天文主題科學調(diào)查體驗活動的設(shè)計與開展

青少年科學調(diào)查體驗活動始于2006 年，是一項面向全國中小學生的科技類綜合實踐活動，每年都會推出不同主題的活動指南。2024年總共推出了20 個主題，其中天文主題“星光閃耀”是重點推出的2 個主題之一，由時任北京天文館副館長的陳冬妮博士主持編寫，筆者與馮翀副研究員也各自負責了其中一部分章節(jié)。青少年科學調(diào)查體驗活動的基本設(shè)計要求是以簡單的科學調(diào)查、科學探究為載體，幫助學生掌握科學調(diào)查研究的方法，并鼓勵他們關(guān)注身邊的科學問題。基于這樣的策略，結(jié)合天文學科的特點，“星光閃耀”活動指南的編寫希望能夠為普通中小學生提供一套易于實踐的科學活動方案，讓學生利用簡單易得的材料展開調(diào)查與體驗，在自己動手探究天文學知識的過程中體會并掌握相關(guān)科學方法，通過層層遞進的活動設(shè)計逐步建立起自己的知識體系，并在此基礎(chǔ)上對科學體系的構(gòu)建過程有切身的體會和理解。此外，活動設(shè)計也契合聯(lián)合國兒童基金會的“可遷移技能”概念，讓學生在學會學習、學會做事、學會做人和學會共同生存4個維度上得到鍛煉和發(fā)展。

內(nèi)容設(shè)計

“星光閃耀”活動指南的內(nèi)容設(shè)計基于天文學科特點。當作為青少年科學普惠教育的一部分考慮時，天文學科有自身獨特的優(yōu)勢和劣勢。優(yōu)勢是具備日月運行、月相變化和星空變換等在日常生活中可以直接觀察到的天文現(xiàn)象，可以由此自然拓展，幫助學生養(yǎng)成長期的觀察習慣；一部分天文學知識與生活（主要是計時和歷法）緊密相關(guān)，具備直接的切入點；現(xiàn)代天文學的建立和發(fā)展與現(xiàn)代科學體系的建立和發(fā)展緊密關(guān)聯(lián)，進行一些初步的天文學探究有利于理解科學方法和科學精神。另外，大部分青少年對天文學具備基本的好奇心，這也有助于他們憑借興趣克服探究中的困難。不過，天文學在實踐中的學科劣勢也很明顯。首先，天文學是一門以觀察為主的學科，基本不具備實驗室條件，觀察活動受到天象事件的限制，在時間安排和活動組織上諸多掣肘，而且往往有一定的硬件條件要求；其次是天文事件涉及的時空尺度遠遠超過人類親身感受，其極端的物理條件也常常導(dǎo)致一些“反常識”“反直覺”的結(jié)果，大大增加了理解的難度；第三，天文學科很少有“所見即所得”的結(jié)果，抽象層級比較高，而且往往多學科交叉，不易掌握其中內(nèi)在的知識聯(lián)系。另外，多數(shù)學校不具備專門的天文教師，很多科學教師對天文學并不熟悉，這也在一定程度上影響了天文活動的開展。

由此，我們在設(shè)計中注意了認知層級的劃分，按照“是什么”“為什么”和“憑什么”的遞進謹慎設(shè)計活動環(huán)節(jié)，希望學生在觀察、體驗的基礎(chǔ)上運用科學方法進行解釋和應(yīng)用，再通過掌握的科學方法進一步追問和探究更深層次的聯(lián)系和規(guī)律。在這個過程中，基于已有的日常經(jīng)驗和知識基礎(chǔ)，通過科學調(diào)查和體驗獲取新經(jīng)驗和新知識，并將新的知識與已有知識相聯(lián)系，逐步將知識點連綴成知識面，為學生后續(xù)對知識體系和框架的搭建打下基礎(chǔ)。同時，從最簡單的觀察開始零基礎(chǔ)建立知識體系的過程，既與歷史上學科發(fā)展的真實軌跡相印證，又方便不熟悉天文學知識的教師與學生共同參與到調(diào)查和體驗中，實現(xiàn)同步的學習和探究。此外，還在線上和線下展開了活動指南的使用培訓，取得了一定的效果。

按照時空尺度和抽象層級的遞進順序，“星光閃耀”活動設(shè)計了“日地月系統(tǒng)”“我們的太陽系”“群星世界”“星空與星座”和“星系宇宙”5 個活動，每個活動又按照“觀察和體會”“規(guī)律和應(yīng)用”“原理和拓展”的進階順序安排了3 個任務(wù)。前期活動更側(cè)重觀測和模擬，后期則更側(cè)重讀圖識圖和項目研究。教師與學生可以選擇完成全部5 個活動，初步體會天文學科從建立到現(xiàn)代前沿的發(fā)展，也可以依照實際條件選擇其中的某些活動，用其中的子任務(wù)完成“知識—方法—新知識”的探究循環(huán)。

活動開展

活動 1. 日地月系統(tǒng)

對太陽和月亮的觀察是古代天文學的起源之一，也是學生在日常生活中可以直接觀察、體驗的最常見的天文現(xiàn)象。把對太陽和月亮的觀察活動安排在活動指南的最初，是希望引導(dǎo)學生從觀察最常見的日常現(xiàn)象入手，逐步學習觀察技巧、養(yǎng)成觀察習慣，并初步掌握變換觀察視角的能力。本活動的3 個任務(wù)是“太陽的運動”“月亮的變化”和“日食與月食”，從觀察太陽運動位置開始，逐步歸納太陽、月亮的變化規(guī)律，尋找其背后的運動學原因，再從日地月系統(tǒng)的運動模型，推演并印證日食、月食的發(fā)生原因和發(fā)生規(guī)律。

在實踐中，最容易組織的實際觀察是一天中太陽方位的變化。選擇晴朗的一天，利用任何垂直于地平面的直立竿狀物，記錄其影子在一天里不同時刻的長度和角度（即影子末端所處位置），由此可以計算出對應(yīng)時刻的太陽方位。教師也可以組織在另一個季節(jié)重復(fù)這樣的觀察，對比得到的觀察記錄。有條件的學校可以利用延時攝影的方式，實際記錄日影的轉(zhuǎn)動，并由此拓展到日晷的原理和演變。更進一步的拓展，則可以沿著“立木為表”在日晷、圭表、正方案3 個方向的演變，體驗對日影觀察的進一步應(yīng)用。

在試圖觀察更長期的變化時，由于組織長期觀測的難度很大，需要引入天象模擬軟件作為輔助。目前有各種免費和付費的天文軟件可供下載，教師可以按照實際情況選擇使用。太陽在一年中的運動軌跡變化、月亮一個月內(nèi)的形狀和位置變化都需要在軟件輔助下進行觀察，并歸納出規(guī)律。在有條件的情況下，建議選擇一個日期，組織學生觀察一次日落，看看在真實天空中當天的日落位置和日落時月亮的位置和形狀，與天文軟件的模擬結(jié)果相印證，把虛擬星空與真實星空聯(lián)系起來。

除了實際的觀察之外，模型模擬和角色扮演是幫助學生把視角轉(zhuǎn)換到空間中，以及體驗天體運行現(xiàn)象和規(guī)律的好辦法。利用簡單的道具，讓學生扮演日、地、月天體，實際體會太陽運動、月相變化和日月食發(fā)生的原因和規(guī)律；再反過來，引導(dǎo)學生根據(jù)日、地、月的相互繞轉(zhuǎn)，從原理上對月相和日月食進行推演。兩相印證，可以讓學生更好地理解和掌握其中的原理。

活動 2. 我們的太陽系

人類對太陽和太陽系的認識，伴隨著現(xiàn)代天文學體系的建立和初步發(fā)展而逐漸進步。本活動設(shè)計的3 個任務(wù)是“漫游太陽系”“太陽有多‘能’”和“天外來客”。在認識太陽有多遠、太陽系有多大的過程中，學生可以逐漸習慣天文距離和天文數(shù)字，為后續(xù)認識宇宙的廣袤奠定基礎(chǔ)，并對地球在宇宙中的位置和地位建立初步印象。

從活動2 開始，學生需要利用網(wǎng)絡(luò)和書本調(diào)研一些基本數(shù)據(jù)，并根據(jù)自身經(jīng)驗探索什么樣的調(diào)研途徑和結(jié)果更為可靠。在“漫游太陽系”任務(wù)對空間尺度的體驗中，觀察者的視角離開了地球表面，直接的觀察和體驗不再成為可能，需要根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)進行折算和模擬，按比例復(fù)現(xiàn)出太陽系，間接體驗天體的大小和距離。教師和學生可以根據(jù)實際情況，用手邊易得的日常物品按大小比例模擬太陽系中的各個天體，或按距離比例把太陽系天體安排在校園／教室范圍內(nèi)。在“太陽有多‘能’”任務(wù)對太陽能的探究中，要點是把陽光與能量聯(lián)系起來，并將陽光的概念從可見光向更多波段拓展，同時尋找實際生活中人們利用太陽能的各種方式，并將其形成小組報告，體會在把學習成果形成文章或報告的過程中對思路的梳理和知識的鞏固。進一步的拓展可以探究陽光中攜帶了哪些信息，為后續(xù)對恒星的認識打下基礎(chǔ)。在“天外來客”任務(wù)對地球天文環(huán)境的呈現(xiàn)和體驗中，通過對小天體撞擊的模擬和體驗，探究地球作為一顆行星的普遍性和特殊性，同時也可在模擬過程中體會和掌握基本的實驗方法。有條件的學校可以組織參觀真實的隕石標本，觀察它們與地球普通巖石的區(qū)別，探究這些區(qū)別的來源，并思考地球在多大程度上保護了生活在這里的生命。

活動 3. 群星世界

人類對恒星的認識建立在認識太陽的基礎(chǔ)上。人類可以近距離地觀察太陽，派出探測器從各個方面探究太陽，但對遙遠的恒星則只能基于從研究太陽得到的各種理論，通過解讀星光間接認識恒星的各種特征。在這個層面上，不但直接的觀察和體驗不再成為可能，觀測結(jié)果也不再能夠直觀地體現(xiàn)天體本身的特征，只能在理論模型的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)概念化的圖景。本活動設(shè)計的3 個任務(wù)是“多彩恒星”“量天尺”和“外星生命”，從本活動開始，學生視野進一步開闊，將逐漸體會到天文學研究方法的特殊性。

恒星的壽命遠遠超過人類進行天文觀測的歷史，但人類仍能通過對大量不同狀態(tài)恒星的觀察，推測出不同種類恒星的生命歷程?！岸嗖屎阈恰比蝿?wù)的要點是了解恒星的質(zhì)量、顏色、溫度和壽命之間的聯(lián)系，并大致理解太陽在銀河系恒星中的位置和地位。進一步的拓展可以調(diào)研不同質(zhì)量恒星的一生，并以角色扮演的方式進行講述?！傲刻斐摺比蝿?wù)的要點是實際體會三角形在距離測量中的應(yīng)用，在周圍環(huán)境中選取合適的目標，分別利用跳眼法和三角視差法估算遠處物體的距離，思考其異同，并探究測量更遠物體的方法。進一步的拓展可以將同樣瓦數(shù)的電燈放置在校園不同距離處點亮，體會“標準燭光”的作用，并調(diào)研不同類型的標準燭光在不同距離上的應(yīng)用。“外星生命”任務(wù)的要點是思考天文環(huán)境對生命的限制和支持，通過調(diào)研查找并選擇某一顆系外行星，基于其表面條件為它設(shè)計適應(yīng)環(huán)境的動植物。進一步的拓展可以探究尋找系外行星的手段，并體會從各種限定條件估算外星文明數(shù)量級的方法。

活動 4. 星空與星座

星空運轉(zhuǎn)與日月運行一樣，是天文學的肇端，也是人類社會最初的秩序來源之一。星座的誕生在各個古代文明中都是基于實用的意義。本活動從對星空的實際觀察出發(fā)，通過天文軟件觀察星空每天、每年的運轉(zhuǎn)，并體會天球的概念。在此基礎(chǔ)上，基于對日地系統(tǒng)運行規(guī)律的了解，模擬體驗星空的運轉(zhuǎn)及其背后的原因和規(guī)律。由此，設(shè)計的3 個任務(wù)是“創(chuàng)造星座”“星座時鐘”和“星空的變化”。

星座是人們?yōu)榱吮孀R不同的恒星，以便標識出星空運轉(zhuǎn)和時間流逝而假想出的連線，在現(xiàn)代天文學意義上被定義為天空中的一片天區(qū)，但其標志性特征仍然是亮星勾連成的形狀?！皠?chuàng)造星座”任務(wù)的要點是體會星座的定義，區(qū)分恒星之間的實際距離和投影距離，并明白不同文化曾經(jīng)都有自己的星座劃分和星座故事。假想的天球是古代地心說的殘留，它不代表宇宙的真實面貌，但可以利用這個假想模型熟悉和預(yù)測星空的運轉(zhuǎn)。有條件的學校可以利用有星空穿梭功能的天文軟件，或到天文館展示穿梭星空導(dǎo)致的星座變形，以更直觀地體會真實宇宙中的恒星分布。進一步的拓展可以調(diào)研恒星本身的運動，思考恒星的相對位置變化如何導(dǎo)致星座形狀的變形?！靶亲鶗r鐘”任務(wù)的要點是利用天文軟件模擬北天和南天星空在一年中的變化，以及太陽一年在星空中的移動軌跡，由此思考利用星空計時應(yīng)優(yōu)先選擇什么樣的星群。有條件的學?？山M織拍攝星軌照片。進一步的拓展可以思考星座的實用價值，調(diào)研不同古文明在黃道或天赤道沿線的星座劃分?！靶强盏淖兓比蝿?wù)要點則是以角色扮演的方式，體會地球上星空周日、周年變化的原因，恒星日與太陽日的區(qū)別，并體驗在不同季節(jié)的夜空中能夠看到的星座。

活動 5. 星系宇宙

宇宙觀的演化貫穿了整個人類文明，從早期基于觀察和想象的古代宇宙神話，到現(xiàn)代為主流接受的基于物理學和觀測證據(jù)的大爆炸宇宙學模型，人類對宇宙的認識在不斷演變。本活動的3 個任務(wù)是“宇宙是什么”“‘吹出’膨脹的宇宙”和“如果137 億等于1”，幫助學生分別從物質(zhì)、空間和時間的角度體會宇宙的面貌。由于對宇宙的理解是高度抽象和概念化的，本活動中的體驗更多基于類比而非模擬。

對人類來說，以有限的觀察視角（限于地球附近）和觀察時間，卻能夠?qū)r間、空間尺度都極其巨大的宇宙有比較可靠的認識，經(jīng)歷了一個漫長的過程?！坝钪媸鞘裁础比蝿?wù)的要點是調(diào)研不同文明的宇宙觀和關(guān)于宇宙起源、演化的神話傳說，對比其異同，思考這些神話可能對應(yīng)什么樣的天體類型和天文現(xiàn)象。進一步的拓展可以調(diào)研宇宙中的天體類型，并按結(jié)構(gòu)層級歸類?！啊党觥蛎浀挠钪妗比蝿?wù)的要點是用氣球模擬宇宙的膨脹，測量和計算氣球表面的“星系”間距離隨時間的變化，并將這個膨脹的空間與方塊積木代表的絕對空間相對照，幫助學生體會大爆炸宇宙學模型的時間-空間關(guān)系。“如果137 億等于1”則是將宇宙自大爆炸以來約137 億年的壽命“折算”到1年中，繪制宇宙日歷，體會宇宙大事件的時間分布，也對太陽系、地球和人類文明的年齡在宇宙年齡中的占比有更直觀的感受。