讓科學觀測活動走向真實
——記一次“空間站的通聯(lián)與觀測”實踐活動

□戴祎蘭

科學探究需要從學生的學習需求出發(fā)，依托真實的科學活動，激發(fā)學生內(nèi)在的學習動機。學校、家庭、社會應幫助學生經(jīng)歷真實、完整的科學探究過程，為學生的未來發(fā)展奠基?！翱臻g站的通聯(lián)與觀測”（以下簡稱“通聯(lián)與觀測”）實踐活動是學生在家長、教師的指導下，以“與國際空間站建立聯(lián)通，并對天宮空間站（China Space Station，CSS）（以下簡稱‘天宮’）進行觀測”為目標的探究活動。參與探究的學生經(jīng)歷3個月的探索，完成了與國際空間站的通聯(lián)工作，成功地用照相機拍攝到了“天宮”過境杭州的照片。這一實踐活動讓科學學習進入了學生真實的生活世界，學生在“學習—實踐—認知”的過程中收獲了成功的喜悅。

一、背景介紹

“通聯(lián)與觀測”中，通聯(lián)指的是借助相關平臺，利用業(yè)余無線電設備，與工作中的國際空間站宇航員進行實時連線溝通（如接收他們即時發(fā)出的照片等）。觀測指的是借助望遠鏡、照相機等設備，對運行中的“天宮”進行觀察的活動。

活動小組的學生在了解了關于我國“天宮”的信息后，產(chǎn)生了對其進行觀測的想法。他們通過ARISS的MAI-75項目，以SSTV完成了與國際空間站的通聯(lián)及對“天宮”的觀測。ARISS是Amateur Radio on the International Space Station（國際空間站業(yè)余無線電）項目的簡稱。它是由美國業(yè)余無線電聯(lián)盟、國際業(yè)余衛(wèi)星組織、美國航空航天局等共同發(fā)起，以擴大國際空間站的影響力為目的，為愛好者提供與國際空間站宇航員直接交流的機會的一個公益項目。MAI-75項目是ARISS的一個組成部分。它由莫斯科航空學院主導，將視頻信息從太空實時向全世界業(yè)余無線電及互聯(lián)網(wǎng)用戶進行傳播。SSTV是業(yè)余無線電愛好者最常用的圖片傳輸方法，指的是通過無線電傳輸、接收單色或彩色的靜態(tài)圖片，并通過PC端的計算機程序或手機App進行圖片的編碼和解碼。

二、實施過程

學生親身參與科學實踐活動，在學習任務的指引下，主動研究、探索，大致經(jīng)歷了明確活動任務、奠定活動基礎、完成現(xiàn)場通聯(lián)等過程。

（一）基于學習興趣，明確活動任務

好奇是人類的天性，很多學生都有“太空夢”，但如果僅僅停留在“夢”的階段，濃厚的興趣可能會隨著時間的流逝漸漸消失。教師和家長了解了學生的興趣后，組織學生成立活動小組，并邀請了一名專業(yè)技術指導為學生提供支持?；顒有〗M成員在與技術指導、教師、家長討論的基礎上，確定了本次活動的主要任務：（1）在“天宮”過境杭州時，對其飛行軌跡進行觀測，并且嘗試用相機拍攝照片；（2）根據(jù)觀測條件，依據(jù)國際空間站官網(wǎng)發(fā)布的信息，選擇適當?shù)臅r間參與MAI-75項目的活動，以SSTV實現(xiàn)與國際空間站的通聯(lián)目標；（3）成功接收發(fā)自國際空間站的圖片，并獲得通聯(lián)證書。

（二）掌握相關技能，奠定活動基礎

學生要完成觀測與通聯(lián)活動，須在活動前做大量的準備工作，為活動的順利進行奠定基礎。

首先是基礎技能的掌握。要順利完成活動任務，學生需要了解天文學、業(yè)余無線電和空間站方面的基礎知識，還要掌握相機的設置和使用技巧。鑒于此，在正式進行實踐活動之前，技術指導、教師和家長共同策劃，為學生進行了一次基礎知識培訓。培訓的內(nèi)容包括：業(yè)余無線電通信常識及對講機的設置與使用方法；電磁波、天線原理等相關概念；國際空間站的基本情況；拍攝相機及相關軟件的使用方法；衛(wèi)星過境跟蹤的方法及對拍攝內(nèi)容進行解碼的方式；等等。

其次是活動時間與地點的選擇。國際空間站通聯(lián)和“天宮”觀測這兩個活動對于時間和地點的要求是不一樣的。通聯(lián)需要借助ARISS的平臺，所以要根據(jù)國際空間站在互聯(lián)網(wǎng)上公布的通聯(lián)活動時間與計劃來安排。觀測時間的選擇相對靈活，但最好在傍晚或凌晨進行，能夠觀察得比較清晰。如果想把觀測和通聯(lián)兩個活動安排在同一天進行，就必須選擇天氣晴朗的晚上，并且要與國際空間站的計劃同步，這樣合適的時間不容易遇到。因此，活動小組成員在反復斟酌與比較后，決定將通聯(lián)和觀測活動分開進行。通聯(lián)與觀測的地點也很重要。需要選擇在空曠且沒有高大建筑物遮擋的地方，如江邊、海邊、山頂?shù)龋€要避開變電站、移動通信基站等可能存在電磁干擾的建筑。學生歷經(jīng)近3個月的時間，實地考察了若干個備選地以后，才確定了比較適合的時間和地點。

最后是反復的練習。練習是保證活動順利進行的重要前提。在進行正式的通聯(lián)與觀測活動前，學生反復練習對焦、調(diào)焦，學習使用多次曝光、連續(xù)拍攝的方法拍照，練習利用電腦軟件對拍攝鏡頭進行疊加處理，得到物體的運動軌跡。學生還多次到選定的場所進行實地拍攝演練，提前找出可能遇到的問題并嘗試解決。如在練習時，學生發(fā)現(xiàn)周圍的環(huán)境對拍攝效果影響較大，所以想到要注意手電筒或其他設備的光對拍攝帶來的干擾。又如，學生發(fā)現(xiàn)航天器過境時的亮度并不是一成不變的，由于太陽光照角度的不同以及地面觀測角度的不同，航天器的亮度也會發(fā)生變化。學生進一步查閱資料，得知“天宮”過境時，高度角較高時會更明亮。這些前期準備讓學生對通聯(lián)與觀測活動有了更大的信心。

（三）現(xiàn)場通聯(lián)實踐，完成觀測任務

2021年6月26日上午，學生按時來到活動現(xiàn)場。按照計劃，小組成員在完成八木天線組裝后再次確定負責信號接收、進行國際空間站跟蹤、對采集到的信號進行錄音、對實踐過程進行拍攝的人員及各自的任務。所有準備工作在11點10分完成，學生靜靜地等候國際空間站的飛臨。通聯(lián)活動正式開始。

11點19分，手機App顯示國際空間站已經(jīng)從地平線升起，但是對講機遲遲沒有發(fā)出信號。學生焦急萬分，擔心信號接收是否有誤，并且反復檢查設備狀況。11點23分，對講機里終于傳來了清晰的信號聲音，學生非常激動。學生密切跟蹤國際空間站的運行位置，不斷調(diào)整接收信號的角度，旋轉天線的極化方向，確保對講機里的信號是清晰的。11點29分左右，國際空間站在東南方向落到地平線以下，信號完全消失。學生迫不及待地開始用手機App對信號進行解碼。這次活動一共收到了兩張國際空間站發(fā)出的紀念“和平號”空間站與航天飛機歷史性對接的系列活動照片。隨著圖片一行一行地被解析出來，學生終于看到了夢寐以求的國際空間站通聯(lián)圖片。

2021年8月9日02點40分，“天宮”高角度過境杭州。學生在這天凌晨早早起床，在漆黑的夜色中，在教師和家長的帶領下，朝著“天宮”將要升起的地方架好相機，并將相機的曝光時間設置為10秒進行連續(xù)拍攝。這天凌晨，天空中的云層很厚，再加上城市燈光的影響，導致用肉眼只能在夜空中看到土星。但是活動小組成員還是成功拍攝到了一張“天宮”飛行軌跡的照片，觀測活動順利收官。

三、反思與啟示

空間站的通聯(lián)與觀測活動是一項從學生的興趣出發(fā)，基于真實問題解決的科學實踐活動。在三個多月的活動歷程中，學生表現(xiàn)出了對科學探索的濃厚興趣，經(jīng)歷了解決真實問題的全部過程。在這個過程中，他們表現(xiàn)出的求知欲、探索能力以及知識技能掌握能力令人欣喜。這樣的探究過程也為我們帶來了很多啟示。

（一）以好奇心為驅動，找準教育契機

本次活動源于一個學生對“天宮”的興趣，家長、教師及時捕捉到這一興趣點，并帶領學生以此為契機展開了系列活動。小組成員利用放學后及雙休日的時間，認真學習相關知識。他們很快掌握了使用單反相機進行拍攝所需的調(diào)焦、對焦等技術；掌握了利用SatSat、Satellite Tracker等不同App進行空間站過境跟蹤的方法；他們還查閱、整合了相關信息，通過計算確定合適的觀測時間。學生作為學習的主體，自己完成了位置跟蹤、數(shù)據(jù)采集、解碼圖片等任務。小組成員互相答疑、積極合作，展現(xiàn)了較強的自學能力。

（二）以問題解決為目標，讓學生經(jīng)歷學習全過程

為了完成目標，小組成員以結果為驅動，主動參與學習全過程。他們學習基礎知識時采取的是“有問題—找答案”的樹形學習方法。為保證順利接收通聯(lián)信號，他們反復選擇和測試活動地點；在觀測空間站信號時，他們細心而有耐心；捕捉數(shù)據(jù)時，他們小心而謹慎，真正做到了全身心投入。同時，他們還自覺對學習過程進行分析，思考行動中需要改進的地方。可見，教育要找好的契機，采取對的方法。

（三）以成就感為收獲，用內(nèi)驅力促進學生真正成長

有人說，“成功是成功之母”。學生在活動中獲得的成就感會促使他們投入到后續(xù)的學習中。

本次活動中，學生不但順利觀測到“天宮”過境杭州時的軌跡，還在與國際空間站順利通聯(lián)后，得到了由國際空間站業(yè)余無線電組織頒發(fā)的獎狀。在通聯(lián)活動網(wǎng)站上，小組成員看到了其他國家和地區(qū)的無線電愛好者在本次活動中上傳的圖片，他們發(fā)現(xiàn)這些圖片基本都來自歐洲、北美洲等，來自亞洲國家的圖片很少，來自中國的就更少了。學生深刻地體會到了成功的快樂。這次活動的收獲也轉化為學生繼續(xù)成長的內(nèi)驅力。

通聯(lián)與觀測活動真正激發(fā)了學生對科學學習的興趣?；顒雍?，學生自發(fā)討論并提出改進的想法：如果前往偏僻的鄉(xiāng)村或高山等電磁干擾相對較小的地方，用內(nèi)置錄音機的對講機（避免錄音時環(huán)境噪音的干擾）進行接收，同時用解碼軟件對錄音文件直接進行解碼（避免用麥克風解碼時產(chǎn)生的環(huán)境噪音干擾），就能接收到更高質(zhì)量的圖片；如果在高山、海島觀測“天宮”過境軌跡，就可以拍攝到更加完美的照片。對“天宮”的觀測，增強了學生的國家自豪感、科技使命感，可謂一舉多得。

期待有更多的教育者能夠開發(fā)并引導學生參與這類以解決真實問題為導向的、目標明確、實踐性強的學習活動，為科學教學打開另一片天空。