基于Stellarium中學(xué)天文科普活動的探索

戈嘉璐　吳松　司源

【摘要】近年，中國天文成就輝煌，航天事業(yè)躋身于世界前列。越來越多的學(xué)生開始關(guān)注天文，天文科普成為了解天文，關(guān)注地外世界最直接、最有效的方式。天文科普不僅響應(yīng)素質(zhì)教育中補(bǔ)充天文知識的號召，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神與探究意識。結(jié)合中學(xué)天文科普的現(xiàn)狀及意義，利用Stellarium（虛擬天象儀）這一開源天文軟件的科學(xué)性、直觀性和靈活性等優(yōu)勢，推動中學(xué)天文科普活動的發(fā)展，創(chuàng)新中學(xué)天文科普方式，使天文走進(jìn)中學(xué)課堂，融入中學(xué)生的生活，進(jìn)而推動中國天文科普事業(yè)不斷向前發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】Stellarium（虛擬星象儀）；天文科普；中學(xué)生；現(xiàn)代化教學(xué)

【Abstract】In recent years， Chinese astronomy has gained great achievements among the highest in the world aerospace industry. More and more students began to focus on astronomy， astronomical science becomes the most direct and effective way to understand astronomy and know the world outside.Education is not only in response to astronomical science supplement called astronomical knowledge， but also cultivates the students' innovative spirit and sense of exploration. Combined with the present status and significance of secondary astronomical science， using Stellarium （virtual planetarium） the scientific nature of this open source astronomy software which has intuitive and flexible advantages to promote the development of astronomical science activities in high school， innovating the ways of middle school astronomical science to make astronomy go into the high school classrooms， into the lives of high school students， thus promoting the development of Chinese astronomical science career forward.

【Keywords】Stellarium；Astronomical science；Middle school students；Modern teaching

天文學(xué)是一門古老的自然類學(xué)科，天文科普是學(xué)習(xí)天文知識最有效的方法，在現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)越來越發(fā)達(dá)的今天，在天文科普中融入現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)模式已經(jīng)成為了一種潮流與趨勢，Stellarium軟件通過openGL技術(shù)對星空進(jìn)行實(shí)時的追蹤，可以真實(shí)地反饋出經(jīng)由肉眼、雙筒望遠(yuǎn)鏡和小型天文望遠(yuǎn)鏡所看到的天空，其畫面質(zhì)量高且精美，具有最直觀的視覺沖擊力，極大程度的增強(qiáng)了人們對于天文的興趣。與此同時，它不僅可以在配備有普通多媒體的教學(xué)中應(yīng)用，還可以被應(yīng)用于更為專業(yè)的天象館。由于它直觀的視覺感受，使得它打破了傳統(tǒng)的天文科普的方式，使天文科普在中學(xué)的開展效果得到極大的提高與改善。

1.中學(xué)天文科普的現(xiàn)狀及意義

1.1中學(xué)天文科普的現(xiàn)狀

1.1.1普及方式種類多但效果不佳

目前天文科普的方式多為從書本、互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)的天文故事或影像資料，或通過一些天文小活動，如：光學(xué)小制作、天文星圖或天文七巧板等。雖然天文科普形式多樣但科普內(nèi)容有限。隨著許多天文科技館的出現(xiàn)，天文知識的普及由傳統(tǒng)的書本向借助多媒體技術(shù)過渡，但是由于科技館難以做到對廣大人群進(jìn)行長期、實(shí)時的天文知識普及，因此在時空上具有一定的局限。因此，傳統(tǒng)的科普方式效率低下，效果不佳。

1.1.2中學(xué)生對天文的興趣不濃

據(jù)相關(guān)調(diào)查，閱讀課外天文科普書籍2本以下的占35%，3本左右的占45%，4本以上者僅占20%。知曉中外天文學(xué)家的名字能說出1-2個的占40%，能說出5-6的占15%，能說出6個以上的占25%，還有20%的學(xué)生一個也說不出來。關(guān)于最新的天文成果，能說出3-5個的占20%，1-3個的占25%，55%一個也說不出來[1]。

由上述數(shù)據(jù)可見，中學(xué)生對天文的興趣不濃厚，關(guān)注度不高。其原因多為中學(xué)天文科普的方式較為傳統(tǒng)且內(nèi)容單調(diào)，教學(xué)模式多為老師向?qū)W生的單向傳授。因此，科普效果不佳，學(xué)生對天文知識的興趣逐漸降低。針對此現(xiàn)狀，改善天文科普活動方式迫在眉睫。

1.1.3科普具有局限性且難度高

專業(yè)的天文觀測設(shè)備往往體積龐大，不可隨意搬動。而可移動天文設(shè)備的觀測效果常受天氣和光污染的影響，被動性較強(qiáng)。開展實(shí)地觀測，學(xué)生外出存在安全隱患，同時城市燈光污染也會使天文觀測活動難以順利開展。綜上，天文科普在中學(xué)的實(shí)地開展存在一定難度。

Stellarium是附著于計(jì)算機(jī)的一款軟件，可用作天文觀測的教具，它不受外界因素影響，靈活性強(qiáng)，而且兼容多種操作系統(tǒng)，并具有強(qiáng)大的視覺沖擊力，能大大激發(fā)中學(xué)生對天文的興趣，為天文科普的開展提供有力的技術(shù)支持。

1.1.4天文科普在中學(xué)開展的優(yōu)勢

天文科普在中學(xué)階段的開展優(yōu)勢明顯并有較多有利條件：第一，隨著教育部對于課程改革的進(jìn)行，課業(yè)壓力在逐步的減輕，中學(xué)生擁有了更多的課余時間來進(jìn)一步的了解和發(fā)展自己的興趣和愛好；第二，中學(xué)階段是一個學(xué)習(xí)事物的“黃金時期”，中學(xué)階段的學(xué)生對于新鮮的事物有著強(qiáng)烈的好奇心。上述條件對天文知識的科普具有非常重要的意義。因此，中學(xué)階段進(jìn)行天文科普的活動，豐富了學(xué)生的課余生活的同時，也拓寬了學(xué)生的視野，培養(yǎng)了學(xué)生對于天文的興趣與愛好。

1.2中學(xué)天文科普的意義

1.2.1有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

對于中學(xué)生來說，開展天文科普活動，有利于學(xué)生形成科學(xué)的認(rèn)知方式和科學(xué)的自然觀，能夠提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[2]。天文學(xué)是一門包羅萬象的自然類科學(xué)，天文科普的開展多角度，多層次的豐富了中學(xué)生的知識儲備，拓寬他們的視野。天文學(xué)作為六大基礎(chǔ)學(xué)科之一，與其他學(xué)科聯(lián)系緊密，如：在天文學(xué)中既包含物理學(xué)中的光學(xué)、力學(xué)、分子物理學(xué)等知識，也有化學(xué)中的元素的質(zhì)的變化等知識。在天文科普的過程中，學(xué)生對天文科學(xué)知識達(dá)到基本的了解程度并對科學(xué)的研究過程和方法達(dá)到基本的了解程度。因此，天文科普在中學(xué)的展開有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[3]。

1.2.2有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)

在天文科普活動的開展中，對于觀測的結(jié)果，學(xué)生展開猜想、討論與思考，這樣的活動方式有利于培養(yǎng)學(xué)生的合作精神與探索精神，提高他們的獨(dú)立思考能力，并且在交流過程中，提高了學(xué)生的交際能力。在觀測過程中會存在一些分工與合作，有利于他們動手能力與分工合作能力的提高。這些綜合能力的培養(yǎng)與提高有利于他們應(yīng)用到今后的學(xué)習(xí)和工作中去。

1.2.3有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神

無窮無盡的宇宙充滿了奧秘與奇跡，有許多新鮮事物吸引著我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。而天象觀測是一項(xiàng)長期的，持久的活動，這使我們要擁有堅(jiān)持不懈的探索精神。在天文科普中經(jīng)常會出現(xiàn)一些難以理解的天文現(xiàn)象，會引起學(xué)生們的好奇心并刺激他們?nèi)プ灾魈剿?，尋找原因。這樣，他們的自主探索精神和鉆研精神就會得以提高，這種提高會為他們今后的工作與學(xué)習(xí)提供寶貴的財(cái)富。

2. Stellarium在天文科普中所具有的優(yōu)勢

2.1演示畫面真實(shí)直觀

Stellarium作為天文星圖軟件，享有“虛擬天象館”的美譽(yù)，它應(yīng)用三維動畫將天象展示的淋漓盡致，以最震撼的視覺效果向觀看者展示天文現(xiàn)象。同時Stellarium為觀看者提供大量的天文素材，并且呈現(xiàn)的效果與無污染真實(shí)觀測的星空別無二。操作者可通過鼠標(biāo)移動拖拽天空看到任何位置的天空并可根據(jù)實(shí)際時間觀測頭頂?shù)奶煜笞兓?。結(jié)合Stellarium，不僅可以看到實(shí)時星空，還可以觀看和捕捉星座、行星和彗星的運(yùn)動軌跡，真實(shí)模擬日月食、太陽黑子等多種天文現(xiàn)象。結(jié)合Stellarium的天文科普方式是科學(xué)發(fā)展的結(jié)晶，這種新穎的方式必將帶給我們更好的對于天文知識的認(rèn)知力，同時極大程度上提高對天文知識學(xué)習(xí)的興趣。

2.2應(yīng)用打破時空局限

Stellarium打破了時空的局限性。在時間與空間上，它可以實(shí)現(xiàn)任意的轉(zhuǎn)換。在天文科普的實(shí)際活動開展中，講解者在授課的過程中，可以根據(jù)學(xué)習(xí)者提出的時間段以及想要了解和學(xué)習(xí)的天象情況（例如：流星軌跡的展示，星座展示等等）進(jìn)行任意調(diào)整，將最具有說服力和生動的畫面展示給學(xué)習(xí)者。Stellarium不僅僅是一個秉承有科學(xué)的計(jì)算機(jī)軟件，同時也做到了知識與學(xué)習(xí)者之間的互動，這種可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的主觀意愿進(jìn)行天文科普的方式，最大程度上提高學(xué)習(xí)者的效率。因此，在天文科普活動中融入Stellarium軟件，使天文科普的發(fā)展邁上了一個新的臺階。這種突破性的互動也最大程度上滿足了中學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心。

2.3軟件操作簡單方便

Stellarium軟件操作簡單并且可操作性強(qiáng)。它主要通過鍵盤的指令操作對內(nèi)容進(jìn)行選擇。例如為觀看者進(jìn)行全屏模式的切換，對天體進(jìn)行選擇性展示，顯示星座的連線以及星座之間的界限，顯示星座的名稱和切換展示赤道坐標(biāo)系與地平坐標(biāo)系等。在應(yīng)用中，操作簡單易學(xué)，方便使用者的控制。目前Stellarium已經(jīng)有漢化版本，更方便了中國用戶的使用。即使對于以前從未接觸過Stellarium軟件的初學(xué)者來說，在短時間內(nèi)也可以熟練運(yùn)用此軟件。

2.4對比其它軟件應(yīng)用

2.4.1與Google Earth對比

Google Earth是一款由Google公司開發(fā)的虛擬地球儀軟件，它把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個地球的三維模型上。用戶可以下載一個客戶端免費(fèi)瀏覽世界各地高清衛(wèi)星圖片。Stellarium采用openGL技術(shù)對星空進(jìn)行實(shí)時渲染，可以逼真地表現(xiàn)通過肉眼、雙筒望遠(yuǎn)鏡和小型天文望遠(yuǎn)鏡所看到的天空。極強(qiáng)的動態(tài)性特征使中學(xué)天文科普變得更加生動形象，因此相比Google Earth， Stellarium動態(tài)性與實(shí)時性更強(qiáng)。

2.4.2與SkyMap對比

Skymap，它是顯示由地球看到天空從西元前4000年到西元8000年的星座分布的天文軟件。具有兩種顯示的模式，一種是Horizon，模擬一般觀察者在地面所看到的景象，另一種是SkyArea，即你可以選擇天空中一小塊的區(qū)域，加以放大，所顯示出來的景象。從觀測與模擬的內(nèi)容上看，stellarium擁有超過60萬余顆星星的超逼真立體星空、真實(shí)星云影像、大氣與陽光效果、行星與衛(wèi)星、以及星座分布并且能夠自由縮放與移動時間。因此，Stellarium避免了天文科普內(nèi)容的單調(diào)性，拓寬了中學(xué)天文科普的內(nèi)容與范圍，能更好的豐富中學(xué)生的天文知識，對擴(kuò)展中學(xué)生的視野也有重要的作用。因此相比Skymap，stellarium內(nèi)容更加豐富。

2.4.3與萬維天文望遠(yuǎn)鏡對比

萬維天文望遠(yuǎn)鏡是微軟亞洲研究院項(xiàng)目，通過它可以瀏覽太空美景，可以看到絢麗的遠(yuǎn)太空獨(dú)特的星云等。萬維天文望遠(yuǎn)鏡通過互聯(lián)網(wǎng)把全球的天文資源無縫透明的融合在一起，借助強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和友好的用戶界面，為全世界的人提供了一種全新的使用天文數(shù)據(jù)的方式。與此同時，萬維天文望遠(yuǎn)鏡提供漫游片也支持用戶自制漫游片。但這種漫游片與Stellarium的腳本相比，略顯古板，動態(tài)性能較低且靈活性較差。因?yàn)槿f維天文望遠(yuǎn)鏡提供的漫游片是PPT幻燈片，只能結(jié)合圖片、文字、聲音進(jìn)行演示，而Stellarium在執(zhí)行腳本時，畫面是以動態(tài)的形式進(jìn)行，用戶在點(diǎn)擊執(zhí)行腳本以后能夠以觀看視頻、紀(jì)錄片的形式來了解天文知識，這種技術(shù)在中學(xué)天文科普中的應(yīng)用極大地增加了天文科普的趣味性與形象感。因此與萬維天文望遠(yuǎn)鏡相比，Stellarium的自主創(chuàng)新空間更大。

2.4.4與Starry Night對比

Starry Night是加拿大Simulation Curriculum公司研發(fā)的一系列優(yōu)秀天文軟件，以其數(shù)據(jù)庫資源和高仿真的動態(tài)模擬功能贏得了全球天文愛好者的好評。但全英文的界面定會給中國用戶造成一定的困惱，而Stellarium的界面語言可以自由設(shè)置，對于中國用戶而言，Stellarium有漢化版本，這更能方便極大地增加了在我國的適用范圍，對提升天文科普效果起到了積極促進(jìn)作用。因此，與Starry Night相比，Stellarium漢語版本的出現(xiàn)更貼合我國的實(shí)際使用情況。

2.5促進(jìn)天文融入生活

要引領(lǐng)中學(xué)生在思想上“仰望天空”，首先就要讓他們抬起頭來，真真實(shí)實(shí)地仰望一下自己頭頂上的天空，而掌握一定的天文知識則是了解頭頂天空的必要前提。但在現(xiàn)實(shí)生活中，中學(xué)生往往接觸天文科普的形式有限。盡管天象館有著其獨(dú)特的作用，但由于專業(yè)設(shè)備過于龐大，不便于攜帶，使得天象館在實(shí)際天文科普中會受到時空的局限[4]。而Stellarium能夠不受空間局限，直觀顯示宏觀與微觀的天象，（例如：恒星的位置、恒星的連線、星座的位置）再通過虛擬仿真的手段將抽象的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學(xué)生更易感知感受的情境。Stellarium是一款通過桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出的天象軟件，可以滿足中學(xué)生的興趣和愛好，激發(fā)學(xué)生對天文知識的自主探索性，調(diào)動學(xué)生想象力和培養(yǎng)學(xué)生對于天文認(rèn)知的思維能力。因此，天文科普活動結(jié)合Stellarium拉近了學(xué)生與浩瀚宇宙之間的距離，使天文科普真正意義上的走進(jìn)生活，融入生活。

3.stellarium在天文科普中的實(shí)踐應(yīng)用

3.1利用北極星識星座

星座作為天文學(xué)中必不可少的組成部分之一，讓學(xué)生掌握星座知識成為天文科普的基本要求，而北極星則是認(rèn)識星座及尋找星座的關(guān)鍵，它是最靠近正北方位的一顆恒星，千百年來地球上的人們就是靠它的星光來導(dǎo)航。因此，北極星在野外觀測活動中具有重要意義。從漫天繁星中辨別出北極星顯得十分重要，了解北極星的相關(guān)知識是認(rèn)識星座的立足點(diǎn)。

首先，利用stellarium模擬星空幫助學(xué)生尋找北極星，以達(dá)到全面了解北極星的教學(xué)目的；其次，在stellarium中能形象的展示出北極星與各星座的聯(lián)系，因此能實(shí)現(xiàn)通過北極星認(rèn)識星座的教學(xué)目標(biāo)，以提升天文科普的效果[5]。

3.2觀看日食動態(tài)過程

近年來，各大新聞媒體以及網(wǎng)絡(luò)對于天文中日食現(xiàn)象的宣傳，使得我們越來越關(guān)注日食這種天文現(xiàn)象。目前對于日食的觀測，方法有多種，如：望遠(yuǎn)鏡投影法、小孔成象法等。而最普通的方法是用熏黑的玻璃，磁盤盤芯，照相底片或焊工的防護(hù)玻璃。但在日食的實(shí)際觀測中卻受到時間、天氣及觀測工具的局限。Stellarium可以向?qū)W生動態(tài)的展示出日食全過程，使得學(xué)生可以觀測到完整的日食現(xiàn)象，從整體把握日食現(xiàn)象，從而達(dá)到利用先進(jìn)的教學(xué)手段提升教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)[6]。

3.3演示月食全部過程

月食發(fā)生在每月農(nóng)歷十五左右。因?yàn)榇藭r月球運(yùn)行進(jìn)地球的陰影中，由于地球在月球軌道處的投影總比月球大，所以月環(huán)食的情況是不會發(fā)生的。月食在現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)生的幾率小，因此學(xué)生很少有親眼觀看月食的機(jī)會。但Stellarium可以使學(xué)生在天文科普中隨時隨地的觀看月食全過程，使學(xué)生達(dá)到身臨其境的感覺，加深對月食的理解，進(jìn)而提升天文科普的質(zhì)量。Stellarium動態(tài)的演示月食全過程，能更好的展示月食的各個階段，使學(xué)生做到眼腦并用，使提高學(xué)生綜合能力的教學(xué)目的得以實(shí)現(xiàn)。

3.4學(xué)習(xí)認(rèn)知太陽黑子

太陽黑子是在太陽的光球?qū)由习l(fā)生的一種太陽活動，是太陽活動中最基本、最明顯的。由于專業(yè)觀測設(shè)備的簡陋或缺乏，使太陽黑子的觀測基本不能實(shí)現(xiàn)，天文科普中的了解太陽黑子的教學(xué)任務(wù)就不能完成了，而利用Stellarium軟件只需將時間設(shè)置為太陽黑子活動的周期，我們便可以觀測到太陽黑子的活動，還可以避免直接觀測中的意外傷害。

3.5模擬動態(tài)流星

流星是指運(yùn)行在星際空間的流星體（通常包括宇宙塵粒和固體塊等空間物質(zhì)）在接近地球時由于受到地球引力的攝動而被地球吸引，從而進(jìn)入地球大氣層，并與大氣摩擦燃燒所產(chǎn)生的光跡；而流星雨（每小時一顆的流量就可以稱為流星雨）是一種有成群的流星看起來像是從空中的一點(diǎn)中迸發(fā)出來，并附落下來的特殊天象。由于受流星雨流量、觀測時間以及大氣污染等因素的影響，使流星雨的室外觀測變得困難，但流星雨的知識又是天文科普中較重要的教學(xué)內(nèi)容，所以運(yùn)用Stellarium可以輕松地模擬流星雨，以動態(tài)的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生從另一個角度，用另一種方式學(xué)習(xí)流星雨，這也能使流星雨部分的教學(xué)任務(wù)能很好地完成。

4.Stellarium軟件具體應(yīng)用過程與演示效果

通過數(shù)據(jù)線將裝有Stellarium的電腦與教學(xué)多媒體進(jìn)行連接，展示在投影屏幕的內(nèi)容與電腦同步。

打開Stellarium軟件后，具體演示步驟如下：

1.第一個畫面是方位的選擇，進(jìn)行方位的選擇后。在“天空”中，選擇天體絕對與相對的大小；行星以及衛(wèi)星還有大氣層的顯示；流星天頂?shù)男r率（調(diào)整的數(shù)據(jù)越高，流星就出現(xiàn)得越多）。

2.在“標(biāo)示”中，選擇天球的顯示，坐標(biāo)、網(wǎng)格。同時，可以選擇各種星座的顯示，名稱，連線和亮度等。

3.在“地景”中，根據(jù)觀看者的興趣偏好，調(diào)整地景。具體的調(diào)節(jié)過程可在右下方選項(xiàng)中進(jìn)行選擇。

4.根據(jù)觀看者的需求，如果想看得更近，可以點(diǎn)中目標(biāo)，通過滾動鼠標(biāo)，即可慢慢放大。也可以通過觸摸板上的放大手勢進(jìn)行大小調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

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[3]賴其云.對中小學(xué)開展天文科普活動的認(rèn)識與實(shí)踐[J].教學(xué)月刊（中學(xué)版），2009，（6）：24-26.DOI：10.3969/j.issn.1671-7058.2009.06.008

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[6]孫超，張翠.Stellarium天文軟件在《行星地球》一章中的應(yīng)用[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2011，08：31-32.

作者簡介

第一作者：戈嘉璐，女，1994年生，遼寧遼陽人?，F(xiàn)就讀于遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，任學(xué)院團(tuán)委副書記一職；

第二作者：吳松，男，1994年生，四川南充人，現(xiàn)就讀于遼寧師范大學(xué)；

第三作者：司源，女，1995年生，遼寧朝陽人，現(xiàn)就讀于遼寧師范大學(xué)。