基于WWT的美國中學(xué)天文交互實驗及其啟示

摘 "要 "哈佛大學(xué)的天文學(xué)家及其團(tuán)隊利用WorldWide Telescope軟件的真實科學(xué)數(shù)據(jù)平臺制作交互式漫游，再配以完整的教案及學(xué)案形成主題鮮明的WWT教學(xué)實驗?zāi)K。在美國中學(xué)應(yīng)用“月相”的WWT交互實驗后，發(fā)現(xiàn)可以幫助學(xué)生理解知識，提升興趣，教學(xué)效果比二維虛擬實驗和傳統(tǒng)教學(xué)方式更好。我國教育工作者在此啟發(fā)下可以利用已有的交互實驗?zāi)K，或開發(fā)此類信息化教學(xué)方式，與高校學(xué)者合作，逐步突破國內(nèi)中學(xué)天文教育困境。

關(guān)鍵詞 "天文教育；WWT交互實驗；數(shù)字星空；月相

中圖分類號：G642 " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）01-0135-04

0 "引言

以科學(xué)研究為目的的觀測、實驗、計算等過程中產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)正在爆炸式增長，科學(xué)家不僅要考慮如何管理和使用這些數(shù)據(jù)以便高效地從事綜合性研究，同時認(rèn)為教育工作者也應(yīng)利用這些數(shù)據(jù)，以減小前沿科學(xué)研究與教育、公共知識之間的差距[1]。

在天文領(lǐng)域，WorldWide Telescope天文軟件成功突破了傳統(tǒng)模擬星空的模式，初步將哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、錢德拉X射線天文臺、斯隆數(shù)字化巡天等太空及地面大型望遠(yuǎn)鏡采集的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫拼接，形成一個“真實”的數(shù)字星空。

哈佛大學(xué)天文教授Alyssa Goodman創(chuàng)建World-

Wide Telescope Ambassadors（簡稱WWTA）項目，在馬薩諸塞州的中學(xué)及各類科技活動中實施研究，力圖將此基于真實科學(xué)數(shù)據(jù)的軟件平臺應(yīng)用到正式與非正式的天文教育中去，使學(xué)習(xí)者與教育者都從中受益。自2012年起，WWTA多次獲得NSF基金資助，開發(fā)基于WorldWide Telescope的可視化交互式實驗（簡稱WWT交互實驗），開拓一種新的基于天文軟件的教學(xué)方法。

1 "WWT交互實驗的內(nèi)容

WWT交互實驗的教學(xué)主題包括月相與月食、季節(jié)、宇宙的尺度、尋找系外行星等。其中月相變化是一個常見的天文現(xiàn)象，但是該內(nèi)容是學(xué)生和成人常有的而且難以改變的迷思概念。在被調(diào)查的美國48個州和哥倫比亞特區(qū)中，只有兩個州沒有明確要求學(xué)習(xí)月相，有28個州對學(xué)習(xí)日食與月食提出要求[2]。也就是說，以“月相”為主題的WWT交互實驗?zāi)鼙蝗赖拇蠖鄶?shù)中學(xué)教師所利用，幫助學(xué)生消除迷思概念，提升科學(xué)素養(yǎng)。這也是WWTA多年不斷改善“月相”教學(xué)模塊，使其成為內(nèi)容最完整、利用率最高、最具代表性的WWT交互實驗的原因。

WWT交互實驗是由導(dǎo)引素材、教案、交互式漫游、學(xué)案四個板塊組成的主題鮮明的教學(xué)模塊。

1）導(dǎo)引素材是提供給教師使用的，它高度概括整個模塊的學(xué)習(xí)目標(biāo)、教學(xué)素材，還有使用WWT交互實驗的必要背景知識等，幫助教師對教學(xué)模塊有個宏觀認(rèn)識。

2）教案不僅包括教學(xué)過程，還包括讓教師明確整個教學(xué)模塊的課程目標(biāo)、課時、教學(xué)用具，以及貫穿該課程的重點概念。教學(xué)方法上注重科學(xué)探究，因此，教案中設(shè)計諸多與學(xué)生互動的活動環(huán)節(jié)，合理設(shè)置問題、提問順序，提供參考答案，將迷思概念產(chǎn)生的原因及其他重要的科學(xué)概念融入教學(xué)過程。

3）交互式漫游是數(shù)字星空環(huán)境與教學(xué)幻燈片完美融合的產(chǎn)物，是WWT軟件除科學(xué)數(shù)據(jù)之外的另一重要特色。它以類似電影短片的形式對學(xué)習(xí)者實施教育，但是又像網(wǎng)絡(luò)游戲一樣可以互動探索。

4）學(xué)案，又稱學(xué)生活動冊，它在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)活動，幫助學(xué)生記錄自己觀察或思考的結(jié)果，考查學(xué)生知識掌握情況，設(shè)計上也能體現(xiàn)出探究性教學(xué)的實施過程。

2 "交互式漫游的特色

交互式漫游是基于WWT交互實驗的核心內(nèi)容，其特色直接體現(xiàn)出課程的優(yōu)越性。

2.1 "WWT中海量的科學(xué)數(shù)據(jù)為課程提供豐富、科學(xué)、直觀的教學(xué)資源

WWT軟件集合了從射電至γ射線的全天多波段觀測數(shù)據(jù)，不論是地球還是太陽系，甚至銀河系里的天體，只要是目前天文觀測上已公開的記錄都可在此數(shù)字星空中找到，而且它們的位置、亮度、距離、運(yùn)行規(guī)律等都遵循真實世界。用戶還能更改觀測時間，在WWT華麗的界面中直觀地看到三維空間加一維時間的四維宇宙。因此，天體的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、相位變化、宇宙尺度等概念在漫游中一目了然。

2.2 "邏輯嚴(yán)密的漫游設(shè)計讓學(xué)生學(xué)會科學(xué)探究過程

如同教案的設(shè)計一樣，作為引導(dǎo)學(xué)生探究知識的重要環(huán)節(jié)，月相漫游（Moon Phases Tour）首先引導(dǎo)學(xué)生觀察月球繞地球運(yùn)動的方式，太陽總是將地球或月球的一半照亮（見圖1a）等內(nèi)容；然后當(dāng)“日—地—月”處于特定位置時，學(xué)生要對月球的相位提出假設(shè)，并在學(xué)案上做好記錄；接著學(xué)生通過與漫游的交互對自己的假設(shè)進(jìn)行驗證（圖1b）；等等，從而促使學(xué)生對月相產(chǎn)生的原因進(jìn)行探究。

2.3 "交互性不僅讓學(xué)生參與互動，而且能自主控制學(xué)習(xí)進(jìn)度

WWT交互實驗的漫游都有配音，一邊講解教學(xué)內(nèi)容一邊提示學(xué)生思考或探索。在漫游停頓時，學(xué)生能使用鼠標(biāo)拖拽視場改變觀察視角，轉(zhuǎn)動鼠標(biāo)滾輪能放大或縮小視場，這些都有助于學(xué)生認(rèn)識天體所在的位置，理解天體的運(yùn)行規(guī)律等。當(dāng)完成交互后，學(xué)生可以按“繼續(xù)（Continue）”按鈕進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。學(xué)生如果沒有完全理解前面的講解內(nèi)容，可以點擊“重放（Replay）”按鈕再次回放該部分內(nèi)容。通常一個漫游要花費學(xué)生一節(jié)課的時間去探索，而有的學(xué)生理解能力比較強(qiáng)，會提前完成。漫游的最后給予學(xué)生繼續(xù)在WWT中探索星空的機(jī)會，如看一看太陽系中的行星、銀河系的全景等。

3 "WWT交互實驗的教學(xué)效果

WWTA通過設(shè)計匿名評價試題來了解學(xué)生使用WWT交互實驗的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生在使用WWT交互實驗之前做一次評價試題，稱為前測，目的是提供他們的基本信息（如性別、年級等）、先驗知識（prior knowledge）。教師在完成WWT交互實驗教學(xué)后，學(xué)生再做一次評價試題，稱為后測。將后測與前測進(jìn)行對比就能知道學(xué)生知識的增長和對科學(xué)內(nèi)容的理解深度。在“月相”的WWT交互實驗中，WWTA使用ASSCI[3]題庫中的相關(guān)選擇題，通過該評價試題評估交互實驗是否有利于學(xué)生改善“地球的影子是產(chǎn)生月相變化的原因”的迷思概念，是否有助于學(xué)生判斷“日—地—月”的相對位置與月球相位關(guān)系的能力，等等。學(xué)案中的各類試題也有助于評價學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，如主觀性試題可以對知識進(jìn)行分解式考查，也能進(jìn)行整體綜合性考查。不僅可以反映被試答題的最后結(jié)果，也能反映被試的思維過程。

WWTA在美國馬薩諸塞州的克拉克中學(xué)（Johnas Clarke Middle School， Lexington， MA）的教學(xué)實踐證明：WWT軟件能夠幫助學(xué)生理解知識，交流科學(xué)，提升學(xué)習(xí)興趣。實驗組和控制組的學(xué)生在記憶性試題上基本沒有差別，這可以認(rèn)為使用WWT漫游對死記硬背的學(xué)習(xí)并沒有太多影響；但是在理解性試題上有顯著性差異。雖然兩組學(xué)生都認(rèn)為這些試題很難，可是使用WWT漫游的學(xué)生比不使漫游的學(xué)生的正確率要高出一倍。這說明學(xué)習(xí)“月相的產(chǎn)生原因”對中學(xué)生來說具有挑戰(zhàn)性，而使用WWT漫游有助于這一課題的學(xué)習(xí)[4]。

WWTA在馬州一個公立中學(xué)的科學(xué)課堂進(jìn)行教學(xué)實驗，對象是四個班級的80名六年級學(xué)生。其中兩個班級使用“月相”的WWT交互實驗，作為實驗組（標(biāo)記為WWT）；另外兩個班級作為控制變量法中的對照組，唯一的不同就是將WWT交互式漫游替換為傳統(tǒng)的2D交互實驗室（標(biāo)記為TS），它是基于Java語言的計算機(jī)仿真平臺，也常被教師應(yīng)用于課堂之中。WWTA所采用的前測（或后測）有七道評價試題，學(xué)生答對的題目數(shù)量均值及標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。效果量（Cohen’s d）是不依賴于樣本大小、反應(yīng)自變量和因變量關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的指標(biāo)，計算方法是用實驗組與對照組平均數(shù)之間的差值除以對照組的標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)d大于0.8時，表示效果大。因此，從表1可以看出：不論是WWT的3D交互實驗室，還是TS的2D交互實驗室，都對學(xué)生學(xué)習(xí)月相有很大的幫助，但是相比2D交互實驗室來說，WWT的交互實驗室?guī)椭?，且表現(xiàn)出顯著性差異（t測試p=0.03）[5]。

ThinkSpace Labs是WWTA于2015年獲得的NSF項目[6]，旨在研究中學(xué)實驗中實物和虛擬模型對空間能力的影響，其中“月相”和“季節(jié)”等WWT交互實驗是該研究的內(nèi)容和手段。在九個中學(xué)的科學(xué)教師進(jìn)行教學(xué)實驗后，研究者使用MOSART題庫中的試題實施前測與后測，發(fā)現(xiàn)使用WWT交互實驗的學(xué)生表現(xiàn)出顯著增幅（見圖2和圖3）。使用“月相”交互實驗的學(xué)生的效果量d=1.2，使用“季節(jié)”交互實驗的學(xué)生的效果量d=1.5。而全國性的MOSART測試（N＞500）數(shù)據(jù)有明顯的滯后，表明WWT交互實驗的教學(xué)效果比普通教學(xué)的效果要好很多。但是需要說明的是，使用WWT交互實驗教學(xué)的后測是在教學(xué)結(jié)束后立即執(zhí)行，而不像全國性的MOSART后測是在一學(xué)年結(jié)束之時進(jìn)行[7]。

4 "WWT交互實驗對我國天文教育的啟示

4.1 "緊跟天文教育的信息化趨勢

天文學(xué)跟數(shù)理化等學(xué)科同屬于基礎(chǔ)學(xué)科，然而我國中學(xué)教育體系中并未獨立開設(shè)該門課程，而是將其部分內(nèi)容歸并在地理學(xué)科中。隨著我國天文領(lǐng)域大科學(xué)工程項目如LAMOST、FAST、嫦娥探月等的推進(jìn)，天文人才的不足促使教育工作者意識到天文教育在我國存在嚴(yán)重的倒掛現(xiàn)象。再加上天文教育受其研究對象的尺度與特性的制約，傳統(tǒng)教育一般用靜態(tài)的圖片或物理模型講演天文學(xué)，缺乏互動性。即使讓學(xué)生到戶外做實地觀測，觀測天氣、位置、時間也使得天文教育困難重重。現(xiàn)代天文學(xué)已步入大數(shù)據(jù)時代，教師在傳授基礎(chǔ)知識的同時，要讓青少年盡早、盡可能多地接觸真實數(shù)據(jù)。天文軟件提供的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境有著超越書本的豐富資源，可以為學(xué)生提供探究、創(chuàng)新的實踐條件[8]。目前，我國已有教師將Stellarium、Celestia、Starry Night

Pro等天文軟件應(yīng)用于課堂，也有用WWT軟件進(jìn)行混合式教學(xué)、基于項目的探究教學(xué)[9]，并獲得較好的教學(xué)效果，但是還沒有將WWT交互實驗應(yīng)用于國內(nèi)中學(xué)教育。因此，教師應(yīng)該充分利用信息技術(shù)的優(yōu)勢，緊跟天文教育信息化、互動化的發(fā)展方向，將教學(xué)素材可視化，提供交互式自主學(xué)習(xí)和探索的機(jī)會，幫助學(xué)生理解天文知識，讓天文學(xué)不再是一門遙遠(yuǎn)而深奧的學(xué)科，而是充滿樂趣的奇妙學(xué)科。

4.2 "應(yīng)用和開發(fā)基于科學(xué)數(shù)據(jù)的教學(xué)模塊

除了WWT交互實驗這一基于科學(xué)數(shù)據(jù)的交互式教學(xué)案例，國際上還有很多類似的教育項目，我國的教育工作者可以直接應(yīng)用已有的成熟的教學(xué)模塊。例如：哈佛大學(xué)利用WWT交互實驗教中學(xué)生探索地外生命，歐洲虛擬天文臺教年輕用戶使用Aladin、Stellarium等工具測量仙女星系的距離或是學(xué)習(xí)行星連珠現(xiàn)象[10]，ALFALFA項目利用Google

Sky讓本科生沉浸于射電天文數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)旋渦星系中性氫的質(zhì)量分布，等等[11]。由于WWT是一個很好的天文教學(xué)平臺，教師還能利用此平臺進(jìn)行新課程的設(shè)計，根據(jù)自己的教學(xué)需求而靈活開發(fā)類似交互實驗的模塊。物理學(xué)、基因組學(xué)、神經(jīng)學(xué)、環(huán)境學(xué)等學(xué)科都是容易產(chǎn)生海量科學(xué)數(shù)據(jù)的領(lǐng)域，借鑒WWT在天文教學(xué)中取得的效果，我國教育工作者還能與科學(xué)家、工程師等合作，開發(fā)新學(xué)科的基于科學(xué)數(shù)據(jù)的軟件平臺，讓學(xué)習(xí)者從各類真實科學(xué)數(shù)據(jù)環(huán)境中提升數(shù)據(jù)素養(yǎng)以及科學(xué)興趣。

4.3 "科學(xué)家與教師的緊密結(jié)合

WWTA項目組吸納了來自哈佛—史密松森天體物理中心的天文學(xué)家、教育研究者，微軟研究院的計算機(jī)工程師，哈佛大學(xué)的本碩博高才生等作為教育大使，他們會在教師使用WWT交互實驗前對其進(jìn)行必要的培訓(xùn)，除了教授特定的信息技術(shù)，還要讓教師掌握學(xué)科背景知識、教學(xué)實施過程以及評價學(xué)生的方法，有助于教師盡快獲得專業(yè)指導(dǎo)，提高職業(yè)素養(yǎng)，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。教師在使用完WWT交互實驗后，會將學(xué)生的學(xué)習(xí)情況反饋給WWTA，有助于科學(xué)家了解教學(xué)需求，然后發(fā)揮各自專業(yè)技能改進(jìn)WWT交互實驗。此時，WWT交互實驗就像科學(xué)家與教師之間的一座有形橋梁。

當(dāng)美國科學(xué)家抽出一部分精力活躍于基礎(chǔ)教育領(lǐng)域時，我國學(xué)者也在呼吁科學(xué)家主動承擔(dān)科學(xué)教育責(zé)任[12]。教育部原副部長、中國科協(xié)副主席韋鈺院士也曾指出：“在知識社會里，除從事研究和技術(shù)轉(zhuǎn)化的任務(wù)外，科學(xué)家需要明確對科學(xué)教育、對與決策者和媒體的對話、對提高公眾科學(xué)素養(yǎng)所肩負(fù)的歷史責(zé)任?！碧热粑覈茖W(xué)家能將科學(xué)數(shù)據(jù)以及其他科研產(chǎn)出應(yīng)用于教育，并為教師提供專業(yè)培訓(xùn)、課程指導(dǎo)等，與此同時，教師將科學(xué)家的研究成果傳遞給學(xué)生，讓科學(xué)家參與教學(xué)設(shè)計及課堂教學(xué)活動，這種科學(xué)家與教育工作者的互通有無勢必可以促進(jìn)我國科學(xué)研究和科學(xué)教育的共同發(fā)展。

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