天文观测软件在天文类选修课中的应用

黄志敏 张雷 刘海顺

摘要：针对高校天文类选修课无法有效开展户外天文观测活动的现状，本文介绍了四款免费的天文观测软件，并对课堂教学的天文观测软件应用实践进行了探讨，为教师利用这些软件进行辅助教学提供了一定的参考。

关键词：天文选修课；天文观测；软件；辅助教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）09-0043-02

一、引言

天文学是研究宇宙间天体及其系统的科学，它融合了自然科学中的诸多学科，学一些天文知识对于文理知识的相互融合有着十分重要的意义[1]。在国际上，很多大学均开设了天文学的相关专业及选修[2]。在我国，随着高校非天文类专业教学研究的兴起以及“全国高等院校天文学教育与发展研讨会”等系列会议的召开[2]，天文类课程正逐步得到重视，越来越多的高等院校主动将天文普及教育作为当代素质教育的重要内容，面向全体大学生开设天文选修课。在教学过程中，开展户外天文观测活动是一个重要环节，可以大大激发学生对宇宙和自然科学探索的兴趣，培养观察能力[3]。但是，由于我国天文教育目前还比较薄弱，配备专业天文观测仪器的高校少之又少，这使得绝大部分高校的户外天文观测活动无法开展，即便是有观测条件的高校，由于参加选修课的学生人数太多，导致在学生的组织和课时安排方面困难重重[3]，难以保证活动质量，这对学生实践能力的培养是极为不利的。随着虚拟现实技术的飞速发展，一些制作精美、功能齐备、操作简单、内容丰富的天文观测软件逐渐涌现，将这些软件引入课堂可以在一定程度上解决这些困难，走出天文课只讲授不实践的窘境。本文介绍了四款免费的天文观测类软件，并以中国矿业大学开设的稳定性通识教育选修课《星际演化与外太空探索》为例，对这些软件在教学中的应用进行了探讨。

二、四款天文观测类软件

1.Celestia软件。软件由Chris Laurel主导开发，运用NVIDIA绘图技术构建影像，依据依巴谷星表，利用非常精确的VSOP87理论计算星体轨道，内建将近12万颗恒星，还提供了各行星、卫星的日食、月食预测。使用者可以通过时序设定视窗的锁定仔细观察任意时间段的各种天体。此外，专业人士还可以下载和安装扩展信息库，获取更详尽的资料[4]。该软件画面精美、内容丰富，通过导航栏内的太阳系浏览器和恒星浏览器，使用者可以快速找到自己感兴趣的星体。但是对初学者来说，想使用其强大功能，还是有一定的困难的，所以该软件更适用于具有一定天文学基础的教师使用。Celestia具有截图与录像功能，教师在备课的过程中可以方便的截取图片和视频，为学生上课时演示。

2.Stellarium软件。软件使用openGL技术对星空进行实时渲染，可以真实地表现通过肉眼、双筒望远镜和小型天文望远镜所看到的天空。使用者可以选择地球上的任意位置，甚至可以以火星或月球作为观测点。它还可以演示流星雨和日食等虚拟的天文现象。Stellarium有白天和黑夜的变化，可以看到不同季节的天空[5]。该软件可以实现开关坐标系、星座连线与标识、星座图绘等功能，还特别提供了包含中国在内的多达11个国家或民族的星空术语，十分便捷。由于其画质质量高、星图准确、资料齐全，一些天象馆还将Stellarium用于实际的天象放映中[6]。该软件操作简单、标注详细、视角真实，非常适合没有天文学基础的初学者使用，教师将其引入课堂教学也能大大激发学生的学习热情。该软件目前支持的操作系统包括Linux/Unix、Windows和MacOS X，并已开发出适用于移动设备的安卓版和IOS版，可获取使用者当前的地理位置，生成与真实天空无异的星图，方便学生独立开展星空观测活动。

3.Google Sky（谷歌天空）软件。这是从Google Earth 4.2版开始增加的功能，它让每一个普通人都能够如同宇航员一般置身虚拟太空，探索宇宙奇观。用户可以观看数百万光年以外的遥远星系，探索星群，看行星运动，甚至看超新星的爆发。资料图片主要来自美国宇航局的哈勃太空望远镜、斯隆数字天空观测协会等科研机构，共有约1亿颗恒星和2亿个星系可供用户观察。“红外线视图”和“微波视图”两个选项还可供专业用户进行体验。另外，它还能透过不同图层显示恒星的演变史、星群、哈勃望远镜拍摄的高解析度图片以及星系指南[7]。目前，Google sky已经提供了网页版和适用于移动设备的安卓版，真正做到了不受操作系统的限制，这对于教师上课演示和没有个人电脑的学生课后自学都是非常便利的，每个人都可以随时随地观测星空，遨游星际。

4.WorldWide Telescope（以下简称WWT）软件。这是微软开发的一款免费的桌面望远镜软件，集合了世界上各大天文望远镜、天文台、探测器所拍摄到的几十TB的数据和图像，加工处理成一个无缝的数字宇宙，把互联网变成了一架全波段、超大威力的虚拟望远镜，提供了一个知识丰富的学习环境，大大方便了世界各地天文数据、文献资料等信息的交互过程[8]，为天文学家提供了方便的认证手段，这对更全面、更深入的理解天体物理过程非常重要。软件资料均来自于真实的图片，教师使用该软件可以增强课程的互动性，学生也能很快学会使用并进行自主探索。

三、在天文类课程中引入天文观测软件的教学实践

在授课过程中，教师选择Google Sky软件贯穿整个学期教学活动的主线，同时根据教学内容的特点选择不同的软件进行辅助教学。利用Google Sky软件展示恒星的演变史，从而将抽象的理论和漫长的星系演化过程形象化，重现超新星爆发的壮观景象，使学生易于理解。而在讲解星座的时候，教师利用Stellarium软件特有的星座图绘功能来形象地展示星座，同时还可以把中国、韩国、埃及等11个国家或民族对于星空的认识进行比较，从而使讲授的内容更加的形象、直观，也能大幅提高講授内容的深度和广度。在讲解具体的恒星、行星、彗星等星体时，借助Celestia软件的星球与星系的目录来快速检索到这些星体，并显示出星体运行的轨道，在保证了教学内容科学性的同时增添了课堂教学的趣味性。当学生具有了一定的天文学基础，想对外太空进行更加深入的了解时，教师借助WWT来进一步拓展视野，观察不同波段下的宇宙图像，甚至可以建立一条独特的宇宙漫游路线，带领学生去探索。

教师除了可以在课堂上利用这些软件进行辅助教学外，还可以布置一些简单的研究课题，引导学生利用软件去自行探索并形成报告，在课程临近结束时，让学生汇报自己的研究结果。这种方式一方面可以引导学生利用工具来解决自己感兴趣的问题，养成探究式学习的习惯；另一方面对学生的动手能力、归纳总结能力以及表达能力也是很好的训练。

四、结语

在天文类选修课中引入天文观测软件可以使学生无需借助专业的天文观测仪器就可以开展天文观测活动，不受时间、地域和气象条件的限制，能在一定程度上解决当前存在的专业天文观测仪器少、学生多、课时安排冲突等问题。相信通过对这些软件的功能的进一步发掘，学生一定能从中得到更大的收获。

参考文献：

[1]赵杰，赵中华.《天体演化》公共选修课的教学实践与探讨[J].新课程研究，2010，（177）：16-17.

[2]潘艳平.“宇宙探索概论”课程中开展素质教育的探讨[J].中国电力教育，2009，（145）：89-90.

[3]袁启荣.高校天文选修课教学实践中的困难和挑战[J].北京师范大学学报（自然科学版），2005，41（3）：233-235.

[4]百度百科—Celestia.http：//baike.baidu.com/view/706414.htm.

[5]桑建辉.虚拟实验——实验教学的新途径[J].中国教育信息化，2012，（6）：46-48.

[6]百度百科—Stellarium.http：//baike.baidu.com/view/553375.htm.

[7]百度百科—Google Sky.http：//baike.baidu.com/view/1121477.htm.

[8]百度百科—WorldWide Telescope.http：//baike.baidu.com/view/4516920.htm.