萬維望遠(yuǎn)鏡在高中地理天文教學(xué)中的應(yīng)用探究
——以項目學(xué)習(xí)為例

林鴻志，車 云，余 明

（1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；2.福州第三中學(xué)，福建 福州 350003）

一、中學(xué)天文教學(xué)的難題

1.教學(xué)內(nèi)容的特殊性

天文學(xué)是自然科學(xué)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科。它的研究對象——天體具有空間尺度大、時間跨度廣、條件極端等特征，只能被動觀測而無法在實驗室直接操作[1]。學(xué)生極其缺乏相關(guān)的直接或間接經(jīng)驗，利用文字、圖表、視頻或模型來講授天文的傳統(tǒng)教學(xué)方式難以展現(xiàn)天體的特征，反而會因其抽象和枯燥使得學(xué)生喪失對天文的學(xué)習(xí)興趣，對教學(xué)實踐的開展、教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)造成一定的困難。另一方面，作為一門強(qiáng)調(diào)觀測的科學(xué)[2]，天文觀測在學(xué)科發(fā)展中具有重要的地位，但是在日常教學(xué)中因為受天氣、場地、安全等因素的影響，戶外天文觀測活動往往難以順利開展，導(dǎo)致天文學(xué)習(xí)缺乏實踐活動的支撐，受限程度加重。

2.新課標(biāo)教學(xué)的挑戰(zhàn)性

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》（以下簡稱《實驗版課標(biāo)》）中，天文學(xué)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有3 條分布在必修1 第一章，9 條分布在選修1 第一、二章，總共12 條[3]?！镀胀ǜ咧械乩碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡稱《2017 版課標(biāo)》）將天文學(xué)基礎(chǔ)設(shè)置成獨立的選修模塊，但總的天文學(xué)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量不變，仍為12 條。其中一條分布在必修1，一條分布在選擇性必修1，其余10 條分布在選修1天文學(xué)基礎(chǔ)[4]。

參考布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)對知識維度和認(rèn)知過程維度的劃分以及分類表的使用[5]，根據(jù)課標(biāo)的具體要求（學(xué)習(xí)內(nèi)容與行為動詞），筆者對新舊課標(biāo)天文學(xué)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了歸類統(tǒng)計，如表1 所示。

表1 新舊課標(biāo)天文學(xué)相關(guān)的知識與認(rèn)知過程二維統(tǒng)計表

盡管新舊版本課標(biāo)天文相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量一樣，但是與《實驗版課標(biāo)》相比，《2017 版課標(biāo)》的要求更加細(xì)致，而且對概念性知識的理解和運用認(rèn)知要求更加突出，這對教學(xué)提出了一定的挑戰(zhàn)，需要師生積極應(yīng)對。合理運用現(xiàn)代教育技術(shù)會使抽象的科學(xué)原理直觀化，降低學(xué)生的認(rèn)知難度，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更形象、更生動、更有趣[6]。因此教師需要更新教學(xué)觀念，充分利用信息技術(shù)和科學(xué)有效的教學(xué)方法來彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足，為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和平臺，激發(fā)學(xué)生對天文學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到提高天文素質(zhì)教育的目的。

二、項目學(xué)習(xí)

1.定義

基于項目的學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，簡稱PBL）又稱項目學(xué)習(xí)，最早由美國教育家克伯屈提出，核心是讓學(xué)生通過實際活動來獲得知識[7]。項目學(xué)習(xí)以學(xué)科概念和原理為中心，以作品制作和展示為目的，引導(dǎo)學(xué)生借助多種資源開展學(xué)習(xí)活動，并要在一定時間內(nèi)解決一系列相關(guān)問題的一種新型探究性學(xué)習(xí)模式[8]。項目作品的形式多種多樣，本文所討論的主要是萬維望遠(yuǎn)鏡平臺所特有的“漫游”（Tour），一種交互式的天文多媒體作品。

2.優(yōu)勢

項目學(xué)習(xí)融合了杜威實用主義教育理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、加德納多元智能理論、布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論等優(yōu)秀教育思想和理念[1]，在教學(xué)實踐中具有獨特的優(yōu)勢。特別是在內(nèi)容抽象，缺少直接經(jīng)驗的天文教學(xué)過程中，項目學(xué)習(xí)可以更好地發(fā)揮學(xué)生的主體地位，充分調(diào)動學(xué)生的自主性和能動性，打破傳統(tǒng)教學(xué)下學(xué)生對知識的被動接受和機(jī)械記憶。

把抽象的天文概念和原理具體化為真實的、激發(fā)性的問題，以問題為導(dǎo)向確定項目課題，在項目開展過程中通過材料的收集和資源的整合，學(xué)生可以獲得形式各樣的直接經(jīng)驗，從不同層次和方面接觸天文學(xué)習(xí)內(nèi)容，感受其中的多樣性。有利于學(xué)生充分發(fā)揮個體的多元智能，找到適合自己的學(xué)習(xí)方法和途徑，激發(fā)解決問題、完成作品的興趣和動力，在活動探究中實現(xiàn)天文教學(xué)的目標(biāo)。但這也對教學(xué)支持系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)，需要在保證效率與效益相統(tǒng)一的前提下開展天文的項目學(xué)習(xí)，其中萬維望遠(yuǎn)鏡可以起到強(qiáng)大的支撐作用。

三、萬維望遠(yuǎn)鏡的項目學(xué)習(xí)應(yīng)用價值

萬維望遠(yuǎn)鏡（WorldWide Telescope，簡稱WWT）自2008 年正式誕生以來，深受國內(nèi)外天文愛好者、天文科普工作者的歡迎。作為一個功能強(qiáng)大的大數(shù)據(jù)平臺或者稱作天文科學(xué)數(shù)據(jù)庫，它整合了海量的來自世界各地天文臺（包括地基望遠(yuǎn)鏡和空間探測器）科學(xué)真實的天文數(shù)據(jù)并通過可視化技術(shù)將多波段數(shù)據(jù)表征為圖像呈現(xiàn)在用戶眼前，可供不同層次的用戶認(rèn)識、探索、學(xué)習(xí)或研究全波段天空。目前，WWT 平臺已實現(xiàn)將迄今為止人類所探測到的宇宙信息匯總呈現(xiàn)給大眾，為人們打造出一個基于真實數(shù)據(jù)的可視化虛擬宇宙。WWT 平臺能提供豐富、新穎的天文教學(xué)資源，應(yīng)用價值高。

1.學(xué)習(xí)資源的呈現(xiàn)

缺乏與生活經(jīng)驗相聯(lián)系的抽象概念和內(nèi)容是進(jìn)行天文學(xué)習(xí)的一大難點，學(xué)生在日常生活和傳統(tǒng)教學(xué)中接觸到的天文素材和信息量較為單薄，難以順利開展項目學(xué)習(xí)。萬維望遠(yuǎn)鏡是面向公眾的虛擬天文臺，通過WWT軟件和網(wǎng)絡(luò)連接，學(xué)生可以訪問到世界各地的天文數(shù)據(jù)、圖像、文獻(xiàn)資料等信息。打開WWT 軟件，每一臺電腦便化身為天文“超市”，呈現(xiàn)豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容和材料，學(xué)生可以實現(xiàn)對在線天文資源的“一站式購物”[9]，為項目學(xué)習(xí)的開展提供強(qiáng)有力的資源保障。

另一方面，WWT 所呈現(xiàn)的數(shù)字星空由數(shù)以千萬計的來自數(shù)字化巡天（DSS）圖片無縫拼接組成，同時嚴(yán)格模擬了真實天空中運動的天體（如太陽、月球和系內(nèi)行星等）。在軟件設(shè)置界面中改變觀測所在地和時間，便可看到其他區(qū)域或不同時間的星空圖像，完全突破了時空的局限。這在一定程度上彌補(bǔ)了受限較大的戶外天文觀測活動的缺失，避免學(xué)生因為一些外部條件而完全喪失了對天文觀測的體驗和感受。天文觀測便是一種最貼近生活、緊扣學(xué)科的項目學(xué)習(xí)。

2.學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)建

WWT 模擬的數(shù)字星空可以帶給學(xué)生天文觀測體驗，它更出彩的地方在于構(gòu)建虛擬宇宙基礎(chǔ)上所設(shè)置的多指向模式，如天空、地球、太陽系、月球、火星等。學(xué)生可以隨意切換觀測的空間位置，從地球望向天空、從太空望向地球或者把視野轉(zhuǎn)移到月球或火星上面，又或者跳出太陽系來看看系內(nèi)天體的運動，甚至可以不斷擴(kuò)大視場范圍來看宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，為學(xué)生提供了多角度、多尺度認(rèn)識宇宙的機(jī)會和途徑。猶如乘坐上可以瞬時移動的超級飛船來盡情飽覽宇宙的美景，這不再只是科幻電影或小說中才有的情景，學(xué)生在教室或家里的電腦前也能體驗到。相比于地理教材，WWT 所展現(xiàn)的恢弘的宇宙圖景更具形象性和吸引性，為學(xué)生帶來沉浸性的學(xué)習(xí)體驗，可以營造良好的探究性學(xué)習(xí)環(huán)境，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望。

3.學(xué)習(xí)過程的支撐

WWT 能給使用者提供暢游宇宙的機(jī)會，并且允許創(chuàng)建和分享“Tour”（中文譯為“漫游”），猶如用虛擬的GoPro 來記錄自己的經(jīng)歷一樣，把自己探索宇宙的過程或路徑保存下來，還可以添加旁白、音樂、文字或圖片等其他材料，最后完成類似于互動式視頻的漫游作品。這是WWT 應(yīng)用于天文教育實踐的突出特點和典型方式，為項目學(xué)習(xí)的開展提供了支撐。

為了探究問題、制作作品，學(xué)生需要完成確定主題、尋找資料、撰寫腳本、操作WWT 軟件制作漫游、匹配背景音樂及旁白等一系列步驟或任務(wù)。在教師的引導(dǎo)下，通過團(tuán)隊合作，師生交流，學(xué)生依托WWT 的多種原生資源，亦可根據(jù)想法和創(chuàng)意添加更多不同的元素（如人造天體3D 模型、可視化數(shù)據(jù)、外部圖片、文字、音樂等）來制作漫游作品，促使學(xué)生充分調(diào)動自身多元智能來實現(xiàn)目標(biāo)?？梢哉f，WWT 是天文項目學(xué)習(xí)開展的理想活動平臺，也是學(xué)生通過項目達(dá)到創(chuàng)新的體現(xiàn)，有利于綜合學(xué)習(xí)“過程”與“結(jié)果”來激發(fā)學(xué)生探索宇宙奧妙的興趣[6]。

四、實施基于萬維望遠(yuǎn)鏡的天文項目學(xué)習(xí)

基于WWT 的天文項目學(xué)習(xí)在中學(xué)天文教學(xué)中起到強(qiáng)有力的輔助作用，為教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)提供了保障。對于天文項目學(xué)習(xí)的開展，筆者強(qiáng)調(diào)師生配合、課內(nèi)外結(jié)合，但并不建議每一堂課都要求全體學(xué)生制作漫游作品來實施所謂的項目教學(xué)。為了達(dá)到效益與效率相統(tǒng)一的效果，學(xué)生以小組為單位，根據(jù)興趣和教學(xué)內(nèi)容選擇不同的主題開展項目學(xué)習(xí)，“一堂課一主題一小組”即可，把漫游作品作為教材和課后作業(yè)貫穿于整個學(xué)期的教學(xué)階段，詳情可參考表2。

表2 基于WWT 平臺的高中天文項目學(xué)習(xí)模式實施過程

與《實驗版課標(biāo)》相比，《2017 版課標(biāo)》對“太陽系結(jié)構(gòu)及運動”一節(jié)的教學(xué)提出了更高的要求和目標(biāo)，從“說明太陽系的組成以及九大行星的基本特征”（基于《實驗版課標(biāo)》）到“描述太陽系的結(jié)構(gòu)和行星運動特征”，新課標(biāo)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生對天體運動和太陽系空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和理解，這對中學(xué)生的空間想象能力提出了極大的挑戰(zhàn)，需要借助強(qiáng)大的教學(xué)輔助手段。

下面筆者以《天文學(xué)基礎(chǔ)》選修模塊中“太陽系結(jié)構(gòu)及運動”一節(jié)為案例，逐步探究基于WWT 的天文項目學(xué)習(xí)模式的實施。

1.課堂引導(dǎo)

課堂上教師啟動WWT 的“太陽系”模式，3D 模擬出來的太陽及其行星家族便在師生面前一覽無遺。與傳統(tǒng)模型或沙盤不同的是，WWT 的3D 太陽系允許我們進(jìn)行全方位、多尺度、無死角的觀察，所有操作僅需在電腦上通過鼠標(biāo)的拖曳和點擊，而無需人的走動，不管是教師通過大屏幕進(jìn)行演示還是每位學(xué)生單獨操作電腦，都極大地提高了課堂效率，保證了每位學(xué)生參與學(xué)習(xí)的機(jī)會，營造了活躍的課堂氛圍。

（1）在WWT 軟件的“太陽系”模式下，放大空間尺度后可以飽覽整個太陽系空間結(jié)構(gòu)，自帶的軌道標(biāo)注（不同行星軌道標(biāo)注的顏色不同）可以讓學(xué)生更好地觀測和理解行星運動，把觀測視角正對行星的公轉(zhuǎn)軌道，行星運動“近圓性”的形象便躍然于屏幕之上，木星與火星軌道之間的小行星帶亦清晰可見（如圖1 所示）。通過菜單面板上的加快“時間流逝”功能，畫面中八大行星公轉(zhuǎn)的位置變化更加顯著，提高了學(xué)生觀察的可行性，否則以冷凍巨星（天王星、海王星）漫長的公轉(zhuǎn)周期，要總結(jié)出系內(nèi)行星運動的“同向性”著實有點困難。轉(zhuǎn)換視角聚焦到海王星，往太陽的方向望去，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)各大行星的軌道幾乎重疊在一起，但相互間確實又存在微小的軌道夾角，這能夠幫助學(xué)生更好地理解系內(nèi)行星運動的“共面性”。

圖1 在WWT 中俯視太陽系

（2）通過軟件面板上的目標(biāo)跳轉(zhuǎn)功能，空間尺度縮小到行星級別，鼠標(biāo)輕輕一點，教師便可帶領(lǐng)學(xué)生在太陽系內(nèi)開展行星考察，看看表面布滿隕石坑的水星，觀察自轉(zhuǎn)方向與眾不同的金星，再感受一下太陽系內(nèi)第一高峰——位于火星的奧林匹斯山……師生考察團(tuán)可以隨意穿梭于太陽系行星家族，觀察、體會各大行星的位置、形態(tài)、特征和運動規(guī)律（如圖2 所示）。學(xué)生在這奇妙的宇宙之旅中獲得經(jīng)驗、理解概念、掌握基本原理，為項目學(xué)習(xí)的后續(xù)開展打下基礎(chǔ)。

圖2 WWT 中的類地行星

2.確定課題

“太陽系結(jié)構(gòu)及運動”一節(jié)教學(xué)內(nèi)容較多，信息量較大，所帶來的課題也具有多樣性，但核心的主題是要幫助學(xué)生形成對太陽系主要天體即太陽和八大行星的空間相對位置、尺度對比、空間運動差異的認(rèn)知和理解。在不脫離該核心主題的前提下，教師應(yīng)該盡量發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，鼓勵學(xué)生對生活現(xiàn)象或課堂授課內(nèi)容進(jìn)行深入思考，從中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并與同學(xué)、教師探討選題的價值和可行性。比如在現(xiàn)實生活中的特定時期內(nèi)通過長期觀察記錄，我們可以發(fā)現(xiàn)行星逆行的現(xiàn)象，其中最顯著的是火星逆行（當(dāng)然我們也可以利用WWT在短時間內(nèi)模擬實際生活的長期天文觀測結(jié)果），教師可以以此為切入點引導(dǎo)學(xué)生思考這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因及其重要意義，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，確定具體的課題來開展項目學(xué)習(xí)，最終以WWT 漫游（5 分鐘左右）的形式展示成果。

3.制定計劃

（1）確定小組成員，對同一課題感興趣的學(xué)生組成小組（教師根據(jù)班級人數(shù)限定每一個小組的人數(shù)）。在整個學(xué)期中，每位學(xué)生必須加入一個小組，但不能超過兩個小組。

（2）小組交流討論，全體組員共同研制探究方案或活動計劃表，需要把關(guān)鍵時間節(jié)點和具體任務(wù)分工寫入方案或計劃表。

（3）小組向教師提交方案或計劃表，教師幫忙審核該小組活動計劃是否具有可行性或者是否存在可能影響活動正常開展的問題，并給出具體的意見和建議。

4.活動開展

（1）前期準(zhǔn)備

①結(jié)合教師的課堂教學(xué)，學(xué)會熟練使用WWT 軟件，包括菜單功能、操作技巧、信息獲取、漫游制作等。②通過圖書、網(wǎng)絡(luò)收集相關(guān)資料，為構(gòu)建作品的理論框架作準(zhǔn)備。③小組成員各自列出WWT 軟件學(xué)習(xí)過程中遇到的問題和困難，先組內(nèi)交流解決，無法克服的問題匯總后向教師請教。

（2）作品制作

①把收集來的資料篩選分類，并以此為理論基礎(chǔ)撰寫腳本，也就是為整個漫游作品創(chuàng)作劇本。②根據(jù)腳本操作WWT 軟件制作漫游，相關(guān)旁白錄音和匹配背景音樂等工作也需同步開展。③音頻文件導(dǎo)入與漫游相結(jié)合，調(diào)整漫游時間軸使畫面與音頻相協(xié)調(diào)，完成作品。

5.作品展示

（1）在期末階段，教師組織全部小組進(jìn)行匯報展示，原則上各小組展示制作的WWT 漫游作品即可，如有特殊需求，也可以借助輔助工具（如PPT、文本文檔等）共同展示，但不能超過規(guī)定的展示時間。

（2）師生共同評價，采用小組自評、教師評價和組間互評相結(jié)合的方式。教師可預(yù)先收集學(xué)生對評價內(nèi)容和要求的看法（比如內(nèi)容的科學(xué)性、趣味性，畫面的連貫性、美觀性，背景音樂和字幕搭配的協(xié)調(diào)性等），制作評價表，注意定性評價與定量評價相統(tǒng)一。

（3）展示過后各小組根據(jù)師生的反饋修改完善漫游作品，再向教師提交最終成品。教師擇優(yōu)推薦參加國內(nèi)甚至國外的宇宙漫游制作大賽或相關(guān)科普作品大賽。如果條件允許，亦可打造成系統(tǒng)性天文科普教材，通過新媒體平臺進(jìn)行推廣，為國內(nèi)天文科普教育作貢獻(xiàn)。

五、總結(jié)

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》獨立設(shè)置了天文選修模塊——《天文學(xué)基礎(chǔ)》，這對我國天文科普教育來說是個好消息，但也意味著對高中地理教學(xué)提出了新挑戰(zhàn)、新要求。天文教學(xué)有其特殊性和限制性，在高中階段有先天性的教學(xué)難題，為了營造良好的教學(xué)氛圍，激發(fā)學(xué)生的天文學(xué)習(xí)興趣，可以嘗試基于萬維望遠(yuǎn)鏡（WWT）的天文項目學(xué)習(xí)模式，以強(qiáng)大的信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)平臺為天文教學(xué)助力，發(fā)揮項目學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，給學(xué)生提供一種新穎的探究性天文學(xué)習(xí)新模式。