基于WWT的美國中學天文交互實驗及其啟示

摘 "要 "哈佛大學的天文學家及其團隊利用WorldWide Telescope軟件的真實科學數據平臺制作交互式漫游，再配以完整的教案及學案形成主題鮮明的WWT教學實驗模塊。在美國中學應用“月相”的WWT交互實驗后，發現可以幫助學生理解知識，提升興趣，教學效果比二維虛擬實驗和傳統教學方式更好。我國教育工作者在此啟發下可以利用已有的交互實驗模塊，或開發此類信息化教學方式，與高校學者合作，逐步突破國內中學天文教育困境。

關鍵詞 "天文教育；WWT交互實驗；數字星空；月相

中圖分類號：G642 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）01-0135-04

0 "引言

以科學研究為目的的觀測、實驗、計算等過程中產生的科學數據正在爆炸式增長，科學家不僅要考慮如何管理和使用這些數據以便高效地從事綜合性研究，同時認為教育工作者也應利用這些數據，以減小前沿科學研究與教育、公共知識之間的差距[1]。

在天文領域，WorldWide Telescope天文軟件成功突破了傳統模擬星空的模式，初步將哈勃空間望遠鏡、錢德拉X射線天文臺、斯隆數字化巡天等太空及地面大型望遠鏡采集的科學數據進行無縫拼接，形成一個“真實”的數字星空。

哈佛大學天文教授Alyssa Goodman創建World-

Wide Telescope Ambassadors（簡稱WWTA）項目，在馬薩諸塞州的中學及各類科技活動中實施研究，力圖將此基于真實科學數據的軟件平臺應用到正式與非正式的天文教育中去，使學習者與教育者都從中受益。自2012年起，WWTA多次獲得NSF基金資助，開發基于WorldWide Telescope的可視化交互式實驗（簡稱WWT交互實驗），開拓一種新的基于天文軟件的教學方法。

1 "WWT交互實驗的內容

WWT交互實驗的教學主題包括月相與月食、季節、宇宙的尺度、尋找系外行星等。其中月相變化是一個常見的天文現象，但是該內容是學生和成人常有的而且難以改變的迷思概念。在被調查的美國48個州和哥倫比亞特區中，只有兩個州沒有明確要求學習月相，有28個州對學習日食與月食提出要求[2]。也就是說，以“月相”為主題的WWT交互實驗能被全美的大多數中學教師所利用，幫助學生消除迷思概念，提升科學素養。這也是WWTA多年不斷改善“月相”教學模塊，使其成為內容最完整、利用率最高、最具代表性的WWT交互實驗的原因。

WWT交互實驗是由導引素材、教案、交互式漫游、學案四個板塊組成的主題鮮明的教學模塊。

1）導引素材是提供給教師使用的，它高度概括整個模塊的學習目標、教學素材，還有使用WWT交互實驗的必要背景知識等，幫助教師對教學模塊有個宏觀認識。

2）教案不僅包括教學過程，還包括讓教師明確整個教學模塊的課程目標、課時、教學用具，以及貫穿該課程的重點概念。教學方法上注重科學探究，因此，教案中設計諸多與學生互動的活動環節，合理設置問題、提問順序，提供參考答案，將迷思概念產生的原因及其他重要的科學概念融入教學過程。

3）交互式漫游是數字星空環境與教學幻燈片完美融合的產物，是WWT軟件除科學數據之外的另一重要特色。它以類似電影短片的形式對學習者實施教育，但是又像網絡游戲一樣可以互動探索。

4）學案，又稱學生活動冊，它在教學過程中引導學生參與教學活動，幫助學生記錄自己觀察或思考的結果，考查學生知識掌握情況，設計上也能體現出探究性教學的實施過程。

2 "交互式漫游的特色

交互式漫游是基于WWT交互實驗的核心內容，其特色直接體現出課程的優越性。

2.1 "WWT中海量的科學數據為課程提供豐富、科學、直觀的教學資源

WWT軟件集合了從射電至γ射線的全天多波段觀測數據，不論是地球還是太陽系，甚至銀河系里的天體，只要是目前天文觀測上已公開的記錄都可在此數字星空中找到，而且它們的位置、亮度、距離、運行規律等都遵循真實世界。用戶還能更改觀測時間，在WWT華麗的界面中直觀地看到三維空間加一維時間的四維宇宙。因此，天體的自轉、公轉、相位變化、宇宙尺度等概念在漫游中一目了然。

2.2 "邏輯嚴密的漫游設計讓學生學會科學探究過程

如同教案的設計一樣，作為引導學生探究知識的重要環節，月相漫游（Moon Phases Tour）首先引導學生觀察月球繞地球運動的方式，太陽總是將地球或月球的一半照亮（見圖1a）等內容；然后當“日—地—月”處于特定位置時，學生要對月球的相位提出假設，并在學案上做好記錄；接著學生通過與漫游的交互對自己的假設進行驗證（圖1b）；等等，從而促使學生對月相產生的原因進行探究。

2.3 "交互性不僅讓學生參與互動，而且能自主控制學習進度

WWT交互實驗的漫游都有配音，一邊講解教學內容一邊提示學生思考或探索。在漫游停頓時，學生能使用鼠標拖拽視場改變觀察視角，轉動鼠標滾輪能放大或縮小視場，這些都有助于學生認識天體所在的位置，理解天體的運行規律等。當完成交互后，學生可以按“繼續（Continue）”按鈕進入下一環節。學生如果沒有完全理解前面的講解內容，可以點擊“重放（Replay）”按鈕再次回放該部分內容。通常一個漫游要花費學生一節課的時間去探索，而有的學生理解能力比較強，會提前完成。漫游的最后給予學生繼續在WWT中探索星空的機會，如看一看太陽系中的行星、銀河系的全景等。

3 "WWT交互實驗的教學效果

WWTA通過設計匿名評價試題來了解學生使用WWT交互實驗的學習效果。學生在使用WWT交互實驗之前做一次評價試題，稱為前測，目的是提供他們的基本信息（如性別、年級等）、先驗知識（prior knowledge）。教師在完成WWT交互實驗教學后，學生再做一次評價試題，稱為后測。將后測與前測進行對比就能知道學生知識的增長和對科學內容的理解深度。在“月相”的WWT交互實驗中，WWTA使用ASSCI[3]題庫中的相關選擇題，通過該評價試題評估交互實驗是否有利于學生改善“地球的影子是產生月相變化的原因”的迷思概念，是否有助于學生判斷“日—地—月”的相對位置與月球相位關系的能力，等等。學案中的各類試題也有助于評價學生的學習過程，如主觀性試題可以對知識進行分解式考查，也能進行整體綜合性考查。不僅可以反映被試答題的最后結果，也能反映被試的思維過程。

WWTA在美國馬薩諸塞州的克拉克中學（Johnas Clarke Middle School， Lexington， MA）的教學實踐證明：WWT軟件能夠幫助學生理解知識，交流科學，提升學習興趣。實驗組和控制組的學生在記憶性試題上基本沒有差別，這可以認為使用WWT漫游對死記硬背的學習并沒有太多影響；但是在理解性試題上有顯著性差異。雖然兩組學生都認為這些試題很難，可是使用WWT漫游的學生比不使漫游的學生的正確率要高出一倍。這說明學習“月相的產生原因”對中學生來說具有挑戰性，而使用WWT漫游有助于這一課題的學習[4]。

WWTA在馬州一個公立中學的科學課堂進行教學實驗，對象是四個班級的80名六年級學生。其中兩個班級使用“月相”的WWT交互實驗，作為實驗組（標記為WWT）；另外兩個班級作為控制變量法中的對照組，唯一的不同就是將WWT交互式漫游替換為傳統的2D交互實驗室（標記為TS），它是基于Java語言的計算機仿真平臺，也常被教師應用于課堂之中。WWTA所采用的前測（或后測）有七道評價試題，學生答對的題目數量均值及標準差如表1所示。效果量（Cohen’s d）是不依賴于樣本大小、反應自變量和因變量關聯強度的指標，計算方法是用實驗組與對照組平均數之間的差值除以對照組的標準差。當d大于0.8時，表示效果大。因此，從表1可以看出：不論是WWT的3D交互實驗室，還是TS的2D交互實驗室，都對學生學習月相有很大的幫助，但是相比2D交互實驗室來說，WWT的交互實驗室幫助更大，且表現出顯著性差異（t測試p=0.03）[5]。

ThinkSpace Labs是WWTA于2015年獲得的NSF項目[6]，旨在研究中學實驗中實物和虛擬模型對空間能力的影響，其中“月相”和“季節”等WWT交互實驗是該研究的內容和手段。在九個中學的科學教師進行教學實驗后，研究者使用MOSART題庫中的試題實施前測與后測，發現使用WWT交互實驗的學生表現出顯著增幅（見圖2和圖3）。使用“月相”交互實驗的學生的效果量d=1.2，使用“季節”交互實驗的學生的效果量d=1.5。而全國性的MOSART測試（N＞500）數據有明顯的滯后，表明WWT交互實驗的教學效果比普通教學的效果要好很多。但是需要說明的是，使用WWT交互實驗教學的后測是在教學結束后立即執行，而不像全國性的MOSART后測是在一學年結束之時進行[7]。

4 "WWT交互實驗對我國天文教育的啟示

4.1 "緊跟天文教育的信息化趨勢

天文學跟數理化等學科同屬于基礎學科，然而我國中學教育體系中并未獨立開設該門課程，而是將其部分內容歸并在地理學科中。隨著我國天文領域大科學工程項目如LAMOST、FAST、嫦娥探月等的推進，天文人才的不足促使教育工作者意識到天文教育在我國存在嚴重的倒掛現象。再加上天文教育受其研究對象的尺度與特性的制約，傳統教育一般用靜態的圖片或物理模型講演天文學，缺乏互動性。即使讓學生到戶外做實地觀測，觀測天氣、位置、時間也使得天文教育困難重重。現代天文學已步入大數據時代，教師在傳授基礎知識的同時，要讓青少年盡早、盡可能多地接觸真實數據。天文軟件提供的數字化學習環境有著超越書本的豐富資源，可以為學生提供探究、創新的實踐條件[8]。目前，我國已有教師將Stellarium、Celestia、Starry Night

Pro等天文軟件應用于課堂，也有用WWT軟件進行混合式教學、基于項目的探究教學[9]，并獲得較好的教學效果，但是還沒有將WWT交互實驗應用于國內中學教育。因此，教師應該充分利用信息技術的優勢，緊跟天文教育信息化、互動化的發展方向，將教學素材可視化，提供交互式自主學習和探索的機會，幫助學生理解天文知識，讓天文學不再是一門遙遠而深奧的學科，而是充滿樂趣的奇妙學科。

4.2 "應用和開發基于科學數據的教學模塊

除了WWT交互實驗這一基于科學數據的交互式教學案例，國際上還有很多類似的教育項目，我國的教育工作者可以直接應用已有的成熟的教學模塊。例如：哈佛大學利用WWT交互實驗教中學生探索地外生命，歐洲虛擬天文臺教年輕用戶使用Aladin、Stellarium等工具測量仙女星系的距離或是學習行星連珠現象[10]，ALFALFA項目利用Google

Sky讓本科生沉浸于射電天文數據中學習旋渦星系中性氫的質量分布，等等[11]。由于WWT是一個很好的天文教學平臺，教師還能利用此平臺進行新課程的設計，根據自己的教學需求而靈活開發類似交互實驗的模塊。物理學、基因組學、神經學、環境學等學科都是容易產生海量科學數據的領域，借鑒WWT在天文教學中取得的效果，我國教育工作者還能與科學家、工程師等合作，開發新學科的基于科學數據的軟件平臺，讓學習者從各類真實科學數據環境中提升數據素養以及科學興趣。

4.3 "科學家與教師的緊密結合

WWTA項目組吸納了來自哈佛—史密松森天體物理中心的天文學家、教育研究者，微軟研究院的計算機工程師，哈佛大學的本碩博高才生等作為教育大使，他們會在教師使用WWT交互實驗前對其進行必要的培訓，除了教授特定的信息技術，還要讓教師掌握學科背景知識、教學實施過程以及評價學生的方法，有助于教師盡快獲得專業指導，提高職業素養，實現教學目標。教師在使用完WWT交互實驗后，會將學生的學習情況反饋給WWTA，有助于科學家了解教學需求，然后發揮各自專業技能改進WWT交互實驗。此時，WWT交互實驗就像科學家與教師之間的一座有形橋梁。

當美國科學家抽出一部分精力活躍于基礎教育領域時，我國學者也在呼吁科學家主動承擔科學教育責任[12]。教育部原副部長、中國科協副主席韋鈺院士也曾指出：“在知識社會里，除從事研究和技術轉化的任務外，科學家需要明確對科學教育、對與決策者和媒體的對話、對提高公眾科學素養所肩負的歷史責任。”倘若我國科學家能將科學數據以及其他科研產出應用于教育，并為教師提供專業培訓、課程指導等，與此同時，教師將科學家的研究成果傳遞給學生，讓科學家參與教學設計及課堂教學活動，這種科學家與教育工作者的互通有無勢必可以促進我國科學研究和科學教育的共同發展。

參考文獻

[1] Szalay A， Gray J.The World-Wide Telescope1[J].

Science，2001，293（5537）：2037-2040.

[2] Palen S， Proctor A. Astronomy in the K-8 Core

Curriculum： A Survey of State Requirements

Nationwide[J].Astronomy Education Review，2006，

5（1）：23-35.

[3] Sadler P M， Coyle H P， Miller J L， et al. The

Astronomy and Space Science Concept Inventory：

Development and Validation of Assessment

Instruments Aligned with the K-12 National

Science Standards[J].Astronomy Education Review，

2009，8（1）.

[4] Udomprasert P S， Goodman A A， Wong C. WWT

Ambassadors：Worldwide Telescope For Interac-

tive Learning[J].Astronomical Society of the

Pacific Conference Series，2012（457）：149-154.

[5] Udomprasert P， Goodman AA， Sadler P， et al.

Visualizing three-dimensional spatial relation-

ships in virtual and physical astronomy environ-

ments[M]//Proceedings of International Con-

ference of the Learning Sciences，2014：1511-

1512.

[6] ThinkSpace Labs[EB/OL].（2016-09-16）[2017-09-

16].https：//wwtambassadors.org/thinkspace.

[7] Udomprasert P， Goodman A， Ladd E， et al. World-

Wide Telescope in Education[A].Astronomy Edu-

cation： Evidence-based instruciton for intro-

ductory courses[M].Bristol， UK： IOP Publishing，

2020：9-17.

[8] 王琴.天文軟件在地理課內課外的應用策略研究[J].

中學地理教學參考，2015（24）：51-53.

[9] 王琴.基于WWT平臺的天文教學模式研究[D].武漢：

華中師范大學，2016.

[10] Freistetter F， Iafrate G， Ramella M. The Sky

is for Everyone： Outreach and Educaction with

the Virtual Observatory[J].Communicating Astro-

nomy with the Public Journal，2010（10）：18-21.

[11] Goodman A A， Udomprasert P S， Kent B， et al.

Astronomy Visualization for Education and

Outreach[J].Astronomical Society of the Paci-

fic Conference Series， 2011（442）：659-662.

[12] 刁生富.大科學時代科學家的社會責任[J].自然

辯證法研究，2001（7）：53-56.