月相变化观测器的自制

摘要

针对传统教材所用月相盒在观测记录不便、难以连续观察，以及与实际月相吻合度欠佳等方面的不足，对月相变化观测器进行多项优化，大大提升了观察的灵活性与准确性。该教具的开发充分体现了因材施教理念，教师可根据学生的具体学情，灵活选择不同的实验方式，有助于学生在多样化的实践体验中发展科学思维。此外，观测器通过更换可旋转盘等模块化设计，实现了“一器多用”，即可用于多个相关天文现象的探究实验，显著拓展了教学内容的深度与广度。

Graphical abstract

关键词

自制教具 / 月相变化 / 观测器 / 实验改进 / 科学思维

教材设计利用月相盒进行模拟实验的活动^［1］。该月相盒是一个圆柱体，侧面均匀分布着几个观察孔，每个观察孔代表一个特定的日期和观测方向。在其中一个孔的位置安装了一个灯泡，模拟太阳光源（此孔不用于观察）。其余每个观察孔旁标有对应的日期和从该方向看到的月相名称。盒子内部涂成黑色，底座中央有一个白色小球模拟月球。学生从未安装灯泡的观察孔向内观察，将看到的月相形状画下来，并标上对应的日期和月相名称。

原实验的不足：①容易造成认知混乱，观察的月相为亮的左边或右边，与实际观察到的月相不符；②每次观察到的月相是不连续的；③容易造成认知错误，太阳比例小，不利于建构正确的地月日关系和探究月相变化的原因；④不方便学生观察记录。

利用物体相对运动、月相形成原因、地球的地轴倾斜等相关知识设计制作月相变化观测器，如图1所示。该教具主要由以下四大部分组成。

（1） 可调试底座。该底座支持垂直和水平双向调节：垂直调节可根据学生身高和地面状况，调整支架至适宜高度，确保观测舒适；水平调节则能模拟地轴倾斜，帮助学生探究实际观测月相与课本描述存在差异的原因。

（2） 底盘。该教学底盘采用双层设计：下层是固定底盘，连接可调底座；上层是一个可旋转盘，盘面图像可根据教学需要更换。在研究月相变化的课程实验中，使用的是专为地月关系设计的旋转盘面。该盘面中心固定代表地球的模型，外围设有月球运动轨道，并在轨道上标注了8个关键的月球方位观察点。

（3） 月球模拟器。月球模拟器为一个半黑半白的球体，用于模拟月球。其底部装有环形磁铁，与底盘上8个标注有位点的环形磁铁通过异极相吸原理固定——底盘所有位点磁铁极性相同，月球模拟器底部磁铁极性相反，使得模拟器可稳固吸附于任意位点，便于移动和观察。每个位点均标有阳光照射方向，学生通过底盘图示即可明确光源方位。月相模拟器的白色半球涂有夜光材料，在暗室中模拟月球被太阳照亮的部分。学生从一个固定方向（代表地球视角）观察，通过将月球模拟器置于不同位点，即可对应看到从新月到满月等不同月相。

（4） 观察记录单。该观察记录单为圆形透明设计，标有代表月球运动轨迹的8个位点。其中特设“我观察到的月相”记录圈，能引导学生边观察边记录，并促进他们的讨论与反思，从而有效培养其科学模型建构能力^［2］。

1 材料工具

相机三角支架、水平底座、直径约60 cm的圆形KT板2张、滚轴4个、直径8 cm的圆形小球8个、夜光喷漆、直径2 cm环形磁铁16个、直径50 cm透明塑料纸等。

2 制作方法及仪器结构

2.1 月相变化观测器的支架

（1） 以相机三角支架为底架，去除相机固定器，安装水平底座，支架可以调节垂直高度和水平倾斜度。

（2） 底盘安装：首先，将水平底座与底盘下层（KT板）固定；接着，在底盘下层对称地安装四组滚轮；最后，安装底盘上层。整体组装顺序参见图2。

（3） 底盘上层为可旋转盘，贴可替换喷漆板，在月相观察实验中，采用地月关系旋转盘，中间为地球，外设有月球运动轨道，标有8个观察位点，并在8个观察点上安装环形磁铁底座，并用红色夜光贴纸标明太阳光方向，方便学生直观操作，如图3所示。

2.2 月球模拟器的制作

利用3D打印机打印直径8 cm空心小球，将小球涂为半黑半白，并在白色面涂上夜光染料；在小球底部安装环形磁铁，如图4所示。

2.3 月相观察记录单的制作

用透明塑料板裁剪了一个直径50厘米的圆形，并在上面制作了签到记录表，在记录表上设“我观察到的月相”月相观察记录区，分别标注8个位点，用于观察记录，如图5所示。针对不同学情，可增设“我推测的月相”记录区，让学生通过记录实验前的推测并与实验后的结果对比，从而主动建构正确的月相变化概念。

3 操作步骤及实验现象

（1） 将自制教具放置在地面上，调节支架高度调节器至与视线水平。

（2） 安放月相观察记录单，使记录单上的操作区孔与底盘上的8个位点重合。

（3） 将月球模拟器放置在1号观察位点进行月相观察，并记录在月相观察记录单上。按此方式依次观察并记录其他7个位点的月相，完成室内月相观察实验。（该实验既可在光下观察，也可在暗室中观察）

（4） 在进行月相变化动态观察时，可将教室的窗帘拉上，模拟黑夜进行观察。学生在转动底盘时，可以观察到一个月内月相的连续变化，完成暗室月相观察实验，还可以明显观察到黑夜条件下的月相（图6）。

（5） 拓展延伸实验——月相与地轴倾斜关系实验。利用月相变化观察器支架的水平调节器进行水平调节，使底盘倾斜模拟地轴倾斜，再进行实验观察，能明显发现倾斜后所观察到的上弦月与实际上弦月相符，从而帮助学生解决了“发现月相并不是像书上和月相盒观测的那样亮东面或者西面，而是有一定倾斜角度”这个问题。

4 教学成效

教材月相盒存在观测周期不全、操作易出错等局限。而利用自制月相变化观测器能达到以下目的。

（1） 调试底座可以调节高度，使得模拟月球与观察者视线水平，不受学生身高和地面条件限制，避免产生观察的认知错误。

（2） 底盘上有阳光照射的光线方向，方便学生明确观察方向。底盘上层可以旋转，只需转动底盘，即可在短时间内完整观察并认识一个月的月相周期性变化（由缺到圆，再由圆到缺），从而直观建构月相变化的连续过程概念。此设计有效解决了因时间跨度长或天气因素导致实际观测难以持续的问题。此外，月球模拟器上涂覆的夜光材料，使暗室环境下的实验现象尤为清晰，实现了同一教具在明暗两种场景下的“一器两用”。

（3） 在月相的观察实验中，新旧版教材并未提供实验记录单，导致实验过程耗时多、记录零散、不易观察交流。该实验教具增设了圆形的实验记录单，可直观展现月球的运动轨迹，记录单上标有相应的8个位点，便于学生将其置于底盘上进行同步记录与观察，并设有“我认为的月相”观察记录区。教师也可根据学生学情的不同增设“我推测的月相”记录区，通过实验前后的对比，帮助学生建构正确的月相概念。同时，实验记录单采用透明塑料纸，方便学生涂写，实验后记录单还可以循环使用，节约资源；可以根据学情的不同选择性使用实验记录单，或者自己设计实验记录单，使得实验器材更加适合不同地区、不同年龄和不同学情的学生。

（4） 层层深入，因材施教。该教具在月相观察的教学中，可采取3种不同的用法，教师可以根据学情进行调整使用，也可以引导学生进行知识的深层次学习。第一种使用方法：使用月相模拟器，按照月球绕地球运行的8个典型位置依次摆放，观察并记录对应的月相，将记录填写在观察区。第二种使用方法：针对月相变化动态概念建构学习，转盘时，学生可以连续观察到一个月的月相变化，帮助学生形象建构月相变化是由缺到圆再到缺这一周期性连续过程。第三种使用方法：拓展延伸实验——月相与地轴倾斜的关系，帮助学生建构更加系统的月相概念和地球的地轴是倾斜的概念，建构完整且正确的月相变化模型。

5 自制教具的创新点

（1） 可旋转底盘，方便旋转操作。操作者可以模拟地月日运动，在室内完成月相观察实验，解决原模拟实验受时间、空间和天气的限制问题。

（2） 可调底座，方便垂直高度的调节，使模拟实验教具更加适配学生；也可以进行水平倾斜度调节，模拟地轴倾斜，方便拓展学习，有助于发散学生的科学思维。

（3） 月球模拟器采用夜光涂料，使得月相观察不但可在白天室内进行，也可在暗环境中模拟夜晚月相，使得月相观察的教学形象化，模拟现象科学且生动有趣。

（4） 月球模拟器采用磁吸式底座，解决了球体不易安放的问题，方便操作观察。

（5） 可选性透明实验记录单，能根据学情进行调整，方便不同地区根据学生实际情况进行教学。记录单还可以循环使用，节约资源。同时，圆形的实验记录单很好地展现月球的运动轨迹，帮助学生建构月相概念。

（6） 该自制教具可以采用3种方式进行月相观察，模拟以下现象：①月相在不同时间的变化情况；②月相变化是连续的；③实际观察到的月相变化与地轴倾斜有关；④可以在实际黑夜环境中进行月相探究。

（7） 一器多用，利用率高。该自制教具可通过更换底盘上层，用于多课教学。

（8） 也可将相机三角支架更换为更小巧的支架，制成桌面使用版的月相变化观测器。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 邵发仙，潘波.基于模型建构过程的思维型探究策略［J］.现代中小学教育，2024，40（02）：53-57.

基金资助

福建省教育科学“十四五”规划课题“小学科学‘主题探究式’学习策略的研究”(FJJKZX21-350)