天文觀測軟件在天文類選修課中的應(yīng)用

黃志敏 張雷 劉海順

摘要：針對高校天文類選修課無法有效開展戶外天文觀測活動的現(xiàn)狀，本文介紹了四款免費(fèi)的天文觀測軟件，并對課堂教學(xué)的天文觀測軟件應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了探討，為教師利用這些軟件進(jìn)行輔助教學(xué)提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：天文選修課；天文觀測；軟件；輔助教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）09-0043-02

一、引言

天文學(xué)是研究宇宙間天體及其系統(tǒng)的科學(xué)，它融合了自然科學(xué)中的諸多學(xué)科，學(xué)一些天文知識對于文理知識的相互融合有著十分重要的意義[1]。在國際上，很多大學(xué)均開設(shè)了天文學(xué)的相關(guān)專業(yè)及選修[2]。在我國，隨著高校非天文類專業(yè)教學(xué)研究的興起以及“全國高等院校天文學(xué)教育與發(fā)展研討會”等系列會議的召開[2]，天文類課程正逐步得到重視，越來越多的高等院校主動將天文普及教育作為當(dāng)代素質(zhì)教育的重要內(nèi)容，面向全體大學(xué)生開設(shè)天文選修課。在教學(xué)過程中，開展戶外天文觀測活動是一個重要環(huán)節(jié)，可以大大激發(fā)學(xué)生對宇宙和自然科學(xué)探索的興趣，培養(yǎng)觀察能力[3]。但是，由于我國天文教育目前還比較薄弱，配備專業(yè)天文觀測儀器的高校少之又少，這使得絕大部分高校的戶外天文觀測活動無法開展，即便是有觀測條件的高校，由于參加選修課的學(xué)生人數(shù)太多，導(dǎo)致在學(xué)生的組織和課時安排方面困難重重[3]，難以保證活動質(zhì)量，這對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是極為不利的。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，一些制作精美、功能齊備、操作簡單、內(nèi)容豐富的天文觀測軟件逐漸涌現(xiàn)，將這些軟件引入課堂可以在一定程度上解決這些困難，走出天文課只講授不實(shí)踐的窘境。本文介紹了四款免費(fèi)的天文觀測類軟件，并以中國礦業(yè)大學(xué)開設(shè)的穩(wěn)定性通識教育選修課《星際演化與外太空探索》為例，對這些軟件在教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

二、四款天文觀測類軟件

1.Celestia軟件。軟件由Chris Laurel主導(dǎo)開發(fā)，運(yùn)用NVIDIA繪圖技術(shù)構(gòu)建影像，依據(jù)依巴谷星表，利用非常精確的VSOP87理論計算星體軌道，內(nèi)建將近12萬顆恒星，還提供了各行星、衛(wèi)星的日食、月食預(yù)測。使用者可以通過時序設(shè)定視窗的鎖定仔細(xì)觀察任意時間段的各種天體。此外，專業(yè)人士還可以下載和安裝擴(kuò)展信息庫，獲取更詳盡的資料[4]。該軟件畫面精美、內(nèi)容豐富，通過導(dǎo)航欄內(nèi)的太陽系瀏覽器和恒星瀏覽器，使用者可以快速找到自己感興趣的星體。但是對初學(xué)者來說，想使用其強(qiáng)大功能，還是有一定的困難的，所以該軟件更適用于具有一定天文學(xué)基礎(chǔ)的教師使用。Celestia具有截圖與錄像功能，教師在備課的過程中可以方便的截取圖片和視頻，為學(xué)生上課時演示。

2.Stellarium軟件。軟件使用openGL技術(shù)對星空進(jìn)行實(shí)時渲染，可以真實(shí)地表現(xiàn)通過肉眼、雙筒望遠(yuǎn)鏡和小型天文望遠(yuǎn)鏡所看到的天空。使用者可以選擇地球上的任意位置，甚至可以以火星或月球作為觀測點(diǎn)。它還可以演示流星雨和日食等虛擬的天文現(xiàn)象。Stellarium有白天和黑夜的變化，可以看到不同季節(jié)的天空[5]。該軟件可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)坐標(biāo)系、星座連線與標(biāo)識、星座圖繪等功能，還特別提供了包含中國在內(nèi)的多達(dá)11個國家或民族的星空術(shù)語，十分便捷。由于其畫質(zhì)質(zhì)量高、星圖準(zhǔn)確、資料齊全，一些天象館還將Stellarium用于實(shí)際的天象放映中[6]。該軟件操作簡單、標(biāo)注詳細(xì)、視角真實(shí)，非常適合沒有天文學(xué)基礎(chǔ)的初學(xué)者使用，教師將其引入課堂教學(xué)也能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。該軟件目前支持的操作系統(tǒng)包括Linux/Unix、Windows和MacOS X，并已開發(fā)出適用于移動設(shè)備的安卓版和IOS版，可獲取使用者當(dāng)前的地理位置，生成與真實(shí)天空無異的星圖，方便學(xué)生獨(dú)立開展星空觀測活動。

3.Google Sky（谷歌天空）軟件。這是從Google Earth 4.2版開始增加的功能，它讓每一個普通人都能夠如同宇航員一般置身虛擬太空，探索宇宙奇觀。用戶可以觀看數(shù)百萬光年以外的遙遠(yuǎn)星系，探索星群，看行星運(yùn)動，甚至看超新星的爆發(fā)。資料圖片主要來自美國宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、斯隆數(shù)字天空觀測協(xié)會等科研機(jī)構(gòu)，共有約1億顆恒星和2億個星系可供用戶觀察?！凹t外線視圖”和“微波視圖”兩個選項(xiàng)還可供專業(yè)用戶進(jìn)行體驗(yàn)。另外，它還能透過不同圖層顯示恒星的演變史、星群、哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的高解析度圖片以及星系指南[7]。目前，Google sky已經(jīng)提供了網(wǎng)頁版和適用于移動設(shè)備的安卓版，真正做到了不受操作系統(tǒng)的限制，這對于教師上課演示和沒有個人電腦的學(xué)生課后自學(xué)都是非常便利的，每個人都可以隨時隨地觀測星空，遨游星際。

4.WorldWide Telescope（以下簡稱WWT）軟件。這是微軟開發(fā)的一款免費(fèi)的桌面望遠(yuǎn)鏡軟件，集合了世界上各大天文望遠(yuǎn)鏡、天文臺、探測器所拍攝到的幾十TB的數(shù)據(jù)和圖像，加工處理成一個無縫的數(shù)字宇宙，把互聯(lián)網(wǎng)變成了一架全波段、超大威力的虛擬望遠(yuǎn)鏡，提供了一個知識豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境，大大方便了世界各地天文數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料等信息的交互過程[8]，為天文學(xué)家提供了方便的認(rèn)證手段，這對更全面、更深入的理解天體物理過程非常重要。軟件資料均來自于真實(shí)的圖片，教師使用該軟件可以增強(qiáng)課程的互動性，學(xué)生也能很快學(xué)會使用并進(jìn)行自主探索。

三、在天文類課程中引入天文觀測軟件的教學(xué)實(shí)踐

在授課過程中，教師選擇Google Sky軟件貫穿整個學(xué)期教學(xué)活動的主線，同時根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)選擇不同的軟件進(jìn)行輔助教學(xué)。利用Google Sky軟件展示恒星的演變史，從而將抽象的理論和漫長的星系演化過程形象化，重現(xiàn)超新星爆發(fā)的壯觀景象，使學(xué)生易于理解。而在講解星座的時候，教師利用Stellarium軟件特有的星座圖繪功能來形象地展示星座，同時還可以把中國、韓國、埃及等11個國家或民族對于星空的認(rèn)識進(jìn)行比較，從而使講授的內(nèi)容更加的形象、直觀，也能大幅提高講授內(nèi)容的深度和廣度。在講解具體的恒星、行星、彗星等星體時，借助Celestia軟件的星球與星系的目錄來快速檢索到這些星體，并顯示出星體運(yùn)行的軌道，在保證了教學(xué)內(nèi)容科學(xué)性的同時增添了課堂教學(xué)的趣味性。當(dāng)學(xué)生具有了一定的天文學(xué)基礎(chǔ)，想對外太空進(jìn)行更加深入的了解時，教師借助WWT來進(jìn)一步拓展視野，觀察不同波段下的宇宙圖像，甚至可以建立一條獨(dú)特的宇宙漫游路線，帶領(lǐng)學(xué)生去探索。

教師除了可以在課堂上利用這些軟件進(jìn)行輔助教學(xué)外，還可以布置一些簡單的研究課題，引導(dǎo)學(xué)生利用軟件去自行探索并形成報告，在課程臨近結(jié)束時，讓學(xué)生匯報自己的研究結(jié)果。這種方式一方面可以引導(dǎo)學(xué)生利用工具來解決自己感興趣的問題，養(yǎng)成探究式學(xué)習(xí)的習(xí)慣；另一方面對學(xué)生的動手能力、歸納總結(jié)能力以及表達(dá)能力也是很好的訓(xùn)練。

四、結(jié)語

在天文類選修課中引入天文觀測軟件可以使學(xué)生無需借助專業(yè)的天文觀測儀器就可以開展天文觀測活動，不受時間、地域和氣象條件的限制，能在一定程度上解決當(dāng)前存在的專業(yè)天文觀測儀器少、學(xué)生多、課時安排沖突等問題。相信通過對這些軟件的功能的進(jìn)一步發(fā)掘，學(xué)生一定能從中得到更大的收獲。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙杰，趙中華.《天體演化》公共選修課的教學(xué)實(shí)踐與探討[J].新課程研究，2010，（177）：16-17.

[2]潘艷平.“宇宙探索概論”課程中開展素質(zhì)教育的探討[J].中國電力教育，2009，（145）：89-90.

[3]袁啟榮.高校天文選修課教學(xué)實(shí)踐中的困難和挑戰(zhàn)[J].北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，41（3）：233-235.

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

[5]桑建輝.虛擬實(shí)驗(yàn)——實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新途徑[J].中國教育信息化，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.