天文主题科学调查体验活动的设计与开展

青少年科学调查体验活动始于2006 年，是一项面向全国中小学生的科技类综合实践活动，每年都会推出不同主题的活动指南。2024年总共推出了20 个主题，其中天文主题“星光闪耀”是重点推出的2 个主题之一，由时任北京天文馆副馆长的陈冬妮博士主持编写，笔者与冯翀副研究员也各自负责了其中一部分章节。青少年科学调查体验活动的基本设计要求是以简单的科学调查、科学探究为载体，帮助学生掌握科学调查研究的方法，并鼓励他们关注身边的科学问题。基于这样的策略，结合天文学科的特点，“星光闪耀”活动指南的编写希望能够为普通中小学生提供一套易于实践的科学活动方案，让学生利用简单易得的材料展开调查与体验，在自己动手探究天文学知识的过程中体会并掌握相关科学方法，通过层层递进的活动设计逐步建立起自己的知识体系，并在此基础上对科学体系的构建过程有切身的体会和理解。此外，活动设计也契合联合国儿童基金会的“可迁移技能”概念，让学生在学会学习、学会做事、学会做人和学会共同生存4个维度上得到锻炼和发展。

内容设计

“星光闪耀”活动指南的内容设计基于天文学科特点。当作为青少年科学普惠教育的一部分考虑时，天文学科有自身独特的优势和劣势。优势是具备日月运行、月相变化和星空变换等在日常生活中可以直接观察到的天文现象，可以由此自然拓展，帮助学生养成长期的观察习惯；一部分天文学知识与生活（主要是计时和历法）紧密相关，具备直接的切入点；现代天文学的建立和发展与现代科学体系的建立和发展紧密关联，进行一些初步的天文学探究有利于理解科学方法和科学精神。另外，大部分青少年对天文学具备基本的好奇心，这也有助于他们凭借兴趣克服探究中的困难。不过，天文学在实践中的学科劣势也很明显。首先，天文学是一门以观察为主的学科，基本不具备实验室条件，观察活动受到天象事件的限制，在时间安排和活动组织上诸多掣肘，而且往往有一定的硬件条件要求；其次是天文事件涉及的时空尺度远远超过人类亲身感受，其极端的物理条件也常常导致一些“反常识”“反直觉”的结果，大大增加了理解的难度；第三，天文学科很少有“所见即所得”的结果，抽象层级比较高，而且往往多学科交叉，不易掌握其中内在的知识联系。另外，多数学校不具备专门的天文教师，很多科学教师对天文学并不熟悉，这也在一定程度上影响了天文活动的开展。

由此，我们在设计中注意了认知层级的划分，按照“是什么”“为什么”和“凭什么”的递进谨慎设计活动环节，希望学生在观察、体验的基础上运用科学方法进行解释和应用，再通过掌握的科学方法进一步追问和探究更深层次的联系和规律。在这个过程中，基于已有的日常经验和知识基础，通过科学调查和体验获取新经验和新知识，并将新的知识与已有知识相联系，逐步将知识点连缀成知识面，为学生后续对知识体系和框架的搭建打下基础。同时，从最简单的观察开始零基础建立知识体系的过程，既与历史上学科发展的真实轨迹相印证，又方便不熟悉天文学知识的教师与学生共同参与到调查和体验中，实现同步的学习和探究。此外，还在线上和线下展开了活动指南的使用培训，取得了一定的效果。

按照时空尺度和抽象层级的递进顺序，“星光闪耀”活动设计了“日地月系统”“我们的太阳系”“群星世界”“星空与星座”和“星系宇宙”5 个活动，每个活动又按照“观察和体会”“规律和应用”“原理和拓展”的进阶顺序安排了3 个任务。前期活动更侧重观测和模拟，后期则更侧重读图识图和项目研究。教师与学生可以选择完成全部5 个活动，初步体会天文学科从建立到现代前沿的发展，也可以依照实际条件选择其中的某些活动，用其中的子任务完成“知识—方法—新知识”的探究循环。

活动开展

活动 1. 日地月系统

对太阳和月亮的观察是古代天文学的起源之一，也是学生在日常生活中可以直接观察、体验的最常见的天文现象。把对太阳和月亮的观察活动安排在活动指南的最初，是希望引导学生从观察最常见的日常现象入手，逐步学习观察技巧、养成观察习惯，并初步掌握变换观察视角的能力。本活动的3 个任务是“太阳的运动”“月亮的变化”和“日食与月食”，从观察太阳运动位置开始，逐步归纳太阳、月亮的变化规律，寻找其背后的运动学原因，再从日地月系统的运动模型，推演并印证日食、月食的发生原因和发生规律。

在实践中，最容易组织的实际观察是一天中太阳方位的变化。选择晴朗的一天，利用任何垂直于地平面的直立竿状物，记录其影子在一天里不同时刻的长度和角度（即影子末端所处位置），由此可以计算出对应时刻的太阳方位。教师也可以组织在另一个季节重复这样的观察，对比得到的观察记录。有条件的学校可以利用延时摄影的方式，实际记录日影的转动，并由此拓展到日晷的原理和演变。更进一步的拓展，则可以沿着“立木为表”在日晷、圭表、正方案3 个方向的演变，体验对日影观察的进一步应用。

在试图观察更长期的变化时，由于组织长期观测的难度很大，需要引入天象模拟软件作为辅助。目前有各种免费和付费的天文软件可供下载，教师可以按照实际情况选择使用。太阳在一年中的运动轨迹变化、月亮一个月内的形状和位置变化都需要在软件辅助下进行观察，并归纳出规律。在有条件的情况下，建议选择一个日期，组织学生观察一次日落，看看在真实天空中当天的日落位置和日落时月亮的位置和形状，与天文软件的模拟结果相印证，把虚拟星空与真实星空联系起来。

除了实际的观察之外，模型模拟和角色扮演是帮助学生把视角转换到空间中，以及体验天体运行现象和规律的好办法。利用简单的道具，让学生扮演日、地、月天体，实际体会太阳运动、月相变化和日月食发生的原因和规律；再反过来，引导学生根据日、地、月的相互绕转，从原理上对月相和日月食进行推演。两相印证，可以让学生更好地理解和掌握其中的原理。

活动 2. 我们的太阳系

人类对太阳和太阳系的认识，伴随着现代天文学体系的建立和初步发展而逐渐进步。本活动设计的3 个任务是“漫游太阳系”“太阳有多‘能’”和“天外来客”。在认识太阳有多远、太阳系有多大的过程中，学生可以逐渐习惯天文距离和天文数字，为后续认识宇宙的广袤奠定基础，并对地球在宇宙中的位置和地位建立初步印象。

从活动2 开始，学生需要利用网络和书本调研一些基本数据，并根据自身经验探索什么样的调研途径和结果更为可靠。在“漫游太阳系”任务对空间尺度的体验中，观察者的视角离开了地球表面，直接的观察和体验不再成为可能，需要根据调研数据进行折算和模拟，按比例复现出太阳系，间接体验天体的大小和距离。教师和学生可以根据实际情况，用手边易得的日常物品按大小比例模拟太阳系中的各个天体，或按距离比例把太阳系天体安排在校园／教室范围内。在“太阳有多‘能’”任务对太阳能的探究中，要点是把阳光与能量联系起来，并将阳光的概念从可见光向更多波段拓展，同时寻找实际生活中人们利用太阳能的各种方式，并将其形成小组报告，体会在把学习成果形成文章或报告的过程中对思路的梳理和知识的巩固。进一步的拓展可以探究阳光中携带了哪些信息，为后续对恒星的认识打下基础。在“天外来客”任务对地球天文环境的呈现和体验中，通过对小天体撞击的模拟和体验，探究地球作为一颗行星的普遍性和特殊性，同时也可在模拟过程中体会和掌握基本的实验方法。有条件的学校可以组织参观真实的陨石标本，观察它们与地球普通岩石的区别，探究这些区别的来源，并思考地球在多大程度上保护了生活在这里的生命。

活动 3. 群星世界

人类对恒星的认识建立在认识太阳的基础上。人类可以近距离地观察太阳，派出探测器从各个方面探究太阳，但对遥远的恒星则只能基于从研究太阳得到的各种理论，通过解读星光间接认识恒星的各种特征。在这个层面上，不但直接的观察和体验不再成为可能，观测结果也不再能够直观地体现天体本身的特征，只能在理论模型的基础上呈现概念化的图景。本活动设计的3 个任务是“多彩恒星”“量天尺”和“外星生命”，从本活动开始，学生视野进一步开阔，将逐渐体会到天文学研究方法的特殊性。

恒星的寿命远远超过人类进行天文观测的历史，但人类仍能通过对大量不同状态恒星的观察，推测出不同种类恒星的生命历程。“多彩恒星”任务的要点是了解恒星的质量、颜色、温度和寿命之间的联系，并大致理解太阳在银河系恒星中的位置和地位。进一步的拓展可以调研不同质量恒星的一生，并以角色扮演的方式进行讲述。“量天尺”任务的要点是实际体会三角形在距离测量中的应用，在周围环境中选取合适的目标，分别利用跳眼法和三角视差法估算远处物体的距离，思考其异同，并探究测量更远物体的方法。进一步的拓展可以将同样瓦数的电灯放置在校园不同距离处点亮，体会“标准烛光”的作用，并调研不同类型的标准烛光在不同距离上的应用。“外星生命”任务的要点是思考天文环境对生命的限制和支持，通过调研查找并选择某一颗系外行星，基于其表面条件为它设计适应环境的动植物。进一步的拓展可以探究寻找系外行星的手段，并体会从各种限定条件估算外星文明数量级的方法。

活动 4. 星空与星座

星空运转与日月运行一样，是天文学的肇端，也是人类社会最初的秩序来源之一。星座的诞生在各个古代文明中都是基于实用的意义。本活动从对星空的实际观察出发，通过天文软件观察星空每天、每年的运转，并体会天球的概念。在此基础上，基于对日地系统运行规律的了解，模拟体验星空的运转及其背后的原因和规律。由此，设计的3 个任务是“创造星座”“星座时钟”和“星空的变化”。

星座是人们为了辨识不同的恒星，以便标识出星空运转和时间流逝而假想出的连线，在现代天文学意义上被定义为天空中的一片天区，但其标志性特征仍然是亮星勾连成的形状。“创造星座”任务的要点是体会星座的定义，区分恒星之间的实际距离和投影距离，并明白不同文化曾经都有自己的星座划分和星座故事。假想的天球是古代地心说的残留，它不代表宇宙的真实面貌，但可以利用这个假想模型熟悉和预测星空的运转。有条件的学校可以利用有星空穿梭功能的天文软件，或到天文馆展示穿梭星空导致的星座变形，以更直观地体会真实宇宙中的恒星分布。进一步的拓展可以调研恒星本身的运动，思考恒星的相对位置变化如何导致星座形状的变形。“星座时钟”任务的要点是利用天文软件模拟北天和南天星空在一年中的变化，以及太阳一年在星空中的移动轨迹，由此思考利用星空计时应优先选择什么样的星群。有条件的学校可组织拍摄星轨照片。进一步的拓展可以思考星座的实用价值，调研不同古文明在黄道或天赤道沿线的星座划分。“星空的变化”任务要点则是以角色扮演的方式，体会地球上星空周日、周年变化的原因，恒星日与太阳日的区别，并体验在不同季节的夜空中能够看到的星座。

活动 5. 星系宇宙

宇宙观的演化贯穿了整个人类文明，从早期基于观察和想象的古代宇宙神话，到现代为主流接受的基于物理学和观测证据的大爆炸宇宙学模型，人类对宇宙的认识在不断演变。本活动的3 个任务是“宇宙是什么”“‘吹出’膨胀的宇宙”和“如果137 亿等于1”，帮助学生分别从物质、空间和时间的角度体会宇宙的面貌。由于对宇宙的理解是高度抽象和概念化的，本活动中的体验更多基于类比而非模拟。

对人类来说，以有限的观察视角（限于地球附近）和观察时间，却能够对时间、空间尺度都极其巨大的宇宙有比较可靠的认识，经历了一个漫长的过程。“宇宙是什么”任务的要点是调研不同文明的宇宙观和关于宇宙起源、演化的神话传说，对比其异同，思考这些神话可能对应什么样的天体类型和天文现象。进一步的拓展可以调研宇宙中的天体类型，并按结构层级归类。“‘吹出’膨胀的宇宙”任务的要点是用气球模拟宇宙的膨胀，测量和计算气球表面的“星系”间距离随时间的变化，并将这个膨胀的空间与方块积木代表的绝对空间相对照，帮助学生体会大爆炸宇宙学模型的时间-空间关系。“如果137 亿等于1”则是将宇宙自大爆炸以来约137 亿年的寿命“折算”到1年中，绘制宇宙日历，体会宇宙大事件的时间分布，也对太阳系、地球和人类文明的年龄在宇宙年龄中的占比有更直观的感受。