林鴻志,王洪光,崔辰州,潘文彬,鄧榮標
(1. 廣州大學地理科學學院,廣東 廣州 510006;2. 福建師范大學地理科學學院,福建 福州 350007;3. 廣州大學物理與電子工程學院,廣東 廣州 510006;4. 中國科學院國家天文臺,北京 100101)
天文學是六大基礎學科之一,在人類社會發展中占據重要地位。中國天文學會普及工作委員會指出:對中學生來說,天文學是一門適合培養科學興趣、培養創新素質、樹立科學宇宙觀的學科[1]。然而,天文教育在我國教育體制(特別是在中小學階段)中一直處于弱勢地位,在2017年之前六大基礎學科中唯有天文學沒有作為一門獨立的課程在我國中小學開設,因此課外天文科普教育成為中小學生獲得天文知識的重要途徑[2]。
萬維天文望遠鏡(WorldWide Telescope, WWT)自2008年誕生以來,深受國內外天文愛好者、天文科普工作者的歡迎,作為一個功能強大的虛擬天文臺或者稱作天文科學數據庫,萬維天文望遠鏡具備良好的天文教育功能,基于該平臺的天文科普開發能夠營造良好的學習環境,提供新穎的學習資源,是天文科普教育的重要組成部分和極具價值的利器。
目前我國天文科普教育相關的研究成果不多,且主要側重于課程教學,更缺乏區域橫向對比的闡述和分析。本文旨在總結萬維天文望遠鏡在我國天文科普方面的應用現狀及其區域發展差異,揭示目前存在的問題與不足,提出促進萬維天文望遠鏡科普推廣的相關措施與建議,為我國中小學天文科普活動提供參考,推動我國天文科普事業的發展。
萬維天文望遠鏡在中國的發展是緊跟世界步伐的。大數據計算機科學家GRAY博士于2001年在 《Science》 雜志上發表論文,首次將 “萬維天文望遠鏡” 的理念公諸于世[3],次年便受邀訪問國家天文臺,把 “WorldWide Telescope” 這一理念介紹給中國同行。2008年5月,萬維天文望遠鏡以實體軟件的形式正式面世,次月在我國著名的天文科普雜志 《天文愛好者》 上以新聞快訊的方式呈現給國內大眾。 《天文愛好者》 七月刊更是刊登了國家天文臺崔辰州博士撰寫的 《天文學的GS-WWT時代》[4],把萬維天文望遠鏡進一步詳細地介紹給國內讀者。
2009年是萬維天文望遠鏡在國內推廣的重要時期,在2009國際天文年的大背景及中國長江日全食盛典的疊加效應作用下,國內掀起了天文熱的浪潮,萬維天文望遠鏡作為新技術、新亮點得到重視和應用。《天文愛好者》 在當年的 “2009國際天文年增刊” 中刊登了微軟研究院徐艷博士和國家天文臺崔辰州博士共同撰寫的文章 《WWT,為您助力IYA2009》,同時在封底刊登了萬維天文望遠鏡的大幅宣傳海報,將國內萬維天文望遠鏡宣傳推上一個新高潮。由國家天文臺和微軟研究院聯合申請的科普項目 “基于WWT平臺的天文科普展覽與e-Science理念普及教育” 也在同年獲得國家自然科學基金委員會資助,這意味著以萬維天文望遠鏡為代表的信息化天文科普教育活動得到官方的認可與支持。同年11月,由中國虛擬天文臺與微軟研究院合作完成的 “WWT北京社區(WWT Community Beijing)” 正式上線,成為萬維天文望遠鏡官方中文門戶,為中文用戶提供各種信息和資源[5],國內用戶制作的優秀漫游作品也可以通過這個網站與萬維天文望遠鏡全球社區進行網絡分享。
自2010年,圍繞萬維天文望遠鏡的科普教育實踐活動開始在國內逐步開展,其中最具代表性的是 “萬維天文望遠鏡天文教師培訓” 與 “宇宙漫游制作大賽”。全國性的萬維天文望遠鏡教師培訓活動主要由國家天文臺、微軟亞洲研究院、華中師范大學等單位聯合開展,是目前國內最高規格的全國萬維天文望遠鏡人才培訓活動,也是國內為數不多的專門的天文科普教育培訓活動。自2010至2017年,8年間在全國5省市分別舉辦了7次全國教師培訓活動(2012年開展了新疆專區培訓活動,但不在本研究的統計范圍),吸引了來自全國各地的老師、科普工作者及資深天文愛好者的參與。
截至2017年,由國家天文臺牽頭,國內共開展過3屆全國萬維天文望遠鏡宇宙漫游制作大賽。這是目前國內最高規格的萬維天文望遠鏡漫游創作比賽,為國內的天文愛好者打造了展示與分享漫游作品的平臺,促進了國內宇宙漫游作品的資源開發與傳播。與此同時,在廣東天文學會的組織下,廣東省2015、2016連續兩年開展了大學生萬維天文望遠鏡宇宙漫游制作比賽。
專門為萬維天文望遠鏡設計的互動式數字天象廳在國內逐漸建立起來。目前,中國大陸互動式數字天象廳的落成達到7家,簡要情況見表1。基于萬維天文望遠鏡的天文科普教育有了專門的落腳點和開展途徑,使得萬維天文望遠鏡在國內的科普教育應用與推廣如虎添翼。

表1 中國大陸互動式數字天象廳列表Table 1 A list of interactive digital planetarium in mainland China
另一方面,在國家天文臺及相關單位工作人員的努力下,2017年11月,由國家天文臺信息與計算中心主任崔辰州博士擔任叢書主編的 《互動式天文教學指導叢書》 小學卷—— 《小學天文教學:教師用書》[6]正式出版發行。2018年2月,《小學天文教學:教師用書》 配套漫游課件上線開放共享,同月,中國虛擬天文臺萬維望遠鏡(個人版)軟件正式發布(圖1)。這一系列寶貴的成果標志著國內基于萬維天文望遠鏡平臺的天文科普教育開始有了系統化、規范化的指導,開啟了符合我國國情的天文科普教育新紀元。

圖1 中國虛擬天文臺萬維望遠鏡(個人版)用戶界面
Fig.1 User interface of WWT by China-vo (Personal Edition)
天文科普的發展離不開人才力量,同樣也需要豐富的多媒體資源提供支持。下面將從極具代表性的三大實踐活動——萬維天文望遠鏡人才培訓活動、萬維天文望遠鏡宇宙漫游制作大賽以及國內首屆全國大學生天文創新作品競賽來分析基于萬維天文望遠鏡平臺的國內天文科普現狀以及存在的問題。
自2010至2017年,國內共舉辦了7次全國萬維天文望遠鏡教師培訓活動,總計223人次,單年最高的是2010和2011年,有39人;最低的是2015及2016年,為28人,如圖2,可以看出多年來全國萬維天文望遠鏡人才培養活動規模不大但穩定持續開展。從區域橫向對比來看,歷年參加萬維天文望遠鏡教師培訓總人次最多的地區是北京,有49人次,占總人數比重約22.0%;湖北次之,有42人次,占比18.8%。但與此同時,有10個省區(甘肅、海南、湖南、寧夏、青海、山西、臺灣、西藏、澳門、香港)的總參加人數為0,除了重慶、廣東、河北、內蒙古、浙江以外,其余省份的總參加人數均為個位數(圖3)。此外值得關注的是只有北京、河北、武漢3個省市每年有人員參加該培訓活動,其他省市連續性不強甚至出現從來沒有人員參加的情況。

圖2 2010~2017年萬維天文望遠鏡全國教師培訓活動參加人數
Fig.2 Number of participants of WWT national teacher training

圖3 2010~2017年萬維天文望遠鏡全國教師培訓活動參加者分布圖
Fig.3 Geographic distribution of participants of WWT national teacher training activities from 2010 to 2017
由此可以看出,國內基于萬維天文望遠鏡平臺的天文科普發展在人才培養與儲備方面穩步持續發展,為我國天文科普發展提供了寶貴的人才資源。但是也存在顯著的區域發展差異,參加培訓的人員主要來自國內較發達地區,并且高度集中在北京和湖北兩個省市,這與培訓活動主辦方所在地有密切的聯系,這點本文不詳細展開討論。而對于一些不太發達的地區,參加培訓人員極少甚至出現空白的情況,在人才儲備方面不利于該地區的天文科普教育發展。
自2010至2017年,國內共開展過3屆全國萬維天文望遠鏡宇宙漫游制作大賽。總共有330件參評的漫游作品,第1屆數量最多,有175件,占歷屆總數的53%;第3屆次之,有89件,占歷屆總數的27%;第2屆最少,為66件,占20%(圖4)。
值得注意的是,在第1屆萬維天文望遠鏡宇宙漫游制作大賽中,來自湖北的作品有152件,占該屆作品總數的86.9%,相對于其他省份占據統治地位。其中有歷史的特殊性——因為當萬維天文望遠鏡正式進入國內后,湖北武漢華中師范大學面向全校學生率先開展了基于萬維天文望遠鏡平臺的三個層次的天文教學[7]。參加課程的學生利用萬維天文望遠鏡完成了課程作業或任務,積累了大量的漫游作品。國內首屆宇宙漫游制作大賽啟動時,在賽會宣傳和老師介紹下,這部分作品成為當屆比賽作品的最重要來源。
在3屆萬維天文望遠鏡宇宙漫游制作大賽中,參賽的330件作品分別來自15個省市,其中湖北以167件作品數領先于其他省市,北京和廣東分別以46和35件作品緊隨其后,遼寧、黑龍江、重慶、江西、河北位于第三梯隊,吉林、江蘇、山東、陜西、四川、云南、浙江7省均有1~3件作品參賽,其余19個省市的作品數為0(圖5)。

圖4 歷屆全國萬維天文望遠鏡漫游制作大賽作品數量
Fig.4 Quantity of production of all previous national WWT “Tours” design match
自萬維天文望遠鏡進入中國以來,從數量上看,宇宙漫游作品的制作正在穩步推進,為國內天文科普教育提供了良好的資源保障。但不可忽視的是,從歷屆宇宙漫游制作大賽的作品來源地看,國內基于萬維天文望遠鏡平臺的天文科普確實存在較大的區域發展差異。3屆比賽的全部漫游作品僅來源于15個省市,而且主要集中于北京、重慶、廣東、湖北、遼寧、黑龍江6省市,存在19個省份作品空缺的情況,說明在國內萬維天文望遠鏡的科普應用活躍范圍不大,存在較大的區域差異。

圖5 第1至第3屆全國萬維天文望遠鏡宇宙漫游制作大賽作品來源地分布圖
Fig.5 Geographic distribution of production of national WWT “Tours” design match (1st-3rd)
2017年9月至12月,由中國天文學會主辦,中國天文學會普及工作委員會、中國天文學會教育工作委員會承辦的首屆全國大學生天文創新作品競賽順利開展。這是國內首個面向大學生的全國天文主題創新創作型比賽,由天文科技創新與科普創新兩大類構成。
本屆競賽總共收錄初賽作品56件,其中天文科普創新類作品45件,占作品總數的80%。天文科普創新類作品類型較為豐富,又可細分為十大類別,其中萬維天文望遠鏡漫游作品數量為9件,占科普創新類作品總數的20%(圖6)。由此可以看出,國內高校學生的天文科普創新思路較為開闊,天文科普創作形式較為豐富,其中基于萬維天文望遠鏡的天文科普創作和應用方式占據較為重要的地位。但不管是萬維天文望遠鏡漫游還是其他類型的天文科普作品,在國內也存在顯著的區域差異,45件作品僅來源于15個省市,其中的9件萬維天文望遠鏡漫游作品分別來源于6個省市,廣東最多,山東次之,說明除了極少數省份,國內高校開展萬維天文望遠鏡科普創作的熱烈風氣尚未形成。

圖6 2017年首屆全國大學生天文創新作品競賽作品類型(CAIC)
Fig.6 Type of production of 1stChinese undergraduate Astronomical Innovation Contest
在國內基于萬維天文望遠鏡的天文科普持續發展的同時也存在不少問題,不可忽視。首先是區域發展差異方面。歷年來圍繞萬維天文望遠鏡及其科普應用的實踐活動活躍區域主要集中在北京、湖北、廣東、重慶等少部分省市而遠遠沒有在全國普遍推廣,基于萬維天文望遠鏡平臺的天文科普發展存在顯著的區域差異。專門的人才以及萬維天文望遠鏡科普教育資源開發的欠缺讓該區域的天文科普教育發展受到相當程度的制約。
其次是萬維天文望遠鏡相關推廣活動方面。目前國內主要依靠由國家天文臺牽頭主辦的一年一次的全國天文教師培訓活動進行萬維天文望遠鏡人才培訓,且每次培訓規模不大,難以滿足龐大的數字化天文科普教育人才的需求。再者萬維天文望遠鏡宇宙漫游制作大賽開展數量較少,頻率較低,十年間僅舉辦了3次全國性大賽,無法保持對萬維天文望遠鏡漫游作品創作的持續吸引力和刺激性,難以形成強大的影響力,使得萬維天文望遠鏡的推廣普及作用大打折扣。
最后是科普資源方面。天文科普的健康可持續發展離不開豐富的素材和資源,除了2018年2月首次推出的 《小學天文教學:教師用書》 及其配套的漫游課件,目前國內并無系統化、規模化的基于萬維天文望遠鏡的天文科普素材和資源,而由宇宙漫游制作大賽產生的作品質量參差不齊,主題雜亂,不利于基于萬維天文望遠鏡的天文科普教育的大規模推廣和應用。對此應當重視與反思,努力尋找適當的應對措施和途徑,積極推動我國天文科普教育事業的發展。
隨著社會和科學技術的發展,人類獲得的數據量呈幾何增長,進入了大數據時代。美國國家科學委員會和科學院指出: 大量真實數據的累積給科學教育帶來了前所未有的促進作用[7]。對此國內教育及科普工作者必須提高對科學數據的重視程度,增強基于科學數據的科普教育意識,主動探索對科學數據有效利用的途徑和方式,并積極轉化到教育科普活動中,有利于深化教育改革,適應國家信息化發展的新目標和新要求。
以觀測為主要研究手段的天文學已經成為一門數據密集型和數據驅動的科學[8],開展天文科普教育離不開對天文科學數據的有效利用。而萬維天文望遠鏡作為虛擬天文臺的化身,為教育工作者和學習者提供了一個強大的基于科學數據的教育環境[9]。相關部門及組織單位應進一步加強推廣基于科學數據的科普教育理念,為全國各地的天文科普教育工作者提供更多了解萬維天文望遠鏡的機會和途徑,依托新理念、新技術更高效地開展天文科普活動,逐步縮小國內天文科普發展的區域差異。
“人才是第一資源”,天文科普教育活動更離不開人才的力量。數據驅動的天文科普教育的時代已經到來,2017年,國際天文學聯合會(IAU)跨委員會聯合工作組 “數據驅動的天文學科普教育(Data Driven Astronomy Education and Public Outreach, DAEPO)工作組” 組建完成。這是在國際天文學聯合會現有的五十多個工作組之中唯一一個由中國天文學家——國家天文臺崔辰州研究員出任主席的工作組,這將為提升我國天文科普教育的國際地位鋪平道路[10]。對基于萬維天文望遠鏡平臺的天文科普在國內推廣是個極其有利的契機,其中人才的培養是重中之重。
(1)將萬維天文望遠鏡引入高校教學活動,與天文、物理、地理專業課或公選類課程相結合,發揮高等院校的人才效應,為我國天文科普教育事業發展培養強大的后備人才。因為高等院校是教育和科研的中心,更應利用自身科技成果豐富、科研人才聚集和實驗平臺先進等優勢,勇于承擔起科學普及的重任[11]。
(2)利用各級政府科普專項資金對萬維天文望遠鏡人才培訓活動進行資助,適當加大培訓規模和頻率,減輕參加培訓人員的經濟負擔(特別是對欠發達地區的資助鼓勵),讓更多有意投身或已經投身于天文科普的老師有機會接觸和學習最新的天文科普教育理念及方法,盡量縮小人才資源的區域分布差距。
(3)繼續穩步推進全國性培訓活動,每年可設置寒假及暑假兩次活動,加快先進科普教育理念在國內的傳播,并且保證活動舉辦地的多樣性,才能更好地發揮培訓活動的宣傳和推廣作用,吸引和培養當地優秀天文科普教育人才,縮小區域發展差異。同時開展區域性的培訓活動,可由參加過全國培訓活動的人員進行分享和傳授,在當地營造良好的天文學習環境,促進基于萬維天文望遠鏡的天文科普教育活動在全國遍地開花。
(4)兼顧在職老師與天文科普工作者及高校科普志愿者在參加培訓人員中的比例,因為就目前來看,由于中小學天文課程的欠缺,使得課外的天文科普教育成為我國中小學生獲得天文知識的重要途徑[2]。萬維天文望遠鏡人才培訓的主辦方要引導更多的天文科普工作者及高校科普志愿者參加學習,幫助他們掌握數據驅動的天文科普教育方法和技術,在實踐中推廣應用,有效推進我國天文科普教育工作。
3.3.1 推動各層次的萬維天文望遠鏡漫游創作比賽,引導中小學生參與
萬維天文望遠鏡漫游創作比賽旨在打造一個可以讓全國天文愛好者展示自己天文科普創作的獨特理念、思路、方法以及方便交流創作心得的平臺,營造良好的天文科普氛圍。 逐步提高并穩定全國萬維天文望遠鏡漫游創作比賽的開展頻率,縮短單個比賽的活動時長,利用暑假在線上完成比賽,減輕參賽人員的負擔。與此同時,各地天文相關單位要積極組織開展區域性萬維天文望遠鏡漫游創作比賽,一是通過比賽的熱點加強對天文的宣傳,并以此為契機落實萬維天文望遠鏡的天文科普應用(可以將獲獎漫游作品在當地中小學、少年宮、文化宮或科技館進行展播),為公眾提供一個耳目一新的天文接觸途徑,推動當地的天文科普教育。二是可以為全國比賽進行預選,提高比賽效率,形成品牌效應,擴大宣傳和推廣范圍,縮小國內天文科普教育的區域發展差異。
萬維天文望遠鏡漫游創作比賽為中小學開展基于項目學習的探究性實踐活動提供了良好的機會和平臺。為了通過漫游作品表達自己或團隊的想法,學生需要完成 “確定主題”、“尋找資料”、“撰寫腳本”、“操作萬維天文望遠鏡軟件制作漫游”、“匹配背景音樂及旁白” 等一系列步驟或任務。在實踐的過程中學生需要借助多種資源,調動溝通能力、觀察能力、計算能力、推理能力、空間想象能力、音樂欣賞能力等諸多智能,這些不同才智的組合體現了個體的真正智力[12],充分體現了建構主義學習理論及多元智能理論的特點,響應和落實了國家教育改革的新要求,有利于在中小學普及基于科學數據的教育理念,激發學生的天文興趣與探索熱情,培養學生的數據利用意識和信息處理能力,是目前在全國范圍推廣天文科普的重要方式。
3.3.2 發揮高校人才資源,開展系統化、結構化的萬維天文望遠鏡漫游作品創作
習總書記在 2012 年全國科普開放日主會場上指出:“高校不僅抓教學、抓科研,還要抓科技普及。高等院校蘊藏著開展科普教育活動最為豐富的人才資源,在面向社會公眾開展科普活動方面具有不可替代的優勢。”[11]
當地相關單位應積極組織引導,明確漫游作品開發框架,設立基于萬維天文望遠鏡的天文科普開發專題甚至是專門的項目。利用高校的人才資源,組建專門的漫游創作項目組或者在自愿的前提下由高校天文或科技輔導社團承擔專項工作。為高校天文愛好者和科普志愿者多提供一條實現自我價值、參與我國天文科普事業的道路,也在保證質量的前提下激發更多漫游作品的創作,為萬維天文望遠鏡的天文科普教育提供充足的結構化資源和素材,滿足學習者和教育者日益增長的文化需求,推動我國天文科普教育事業的發展。
3.3.3 萬維天文望遠鏡平臺下結合虛擬現實技術的天文科普創新
萬維天文望遠鏡支持連接互動設備,在與虛擬現實(Virtual Reality, VR)頭盔搭配使用下可以得到沉浸式體驗,能夠帶給用戶前所未有的感覺,增強用戶的天文學習體驗,提高天文學習興趣。國外已經有不少天文館和學校在虛擬現實頭盔等交互設備中應用萬維天文望遠鏡的實踐案例[13],但目前國內較為少見。
因此,需要虛擬現實專業人員與萬維天文望遠鏡專業人員加強合作,將虛擬現實技術與萬維天文望遠鏡相結合,充分發揮萬維天文望遠鏡的強大功能,創新基于萬維天文望遠鏡平臺的天文科普應用模式和方法。通過形式的創新和良好的使用體驗吸引更多的用戶,滿足人民群眾多樣化的文化需求。同時利用虛擬現實的熱點強化有關萬維天文望遠鏡的宣傳,增加天文的受眾,在國內營造良好的天文普及氛圍和環境,為我國的天文科普增添新的發展動力。
3.3.4 建立漫游作品庫,利用新媒體平臺拓寬萬維天文望遠鏡的推廣途徑
科學不能娛樂化,但科普可以通過讓人喜聞樂見的方式進行,需要打破人們對科普活動固有的枯燥呆板印象,可以依靠信息時代的新型媒介,盡管萬維天文望遠鏡自帶漫游探索及社區板塊,用戶可以在里面分享及瀏覽漫游作品,但是目前國內天文受眾面小,萬維天文望遠鏡軟件使用者不多,傳播較為封閉。必須跳出這個固有的圈子,主動與人民群眾喜聞樂見的其他傳媒形式相結合,努力拓寬萬維天文望遠鏡的宣傳和傳播途徑,擴大推廣范圍,進而縮小區域的發展差異。
(1)保證漫游資源是高質且豐富的,相關負責單位應建立和完善漫游作品庫(包括原格式的以及轉換為普通視頻格式的漫游作品),在嚴格把關的前提下保持對漫游作品的收集和更新。在此基礎上可以通過相關網站和微信公眾號平臺開放資源。讓更多人有機會接觸到萬維天文望遠鏡,體驗耳目一新的天文科普。
(2)在萬維天文望遠鏡人才培訓活動方面,更加開放地進行網絡直播,讓更多的同道中人擁有學習基于萬維天文望遠鏡的天文科普新方式的機會,增大培訓活動的效益和作用。
(3)嘗試打造天文科普的網紅主播(團隊),在教育直播平臺上定期分享數據驅動的天文科普教育大背景下的國內外天文科普教育最新動態,傳授萬維天文望遠鏡的使用技巧及科普教育應用的方法。
(4)加強與高校及科普教育機構的合作,設計打造以天文知識普及為主,圍繞萬維天文望遠鏡軟件使用、漫游作品創作、實踐應用等方面的網絡課程(慕課),可以在一定程度上解決目前我國中小學天文課程缺乏以及天文教師人員不足的問題。
本文通過對萬維天文望遠鏡進入中國十年來的發展歷程,特別是對國內圍繞萬維天文望遠鏡開展的相關實踐活動如萬維天文望遠鏡人才的培訓與培養、萬維天文望遠鏡漫游作品的創作與比賽等進行的深入的訪談調查與文本分析,得出以下結論:
(1)總體來看,國內萬維天文望遠鏡人才培養活動較少,萬維天文望遠鏡天文科普資源不足,并且存在顯著的區域發展差異,主要表現為歷年圍繞萬維天文望遠鏡及其科普應用的活躍區域主要集中在北京、湖北、廣東、重慶等少數省市而遠遠沒有在全國普遍推廣。
(2)現代科學教育離不開對科學數據的有效利用,“數據驅動的天文學科普教育”理念已經在國際上得到認可和推廣,也將成為我們開展天文科普教育的重要指導思想和理論。
(3)在總結國內萬維天文望遠鏡發展的問題和不足的基礎上,從 “增強和落實基于科學數據的科普教育意識”、“加強人才培養”、“鼓勵基于萬維天文望遠鏡的天文科普作品創作與推廣” 三方面提出了一系列針對性的推廣措施與建議,為我國天文科普教育活動特別是中小學天文科普活動的開展提供借鑒和參考。
致謝:本文得到中國虛擬天文臺和中國天文數據中心提供的數據資源和技術支持。中國虛擬天文臺(China-VO)是以國家天文臺為代表的中國天文界及合作伙伴共同打造的一個網絡化科學研究和科普教育資源平臺,得到中國科學院科研信息化專項、國家自然科學基金、科技部國家科技基礎條件平臺、北京市科委科技專項等的資助,以及阿里云、微軟研究院、浪潮集團、中科曙光、北龍澤達、銳捷網絡等合作伙伴的大力支持。