讓科學觀測活動走向真實

戴祎蘭

【摘? ?要】科學教學應以真實的科學活動為抓手。“空間站的通聯與觀測”活動是學生在家長、教師的指導下，“與國際空間站建立聯通、對天宮空間站進行觀測”的真實學習活動。學生“基于學習興趣，明確活動任務；掌握相關技能，奠定活動基礎；現場通聯實踐，完成觀測任務”。這樣的探究過程帶來了很多啟示：科學教學應做到“以好奇心為驅動，找準教育契機；以問題解決為目標，讓學生經歷學習全過程；以成就感為收獲，用內驅力促進學生真正成長”。

【關鍵詞】科學觀測活動；國際空間站；天宮空間站；通聯；觀測

科學探究需要從學生的學習需求出發(fā)，依托真實的科學活動，激發(fā)學生內在的學習動機。學校、家庭、社會應幫助學生經歷真實、完整的科學探究過程，為學生的未來發(fā)展奠基。“空間站的通聯與觀測”（以下簡稱“通聯與觀測”）實踐活動是學生在家長、教師的指導下，以“與國際空間站建立聯通，并對天宮空間站（China Space Station，CSS）（以下簡稱‘天宮）進行觀測”為目標的探究活動。參與探究的學生經歷3個月的探索，完成了與國際空間站的通聯工作，成功地用照相機拍攝到了“天宮”過境杭州的照片。這一實踐活動讓科學學習進入了學生真實的生活世界，學生在“學習—實踐—認知”的過程中收獲了成功的喜悅。

一、背景介紹

“通聯與觀測”中，通聯指的是借助相關平臺，利用業(yè)余無線電設備，與工作中的國際空間站宇航員進行實時連線溝通（如接收他們即時發(fā)出的照片等）。觀測指的是借助望遠鏡、照相機等設備，對運行中的“天宮”進行觀察的活動。

活動小組的學生在了解了關于我國“天宮”的信息后，產生了對其進行觀測的想法。他們通過ARISS的MAI-75項目，以SSTV完成了與國際空間站的通聯及對“天宮”的觀測。ARISS是Amateur Radio on the International Space Station（國際空間站業(yè)余無線電）項目的簡稱。它是由美國業(yè)余無線電聯盟、國際業(yè)余衛(wèi)星組織、美國航空航天局等共同發(fā)起，以擴大國際空間站的影響力為目的，為愛好者提供與國際空間站宇航員直接交流的機會的一個公益項目。MAI-75項目是ARISS的一個組成部分。它由莫斯科航空學院主導，將視頻信息從太空實時向全世界業(yè)余無線電及互聯網用戶進行傳播。SSTV是業(yè)余無線電愛好者最常用的圖片傳輸方法，指的是通過無線電傳輸、接收單色或彩色的靜態(tài)圖片，并通過PC端的計算機程序或手機App進行圖片的編碼和解碼。

二、實施過程

學生親身參與科學實踐活動，在學習任務的指引下，主動研究、探索，大致經歷了明確活動任務、奠定活動基礎、完成現場通聯等過程。

（一）基于學習興趣，明確活動任務

好奇是人類的天性，很多學生都有“太空夢”，但如果僅僅停留在“夢”的階段，濃厚的興趣可能會隨著時間的流逝漸漸消失。教師和家長了解了學生的興趣后，組織學生成立活動小組，并邀請了一名專業(yè)技術指導為學生提供支持。活動小組成員在與技術指導、教師、家長討論的基礎上，確定了本次活動的主要任務：（1）在“天宮”過境杭州時，對其飛行軌跡進行觀測，并且嘗試用相機拍攝照片；（2）根據觀測條件，依據國際空間站官網發(fā)布的信息，選擇適當的時間參與MAI-75項目的活動，以SSTV實現與國際空間站的通聯目標；（3）成功接收發(fā)自國際空間站的圖片，并獲得通聯證書。

（二）掌握相關技能，奠定活動基礎

學生要完成觀測與通聯活動，須在活動前做大量的準備工作，為活動的順利進行奠定基礎。

首先是基礎技能的掌握。要順利完成活動任務，學生需要了解天文學、業(yè)余無線電和空間站方面的基礎知識，還要掌握相機的設置和使用技巧。鑒于此，在正式進行實踐活動之前，技術指導、教師和家長共同策劃，為學生進行了一次基礎知識培訓。培訓的內容包括：業(yè)余無線電通信常識及對講機的設置與使用方法；電磁波、天線原理等相關概念；國際空間站的基本情況；拍攝相機及相關軟件的使用方法；衛(wèi)星過境跟蹤的方法及對拍攝內容進行解碼的方式；等等。

其次是活動時間與地點的選擇。國際空間站通聯和“天宮”觀測這兩個活動對于時間和地點的要求是不一樣的。通聯需要借助ARISS的平臺，所以要根據國際空間站在互聯網上公布的通聯活動時間與計劃來安排。觀測時間的選擇相對靈活，但最好在傍晚或凌晨進行，能夠觀察得比較清晰。如果想把觀測和通聯兩個活動安排在同一天進行，就必須選擇天氣晴朗的晚上，并且要與國際空間站的計劃同步，這樣合適的時間不容易遇到。因此，活動小組成員在反復斟酌與比較后，決定將通聯和觀測活動分開進行。通聯與觀測的地點也很重要。需要選擇在空曠且沒有高大建筑物遮擋的地方，如江邊、海邊、山頂等，還要避開變電站、移動通信基站等可能存在電磁干擾的建筑。學生歷經近3個月的時間，實地考察了若干個備選地以后，才確定了比較適合的時間和地點。

最后是反復的練習。練習是保證活動順利進行的重要前提。在進行正式的通聯與觀測活動前，學生反復練習對焦、調焦，學習使用多次曝光、連續(xù)拍攝的方法拍照，練習利用電腦軟件對拍攝鏡頭進行疊加處理，得到物體的運動軌跡。學生還多次到選定的場所進行實地拍攝演練，提前找出可能遇到的問題并嘗試解決。如在練習時，學生發(fā)現周圍的環(huán)境對拍攝效果影響較大，所以想到要注意手電筒或其他設備的光對拍攝帶來的干擾。又如，學生發(fā)現航天器過境時的亮度并不是一成不變的，由于太陽光照角度的不同以及地面觀測角度的不同，航天器的亮度也會發(fā)生變化。學生進一步查閱資料，得知“天宮”過境時，高度角較高時會更明亮。這些前期準備讓學生對通聯與觀測活動有了更大的信心。

（三）現場通聯實踐，完成觀測任務

2021年6月26日上午，學生按時來到活動現場。按照計劃，小組成員在完成八木天線組裝后再次確定負責信號接收、進行國際空間站跟蹤、對采集到的信號進行錄音、對實踐過程進行拍攝的人員及各自的任務。所有準備工作在11點10分完成，學生靜靜地等候國際空間站的飛臨。通聯活動正式開始。

11點19分，手機App顯示國際空間站已經從地平線升起，但是對講機遲遲沒有發(fā)出信號。學生焦急萬分，擔心信號接收是否有誤，并且反復檢查設備狀況。11點23分，對講機里終于傳來了清晰的信號聲音，學生非常激動。學生密切跟蹤國際空間站的運行位置，不斷調整接收信號的角度，旋轉天線的極化方向，確保對講機里的信號是清晰的。11點29分左右，國際空間站在東南方向落到地平線以下，信號完全消失。學生迫不及待地開始用手機App對信號進行解碼。這次活動一共收到了兩張國際空間站發(fā)出的紀念“和平號”空間站與航天飛機歷史性對接的系列活動照片。隨著圖片一行一行地被解析出來，學生終于看到了夢寐以求的國際空間站通聯圖片。

2021年8月9日02點40分，“天宮”高角度過境杭州。學生在這天凌晨早早起床，在漆黑的夜色中，在教師和家長的帶領下，朝著“天宮”將要升起的地方架好相機，并將相機的曝光時間設置為10秒進行連續(xù)拍攝。這天凌晨，天空中的云層很厚，再加上城市燈光的影響，導致用肉眼只能在夜空中看到土星。但是活動小組成員還是成功拍攝到了一張“天宮”飛行軌跡的照片，觀測活動順利收官。

三、反思與啟示

空間站的通聯與觀測活動是一項從學生的興趣出發(fā)，基于真實問題解決的科學實踐活動。在三個多月的活動歷程中，學生表現出了對科學探索的濃厚興趣，經歷了解決真實問題的全部過程。在這個過程中，他們表現出的求知欲、探索能力以及知識技能掌握能力令人欣喜。這樣的探究過程也為我們帶來了很多啟示。

（一）以好奇心為驅動，找準教育契機

本次活動源于一個學生對“天宮”的興趣，家長、教師及時捕捉到這一興趣點，并帶領學生以此為契機展開了系列活動。小組成員利用放學后及雙休日的時間，認真學習相關知識。他們很快掌握了使用單反相機進行拍攝所需的調焦、對焦等技術；掌握了利用SatSat、Satellite Tracker等不同App進行空間站過境跟蹤的方法；他們還查閱、整合了相關信息，通過計算確定合適的觀測時間。學生作為學習的主體，自己完成了位置跟蹤、數據采集、解碼圖片等任務。小組成員互相答疑、積極合作，展現了較強的自學能力。

（二）以問題解決為目標，讓學生經歷學習全過程

為了完成目標，小組成員以結果為驅動，主動參與學習全過程。他們學習基礎知識時采取的是“有問題—找答案”的樹形學習方法。為保證順利接收通聯信號，他們反復選擇和測試活動地點；在觀測空間站信號時，他們細心而有耐心；捕捉數據時，他們小心而謹慎，真正做到了全身心投入。同時，他們還自覺對學習過程進行分析，思考行動中需要改進的地方。可見，教育要找好的契機，采取對的方法。

（三）以成就感為收獲，用內驅力促進學生真正成長

有人說，“成功是成功之母”。學生在活動中獲得的成就感會促使他們投入到后續(xù)的學習中。

本次活動中，學生不但順利觀測到“天宮”過境杭州時的軌跡，還在與國際空間站順利通聯后，得到了由國際空間站業(yè)余無線電組織頒發(fā)的獎狀。在通聯活動網站上，小組成員看到了其他國家和地區(qū)的無線電愛好者在本次活動中上傳的圖片，他們發(fā)現這些圖片基本都來自歐洲、北美洲等，來自亞洲國家的圖片很少，來自中國的就更少了。學生深刻地體會到了成功的快樂。這次活動的收獲也轉化為學生繼續(xù)成長的內驅力。

通聯與觀測活動真正激發(fā)了學生對科學學習的興趣。活動后，學生自發(fā)討論并提出改進的想法：如果前往偏僻的鄉(xiāng)村或高山等電磁干擾相對較小的地方，用內置錄音機的對講機（避免錄音時環(huán)境噪音的干擾）進行接收，同時用解碼軟件對錄音文件直接進行解碼（避免用麥克風解碼時產生的環(huán)境噪音干擾），就能接收到更高質量的圖片；如果在高山、海島觀測“天宮”過境軌跡，就可以拍攝到更加完美的照片。對“天宮”的觀測，增強了學生的國家自豪感、科技使命感，可謂一舉多得。

期待有更多的教育者能夠開發(fā)并引導學生參與這類以解決真實問題為導向的、目標明確、實踐性強的學習活動，為科學教學打開另一片天空。

（浙江省杭州市教育發(fā)展服務中心? ?310004）