stellarium軟件應(yīng)用虛擬天空的呈現(xiàn)與學(xué)生成長(zhǎng)

王俊

摘要：Stellarium是一款比較著名的開源模擬星空軟件，又叫虛擬天文館?？梢栽陔娔X上模擬公元前99999年到公元99999年之間任何一刻的星空?qǐng)D像，還可以根據(jù)觀測(cè)者所處的時(shí)間和地點(diǎn)，計(jì)算天空中太陽(yáng)、月球、行星和恒星的位置，并將其顯示出來。本文主要分析該軟件在中小學(xué)的天文學(xué)教育中的作用以及具體的做法。

關(guān)鍵詞：stellarium軟件中小學(xué)教育天文學(xué)模擬天空

相比于數(shù)學(xué)物理化學(xué)這些基礎(chǔ)學(xué)科，天文學(xué)在中小學(xué)課堂上出現(xiàn)的少之又少。除了初中科學(xué)和地理課本中有一兩章內(nèi)容有不同程度的涉及，學(xué)生們基本沒有機(jī)會(huì)接觸到。天文學(xué)在人們普遍的的概念中，大致包括三方面：被視為“迷信”和用于八卦的星座、冗長(zhǎng)單調(diào)的天文學(xué)史，以及第谷和開普勒師徒倆憑靠人品的猜測(cè)。從這三方面看，似乎中小學(xué)階段都沒有開設(shè)這門課程的必要。但實(shí)際上，天文學(xué)是觀察和研究宇宙間天體的學(xué)科，它研究天體的分布、運(yùn)動(dòng)、位置、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)及起源和演化，是屬于自然科學(xué)的一門基礎(chǔ)學(xué)科。

所謂基礎(chǔ)學(xué)科，就是以自然現(xiàn)象和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式為研究對(duì)象，探索自然界發(fā)展規(guī)律的科學(xué).它是研究自然界最基本的事物與作用之間的相互關(guān)系以及規(guī)律的，因此，天文學(xué)毫無(wú)疑問是一門獨(dú)立基礎(chǔ)的學(xué)科。但是，綜合多方面來看，我認(rèn)為，在中小學(xué)開設(shè)天文學(xué)教育大有裨益，也是很有必要的。第一，人類對(duì)于天文學(xué)探索的“先觀測(cè)，再解釋，再預(yù)測(cè)”的邏輯思維，很適合教授給中小學(xué)生。由于他們的知識(shí)儲(chǔ)備還不夠充足，不能像大學(xué)里學(xué)習(xí)天文學(xué)那樣，用深?yuàn)W的數(shù)理知識(shí)來研究，但可以從觀測(cè)現(xiàn)象開始，通過觀察美麗的星空，神奇的天體現(xiàn)象來培養(yǎng)他們對(duì)天體，對(duì)自然，對(duì)宇宙的興趣；第二，接觸天文學(xué)，讓孩子們了解自然界的神奇，認(rèn)識(shí)到宇宙的浩渺宏大，有助于建立“宇宙很浩大，人類很渺小”的對(duì)大自然敬畏的世界觀。因此，這門古老的學(xué)科，是極具魅力，值得教給中小學(xué)的孩子們的。

和很多理科學(xué)科的學(xué)習(xí)類似，天文學(xué)的學(xué)習(xí)也是在理論的基礎(chǔ)上，注重實(shí)踐觀察。雖然天文觀測(cè)的一些器材，如適合教學(xué)的望遠(yuǎn)鏡等，價(jià)格并不昂貴，但是開展實(shí)踐觀察依舊難度較大。具體原因如下：一、天文學(xué)在實(shí)際生活中的應(yīng)用太少，因此在中小學(xué)整個(gè)教育體系中還不夠被重視；二、要獲得較好的天體星座的觀察結(jié)果，觀察時(shí)間最好選在晚上，而如果教師要在晚上組織學(xué)生進(jìn)行觀察，實(shí)際操作難度大，因?yàn)閷W(xué)生們晚上的人生安全難以得到保障。這一方面，物理化學(xué)這兩門基礎(chǔ)學(xué)科的相對(duì)就更易于操作，因?yàn)閹缀跛械膶?shí)驗(yàn)都可以在實(shí)驗(yàn)室完成，教師還可以在課堂上現(xiàn)場(chǎng)演示，將教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合。三、如果不是專業(yè)人員用專業(yè)儀器觀測(cè)，得到的結(jié)果一般都不理想，也就是說，如果是教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐觀察，所得照片等結(jié)果一般會(huì)與預(yù)期結(jié)果相差很大，從這個(gè)角度來說，這樣的實(shí)踐觀察對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)并沒有切實(shí)的幫助，還會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力；四、結(jié)合現(xiàn)在的生活環(huán)境，大氣污染嚴(yán)重，空氣條件差，更不利于觀察天體星空了。

而下面我要介紹的stellarium這款軟件可以在一定程度解決上述天文學(xué)教學(xué)中可能出現(xiàn)的問題。

stellarium是一款虛擬星象儀的計(jì)算機(jī)軟件。它可以根據(jù)觀測(cè)者所處的時(shí)間和地點(diǎn)計(jì)算天空中太陽(yáng)、月球、行星和恒星的位置，并將其顯示出來。它還可以繪制星座、虛擬天文現(xiàn)象（如流星雨、日食、月食等）。stellarium可以作為學(xué)習(xí)夜空知識(shí)等教具，還可以作為天文愛好者星空觀測(cè)的輔助工具，或者僅僅是滿足一下好奇心。stellarium的開發(fā)速度很快，而且可以在多個(gè)系統(tǒng)上下載運(yùn)行，如windows，Linux，Mac OS都可以，比較方便。

尤為重要的是，stellarium所含資源非常豐富。軟件含默認(rèn)星表包含超過60萬(wàn)顆恒星，擴(kuò)展星表包含超過2.1億顆恒星，超過20種不通文化中的星座劃分，包含所有梅西耶天體的星云圖像，還有逼真的銀河系、高度還原的大氣層光影效果等等；[3]使用界面簡(jiǎn)潔：有易于操作的空間縮放和時(shí)間控制功能，多語(yǔ)言界面；可視化程度高：具有赤道式和地平式坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，星體閃爍和流星都能清晰可見，并且可以進(jìn)行掩食、超新星等的模擬，可更換地景，支持球形全景投影；使用方法靈活多樣、個(gè)性化：用戶可以通過系統(tǒng)插件添加人造衛(wèi)星、目鏡模擬，可通過在線資源添加新的太陽(yáng)系天體等等。

將這款軟件作為天文學(xué)教學(xué)的工具，會(huì)帶來很多便利。下面我提供一些我個(gè)人的建議。

由于stellarium軟件界面非常美麗，震撼，所以可以將其作為激發(fā)初學(xué)者好奇心和興趣的工具。在課堂正式進(jìn)入教學(xué)之前，教師先通過軟件模擬一些天文現(xiàn)象，如日食、月食、流星等學(xué)生們耳熟能詳?shù)钪胁怀Ｒ姷降默F(xiàn)象，在虛擬天空中尋找到十二星座的位置，或者模擬上課時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)刻的天空中的星象，拉近看似神秘“高大上”的天文學(xué)與學(xué)生們的生活，以此來初步激發(fā)他們對(duì)天文學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

stellarium很重要的一個(gè)作用是可以代替實(shí)際的觀察活動(dòng)。很多的地理或者科學(xué)老師在上到月相部分的內(nèi)容時(shí)，都會(huì)給學(xué)生們布置一個(gè)作業(yè)——觀察一段時(shí)間（半個(gè)月或一個(gè)月）的月相。雖然這看起來是一個(gè)很有意義的實(shí)踐活動(dòng)，但實(shí)際上問題重重：學(xué)生們可能無(wú)法堅(jiān)持那么久的時(shí)間每天晚上捧著作業(yè)本觀察天空，或者遇到天氣不好的時(shí)候，有可能連續(xù)十天半個(gè)月的都是下雨；學(xué)生單獨(dú)觀察有可能因?yàn)橹R(shí)點(diǎn)理解不透徹，看了也看不出什么所以然來，教師要組織學(xué)生晚上集體觀察難度又太大。如果使用stellarium虛擬天空，就可以在室內(nèi)組織同學(xué)們一起觀察，教師通過時(shí)間設(shè)定，模擬出連續(xù)一個(gè)月的月相變化，并在學(xué)生觀察的同時(shí)進(jìn)行講解，可以達(dá)到事半功倍的效果。除了模擬月相，還可以讓學(xué)生進(jìn)一步了解、看清太陽(yáng)和月球，看到不同星座在天空中的具體形狀和在天空中的相對(duì)位置，見到“春季星空形成的春季大曲線，夏季織女牛郎星隔著銀河遙遙相對(duì)，秋季星空銀河從頭頂流過，冬季星空最亮”等書本上提及的、但就算進(jìn)行組織進(jìn)行實(shí)際觀察也不容易得到的天文現(xiàn)象，做到將教學(xué)和“實(shí)際”最大程度上結(jié)合起來。就好比化學(xué)課，教師在黑板上寫完一個(gè)反應(yīng)方程式，描述完反應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生的現(xiàn)象之后，用實(shí)驗(yàn)來證明一樣，能讓學(xué)理解的更透徹，記憶的更深刻。

在比較有條件的學(xué)校，如果對(duì)天文學(xué)足夠重視，甚至可以專門開設(shè)一個(gè)“天文觀察室”，類似于化學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)觀察室構(gòu)造需要比較特殊。為了模擬出星空的效果，需要將房間的頂部建成圓面，使用stellarium軟件模擬時(shí)，用球面投影或者更高端一些的魚眼投影，類似于一些天文館中的虛擬天空展示，可以使學(xué)生獲得更好的體驗(yàn)。

正如北京天文館館長(zhǎng)朱進(jìn)所認(rèn)為的，對(duì)于中小學(xué)生來說，天文學(xué)是一門適合培養(yǎng)科學(xué)興趣、創(chuàng)新素質(zhì)以及有益于培養(yǎng)誠(chéng)信精神的學(xué)科。學(xué)習(xí)天文學(xué)，對(duì)于學(xué)生們大有裨益。而作為教師，我們要通過合適的方式給予他們正確的引導(dǎo)。stellarium軟件的可視化程度高，易于操作，成本低，不失為教學(xué)中可以使用的一個(gè)好工具。