林鴻志，車 云，余 明

（1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；2.福州第三中學(xué)，福建 福州 350003）

一、中學(xué)天文教學(xué)的難題

1.教學(xué)內(nèi)容的特殊性

天文學(xué)是自然科學(xué)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科。它的研究對(duì)象——天體具有空間尺度大、時(shí)間跨度廣、條件極端等特征，只能被動(dòng)觀測(cè)而無法在實(shí)驗(yàn)室直接操作[1]。學(xué)生極其缺乏相關(guān)的直接或間接經(jīng)驗(yàn)，利用文字、圖表、視頻或模型來講授天文的傳統(tǒng)教學(xué)方式難以展現(xiàn)天體的特征，反而會(huì)因其抽象和枯燥使得學(xué)生喪失對(duì)天文的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)教學(xué)實(shí)踐的開展、教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)造成一定的困難。另一方面，作為一門強(qiáng)調(diào)觀測(cè)的科學(xué)[2]，天文觀測(cè)在學(xué)科發(fā)展中具有重要的地位，但是在日常教學(xué)中因?yàn)槭芴鞖?、?chǎng)地、安全等因素的影響，戶外天文觀測(cè)活動(dòng)往往難以順利開展，導(dǎo)致天文學(xué)習(xí)缺乏實(shí)踐活動(dòng)的支撐，受限程度加重。

2.新課標(biāo)教學(xué)的挑戰(zhàn)性

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》（以下簡(jiǎn)稱《實(shí)驗(yàn)版課標(biāo)》）中，天文學(xué)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有3 條分布在必修1 第一章，9 條分布在選修1 第一、二章，總共12 條[3]。《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡(jiǎn)稱《2017 版課標(biāo)》）將天文學(xué)基礎(chǔ)設(shè)置成獨(dú)立的選修模塊，但總的天文學(xué)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量不變，仍為12 條。其中一條分布在必修1，一條分布在選擇性必修1，其余10 條分布在選修1天文學(xué)基礎(chǔ)[4]。

參考布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)對(duì)知識(shí)維度和認(rèn)知過程維度的劃分以及分類表的使用[5]，根據(jù)課標(biāo)的具體要求（學(xué)習(xí)內(nèi)容與行為動(dòng)詞），筆者對(duì)新舊課標(biāo)天文學(xué)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了歸類統(tǒng)計(jì)，如表1 所示。

表1 新舊課標(biāo)天文學(xué)相關(guān)的知識(shí)與認(rèn)知過程二維統(tǒng)計(jì)表

盡管新舊版本課標(biāo)天文相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量一樣，但是與《實(shí)驗(yàn)版課標(biāo)》相比，《2017 版課標(biāo)》的要求更加細(xì)致，而且對(duì)概念性知識(shí)的理解和運(yùn)用認(rèn)知要求更加突出，這對(duì)教學(xué)提出了一定的挑戰(zhàn)，需要師生積極應(yīng)對(duì)。合理運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)會(huì)使抽象的科學(xué)原理直觀化，降低學(xué)生的認(rèn)知難度，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更形象、更生動(dòng)、更有趣[6]。因此教師需要更新教學(xué)觀念，充分利用信息技術(shù)和科學(xué)有效的教學(xué)方法來彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足，為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和平臺(tái)，激發(fā)學(xué)生對(duì)天文學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到提高天文素質(zhì)教育的目的。

二、項(xiàng)目學(xué)習(xí)

1.定義

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，簡(jiǎn)稱PBL）又稱項(xiàng)目學(xué)習(xí)，最早由美國(guó)教育家克伯屈提出，核心是讓學(xué)生通過實(shí)際活動(dòng)來獲得知識(shí)[7]。項(xiàng)目學(xué)習(xí)以學(xué)科概念和原理為中心，以作品制作和展示為目的，引導(dǎo)學(xué)生借助多種資源開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，并要在一定時(shí)間內(nèi)解決一系列相關(guān)問題的一種新型探究性學(xué)習(xí)模式[8]。項(xiàng)目作品的形式多種多樣，本文所討論的主要是萬維望遠(yuǎn)鏡平臺(tái)所特有的“漫游”（Tour），一種交互式的天文多媒體作品。

2.優(yōu)勢(shì)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)融合了杜威實(shí)用主義教育理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、加德納多元智能理論、布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論等優(yōu)秀教育思想和理念[1]，在教學(xué)實(shí)踐中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。特別是在內(nèi)容抽象，缺少直接經(jīng)驗(yàn)的天文教學(xué)過程中，項(xiàng)目學(xué)習(xí)可以更好地發(fā)揮學(xué)生的主體地位，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性和能動(dòng)性，打破傳統(tǒng)教學(xué)下學(xué)生對(duì)知識(shí)的被動(dòng)接受和機(jī)械記憶。

把抽象的天文概念和原理具體化為真實(shí)的、激發(fā)性的問題，以問題為導(dǎo)向確定項(xiàng)目課題，在項(xiàng)目開展過程中通過材料的收集和資源的整合，學(xué)生可以獲得形式各樣的直接經(jīng)驗(yàn)，從不同層次和方面接觸天文學(xué)習(xí)內(nèi)容，感受其中的多樣性。有利于學(xué)生充分發(fā)揮個(gè)體的多元智能，找到適合自己的學(xué)習(xí)方法和途徑，激發(fā)解決問題、完成作品的興趣和動(dòng)力，在活動(dòng)探究中實(shí)現(xiàn)天文教學(xué)的目標(biāo)。但這也對(duì)教學(xué)支持系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)，需要在保證效率與效益相統(tǒng)一的前提下開展天文的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，其中萬維望遠(yuǎn)鏡可以起到強(qiáng)大的支撐作用。

三、萬維望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目學(xué)習(xí)應(yīng)用價(jià)值

萬維望遠(yuǎn)鏡（WorldWide Telescope，簡(jiǎn)稱WWT）自2008 年正式誕生以來，深受國(guó)內(nèi)外天文愛好者、天文科普工作者的歡迎。作為一個(gè)功能強(qiáng)大的大數(shù)據(jù)平臺(tái)或者稱作天文科學(xué)數(shù)據(jù)庫，它整合了海量的來自世界各地天文臺(tái)（包括地基望遠(yuǎn)鏡和空間探測(cè)器）科學(xué)真實(shí)的天文數(shù)據(jù)并通過可視化技術(shù)將多波段數(shù)據(jù)表征為圖像呈現(xiàn)在用戶眼前，可供不同層次的用戶認(rèn)識(shí)、探索、學(xué)習(xí)或研究全波段天空。目前，WWT 平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)將迄今為止人類所探測(cè)到的宇宙信息匯總呈現(xiàn)給大眾，為人們打造出一個(gè)基于真實(shí)數(shù)據(jù)的可視化虛擬宇宙。WWT 平臺(tái)能提供豐富、新穎的天文教學(xué)資源，應(yīng)用價(jià)值高。

1.學(xué)習(xí)資源的呈現(xiàn)

缺乏與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系的抽象概念和內(nèi)容是進(jìn)行天文學(xué)習(xí)的一大難點(diǎn)，學(xué)生在日常生活和傳統(tǒng)教學(xué)中接觸到的天文素材和信息量較為單薄，難以順利開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)。萬維望遠(yuǎn)鏡是面向公眾的虛擬天文臺(tái)，通過WWT軟件和網(wǎng)絡(luò)連接，學(xué)生可以訪問到世界各地的天文數(shù)據(jù)、圖像、文獻(xiàn)資料等信息。打開WWT 軟件，每一臺(tái)電腦便化身為天文“超市”，呈現(xiàn)豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容和材料，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在線天文資源的“一站式購物”[9]，為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的開展提供強(qiáng)有力的資源保障。

另一方面，WWT 所呈現(xiàn)的數(shù)字星空由數(shù)以千萬計(jì)的來自數(shù)字化巡天（DSS）圖片無縫拼接組成，同時(shí)嚴(yán)格模擬了真實(shí)天空中運(yùn)動(dòng)的天體（如太陽、月球和系內(nèi)行星等）。在軟件設(shè)置界面中改變觀測(cè)所在地和時(shí)間，便可看到其他區(qū)域或不同時(shí)間的星空?qǐng)D像，完全突破了時(shí)空的局限。這在一定程度上彌補(bǔ)了受限較大的戶外天文觀測(cè)活動(dòng)的缺失，避免學(xué)生因?yàn)橐恍┩獠織l件而完全喪失了對(duì)天文觀測(cè)的體驗(yàn)和感受。天文觀測(cè)便是一種最貼近生活、緊扣學(xué)科的項(xiàng)目學(xué)習(xí)。

2.學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)建

WWT 模擬的數(shù)字星空可以帶給學(xué)生天文觀測(cè)體驗(yàn)，它更出彩的地方在于構(gòu)建虛擬宇宙基礎(chǔ)上所設(shè)置的多指向模式，如天空、地球、太陽系、月球、火星等。學(xué)生可以隨意切換觀測(cè)的空間位置，從地球望向天空、從太空望向地球或者把視野轉(zhuǎn)移到月球或火星上面，又或者跳出太陽系來看看系內(nèi)天體的運(yùn)動(dòng)，甚至可以不斷擴(kuò)大視場(chǎng)范圍來看宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，為學(xué)生提供了多角度、多尺度認(rèn)識(shí)宇宙的機(jī)會(huì)和途徑。猶如乘坐上可以瞬時(shí)移動(dòng)的超級(jí)飛船來盡情飽覽宇宙的美景，這不再只是科幻電影或小說中才有的情景，學(xué)生在教室或家里的電腦前也能體驗(yàn)到。相比于地理教材，WWT 所展現(xiàn)的恢弘的宇宙圖景更具形象性和吸引性，為學(xué)生帶來沉浸性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，可以營(yíng)造良好的探究性學(xué)習(xí)環(huán)境，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望。

3.學(xué)習(xí)過程的支撐

WWT 能給使用者提供暢游宇宙的機(jī)會(huì)，并且允許創(chuàng)建和分享“Tour”（中文譯為“漫游”），猶如用虛擬的GoPro 來記錄自己的經(jīng)歷一樣，把自己探索宇宙的過程或路徑保存下來，還可以添加旁白、音樂、文字或圖片等其他材料，最后完成類似于互動(dòng)式視頻的漫游作品。這是WWT 應(yīng)用于天文教育實(shí)踐的突出特點(diǎn)和典型方式，為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的開展提供了支撐。

為了探究問題、制作作品，學(xué)生需要完成確定主題、尋找資料、撰寫腳本、操作WWT 軟件制作漫游、匹配背景音樂及旁白等一系列步驟或任務(wù)。在教師的引導(dǎo)下，通過團(tuán)隊(duì)合作，師生交流，學(xué)生依托WWT 的多種原生資源，亦可根據(jù)想法和創(chuàng)意添加更多不同的元素（如人造天體3D 模型、可視化數(shù)據(jù)、外部圖片、文字、音樂等）來制作漫游作品，促使學(xué)生充分調(diào)動(dòng)自身多元智能來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)?？梢哉f，WWT 是天文項(xiàng)目學(xué)習(xí)開展的理想活動(dòng)平臺(tái)，也是學(xué)生通過項(xiàng)目達(dá)到創(chuàng)新的體現(xiàn)，有利于綜合學(xué)習(xí)“過程”與“結(jié)果”來激發(fā)學(xué)生探索宇宙奧妙的興趣[6]。

四、實(shí)施基于萬維望遠(yuǎn)鏡的天文項(xiàng)目學(xué)習(xí)

基于WWT 的天文項(xiàng)目學(xué)習(xí)在中學(xué)天文教學(xué)中起到強(qiáng)有力的輔助作用，為教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了保障。對(duì)于天文項(xiàng)目學(xué)習(xí)的開展，筆者強(qiáng)調(diào)師生配合、課內(nèi)外結(jié)合，但并不建議每一堂課都要求全體學(xué)生制作漫游作品來實(shí)施所謂的項(xiàng)目教學(xué)。為了達(dá)到效益與效率相統(tǒng)一的效果，學(xué)生以小組為單位，根據(jù)興趣和教學(xué)內(nèi)容選擇不同的主題開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，“一堂課一主題一小組”即可，把漫游作品作為教材和課后作業(yè)貫穿于整個(gè)學(xué)期的教學(xué)階段，詳情可參考表2。

表2 基于WWT 平臺(tái)的高中天文項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式實(shí)施過程

與《實(shí)驗(yàn)版課標(biāo)》相比，《2017 版課標(biāo)》對(duì)“太陽系結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)”一節(jié)的教學(xué)提出了更高的要求和目標(biāo)，從“說明太陽系的組成以及九大行星的基本特征”（基于《實(shí)驗(yàn)版課標(biāo)》）到“描述太陽系的結(jié)構(gòu)和行星運(yùn)動(dòng)特征”，新課標(biāo)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)天體運(yùn)動(dòng)和太陽系空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和理解，這對(duì)中學(xué)生的空間想象能力提出了極大的挑戰(zhàn)，需要借助強(qiáng)大的教學(xué)輔助手段。

下面筆者以《天文學(xué)基礎(chǔ)》選修模塊中“太陽系結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)”一節(jié)為案例，逐步探究基于WWT 的天文項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式的實(shí)施。

1.課堂引導(dǎo)

課堂上教師啟動(dòng)WWT 的“太陽系”模式，3D 模擬出來的太陽及其行星家族便在師生面前一覽無遺。與傳統(tǒng)模型或沙盤不同的是，WWT 的3D 太陽系允許我們進(jìn)行全方位、多尺度、無死角的觀察，所有操作僅需在電腦上通過鼠標(biāo)的拖曳和點(diǎn)擊，而無需人的走動(dòng)，不管是教師通過大屏幕進(jìn)行演示還是每位學(xué)生單獨(dú)操作電腦，都極大地提高了課堂效率，保證了每位學(xué)生參與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，營(yíng)造了活躍的課堂氛圍。

（1）在WWT 軟件的“太陽系”模式下，放大空間尺度后可以飽覽整個(gè)太陽系空間結(jié)構(gòu)，自帶的軌道標(biāo)注（不同行星軌道標(biāo)注的顏色不同）可以讓學(xué)生更好地觀測(cè)和理解行星運(yùn)動(dòng)，把觀測(cè)視角正對(duì)行星的公轉(zhuǎn)軌道，行星運(yùn)動(dòng)“近圓性”的形象便躍然于屏幕之上，木星與火星軌道之間的小行星帶亦清晰可見（如圖1 所示）。通過菜單面板上的加快“時(shí)間流逝”功能，畫面中八大行星公轉(zhuǎn)的位置變化更加顯著，提高了學(xué)生觀察的可行性，否則以冷凍巨星（天王星、海王星）漫長(zhǎng)的公轉(zhuǎn)周期，要總結(jié)出系內(nèi)行星運(yùn)動(dòng)的“同向性”著實(shí)有點(diǎn)困難。轉(zhuǎn)換視角聚焦到海王星，往太陽的方向望去，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)各大行星的軌道幾乎重疊在一起，但相互間確實(shí)又存在微小的軌道夾角，這能夠幫助學(xué)生更好地理解系內(nèi)行星運(yùn)動(dòng)的“共面性”。

圖1 在WWT 中俯視太陽系

（2）通過軟件面板上的目標(biāo)跳轉(zhuǎn)功能，空間尺度縮小到行星級(jí)別，鼠標(biāo)輕輕一點(diǎn)，教師便可帶領(lǐng)學(xué)生在太陽系內(nèi)開展行星考察，看看表面布滿隕石坑的水星，觀察自轉(zhuǎn)方向與眾不同的金星，再感受一下太陽系內(nèi)第一高峰——位于火星的奧林匹斯山……師生考察團(tuán)可以隨意穿梭于太陽系行星家族，觀察、體會(huì)各大行星的位置、形態(tài)、特征和運(yùn)動(dòng)規(guī)律（如圖2 所示）。學(xué)生在這奇妙的宇宙之旅中獲得經(jīng)驗(yàn)、理解概念、掌握基本原理，為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的后續(xù)開展打下基礎(chǔ)。

圖2 WWT 中的類地行星

2.確定課題

“太陽系結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)”一節(jié)教學(xué)內(nèi)容較多，信息量較大，所帶來的課題也具有多樣性，但核心的主題是要幫助學(xué)生形成對(duì)太陽系主要天體即太陽和八大行星的空間相對(duì)位置、尺度對(duì)比、空間運(yùn)動(dòng)差異的認(rèn)知和理解。在不脫離該核心主題的前提下，教師應(yīng)該盡量發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)生活現(xiàn)象或課堂授課內(nèi)容進(jìn)行深入思考，從中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并與同學(xué)、教師探討選題的價(jià)值和可行性。比如在現(xiàn)實(shí)生活中的特定時(shí)期內(nèi)通過長(zhǎng)期觀察記錄，我們可以發(fā)現(xiàn)行星逆行的現(xiàn)象，其中最顯著的是火星逆行（當(dāng)然我們也可以利用WWT在短時(shí)間內(nèi)模擬實(shí)際生活的長(zhǎng)期天文觀測(cè)結(jié)果），教師可以以此為切入點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生思考這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因及其重要意義，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，確定具體的課題來開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，最終以WWT 漫游（5 分鐘左右）的形式展示成果。

3.制定計(jì)劃

（1）確定小組成員，對(duì)同一課題感興趣的學(xué)生組成小組（教師根據(jù)班級(jí)人數(shù)限定每一個(gè)小組的人數(shù)）。在整個(gè)學(xué)期中，每位學(xué)生必須加入一個(gè)小組，但不能超過兩個(gè)小組。

（2）小組交流討論，全體組員共同研制探究方案或活動(dòng)計(jì)劃表，需要把關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)和具體任務(wù)分工寫入方案或計(jì)劃表。

（3）小組向教師提交方案或計(jì)劃表，教師幫忙審核該小組活動(dòng)計(jì)劃是否具有可行性或者是否存在可能影響活動(dòng)正常開展的問題，并給出具體的意見和建議。

4.活動(dòng)開展

（1）前期準(zhǔn)備

①結(jié)合教師的課堂教學(xué)，學(xué)會(huì)熟練使用WWT 軟件，包括菜單功能、操作技巧、信息獲取、漫游制作等。②通過圖書、網(wǎng)絡(luò)收集相關(guān)資料，為構(gòu)建作品的理論框架作準(zhǔn)備。③小組成員各自列出WWT 軟件學(xué)習(xí)過程中遇到的問題和困難，先組內(nèi)交流解決，無法克服的問題匯總后向教師請(qǐng)教。

（2）作品制作

①把收集來的資料篩選分類，并以此為理論基礎(chǔ)撰寫腳本，也就是為整個(gè)漫游作品創(chuàng)作劇本。②根據(jù)腳本操作WWT 軟件制作漫游，相關(guān)旁白錄音和匹配背景音樂等工作也需同步開展。③音頻文件導(dǎo)入與漫游相結(jié)合，調(diào)整漫游時(shí)間軸使畫面與音頻相協(xié)調(diào)，完成作品。

5.作品展示

（1）在期末階段，教師組織全部小組進(jìn)行匯報(bào)展示，原則上各小組展示制作的WWT 漫游作品即可，如有特殊需求，也可以借助輔助工具（如PPT、文本文檔等）共同展示，但不能超過規(guī)定的展示時(shí)間。

（2）師生共同評(píng)價(jià)，采用小組自評(píng)、教師評(píng)價(jià)和組間互評(píng)相結(jié)合的方式。教師可預(yù)先收集學(xué)生對(duì)評(píng)價(jià)內(nèi)容和要求的看法（比如內(nèi)容的科學(xué)性、趣味性，畫面的連貫性、美觀性，背景音樂和字幕搭配的協(xié)調(diào)性等），制作評(píng)價(jià)表，注意定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)相統(tǒng)一。

（3）展示過后各小組根據(jù)師生的反饋修改完善漫游作品，再向教師提交最終成品。教師擇優(yōu)推薦參加國(guó)內(nèi)甚至國(guó)外的宇宙漫游制作大賽或相關(guān)科普作品大賽。如果條件允許，亦可打造成系統(tǒng)性天文科普教材，通過新媒體平臺(tái)進(jìn)行推廣，為國(guó)內(nèi)天文科普教育作貢獻(xiàn)。

五、總結(jié)

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》獨(dú)立設(shè)置了天文選修模塊——《天文學(xué)基礎(chǔ)》，這對(duì)我國(guó)天文科普教育來說是個(gè)好消息，但也意味著對(duì)高中地理教學(xué)提出了新挑戰(zhàn)、新要求。天文教學(xué)有其特殊性和限制性，在高中階段有先天性的教學(xué)難題，為了營(yíng)造良好的教學(xué)氛圍，激發(fā)學(xué)生的天文學(xué)習(xí)興趣，可以嘗試基于萬維望遠(yuǎn)鏡（WWT）的天文項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式，以強(qiáng)大的信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)為天文教學(xué)助力，發(fā)揮項(xiàng)目學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，給學(xué)生提供一種新穎的探究性天文學(xué)習(xí)新模式。