多层次“月球探究”主题天文实践活动

□ 江苏省天一中学 沈新荣

多层次“月球探究”主题天文实践活动

□ 江苏省天一中学 沈新荣

中学天文社团不仅承担着满足学生天文爱好者理论学习和观测实践需要的责任，而且应该在更多的维度开展全方位的科普、教育和基础研究启蒙活动。但我们在无锡市中小学天文联合会、全国中学生天文奥林匹克竞赛、全国天文社团发展论坛等多个平台与许多学校的师生交流的过程中，发现大家在拓宽天文实践活动的形式方面存在普遍性的困难。为此，我们在总结社团各类活动的过程中，整理、策划了多个主题的天文实践活动方案，如“多层次城市夜空光度测量科技教育活动”“多层次‘月球探究’主题天文实践活动”等。

下面我以“多层次‘月球探究’主题天文实践活动”为例，结合天一天文社社团理事会的组织架构，向大家简单介绍活动开展的情况

天一天文社社团理事会下属有四个工作室，分别负责社团的文化类课程、科普型课程、基础型课程和研究型课程，各工作室的主要工作分工可参见表1。在“月球探究”主题活动中，各工作室根据自己的工作属性，策划组织了形式多样、受众各异、面广度深的多个活动，具体可参见表1。

基于“月球探究”的主题，加贺谷穰工作室在锡城天文科普杂志《坐井记》上编排了一组“从阿姆斯特朗到嫦娥”主题的文章，组织了“明月几时有”摄影大赛。

图1 《坐井记》特别企划：从阿姆斯特朗到嫦娥

为增进公众对人类探月的历史及其所取得的成就的了解，我们在《坐井记》上安排了一期“从阿姆斯特朗到嫦娥”主题的特别企划，整理编写了一组文章：《人类探月史》《阿波罗11号》《现代月球探测历史以及未来展望》《嫦娥工程》。通过系列文章，我们梳理了自1959年苏联“月球一号”起人类发射的全部探月航天器，介绍了人类首次登月任务——阿波罗11号从发射到返回的详细过程，展望了现代月球探测及中国嫦娥探月工程的概况。

为提升公众欣赏月球之美的能力，我们发起了“明月几时有”摄影大赛，邀请公众使用手机、照相机等工具捕捉各种月球相关的图片，并进行评审与颁奖。比赛的主题粗分为“风景摄影”“细节摄影”等两个方面，评审标准包括“视觉美感”“表达技巧”“手法创意”等多个角度。

表1 各工作室基于“月球探究”主题的活动设计

基于“月球探究”的主题，伽利略工作室针对不同年龄段的受众，开发了多个难度各异、层层递进的小实验与小制作。

针对低龄的幼儿园小朋友，我们设计了“奥利奥月相”小制作，教导小朋友们利用4块奥利奥奶油夹心饼干来制作8种不同的月相。具体步骤有：将奥利奥饼干扭开，取没有任何夹心的一面做新月，取有完整夹心的一面做满月；将某一面上的完整夹心平分后，转移一半到没有任何夹心的另一面上，制作出上弦月、下弦月；采用相似的方法，依次制作出峨眉月和亏凸月，残月和盈凸月；将8种月相的饼干按变化次序摆放在塑料盘中。

针对兼具好奇心和耐心的小学生，我们设计了新“小猪找月亮”小实验，指导同学们关注月球的月相变化和升起时间的推迟规律。我们邀请同学们在农历初四峨眉月之夜的晚七点开始这个“找月亮”的小实验，通过窗户找到月亮，在纸上记录好此刻的时间、月亮在天空中的方位和高度，并描绘出月亮的形状（月相）；第二天夜晚的同一时刻，再次通过窗户寻找月亮，记录并描绘出月亮的方位、高度和形状；在后续的十来天时间里，持续地通过窗户寻找月亮，记录并描绘月亮的相关信息；通过比较这一段时间内月亮的方位和高度来推测每天月亮从东方地平线上升起的时间，通过月亮的形状推测月亮与太阳、地球间的相对位置关系，遇到不懂的问题要求及时向家长或老师求教。

针对有一定数理知识和实验技能的中学生，我们设计了“月坑成因探究”模拟实验，引导学生思考月坑的特征与陨石撞击间的相关性。我们将粗砂以10∶1的比率与水混合后，均匀盛放入40厘米×30厘米×6厘米的坚固塑料盒中，模拟月球地表；将高尔夫球（及乒乓球）处理后，通过棉线悬挂在铁架台上，模拟陨石体；剪断棉线，使陨石体自由落体运动，撞击月面，形成陨石坑；用小磁铁将陨石体吸出后，在月面上均匀泼洒熟石膏，待其硬化后，用尺测量并记录各个月坑的直径、深度，同时拍照保存。通过调整陨石体的体积、质量和密度，陨石体悬挂的高度（冲击的力度与速度），形成不同深度及直径的陨石坑，从而获得影响月坑形成的关键因素。

基于“月球探究”的主题，达盖尔工作室开设了“日月食原理和观测”校本课程，并组织了“月面观测”活动。

在“日月食原理和观测”一章中，我们编排了“奥赛考试要求”“理论学习资料”“历年考题解析”等三个版块。该章节的主要知识点包括：月球与月面、潮汐锁定、天平动、月相、黄白交角与黄赤交角、日出日落方位、掩与凌、日月食原理、日月食发生的条件与次数、日月食的食相、食分、沙罗周期等。同学们通过校本课程的学习，深入了解了月陆、月海的比例及分布、主要环形山的名称及位置，月食的成因及频率等基础知识，提高了对月球的理性认知。

我们通过“天一观星营”活动，带领社员前往江苏无锡十八湾、盱眙铁山寺，浙江安吉天荒坪、舟山朱家尖等地开展月面观测及摄影活动。截至2016年2月，我们已举办过42期野外观星活动，累计参与活动人次近千。通常我们会利用观星营的头一个白天进行望远镜安装及调试、单反相机及天文摄影的入门教学，头一个晚上开展目视观星、望远镜观测、手绘月面、天文摄影的教学；第二天白天和晚上则是分组练习，观测和拍摄实践；活动结束后，我们将会利用校本课程时间指导社员使用Lightroom、LRTimelapse、Startrails等软件对照片进行后期处理。

图2 天一观星营G28：太湖大堤之夜

基于“月球探究”的主题，斯科特工作室组织了“月球年代学”“月球陨石坑探究”等课题的研究。

地质学中有三种主要的确定相对地质年代的方法：地层学方法（地层层序律）、古生物学方法（化石层序律）、构造地质学方法（切割律）。天文学家在对月面不同地区的地质年龄进行测算时，除对人造探测器从月球带回的岩石和土壤样本进行分析外，一般也是通过地层层序律的方法。我们带领课题组的同学，对美国地质调查局的Shoemaker和Hackman在1962年利用威尔逊山天文台提供的哥白尼区域影像图研究过的5个地质年代开展了模仿探究。最终的研究结果向我们讲述了这样一个故事：很久以前，一颗直径可达100km的巨大陨石体撞击月球并形成了雨海及其边缘的亚平宁山脉、阿尔卑斯山脉和喀尔巴阡山脉；之后大量的陨石体不断撞击雨海地区，形成了包括阿基米德环形山在内的许多月坑；接着是大量的火山熔岩填满了雨海地区，阿基米德环形山的底部及其辐射纹也被掩盖；再往后又有一些陨石体撞击该地区并在火山熔岩之上形成了艾拉托斯特尼环形山、奥托吕科斯环形山和哥白尼环形山。

我们还带领社员与英国友校的师生们合作开展了“月球陨石坑探究”的课题。我们使用近月轨道飞行器拍摄的月面照片，测量了直径小于2km的月坑在月面的分布及密度，探究了陨石坑的类型与其直径和深度间的关系，并设计实验成功通过测量陨石坑直径和日影长度测算出了月坑的深度。师生撰写的相关论文不仅在全国青少年科技创新大赛中获奖，而且在《School Science Review》和《Physics Education》上得到发表。

（责任编辑 张长喜）

图3 中英天文合作“月球陨石坑探究课题