球上大气、水等微观物质状态等不同角度进行分析。要重点培养学生从空间视角分析图表信息的能力,帮助学生形成“自然环境是人类赖以生存和发展的基础”的人地观念。考虑目前人类科技水平有限,对宇宙空间的探测范围很小,仍存在许多未知领域,教学中还可进一步提出“除地球外,其他星球上是否可能存在生命?”引导学生大胆畅想、求异创新。同时也应强调科学幻想不能是没有任何根据的胡乱猜想,从而培养学生的发散思维能力和实事求是的科学态度。
【自学窗】
可用列表的方式,梳理人类制造和利用天文望远镜进行天文观测所获得的重大发现。教学中也可结合教材中图1.10,展示更多先进的空间望远镜,向学生适当介绍当前宇宙观测的最新成果,帮助学生认识观测工具和手段在宇宙探索中的重要意义,以激发学生课后自主探究和学习相关科学技术的兴趣。这一部分不承担教学任务,可以鼓励学生结合“天文观测活动”课后拓展了解。
评价建议
一、评价目标
根据教学目标,参照学业质量标准,可制定本节评价目标(表1-1)。
表1-1 第一章第一节教学与评价目标
| 评价目标 | 水平1 | 水平2 | 水平3 |
| 知道天体的概念、分类 | 能说出天体的概念和类型 | 能准确对天体进行分类 | |
| 知道天体系统的概念、层级结构 | 能说出天体系统的概念并能简单划分 | 能按照从地月系到可观测宇宙的顺序逐级划分 | |
| 了解太阳系的组成和八颗行星的运动特征 | 知道太阳系的基本组成和八颗行星的名称、位置 | 能进一步说明八颗行星的运动特征 | |
| 说明地球的普通性和特殊性 | 知道地球是太阳系一颗既普通又特殊的行星,其特殊性在于有高级智慧生命存在 | 能从八颗行星运动特征等角度说明地球的普通性,并能简单分析地球上具有适宜高级智慧生命生存和繁衍的温度、大气、水等条件 | 能从不同角度分析图表信息等,并形成“自然环境是人类赖以生存和发展的基础”的人地观念 |
【注】本书中表格分章依序编号,方式见“表1-1”；本书正文中出现编号如“表1.2”等与表号有关的文字均指本书所配教材中的对应表格。
二、评价方法
1.纸笔测验。
命制试题时不能过度注重天体类型及其特征的抽象识记,而是要关注学生是否掌握天体系统的层级关系、是否了解地球在宇宙环境中的位置、是否理解地球的普通性与特殊性。
2.课堂观察。
要紧扣重难点,观察评估学生的认知方法和思维水平。本节内容重在对地球在宇宙环境中所处位置的分析。课堂上要关注学生从图表中提取信息的能力,以及通过对不同事物对比分析得出结论的能力。例如在说明八颗行星的运动特征时,学生要从图表中发现多个特征信息,并进行对比分析,进而得出结论。
3.表现记录。
根据天文现象观测活动的目标设计活动表现记录表,进行等级评定。
三、评价示例(以教材中活动为例)
活动:开展简单的天文现象观测活动(材料略)
本活动评价为表现性评价。活动过程中教师全程关注各小组的活动,同时适当记录学生的表现,采用等级评定的方式对学生进行评价(表1-2)。
表1-2天文观测活动表现评价
| 评价目标 | 自评 | 组评 | 师评 | 典型表现记录 |
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观测活动中能够按照要求记录和整理信息, 有发现问题、探索问题的兴趣 |
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能够与人合作设计观测方案,独立思考并选 择适当的记录、观测方法 |
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能够坚持观测活动,主动反思、及时发现观 测中的问题,有克服困难的勇气和方法 |