让科学观测活动走向真实

戴祎兰

【摘   要】科学教学应以真实的科学活动为抓手。“空间站的通联与观测”活动是学生在家长、教师的指导下，“与国际空间站建立联通、对天宫空间站进行观测”的真实学习活动。学生“基于学习兴趣，明确活动任务；掌握相关技能，奠定活动基础；现场通联实践，完成观测任务”。这样的探究过程带来了很多启示：科学教学应做到“以好奇心为驱动，找准教育契机；以问题解决为目标，让学生经历学习全过程；以成就感为收获，用内驱力促进学生真正成长”。

【关键词】科学观测活动；国际空间站；天宫空间站；通联；观测

科学探究需要从学生的学习需求出发，依托真实的科学活动，激发学生内在的学习动机。学校、家庭、社会应帮助学生经历真实、完整的科学探究过程，为学生的未来发展奠基。“空间站的通联与观测”（以下简称“通联与观测”）实践活动是学生在家长、教师的指导下，以“与国际空间站建立联通，并对天宫空间站（China Space Station，CSS）（以下简称‘天宫）进行观测”为目标的探究活动。参与探究的学生经历3个月的探索，完成了与国际空间站的通联工作，成功地用照相机拍摄到了“天宫”过境杭州的照片。这一实践活动让科学学习进入了学生真实的生活世界，学生在“学习—实践—认知”的过程中收获了成功的喜悦。

一、背景介绍

“通联与观测”中，通联指的是借助相关平台，利用业余无线电设备，与工作中的国际空间站宇航员进行实时连线沟通（如接收他们即时发出的照片等）。观测指的是借助望远镜、照相机等设备，对运行中的“天宫”进行观察的活动。

活动小组的学生在了解了关于我国“天宫”的信息后，产生了对其进行观测的想法。他们通过ARISS的MAI-75项目，以SSTV完成了与国际空间站的通联及对“天宫”的观测。ARISS是Amateur Radio on the International Space Station（国际空间站业余无线电）项目的简称。它是由美国业余无线电联盟、国际业余卫星组织、美国航空航天局等共同发起，以扩大国际空间站的影响力为目的，为爱好者提供与国际空间站宇航员直接交流的机会的一个公益项目。MAI-75项目是ARISS的一个组成部分。它由莫斯科航空学院主导，将视频信息从太空实时向全世界业余无线电及互联网用户进行传播。SSTV是业余无线电爱好者最常用的图片传输方法，指的是通过无线电传输、接收单色或彩色的静态图片，并通过PC端的计算机程序或手机App进行图片的编码和解码。

二、实施过程

学生亲身参与科学实践活动，在学习任务的指引下，主动研究、探索，大致经历了明确活动任务、奠定活动基础、完成现场通联等过程。

（一）基于学习兴趣，明确活动任务

好奇是人类的天性，很多学生都有“太空梦”，但如果仅仅停留在“梦”的阶段，浓厚的兴趣可能会随着时间的流逝渐渐消失。教师和家长了解了学生的兴趣后，组织学生成立活动小组，并邀请了一名专业技术指导为学生提供支持。活动小组成员在与技术指导、教师、家长讨论的基础上，确定了本次活动的主要任务：（1）在“天宫”过境杭州时，对其飞行轨迹进行观测，并且尝试用相机拍摄照片；（2）根据观测条件，依据国际空间站官网发布的信息，选择适当的时间参与MAI-75项目的活動，以SSTV实现与国际空间站的通联目标；（3）成功接收发自国际空间站的图片，并获得通联证书。

（二）掌握相关技能，奠定活动基础

学生要完成观测与通联活动，须在活动前做大量的准备工作，为活动的顺利进行奠定基础。

首先是基础技能的掌握。要顺利完成活动任务，学生需要了解天文学、业余无线电和空间站方面的基础知识，还要掌握相机的设置和使用技巧。鉴于此，在正式进行实践活动之前，技术指导、教师和家长共同策划，为学生进行了一次基础知识培训。培训的内容包括：业余无线电通信常识及对讲机的设置与使用方法；电磁波、天线原理等相关概念；国际空间站的基本情况；拍摄相机及相关软件的使用方法；卫星过境跟踪的方法及对拍摄内容进行解码的方式；等等。

其次是活动时间与地点的选择。国际空间站通联和“天宫”观测这两个活动对于时间和地点的要求是不一样的。通联需要借助ARISS的平台，所以要根据国际空间站在互联网上公布的通联活动时间与计划来安排。观测时间的选择相对灵活，但最好在傍晚或凌晨进行，能够观察得比较清晰。如果想把观测和通联两个活动安排在同一天进行，就必须选择天气晴朗的晚上，并且要与国际空间站的计划同步，这样合适的时间不容易遇到。因此，活动小组成员在反复斟酌与比较后，决定将通联和观测活动分开进行。通联与观测的地点也很重要。需要选择在空旷且没有高大建筑物遮挡的地方，如江边、海边、山顶等，还要避开变电站、移动通信基站等可能存在电磁干扰的建筑。学生历经近3个月的时间，实地考察了若干个备选地以后，才确定了比较适合的时间和地点。

最后是反复的练习。练习是保证活动顺利进行的重要前提。在进行正式的通联与观测活动前，学生反复练习对焦、调焦，学习使用多次曝光、连续拍摄的方法拍照，练习利用电脑软件对拍摄镜头进行叠加处理，得到物体的运动轨迹。学生还多次到选定的场所进行实地拍摄演练，提前找出可能遇到的问题并尝试解决。如在练习时，学生发现周围的环境对拍摄效果影响较大，所以想到要注意手电筒或其他设备的光对拍摄带来的干扰。又如，学生发现航天器过境时的亮度并不是一成不变的，由于太阳光照角度的不同以及地面观测角度的不同，航天器的亮度也会发生变化。学生进一步查阅资料，得知“天宫”过境时，高度角较高时会更明亮。这些前期准备让学生对通联与观测活动有了更大的信心。

（三）现场通联实践，完成观测任务

2021年6月26日上午，学生按时来到活动现场。按照计划，小组成员在完成八木天线组装后再次确定负责信号接收、进行国际空间站跟踪、对采集到的信号进行录音、对实践过程进行拍摄的人员及各自的任务。所有准备工作在11点10分完成，学生静静地等候国际空间站的飞临。通联活动正式开始。

11点19分，手机App显示国际空间站已经从地平线升起，但是对讲机迟迟没有发出信号。学生焦急万分，担心信号接收是否有误，并且反复检查设备状况。11点23分，对讲机里终于传来了清晰的信号声音，学生非常激动。学生密切跟踪国际空间站的运行位置，不断调整接收信号的角度，旋转天线的极化方向，确保对讲机里的信号是清晰的。11点29分左右，国际空间站在东南方向落到地平线以下，信号完全消失。学生迫不及待地开始用手机App对信号进行解码。这次活动一共收到了两张国际空间站发出的纪念“和平号”空间站与航天飞机历史性对接的系列活动照片。随着图片一行一行地被解析出来，学生终于看到了梦寐以求的国际空间站通联图片。

2021年8月9日02点40分，“天宫”高角度过境杭州。学生在这天凌晨早早起床，在漆黑的夜色中，在教师和家长的带领下，朝着“天宫”将要升起的地方架好相机，并将相机的曝光时间设置为10秒进行连续拍摄。这天凌晨，天空中的云层很厚，再加上城市灯光的影响，导致用肉眼只能在夜空中看到土星。但是活动小组成员还是成功拍摄到了一张“天宫”飞行轨迹的照片，观测活动顺利收官。

三、反思与启示

空间站的通联与观测活动是一项从学生的兴趣出发，基于真实问题解决的科学实践活动。在三个多月的活动历程中，学生表现出了对科学探索的浓厚兴趣，经历了解决真实问题的全部过程。在这个过程中，他们表现出的求知欲、探索能力以及知识技能掌握能力令人欣喜。这样的探究过程也为我们带来了很多启示。

（一）以好奇心为驱动，找准教育契机

本次活动源于一个学生对“天宫”的兴趣，家长、教师及时捕捉到这一兴趣点，并带领学生以此为契机展开了系列活动。小组成员利用放学后及双休日的时间，认真学习相关知识。他们很快掌握了使用单反相机进行拍摄所需的调焦、对焦等技术；掌握了利用SatSat、Satellite Tracker等不同App进行空间站过境跟踪的方法；他们还查阅、整合了相关信息，通过计算确定合适的观测时间。学生作为学习的主体，自己完成了位置跟踪、数据采集、解码图片等任务。小组成员互相答疑、积极合作，展现了较强的自学能力。

（二）以问题解决为目标，让学生经历学习全过程

为了完成目标，小组成员以结果为驱动，主动参与学习全过程。他们学习基础知识时采取的是“有问题—找答案”的树形学习方法。为保证顺利接收通联信号，他们反复选择和测试活动地点；在观测空间站信号时，他们细心而有耐心；捕捉数据时，他们小心而谨慎，真正做到了全身心投入。同时，他们还自觉对学习过程进行分析，思考行动中需要改进的地方。可见，教育要找好的契机，采取对的方法。

（三）以成就感为收获，用内驱力促进学生真正成长

有人说，“成功是成功之母”。学生在活动中获得的成就感会促使他们投入到后续的学习中。

本次活动中，学生不但顺利观测到“天宫”过境杭州时的轨迹，还在与国际空间站顺利通联后，得到了由国际空间站业余无线电组织颁发的奖状。在通联活动网站上，小组成员看到了其他国家和地区的无线电爱好者在本次活动中上传的图片，他们发现这些图片基本都来自欧洲、北美洲等，来自亚洲国家的图片很少，来自中国的就更少了。学生深刻地体会到了成功的快乐。这次活动的收获也转化为学生继续成长的内驱力。

通联与观测活动真正激发了学生对科学学习的兴趣。活动后，学生自发讨论并提出改进的想法：如果前往偏僻的乡村或高山等电磁干扰相对较小的地方，用内置录音机的对讲机（避免录音时环境噪音的干扰）进行接收，同时用解码软件对录音文件直接进行解码（避免用麦克风解码时产生的环境噪音干扰），就能接收到更高质量的图片；如果在高山、海岛观测“天宫”过境轨迹，就可以拍攝到更加完美的照片。对“天宫”的观测，增强了学生的国家自豪感、科技使命感，可谓一举多得。

期待有更多的教育者能够开发并引导学生参与这类以解决真实问题为导向的、目标明确、实践性强的学习活动，为科学教学打开另一片天空。

（浙江省杭州市教育发展服务中心   310004）