万维望远镜在高中地理天文教学中的应用探究——以项目学习为例

林鸿志，车 云，余 明

（1.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007；2.福州第三中学，福建 福州 350003）

一、中学天文教学的难题

1.教学内容的特殊性

天文学是自然科学中的一门基础学科。它的研究对象——天体具有空间尺度大、时间跨度广、条件极端等特征，只能被动观测而无法在实验室直接操作[1]。学生极其缺乏相关的直接或间接经验，利用文字、图表、视频或模型来讲授天文的传统教学方式难以展现天体的特征，反而会因其抽象和枯燥使得学生丧失对天文的学习兴趣，对教学实践的开展、教学目标的实现造成一定的困难。另一方面，作为一门强调观测的科学[2]，天文观测在学科发展中具有重要的地位，但是在日常教学中因为受天气、场地、安全等因素的影响，户外天文观测活动往往难以顺利开展，导致天文学习缺乏实践活动的支撑，受限程度加重。

2.新课标教学的挑战性

《普通高中地理课程标准（实验）》（以下简称《实验版课标》）中，天文学相关的标准有3 条分布在必修1 第一章，9 条分布在选修1 第一、二章，总共12 条[3]。《普通高中地理课程标准（2017 年版）》（以下简称《2017 版课标》）将天文学基础设置成独立的选修模块，但总的天文学相关的标准数量不变，仍为12 条。其中一条分布在必修1，一条分布在选择性必修1，其余10 条分布在选修1天文学基础[4]。

参考布卢姆教育目标分类学对知识维度和认知过程维度的划分以及分类表的使用[5]，根据课标的具体要求（学习内容与行为动词），笔者对新旧课标天文学相关的标准进行了归类统计，如表1 所示。

表1 新旧课标天文学相关的知识与认知过程二维统计表

尽管新旧版本课标天文相关的标准数量一样，但是与《实验版课标》相比，《2017 版课标》的要求更加细致，而且对概念性知识的理解和运用认知要求更加突出，这对教学提出了一定的挑战，需要师生积极应对。合理运用现代教育技术会使抽象的科学原理直观化，降低学生的认知难度，使学习内容更形象、更生动、更有趣[6]。因此教师需要更新教学观念，充分利用信息技术和科学有效的教学方法来弥补传统课堂教学的不足，为学生提供良好的学习环境和平台，激发学生对天文学习的兴趣，达到提高天文素质教育的目的。

二、项目学习

1.定义

基于项目的学习（Project-Based Learning，简称PBL）又称项目学习，最早由美国教育家克伯屈提出，核心是让学生通过实际活动来获得知识[7]。项目学习以学科概念和原理为中心，以作品制作和展示为目的，引导学生借助多种资源开展学习活动，并要在一定时间内解决一系列相关问题的一种新型探究性学习模式[8]。项目作品的形式多种多样，本文所讨论的主要是万维望远镜平台所特有的“漫游”（Tour），一种交互式的天文多媒体作品。

2.优势

项目学习融合了杜威实用主义教育理论、建构主义学习理论、加德纳多元智能理论、布鲁纳的发现学习理论等优秀教育思想和理念[1]，在教学实践中具有独特的优势。特别是在内容抽象，缺少直接经验的天文教学过程中，项目学习可以更好地发挥学生的主体地位，充分调动学生的自主性和能动性，打破传统教学下学生对知识的被动接受和机械记忆。

把抽象的天文概念和原理具体化为真实的、激发性的问题，以问题为导向确定项目课题，在项目开展过程中通过材料的收集和资源的整合，学生可以获得形式各样的直接经验，从不同层次和方面接触天文学习内容，感受其中的多样性。有利于学生充分发挥个体的多元智能，找到适合自己的学习方法和途径，激发解决问题、完成作品的兴趣和动力，在活动探究中实现天文教学的目标。但这也对教学支持系统提出了巨大的挑战，需要在保证效率与效益相统一的前提下开展天文的项目学习，其中万维望远镜可以起到强大的支撑作用。

三、万维望远镜的项目学习应用价值

万维望远镜（WorldWide Telescope，简称WWT）自2008 年正式诞生以来，深受国内外天文爱好者、天文科普工作者的欢迎。作为一个功能强大的大数据平台或者称作天文科学数据库，它整合了海量的来自世界各地天文台（包括地基望远镜和空间探测器）科学真实的天文数据并通过可视化技术将多波段数据表征为图像呈现在用户眼前，可供不同层次的用户认识、探索、学习或研究全波段天空。目前，WWT 平台已实现将迄今为止人类所探测到的宇宙信息汇总呈现给大众，为人们打造出一个基于真实数据的可视化虚拟宇宙。WWT 平台能提供丰富、新颖的天文教学资源，应用价值高。

1.学习资源的呈现

缺乏与生活经验相联系的抽象概念和内容是进行天文学习的一大难点，学生在日常生活和传统教学中接触到的天文素材和信息量较为单薄，难以顺利开展项目学习。万维望远镜是面向公众的虚拟天文台，通过WWT软件和网络连接，学生可以访问到世界各地的天文数据、图像、文献资料等信息。打开WWT 软件，每一台电脑便化身为天文“超市”，呈现丰富的学习内容和材料，学生可以实现对在线天文资源的“一站式购物”[9]，为项目学习的开展提供强有力的资源保障。

另一方面，WWT 所呈现的数字星空由数以千万计的来自数字化巡天（DSS）图片无缝拼接组成，同时严格模拟了真实天空中运动的天体（如太阳、月球和系内行星等）。在软件设置界面中改变观测所在地和时间，便可看到其他区域或不同时间的星空图像，完全突破了时空的局限。这在一定程度上弥补了受限较大的户外天文观测活动的缺失，避免学生因为一些外部条件而完全丧失了对天文观测的体验和感受。天文观测便是一种最贴近生活、紧扣学科的项目学习。

2.学习情境的创建

WWT 模拟的数字星空可以带给学生天文观测体验，它更出彩的地方在于构建虚拟宇宙基础上所设置的多指向模式，如天空、地球、太阳系、月球、火星等。学生可以随意切换观测的空间位置，从地球望向天空、从太空望向地球或者把视野转移到月球或火星上面，又或者跳出太阳系来看看系内天体的运动，甚至可以不断扩大视场范围来看宇宙的大尺度结构，为学生提供了多角度、多尺度认识宇宙的机会和途径。犹如乘坐上可以瞬时移动的超级飞船来尽情饱览宇宙的美景，这不再只是科幻电影或小说中才有的情景，学生在教室或家里的电脑前也能体验到。相比于地理教材，WWT 所展现的恢弘的宇宙图景更具形象性和吸引性，为学生带来沉浸性的学习体验，可以营造良好的探究性学习环境，有效激发学生的学习兴趣和探索欲望。

3.学习过程的支撑

WWT 能给使用者提供畅游宇宙的机会，并且允许创建和分享“Tour”（中文译为“漫游”），犹如用虚拟的GoPro 来记录自己的经历一样，把自己探索宇宙的过程或路径保存下来，还可以添加旁白、音乐、文字或图片等其他材料，最后完成类似于互动式视频的漫游作品。这是WWT 应用于天文教育实践的突出特点和典型方式，为项目学习的开展提供了支撑。

为了探究问题、制作作品，学生需要完成确定主题、寻找资料、撰写脚本、操作WWT 软件制作漫游、匹配背景音乐及旁白等一系列步骤或任务。在教师的引导下，通过团队合作，师生交流，学生依托WWT 的多种原生资源，亦可根据想法和创意添加更多不同的元素（如人造天体3D 模型、可视化数据、外部图片、文字、音乐等）来制作漫游作品，促使学生充分调动自身多元智能来实现目标。可以说，WWT 是天文项目学习开展的理想活动平台，也是学生通过项目达到创新的体现，有利于综合学习“过程”与“结果”来激发学生探索宇宙奥妙的兴趣[6]。

四、实施基于万维望远镜的天文项目学习

基于WWT 的天文项目学习在中学天文教学中起到强有力的辅助作用，为教学目标的实现提供了保障。对于天文项目学习的开展，笔者强调师生配合、课内外结合，但并不建议每一堂课都要求全体学生制作漫游作品来实施所谓的项目教学。为了达到效益与效率相统一的效果，学生以小组为单位，根据兴趣和教学内容选择不同的主题开展项目学习，“一堂课一主题一小组”即可，把漫游作品作为教材和课后作业贯穿于整个学期的教学阶段，详情可参考表2。

表2 基于WWT 平台的高中天文项目学习模式实施过程

与《实验版课标》相比，《2017 版课标》对“太阳系结构及运动”一节的教学提出了更高的要求和目标，从“说明太阳系的组成以及九大行星的基本特征”（基于《实验版课标》）到“描述太阳系的结构和行星运动特征”，新课标更加强调学生对天体运动和太阳系空间结构的认知和理解，这对中学生的空间想象能力提出了极大的挑战，需要借助强大的教学辅助手段。

下面笔者以《天文学基础》选修模块中“太阳系结构及运动”一节为案例，逐步探究基于WWT 的天文项目学习模式的实施。

1.课堂引导

课堂上教师启动WWT 的“太阳系”模式，3D 模拟出来的太阳及其行星家族便在师生面前一览无遗。与传统模型或沙盘不同的是，WWT 的3D 太阳系允许我们进行全方位、多尺度、无死角的观察，所有操作仅需在电脑上通过鼠标的拖曳和点击，而无需人的走动，不管是教师通过大屏幕进行演示还是每位学生单独操作电脑，都极大地提高了课堂效率，保证了每位学生参与学习的机会，营造了活跃的课堂氛围。

（1）在WWT 软件的“太阳系”模式下，放大空间尺度后可以饱览整个太阳系空间结构，自带的轨道标注（不同行星轨道标注的颜色不同）可以让学生更好地观测和理解行星运动，把观测视角正对行星的公转轨道，行星运动“近圆性”的形象便跃然于屏幕之上，木星与火星轨道之间的小行星带亦清晰可见（如图1 所示）。通过菜单面板上的加快“时间流逝”功能，画面中八大行星公转的位置变化更加显著，提高了学生观察的可行性，否则以冷冻巨星（天王星、海王星）漫长的公转周期，要总结出系内行星运动的“同向性”着实有点困难。转换视角聚焦到海王星，往太阳的方向望去，学生可以发现各大行星的轨道几乎重叠在一起，但相互间确实又存在微小的轨道夹角，这能够帮助学生更好地理解系内行星运动的“共面性”。

图1 在WWT 中俯视太阳系

（2）通过软件面板上的目标跳转功能，空间尺度缩小到行星级别，鼠标轻轻一点，教师便可带领学生在太阳系内开展行星考察，看看表面布满陨石坑的水星，观察自转方向与众不同的金星，再感受一下太阳系内第一高峰——位于火星的奥林匹斯山……师生考察团可以随意穿梭于太阳系行星家族，观察、体会各大行星的位置、形态、特征和运动规律（如图2 所示）。学生在这奇妙的宇宙之旅中获得经验、理解概念、掌握基本原理，为项目学习的后续开展打下基础。

图2 WWT 中的类地行星

2.确定课题

“太阳系结构及运动”一节教学内容较多，信息量较大，所带来的课题也具有多样性，但核心的主题是要帮助学生形成对太阳系主要天体即太阳和八大行星的空间相对位置、尺度对比、空间运动差异的认知和理解。在不脱离该核心主题的前提下，教师应该尽量发挥学生的主观能动性，鼓励学生对生活现象或课堂授课内容进行深入思考，从中发现问题、提出问题，并与同学、教师探讨选题的价值和可行性。比如在现实生活中的特定时期内通过长期观察记录，我们可以发现行星逆行的现象，其中最显著的是火星逆行（当然我们也可以利用WWT在短时间内模拟实际生活的长期天文观测结果），教师可以以此为切入点引导学生思考这种现象出现的原因及其重要意义，激发学生的探究兴趣，确定具体的课题来开展项目学习，最终以WWT 漫游（5 分钟左右）的形式展示成果。

3.制定计划

（1）确定小组成员，对同一课题感兴趣的学生组成小组（教师根据班级人数限定每一个小组的人数）。在整个学期中，每位学生必须加入一个小组，但不能超过两个小组。

（2）小组交流讨论，全体组员共同研制探究方案或活动计划表，需要把关键时间节点和具体任务分工写入方案或计划表。

（3）小组向教师提交方案或计划表，教师帮忙审核该小组活动计划是否具有可行性或者是否存在可能影响活动正常开展的问题，并给出具体的意见和建议。

4.活动开展

（1）前期准备

①结合教师的课堂教学，学会熟练使用WWT 软件，包括菜单功能、操作技巧、信息获取、漫游制作等。②通过图书、网络收集相关资料，为构建作品的理论框架作准备。③小组成员各自列出WWT 软件学习过程中遇到的问题和困难，先组内交流解决，无法克服的问题汇总后向教师请教。

（2）作品制作

①把收集来的资料筛选分类，并以此为理论基础撰写脚本，也就是为整个漫游作品创作剧本。②根据脚本操作WWT 软件制作漫游，相关旁白录音和匹配背景音乐等工作也需同步开展。③音频文件导入与漫游相结合，调整漫游时间轴使画面与音频相协调，完成作品。

5.作品展示

（1）在期末阶段，教师组织全部小组进行汇报展示，原则上各小组展示制作的WWT 漫游作品即可，如有特殊需求，也可以借助辅助工具（如PPT、文本文档等）共同展示，但不能超过规定的展示时间。

（2）师生共同评价，采用小组自评、教师评价和组间互评相结合的方式。教师可预先收集学生对评价内容和要求的看法（比如内容的科学性、趣味性，画面的连贯性、美观性，背景音乐和字幕搭配的协调性等），制作评价表，注意定性评价与定量评价相统一。

（3）展示过后各小组根据师生的反馈修改完善漫游作品，再向教师提交最终成品。教师择优推荐参加国内甚至国外的宇宙漫游制作大赛或相关科普作品大赛。如果条件允许，亦可打造成系统性天文科普教材，通过新媒体平台进行推广，为国内天文科普教育作贡献。

五、总结

《普通高中地理课程标准（2017 年版）》独立设置了天文选修模块——《天文学基础》，这对我国天文科普教育来说是个好消息，但也意味着对高中地理教学提出了新挑战、新要求。天文教学有其特殊性和限制性，在高中阶段有先天性的教学难题，为了营造良好的教学氛围，激发学生的天文学习兴趣，可以尝试基于万维望远镜（WWT）的天文项目学习模式，以强大的信息技术和大数据平台为天文教学助力，发挥项目学习的优势，给学生提供一种新颖的探究性天文学习新模式。