天文觀測軟件在天文類選修課中的應用

黃志敏 張雷 劉海順

摘要：針對高校天文類選修課無法有效開展戶外天文觀測活動的現狀，本文介紹了四款免費的天文觀測軟件，并對課堂教學的天文觀測軟件應用實踐進行了探討，為教師利用這些軟件進行輔助教學提供了一定的參考。

關鍵詞：天文選修課；天文觀測；軟件；輔助教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）09-0043-02

一、引言

天文學是研究宇宙間天體及其系統的科學，它融合了自然科學中的諸多學科，學一些天文知識對于文理知識的相互融合有著十分重要的意義[1]。在國際上，很多大學均開設了天文學的相關專業及選修[2]。在我國，隨著高校非天文類專業教學研究的興起以及“全國高等院校天文學教育與發展研討會”等系列會議的召開[2]，天文類課程正逐步得到重視，越來越多的高等院校主動將天文普及教育作為當代素質教育的重要內容，面向全體大學生開設天文選修課。在教學過程中，開展戶外天文觀測活動是一個重要環節，可以大大激發學生對宇宙和自然科學探索的興趣，培養觀察能力[3]。但是，由于我國天文教育目前還比較薄弱，配備專業天文觀測儀器的高校少之又少，這使得絕大部分高校的戶外天文觀測活動無法開展，即便是有觀測條件的高校，由于參加選修課的學生人數太多，導致在學生的組織和課時安排方面困難重重[3]，難以保證活動質量，這對學生實踐能力的培養是極為不利的。隨著虛擬現實技術的飛速發展，一些制作精美、功能齊備、操作簡單、內容豐富的天文觀測軟件逐漸涌現，將這些軟件引入課堂可以在一定程度上解決這些困難，走出天文課只講授不實踐的窘境。本文介紹了四款免費的天文觀測類軟件，并以中國礦業大學開設的穩定性通識教育選修課《星際演化與外太空探索》為例，對這些軟件在教學中的應用進行了探討。

二、四款天文觀測類軟件

1.Celestia軟件。軟件由Chris Laurel主導開發，運用NVIDIA繪圖技術構建影像，依據依巴谷星表，利用非常精確的VSOP87理論計算星體軌道，內建將近12萬顆恒星，還提供了各行星、衛星的日食、月食預測。使用者可以通過時序設定視窗的鎖定仔細觀察任意時間段的各種天體。此外，專業人士還可以下載和安裝擴展信息庫，獲取更詳盡的資料[4]。該軟件畫面精美、內容豐富，通過導航欄內的太陽系瀏覽器和恒星瀏覽器，使用者可以快速找到自己感興趣的星體。但是對初學者來說，想使用其強大功能，還是有一定的困難的，所以該軟件更適用于具有一定天文學基礎的教師使用。Celestia具有截圖與錄像功能，教師在備課的過程中可以方便的截取圖片和視頻，為學生上課時演示。

2.Stellarium軟件。軟件使用openGL技術對星空進行實時渲染，可以真實地表現通過肉眼、雙筒望遠鏡和小型天文望遠鏡所看到的天空。使用者可以選擇地球上的任意位置，甚至可以以火星或月球作為觀測點。它還可以演示流星雨和日食等虛擬的天文現象。Stellarium有白天和黑夜的變化，可以看到不同季節的天空[5]。該軟件可以實現開關坐標系、星座連線與標識、星座圖繪等功能，還特別提供了包含中國在內的多達11個國家或民族的星空術語，十分便捷。由于其畫質質量高、星圖準確、資料齊全，一些天象館還將Stellarium用于實際的天象放映中[6]。該軟件操作簡單、標注詳細、視角真實，非常適合沒有天文學基礎的初學者使用，教師將其引入課堂教學也能大大激發學生的學習熱情。該軟件目前支持的操作系統包括Linux/Unix、Windows和MacOS X，并已開發出適用于移動設備的安卓版和IOS版，可獲取使用者當前的地理位置，生成與真實天空無異的星圖，方便學生獨立開展星空觀測活動。

3.Google Sky（谷歌天空）軟件。這是從Google Earth 4.2版開始增加的功能，它讓每一個普通人都能夠如同宇航員一般置身虛擬太空，探索宇宙奇觀。用戶可以觀看數百萬光年以外的遙遠星系，探索星群，看行星運動，甚至看超新星的爆發。資料圖片主要來自美國宇航局的哈勃太空望遠鏡、斯隆數字天空觀測協會等科研機構，共有約1億顆恒星和2億個星系可供用戶觀察?！凹t外線視圖”和“微波視圖”兩個選項還可供專業用戶進行體驗。另外，它還能透過不同圖層顯示恒星的演變史、星群、哈勃望遠鏡拍攝的高解析度圖片以及星系指南[7]。目前，Google sky已經提供了網頁版和適用于移動設備的安卓版，真正做到了不受操作系統的限制，這對于教師上課演示和沒有個人電腦的學生課后自學都是非常便利的，每個人都可以隨時隨地觀測星空，遨游星際。

4.WorldWide Telescope（以下簡稱WWT）軟件。這是微軟開發的一款免費的桌面望遠鏡軟件，集合了世界上各大天文望遠鏡、天文臺、探測器所拍攝到的幾十TB的數據和圖像，加工處理成一個無縫的數字宇宙，把互聯網變成了一架全波段、超大威力的虛擬望遠鏡，提供了一個知識豐富的學習環境，大大方便了世界各地天文數據、文獻資料等信息的交互過程[8]，為天文學家提供了方便的認證手段，這對更全面、更深入的理解天體物理過程非常重要。軟件資料均來自于真實的圖片，教師使用該軟件可以增強課程的互動性，學生也能很快學會使用并進行自主探索。

三、在天文類課程中引入天文觀測軟件的教學實踐

在授課過程中，教師選擇Google Sky軟件貫穿整個學期教學活動的主線，同時根據教學內容的特點選擇不同的軟件進行輔助教學。利用Google Sky軟件展示恒星的演變史，從而將抽象的理論和漫長的星系演化過程形象化，重現超新星爆發的壯觀景象，使學生易于理解。而在講解星座的時候，教師利用Stellarium軟件特有的星座圖繪功能來形象地展示星座，同時還可以把中國、韓國、埃及等11個國家或民族對于星空的認識進行比較，從而使講授的內容更加的形象、直觀，也能大幅提高講授內容的深度和廣度。在講解具體的恒星、行星、彗星等星體時，借助Celestia軟件的星球與星系的目錄來快速檢索到這些星體，并顯示出星體運行的軌道，在保證了教學內容科學性的同時增添了課堂教學的趣味性。當學生具有了一定的天文學基礎，想對外太空進行更加深入的了解時，教師借助WWT來進一步拓展視野，觀察不同波段下的宇宙圖像，甚至可以建立一條獨特的宇宙漫游路線，帶領學生去探索。

教師除了可以在課堂上利用這些軟件進行輔助教學外，還可以布置一些簡單的研究課題，引導學生利用軟件去自行探索并形成報告，在課程臨近結束時，讓學生匯報自己的研究結果。這種方式一方面可以引導學生利用工具來解決自己感興趣的問題，養成探究式學習的習慣；另一方面對學生的動手能力、歸納總結能力以及表達能力也是很好的訓練。

四、結語

在天文類選修課中引入天文觀測軟件可以使學生無需借助專業的天文觀測儀器就可以開展天文觀測活動，不受時間、地域和氣象條件的限制，能在一定程度上解決當前存在的專業天文觀測儀器少、學生多、課時安排沖突等問題。相信通過對這些軟件的功能的進一步發掘，學生一定能從中得到更大的收獲。

參考文獻：

[1]趙杰，趙中華.《天體演化》公共選修課的教學實踐與探討[J].新課程研究，2010，（177）：16-17.

[2]潘艷平.“宇宙探索概論”課程中開展素質教育的探討[J].中國電力教育，2009，（145）：89-90.

[3]袁啟榮.高校天文選修課教學實踐中的困難和挑戰[J].北京師范大學學報（自然科學版），2005，41（3）：233-235.

[4]百度百科—Celestia.http：//baike.baidu.com/view/706414.htm.

[5]桑建輝.虛擬實驗——實驗教學的新途徑[J].中國教育信息化，2012，（6）：46-48.

[6]百度百科—Stellarium.http：//baike.baidu.com/view/553375.htm.

[7]百度百科—Google Sky.http：//baike.baidu.com/view/1121477.htm.

[8]百度百科—WorldWide Telescope.http：//baike.baidu.com/view/4516920.htm.