基于Stellarium中学天文科普活动的探索

2016-05-30戈嘉璐吴松司源

科技与企业 2016年3期

戈嘉璐　吴松　司源

【摘要】近年，中国天文成就辉煌，航天事业跻身于世界前列。越来越多的学生开始关注天文，天文科普成为了解天文，关注地外世界最直接、最有效的方式。天文科普不仅响应素质教育中补充天文知识的号召，也培养了学生的创新精神与探究意识。结合中学天文科普的现状及意义，利用Stellarium（虚拟天象仪）这一开源天文软件的科学性、直观性和灵活性等优势，推动中学天文科普活动的发展，创新中学天文科普方式，使天文走进中学课堂，融入中学生的生活，进而推动中国天文科普事业不断向前发展。

【关键词】Stellarium（虚拟星象仪）；天文科普；中学生；现代化教学

【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

天文学是一门古老的自然类学科，天文科普是学习天文知识最有效的方法，在现代教学技术越来越发达的今天，在天文科普中融入现代化的多媒体教学模式已经成为了一种潮流与趋势，Stellarium软件通过openGL技术对星空进行实时的追踪，可以真实地反馈出经由肉眼、双筒望远镜和小型天文望远镜所看到的天空，其画面质量高且精美，具有最直观的视觉冲击力，极大程度的增强了人们对于天文的兴趣。与此同时，它不仅可以在配备有普通多媒体的教学中应用，还可以被应用于更为专业的天象馆。由于它直观的视觉感受，使得它打破了传统的天文科普的方式，使天文科普在中学的开展效果得到极大的提高与改善。

1.中学天文科普的现状及意义

1.1中学天文科普的现状

1.1.1普及方式种类多但效果不佳

目前天文科普的方式多为从书本、互联网查阅相关的天文故事或影像资料，或通过一些天文小活动，如：光学小制作、天文星图或天文七巧板等。虽然天文科普形式多样但科普内容有限。随着许多天文科技馆的出现，天文知识的普及由传统的书本向借助多媒体技术过渡，但是由于科技馆难以做到对广大人群进行长期、实时的天文知识普及，因此在时空上具有一定的局限。因此，传统的科普方式效率低下，效果不佳。

1.1.2中学生对天文的兴趣不浓

据相关调查，阅读课外天文科普书籍2本以下的占35%，3本左右的占45%，4本以上者仅占20%。知晓中外天文学家的名字能说出1-2个的占40%，能说出5-6的占15%，能说出6个以上的占25%，还有20%的学生一个也说不出来。关于最新的天文成果，能说出3-5个的占20%，1-3个的占25%，55%一个也说不出来[1]。

由上述数据可见，中学生对天文的兴趣不浓厚，关注度不高。其原因多为中学天文科普的方式较为传统且内容单调，教学模式多为老师向学生的单向传授。因此，科普效果不佳，学生对天文知识的兴趣逐渐降低。针对此现状，改善天文科普活动方式迫在眉睫。

1.1.3科普具有局限性且难度高

专业的天文观测设备往往体积庞大，不可随意搬动。而可移动天文设备的观测效果常受天气和光污染的影响，被动性较强。开展实地观测，学生外出存在安全隐患，同时城市灯光污染也会使天文观测活动难以顺利开展。综上，天文科普在中学的实地开展存在一定难度。

Stellarium是附着于计算机的一款软件，可用作天文观测的教具，它不受外界因素影响，灵活性强，而且兼容多种操作系统，并具有强大的视觉冲击力，能大大激发中学生对天文的兴趣，为天文科普的开展提供有力的技术支持。

1.1.4天文科普在中学开展的优势

天文科普在中学阶段的开展优势明显并有较多有利条件：第一，随着教育部对于课程改革的进行，课业压力在逐步的减轻，中学生拥有了更多的课余时间来进一步的了解和发展自己的兴趣和爱好；第二，中学阶段是一个学习事物的“黄金时期”，中学阶段的学生对于新鲜的事物有着强烈的好奇心。上述条件对天文知识的科普具有非常重要的意义。因此，中学阶段进行天文科普的活动，丰富了学生的课余生活的同时，也拓宽了学生的视野，培养了学生对于天文的兴趣与爱好。

1.2中学天文科普的意义

1.2.1有利于培养学生科学素养

对于中学生来说，开展天文科普活动，有利于学生形成科学的认知方式和科学的自然观，能够提高学生的科学素养[2]。天文学是一门包罗万象的自然类科学，天文科普的开展多角度，多层次的丰富了中学生的知识储备，拓宽他们的视野。天文学作为六大基础学科之一，与其他学科联系紧密，如：在天文学中既包含物理学中的光学、力学、分子物理学等知识，也有化学中的元素的质的变化等知识。在天文科普的过程中，学生对天文科学知识达到基本的了解程度并对科学的研究过程和方法达到基本的了解程度。因此，天文科普在中学的展开有利于培养学生的科学素养[3]。

1.2.2有利于提高学生的综合素质

在天文科普活动的开展中，对于观测的结果，学生展开猜想、讨论与思考，这样的活动方式有利于培养学生的合作精神与探索精神，提高他们的独立思考能力，并且在交流过程中，提高了学生的交际能力。在观测过程中会存在一些分工与合作，有利于他们动手能力与分工合作能力的提高。这些综合能力的培养与提高有利于他们应用到今后的学习和工作中去。

1.2.3有利于培养学生的探索精神

无穷无尽的宇宙充满了奥秘与奇迹，有许多新鲜事物吸引着我们去探索和发现。而天象观测是一项长期的，持久的活动，这使我们要拥有坚持不懈的探索精神。在天文科普中经常会出现一些难以理解的天文现象，会引起学生们的好奇心并刺激他们去自主探索，寻找原因。这样，他们的自主探索精神和钻研精神就会得以提高，这种提高会为他们今后的工作与学习提供宝贵的财富。

2. Stellarium在天文科普中所具有的优势

2.1演示画面真实直观

Stellarium作为天文星图软件，享有“虚拟天象馆”的美誉，它应用三维动画将天象展示的淋漓尽致，以最震撼的视觉效果向观看者展示天文现象。同时Stellarium为观看者提供大量的天文素材，并且呈现的效果与无污染真实观测的星空别无二。操作者可通过鼠标移动拖拽天空看到任何位置的天空并可根据实际时间观测头顶的天象变化。结合Stellarium，不仅可以看到实时星空，还可以观看和捕捉星座、行星和彗星的运动轨迹，真实模拟日月食、太阳黑子等多种天文现象。结合Stellarium的天文科普方式是科学发展的结晶，这种新颖的方式必将带给我们更好的对于天文知识的认知力，同时极大程度上提高对天文知识学习的兴趣。

2.2应用打破时空局限

Stellarium打破了时空的局限性。在时间与空间上，它可以实现任意的转换。在天文科普的实际活动开展中，讲解者在授课的过程中，可以根据学习者提出的时间段以及想要了解和学习的天象情况（例如：流星轨迹的展示，星座展示等等）进行任意调整，将最具有说服力和生动的画面展示给学习者。Stellarium不仅仅是一个秉承有科学的计算机软件，同时也做到了知识与学习者之间的互动，这种可以根据学习者的主观意愿进行天文科普的方式，最大程度上提高学习者的效率。因此，在天文科普活动中融入Stellarium软件，使天文科普的发展迈上了一个新的台阶。这种突破性的互动也最大程度上满足了中学生强烈的好奇心。

2.3软件操作简单方便

Stellarium软件操作简单并且可操作性强。它主要通过键盘的指令操作对内容进行选择。例如为观看者进行全屏模式的切换，对天体进行选择性展示，显示星座的连线以及星座之间的界限，显示星座的名称和切换展示赤道坐标系与地平坐标系等。在应用中，操作简单易学，方便使用者的控制。目前Stellarium已经有汉化版本，更方便了中国用户的使用。即使对于以前从未接触过Stellarium软件的初学者来说，在短时间内也可以熟练运用此软件。

2.4对比其它软件应用

2.4.1与Google Earth对比

Google Earth是一款由Google公司开发的虚拟地球仪软件，它把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上。用户可以下载一个客户端免费浏览世界各地高清卫星图片。Stellarium采用openGL技术对星空进行实时渲染，可以逼真地表现通过肉眼、双筒望远镜和小型天文望远镜所看到的天空。极强的动态性特征使中学天文科普变得更加生动形象，因此相比Google Earth， Stellarium动态性与实时性更强。

2.4.2与SkyMap对比

Skymap，它是显示由地球看到天空从西元前4000年到西元8000年的星座分布的天文软件。具有两种显示的模式，一种是Horizon，模拟一般观察者在地面所看到的景象，另一种是SkyArea，即你可以选择天空中一小块的区域，加以放大，所显示出来的景象。从观测与模拟的内容上看，stellarium拥有超过60万余颗星星的超逼真立体星空、真实星云影像、大气与阳光效果、行星与卫星、以及星座分布并且能够自由缩放与移动时间。因此，Stellarium避免了天文科普内容的单调性，拓宽了中学天文科普的内容与范围，能更好的丰富中学生的天文知识，对扩展中学生的视野也有重要的作用。因此相比Skymap，stellarium内容更加丰富。

2.4.3与万维天文望远镜对比

万维天文望远镜是微软亚洲研究院项目，通过它可以浏览太空美景，可以看到绚丽的远太空独特的星云等。万维天文望远镜通过互联网把全球的天文资源无缝透明的融合在一起，借助强大的数据库、网络技术和友好的用户界面，为全世界的人提供了一种全新的使用天文数据的方式。与此同时，万维天文望远镜提供漫游片也支持用户自制漫游片。但这种漫游片与Stellarium的脚本相比，略显古板，动态性能较低且灵活性较差。因为万维天文望远镜提供的漫游片是PPT幻灯片，只能结合图片、文字、声音进行演示，而Stellarium在执行脚本时，画面是以动态的形式进行，用户在点击执行脚本以后能够以观看视频、纪录片的形式来了解天文知识，这种技术在中学天文科普中的应用极大地增加了天文科普的趣味性与形象感。因此与万维天文望远镜相比，Stellarium的自主创新空间更大。

2.4.4与Starry Night对比

Starry Night是加拿大Simulation Curriculum公司研发的一系列优秀天文软件，以其数据库资源和高仿真的动态模拟功能赢得了全球天文爱好者的好评。但全英文的界面定会给中国用户造成一定的困恼，而Stellarium的界面语言可以自由设置，对于中国用户而言，Stellarium有汉化版本，这更能方便极大地增加了在我国的适用范围，对提升天文科普效果起到了积极促进作用。因此，与Starry Night相比，Stellarium汉语版本的出现更贴合我国的实际使用情况。

2.5促进天文融入生活

要引领中学生在思想上“仰望天空”，首先就要让他们抬起头来，真真实实地仰望一下自己头顶上的天空，而掌握一定的天文知识则是了解头顶天空的必要前提。但在现实生活中，中学生往往接触天文科普的形式有限。尽管天象馆有着其独特的作用，但由于专业设备过于庞大，不便于携带，使得天象馆在实际天文科普中会受到时空的局限[4]。而Stellarium能够不受空间局限，直观显示宏观与微观的天象，（例如：恒星的位置、恒星的连线、星座的位置）再通过虚拟仿真的手段将抽象的内容转化为学生更易感知感受的情境。Stellarium是一款通过桌面虚拟现实技术构建出的天象软件，可以满足中学生的兴趣和爱好，激发学生对天文知识的自主探索性，调动学生想象力和培养学生对于天文认知的思维能力。因此，天文科普活动结合Stellarium拉近了学生与浩瀚宇宙之间的距离，使天文科普真正意义上的走进生活，融入生活。

3.stellarium在天文科普中的实践应用

3.1利用北极星识星座

星座作为天文学中必不可少的组成部分之一，让学生掌握星座知识成为天文科普的基本要求，而北极星则是认识星座及寻找星座的关键，它是最靠近正北方位的一颗恒星，千百年来地球上的人们就是靠它的星光来导航。因此，北极星在野外观测活动中具有重要意义。从漫天繁星中辨别出北极星显得十分重要，了解北极星的相关知识是认识星座的立足点。

首先，利用stellarium模拟星空帮助学生寻找北极星，以达到全面了解北极星的教学目的；其次，在stellarium中能形象的展示出北极星与各星座的联系，因此能实现通过北极星认识星座的教学目标，以提升天文科普的效果[5]。

3.2观看日食动态过程

近年来，各大新闻媒体以及网络对于天文中日食现象的宣传，使得我们越来越关注日食这种天文现象。目前对于日食的观测，方法有多种，如：望远镜投影法、小孔成象法等。而最普通的方法是用熏黑的玻璃，磁盘盘芯，照相底片或焊工的防护玻璃。但在日食的实际观测中却受到时间、天气及观测工具的局限。Stellarium可以向学生动态的展示出日食全过程，使得学生可以观测到完整的日食现象，从整体把握日食现象，从而达到利用先进的教学手段提升教学质量的目标[6]。

3.3演示月食全部过程

月食发生在每月农历十五左右。因为此时月球运行进地球的阴影中，由于地球在月球轨道处的投影总比月球大，所以月环食的情况是不会发生的。月食在现实生活中发生的几率小，因此学生很少有亲眼观看月食的机会。但Stellarium可以使学生在天文科普中随时随地的观看月食全过程，使学生达到身临其境的感觉，加深对月食的理解，进而提升天文科普的质量。Stellarium动态的演示月食全过程，能更好的展示月食的各个阶段，使学生做到眼脑并用，使提高学生综合能力的教学目的得以实现。

3.4学习认知太阳黑子

太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的。由于专业观测设备的简陋或缺乏，使太阳黑子的观测基本不能实现，天文科普中的了解太阳黑子的教学任务就不能完成了，而利用Stellarium软件只需将时间设置为太阳黑子活动的周期，我们便可以观测到太阳黑子的活动，还可以避免直接观测中的意外伤害。

3.5模拟动态流星

流星是指运行在星际空间的流星体（通常包括宇宙尘粒和固体块等空间物质）在接近地球时由于受到地球引力的摄动而被地球吸引，从而进入地球大气层，并与大气摩擦燃烧所产生的光迹；而流星雨（每小时一颗的流量就可以称为流星雨）是一种有成群的流星看起来像是从空中的一点中迸发出来，并附落下来的特殊天象。由于受流星雨流量、观测时间以及大气污染等因素的影响，使流星雨的室外观测变得困难，但流星雨的知识又是天文科普中较重要的教学内容，所以运用Stellarium可以轻松地模拟流星雨，以动态的形式呈现给学生，让学生从另一个角度，用另一种方式学习流星雨，这也能使流星雨部分的教学任务能很好地完成。

4.Stellarium软件具体应用过程与演示效果

通过数据线将装有Stellarium的电脑与教学多媒体进行连接，展示在投影屏幕的内容与电脑同步。

打开Stellarium软件后，具体演示步骤如下：

1.第一个画面是方位的选择，进行方位的选择后。在“天空”中，选择天体绝对与相对的大小；行星以及卫星还有大气层的显示；流星天顶的小时率（调整的数据越高，流星就出现得越多）。

2.在“标示”中，选择天球的显示，坐标、网格。同时，可以选择各种星座的显示，名称，连线和亮度等。

3.在“地景”中，根据观看者的兴趣偏好，调整地景。具体的调节过程可在右下方选项中进行选择。

4.根据观看者的需求，如果想看得更近，可以点中目标，通过滚动鼠标，即可慢慢放大。也可以通过触摸板上的放大手势进行大小调节。

参考文献

[1]刘菁.浅论青少年天文科普活动的现状与发展对策[J].大众科技，2012，（5）：143-146.

[2]李化南.校园天文科普活动的实践和思考[J].赤峰学院学报（自然科学版），2009，06：5-6.

[3]赖其云.对中小学开展天文科普活动的认识与实践[J].教学月刊（中学版），2009，（6）：24-26.DOI：10.3969/j.issn.1671-7058.2009.06.008

[4]邓璐兵.天文软件在中学天文教学中的应用探究[D].广州大学，2013.