天文主題科學調查體驗活動的設計與開展

青少年科學調查體驗活動始于2006 年，是一項面向全國中小學生的科技類綜合實踐活動，每年都會推出不同主題的活動指南。2024年總共推出了20 個主題，其中天文主題“星光閃耀”是重點推出的2 個主題之一，由時任北京天文館副館長的陳冬妮博士主持編寫，筆者與馮翀副研究員也各自負責了其中一部分章節。青少年科學調查體驗活動的基本設計要求是以簡單的科學調查、科學探究為載體，幫助學生掌握科學調查研究的方法，并鼓勵他們關注身邊的科學問題。基于這樣的策略，結合天文學科的特點，“星光閃耀”活動指南的編寫希望能夠為普通中小學生提供一套易于實踐的科學活動方案，讓學生利用簡單易得的材料展開調查與體驗，在自己動手探究天文學知識的過程中體會并掌握相關科學方法，通過層層遞進的活動設計逐步建立起自己的知識體系，并在此基礎上對科學體系的構建過程有切身的體會和理解。此外，活動設計也契合聯合國兒童基金會的“可遷移技能”概念，讓學生在學會學習、學會做事、學會做人和學會共同生存4個維度上得到鍛煉和發展。

內容設計

“星光閃耀”活動指南的內容設計基于天文學科特點。當作為青少年科學普惠教育的一部分考慮時，天文學科有自身獨特的優勢和劣勢。優勢是具備日月運行、月相變化和星空變換等在日常生活中可以直接觀察到的天文現象，可以由此自然拓展，幫助學生養成長期的觀察習慣；一部分天文學知識與生活（主要是計時和歷法）緊密相關，具備直接的切入點；現代天文學的建立和發展與現代科學體系的建立和發展緊密關聯，進行一些初步的天文學探究有利于理解科學方法和科學精神。另外，大部分青少年對天文學具備基本的好奇心，這也有助于他們憑借興趣克服探究中的困難。不過，天文學在實踐中的學科劣勢也很明顯。首先，天文學是一門以觀察為主的學科，基本不具備實驗室條件，觀察活動受到天象事件的限制，在時間安排和活動組織上諸多掣肘，而且往往有一定的硬件條件要求；其次是天文事件涉及的時空尺度遠遠超過人類親身感受，其極端的物理條件也常常導致一些“反常識”“反直覺”的結果，大大增加了理解的難度；第三，天文學科很少有“所見即所得”的結果，抽象層級比較高，而且往往多學科交叉，不易掌握其中內在的知識聯系。另外，多數學校不具備專門的天文教師，很多科學教師對天文學并不熟悉，這也在一定程度上影響了天文活動的開展。

由此，我們在設計中注意了認知層級的劃分，按照“是什么”“為什么”和“憑什么”的遞進謹慎設計活動環節，希望學生在觀察、體驗的基礎上運用科學方法進行解釋和應用，再通過掌握的科學方法進一步追問和探究更深層次的聯系和規律。在這個過程中，基于已有的日常經驗和知識基礎，通過科學調查和體驗獲取新經驗和新知識，并將新的知識與已有知識相聯系，逐步將知識點連綴成知識面，為學生后續對知識體系和框架的搭建打下基礎。同時，從最簡單的觀察開始零基礎建立知識體系的過程，既與歷史上學科發展的真實軌跡相印證，又方便不熟悉天文學知識的教師與學生共同參與到調查和體驗中，實現同步的學習和探究。此外，還在線上和線下展開了活動指南的使用培訓，取得了一定的效果。

按照時空尺度和抽象層級的遞進順序，“星光閃耀”活動設計了“日地月系統”“我們的太陽系”“群星世界”“星空與星座”和“星系宇宙”5 個活動，每個活動又按照“觀察和體會”“規律和應用”“原理和拓展”的進階順序安排了3 個任務。前期活動更側重觀測和模擬，后期則更側重讀圖識圖和項目研究。教師與學生可以選擇完成全部5 個活動，初步體會天文學科從建立到現代前沿的發展，也可以依照實際條件選擇其中的某些活動，用其中的子任務完成“知識—方法—新知識”的探究循環。

活動開展

活動 1. 日地月系統

對太陽和月亮的觀察是古代天文學的起源之一，也是學生在日常生活中可以直接觀察、體驗的最常見的天文現象。把對太陽和月亮的觀察活動安排在活動指南的最初，是希望引導學生從觀察最常見的日常現象入手，逐步學習觀察技巧、養成觀察習慣，并初步掌握變換觀察視角的能力。本活動的3 個任務是“太陽的運動”“月亮的變化”和“日食與月食”，從觀察太陽運動位置開始，逐步歸納太陽、月亮的變化規律，尋找其背后的運動學原因，再從日地月系統的運動模型，推演并印證日食、月食的發生原因和發生規律。

在實踐中，最容易組織的實際觀察是一天中太陽方位的變化。選擇晴朗的一天，利用任何垂直于地平面的直立竿狀物，記錄其影子在一天里不同時刻的長度和角度（即影子末端所處位置），由此可以計算出對應時刻的太陽方位。教師也可以組織在另一個季節重復這樣的觀察，對比得到的觀察記錄。有條件的學校可以利用延時攝影的方式，實際記錄日影的轉動，并由此拓展到日晷的原理和演變。更進一步的拓展，則可以沿著“立木為表”在日晷、圭表、正方案3 個方向的演變，體驗對日影觀察的進一步應用。

在試圖觀察更長期的變化時，由于組織長期觀測的難度很大，需要引入天象模擬軟件作為輔助。目前有各種免費和付費的天文軟件可供下載，教師可以按照實際情況選擇使用。太陽在一年中的運動軌跡變化、月亮一個月內的形狀和位置變化都需要在軟件輔助下進行觀察，并歸納出規律。在有條件的情況下，建議選擇一個日期，組織學生觀察一次日落，看看在真實天空中當天的日落位置和日落時月亮的位置和形狀，與天文軟件的模擬結果相印證，把虛擬星空與真實星空聯系起來。

除了實際的觀察之外，模型模擬和角色扮演是幫助學生把視角轉換到空間中，以及體驗天體運行現象和規律的好辦法。利用簡單的道具，讓學生扮演日、地、月天體，實際體會太陽運動、月相變化和日月食發生的原因和規律；再反過來，引導學生根據日、地、月的相互繞轉，從原理上對月相和日月食進行推演。兩相印證，可以讓學生更好地理解和掌握其中的原理。

活動 2. 我們的太陽系

人類對太陽和太陽系的認識，伴隨著現代天文學體系的建立和初步發展而逐漸進步。本活動設計的3 個任務是“漫游太陽系”“太陽有多‘能’”和“天外來客”。在認識太陽有多遠、太陽系有多大的過程中，學生可以逐漸習慣天文距離和天文數字，為后續認識宇宙的廣袤奠定基礎，并對地球在宇宙中的位置和地位建立初步印象。

從活動2 開始，學生需要利用網絡和書本調研一些基本數據，并根據自身經驗探索什么樣的調研途徑和結果更為可靠。在“漫游太陽系”任務對空間尺度的體驗中，觀察者的視角離開了地球表面，直接的觀察和體驗不再成為可能，需要根據調研數據進行折算和模擬，按比例復現出太陽系，間接體驗天體的大小和距離。教師和學生可以根據實際情況，用手邊易得的日常物品按大小比例模擬太陽系中的各個天體，或按距離比例把太陽系天體安排在校園／教室范圍內。在“太陽有多‘能’”任務對太陽能的探究中，要點是把陽光與能量聯系起來，并將陽光的概念從可見光向更多波段拓展，同時尋找實際生活中人們利用太陽能的各種方式，并將其形成小組報告，體會在把學習成果形成文章或報告的過程中對思路的梳理和知識的鞏固。進一步的拓展可以探究陽光中攜帶了哪些信息，為后續對恒星的認識打下基礎。在“天外來客”任務對地球天文環境的呈現和體驗中，通過對小天體撞擊的模擬和體驗，探究地球作為一顆行星的普遍性和特殊性，同時也可在模擬過程中體會和掌握基本的實驗方法。有條件的學校可以組織參觀真實的隕石標本，觀察它們與地球普通巖石的區別，探究這些區別的來源，并思考地球在多大程度上保護了生活在這里的生命。

活動 3. 群星世界

人類對恒星的認識建立在認識太陽的基礎上。人類可以近距離地觀察太陽，派出探測器從各個方面探究太陽，但對遙遠的恒星則只能基于從研究太陽得到的各種理論，通過解讀星光間接認識恒星的各種特征。在這個層面上，不但直接的觀察和體驗不再成為可能，觀測結果也不再能夠直觀地體現天體本身的特征，只能在理論模型的基礎上呈現概念化的圖景。本活動設計的3 個任務是“多彩恒星”“量天尺”和“外星生命”，從本活動開始，學生視野進一步開闊，將逐漸體會到天文學研究方法的特殊性。

恒星的壽命遠遠超過人類進行天文觀測的歷史，但人類仍能通過對大量不同狀態恒星的觀察，推測出不同種類恒星的生命歷程。“多彩恒星”任務的要點是了解恒星的質量、顏色、溫度和壽命之間的聯系，并大致理解太陽在銀河系恒星中的位置和地位。進一步的拓展可以調研不同質量恒星的一生，并以角色扮演的方式進行講述。“量天尺”任務的要點是實際體會三角形在距離測量中的應用，在周圍環境中選取合適的目標，分別利用跳眼法和三角視差法估算遠處物體的距離，思考其異同，并探究測量更遠物體的方法。進一步的拓展可以將同樣瓦數的電燈放置在校園不同距離處點亮，體會“標準燭光”的作用，并調研不同類型的標準燭光在不同距離上的應用。“外星生命”任務的要點是思考天文環境對生命的限制和支持，通過調研查找并選擇某一顆系外行星，基于其表面條件為它設計適應環境的動植物。進一步的拓展可以探究尋找系外行星的手段，并體會從各種限定條件估算外星文明數量級的方法。

活動 4. 星空與星座

星空運轉與日月運行一樣，是天文學的肇端，也是人類社會最初的秩序來源之一。星座的誕生在各個古代文明中都是基于實用的意義。本活動從對星空的實際觀察出發，通過天文軟件觀察星空每天、每年的運轉，并體會天球的概念。在此基礎上，基于對日地系統運行規律的了解，模擬體驗星空的運轉及其背后的原因和規律。由此，設計的3 個任務是“創造星座”“星座時鐘”和“星空的變化”。

星座是人們為了辨識不同的恒星，以便標識出星空運轉和時間流逝而假想出的連線，在現代天文學意義上被定義為天空中的一片天區，但其標志性特征仍然是亮星勾連成的形狀。“創造星座”任務的要點是體會星座的定義，區分恒星之間的實際距離和投影距離，并明白不同文化曾經都有自己的星座劃分和星座故事。假想的天球是古代地心說的殘留，它不代表宇宙的真實面貌，但可以利用這個假想模型熟悉和預測星空的運轉。有條件的學校可以利用有星空穿梭功能的天文軟件，或到天文館展示穿梭星空導致的星座變形，以更直觀地體會真實宇宙中的恒星分布。進一步的拓展可以調研恒星本身的運動，思考恒星的相對位置變化如何導致星座形狀的變形。“星座時鐘”任務的要點是利用天文軟件模擬北天和南天星空在一年中的變化，以及太陽一年在星空中的移動軌跡，由此思考利用星空計時應優先選擇什么樣的星群。有條件的學校可組織拍攝星軌照片。進一步的拓展可以思考星座的實用價值，調研不同古文明在黃道或天赤道沿線的星座劃分。“星空的變化”任務要點則是以角色扮演的方式，體會地球上星空周日、周年變化的原因，恒星日與太陽日的區別，并體驗在不同季節的夜空中能夠看到的星座。

活動 5. 星系宇宙

宇宙觀的演化貫穿了整個人類文明，從早期基于觀察和想象的古代宇宙神話，到現代為主流接受的基于物理學和觀測證據的大爆炸宇宙學模型，人類對宇宙的認識在不斷演變。本活動的3 個任務是“宇宙是什么”“‘吹出’膨脹的宇宙”和“如果137 億等于1”，幫助學生分別從物質、空間和時間的角度體會宇宙的面貌。由于對宇宙的理解是高度抽象和概念化的，本活動中的體驗更多基于類比而非模擬。

對人類來說，以有限的觀察視角（限于地球附近）和觀察時間，卻能夠對時間、空間尺度都極其巨大的宇宙有比較可靠的認識，經歷了一個漫長的過程。“宇宙是什么”任務的要點是調研不同文明的宇宙觀和關于宇宙起源、演化的神話傳說，對比其異同，思考這些神話可能對應什么樣的天體類型和天文現象。進一步的拓展可以調研宇宙中的天體類型，并按結構層級歸類。“‘吹出’膨脹的宇宙”任務的要點是用氣球模擬宇宙的膨脹，測量和計算氣球表面的“星系”間距離隨時間的變化，并將這個膨脹的空間與方塊積木代表的絕對空間相對照，幫助學生體會大爆炸宇宙學模型的時間-空間關系。“如果137 億等于1”則是將宇宙自大爆炸以來約137 億年的壽命“折算”到1年中，繪制宇宙日歷，體會宇宙大事件的時間分布，也對太陽系、地球和人類文明的年齡在宇宙年齡中的占比有更直觀的感受。