结合中学基础课程进行天文普及教育方式的研究

结合中学基础课程进行天文普及教育方式的研究摘要：天文学作为现代社会最活跃的前沿学科之一，在人类社会中应用非常广泛。随着科技的发展，人们对天文学的认识愈加深刻，在中学阶段普及天文教育对我国天文学事业的发展具有重要意义。近年来，我国天文教育发展迅速，为了更好地促进天文普及教育工作的发展，许多学者、专家以及教师结合不同学校的实际情况，提出了多种特色天文科普方式。本论文的主要研究内容是利用中学基础课程与天文学知识的相互交叉渗透，采用文献分析和教材分析的方法，将中学基础课程教学（以物理学、化学和生物学为例）与天文科普相结合，深入挖掘中学课程体系中的天文知识，拓展天文科普方式，弥补目前中学天文知识科普的不足。同时，提出了结合中学物理引入天文知识、开展天文兴趣小组、利用网络资源、开发天文校本课程等几种天文科普形式，为中学天文科普工作提供借鉴。关键词：天文教育；中学物理；天文学；中学课程ResearchOnThePopularizationOfAstronomyEducationCombinedWithBasicCoursesInMiddleSchoolsAbstract:Asoneofthemostactivefrontierdisciplinesinmodernsociety,astronomyiswidelyusedinhumansociety.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,peoplehaveadeeperunderstandingofastronomy.PopularizingastronomyeducationinthemiddleschoolstageisofgreatsignificancetothedevelopmentofastronomyinChina.Inrecentyears,China'sastronomyeducationhasdevelopedrapidly.Inordertobetterpromotethedevelopmentofastronomypopularizationeducation,manyscholars,expertsandteachershaveputforwardavarietyofastronomicalsciencepopularizationmethodsbasedontheactualsituationofdifferentschools.Themainresearchcontentofthisthesisistousethemutualpenetrationofthemiddleschoolbasiccoursesandastronomyknowledge,andusethemethodsofliteratureanalysisandtextbookanalysistoteachmiddleschoolbasiccourses(takingphysics,chemistryandbiologyasexamples)andastronomyscience.Combining,in-depthminingofastronomyknowledgeinthemiddleschoolcurriculumsystem,expandingthewayofastronomypopularscience,tomakeupfortheshortageofastronomyknowledgepopularscienceinmiddleschools.Atthesametime,severalastronomypopularizationforms,suchastheintroductionofastronomyknowledgecombinedwithmiddleschoolphysics,thedevelopmentofastronomyinterestgroups,theuseofnetworkresources,andthedevelopmentofastronomyschool-basedcourses,areproposedtoprovidereferenceforastronomypopularizationinmiddleschools.Keywords:AstronomyEducation;MiddleschoolPhysics;Astronomy;MiddleSchoolCurriculum目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1天文学对人类社会的影响11.2在中学普及天文的意义11.3国内外中学的天文普及现状2第二章中学课程与天文学的联系22.1物理学的研究内容和范围32.2地理学的研究内容和范围32.3化学的研究内容和范围42.4天文学的研究领域及分支42.5物理学与天文学的联系52.6中学普及天文教育的目标5第三章中学普及天文教育的方式73.1结合中学物理引入天文知识73.2开展天文兴趣小组活动93.3利用网络资源科普天文知识93.4开发天文校本课程11第四章结论与展望134.1研究结论134.2研究不足和展望13参考文献14致谢15第一章绪论天文学对人类社会发展的影响天文学是最古老的科学之一，它与人类的生产劳动和生存息息相关。人类出生于天地之间，从很早的年代就开始探索宇的奥秘。天文学的研究对象是宇宙。人们在寻找物质世界起源问题的答案时，往往会发现人类探索宇宙所获得的知识和经验是理解和解决许多自然问题的基础。 随着现代社会科技的不断发展，人们对天文学的提出了更高的要求。利用对地球自转和公转周期进行测定以及对天体位置的观测，人们可以确定准确时间。在设计和计算火箭以及卫星的发射轨道时，必须依靠天体力学理论，利用天文学方法对卫星、火箭等在飞行中的位置进行观测，然后根据天体位置对火箭的姿态进行控制和校正。天文学是自然科学的基础学科之一，和其它自然学科也有着非常密切的关系。天文学的主要研究对象是宇宙中的天体，在观测暗星体是需要使用非常精密的大型望远镜，从而促进光学的不断进步。进行天体研究与现代物理学是相通的，人们研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论是相互沟通、相互支撑的[]。在中学普及天文的意义（1）天文学可以能够科学的角度满足人们的好奇心。人类在探索宇宙、获取新知的过程中，逐渐加深了对天文学的认识。众所周知，现代社会的天文学不仅仅是一门观测学科，它还研究着人类历史上长期存在的一个基本问题：宇宙到底有多大？世界是如何创造生命的？生命从何而来？时间是否有起点（2)贯彻“科教兴国”，提升青少年科学素养。进入21世纪，“科教兴国”是我国一项重要的战略国策，科普是完成这一战略的重要手段。在向素质教育过渡的今天，应充分发挥天文科学教育的优势，开展青年科学技术教育，提升科学素养，培养适应21世纪知识经济对人才需求的创新型人才[]。为了适应国际国内环境的发展，积极响应国家政策的实施，许多中学已经开始普及天文教育。这不仅能吸引学生对天文知识的兴趣，提高学生的创造性思维能力，而且能使学生形成科学的认知概念，摒弃传统伪科学和封建迷信。国内外中学的天文普及现状纵观我国天文教育的发展历程，从国内高校天文教育的培养目标可以发现，我国天文教育的培养目标正在走向多元化[]。然而，与美国相比，它看起来仍然狭窄得多。目前我国中小学天文普及仅包括科技馆、天文相关课外实践活动、纪录片等，还没有针对不同年龄段少年儿童的普及天文教育内容。此外，对欠发达地区来说，由于经济水平较低，相关天文设施缺乏，科技馆推广和天文课外实践很难落实。在这种情况下，我们可以运用日常教学方法，探索和拓展天文学科所涉及的知识，引导学生的学习兴趣，从而普及天文学。第二章中学课程与天文学2.1物理学的研究内容和范围物理学是研究物质的运动规律和基本结构的科学，主要研究物质、能量、空间、时间，特别是它们的性质和相互关系。按照不同的划分标准，物理学有多个分支学科，例如牛顿力学、电磁学、热力学、原子核物理学等等。物理学的研究领域有四大方面： 凝聚态物理–研究物质宏观性质，这些物相内包含极大数目的组元，且组元间相互作用极强。 原子，分子和光学物理–研究原子尺寸或几个原子结构范围内，物质-物质和光-物质的相互作用。 高能物理（粒子物理）–研究物质和能量的基本组员及它们间的相互作用。 天体物理–天体物理学是物理学和天文学的一个分支，它研究天体的性质和它们的相互作用。 中学阶段的物理学科知识几乎涵盖了物理学的大多数范围，包括力学、热学、电磁学、光学、原子物理，声学几个部分。物理学科知识与日常生活联系非常紧密，很多生活中出现的科学现象都可利f用物理知识加以解释，这有利于激发学生求知欲，使他们通过探索，发掘出现象背后的物理知识。此外，物理是一门重视理论和实际相结合的学科，许多物理学知识都是科学家在实验中发现并验证的，这就要求学生应积极参加实验操作培养他们的动手能力，锻炼学生模型化和发散性的思维能力。2.2地理学的研究内容和范围在现代地理学中，“地”指地球或者地球表面，或者指一个区域。“理”指事理、规律，或者事物规律性的内在联系。地理学就是研究地理要素或者地理综合体空间分布规律、时间演变过程和区域特征的一门科学，是自然科学和人文科学的交叉，具有综合性、交叉性和区域性的特点。它的主要研究对象是地球表层。人们主要通过野外考察来获取地球表面特征的相关数据，随着地球卫星和航天技术的应用，很大程度上提高了野外考察的速度和精度。地理学的两大分支学科分别自然地理学和人文地理学。自然地理学是一门研究自然地理环境的组成、结构、空间分布特征、形成与发展变化规律，以及人与环境相互关系的科学。由于运用环境不同，自然地理学还有许多应用性分支学科。人文地理学是以人地关系的理论为基础，探讨各种人文现象的地理分布、扩散和变化，以及人类社会活动的地域结构的形成和发展规律的一门科学。二者共同构成地理学，是地理学学科体系的重要组成部分。 中学阶段地理学科的学习与天文学知识的学习密切相关，《普通高中地理课程标准（2017年版）》将“天文学基础”列为独立的选修模块，主要包括天体观测、太阳系和地月系，太阳与恒星世界、银河系与宇宙四部分内容以天文学基础为载体，贯彻落实地理学科核心素养，帮助学生正确理解天文学现象，激发他们对探索宇宙奥秘的兴趣，并逐步建立对宇宙的科学认识。2.3化学的研究内容及范围化学作为自然学科之一，主要从分子、原子的角度研究物质的组成、性质、结构与变化规律，并且创造出新的物质。人类世界由物质组成，物质的变化主要有物理变化和化学变化两种变化形式。化学作为重要的基础学科之一，是一门以实验为基础的科学，它与生物学、物理学和天文学等自然科学相互交叉渗透逐步发展。在化学的发展过程中，根据研究的分子类型和研究手段、目的、任务的不同，划分出许多不同水平的分支。根据当今化学发展及其天文学、物理学、数学、生物学、医学、地理学等学科的相互交叉渗透，化学的可分为无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、高分子化学、核化学、生物化学等。 元素周期表是化学的核心。通过分析各种天体的化学组成，人类获得了元素的分布规律，发现了星际空间中简单化合物的存在，并为天体的演化和现代宇宙学提供了实验数据。丰富了自然辩证法的内容。化学可以用作研究宇宙的工具。作为天文学的一个分支，宇宙化学还是天文学和化学之间的边际科学。这是一门研究宇宙化学组成及其演化规律的科学。主要研究内容是：确定组成宇宙的物质元素，同位素和分子，测量其含量，并讨论宇宙物质的化学演化。2.4天文学的研究领域及分支天文学是自然科学中的基础学科之一，它的研究对象是浩瀚的宇宙乃至整个宇宙中的天体和天体系统。天文观测是研究它们的位置、分布、运动、形态、结构、物理状态、化学成分、相互关系和起源的演变。在整个天文学的发展中，它的每一项发展都可以促进相关学科的发展，而相关学科的发展又使天文学有了新的飞跃。天文学的第一次飞跃是万有引力定律的发现和天体力学的诞生，天体力学的诞生使天文学从单纯地描述天体的几何关系，进入到研究天体之间相互作用的阶段。天文学的第二次飞跃发生在19世纪中叶，天体分光术、天体测光术、天体照相术同时问世。这就为研究天体的物理性质、物理状态和化学组成提供了条件，导致了天体物理学的诞生。这一次飞跃导致人类对天体运动的认识，从只能研究天体彼此间的力学运动发展到能够研究天体的各种物理的和化学的运动。天文学的两次飞跃分别把天文学划分为三大分支：天体力学、天体物理学和天体测量学。它们都是天文学发展不同阶段的产物，同时每个分支在当今又有自己的新的增长点，并且相互推动，相互促进[]。天体测量学，是天文学中最先发展起来的一个分支，其主要任务是研究和测定天体的位置和运动，建立基本参考坐标系和确定地面点的坐标。天体测量依观测所用的技术方法和发展顺序，可以分为基本的、照相的、射电的和空间的四种。天体测量是天文学发展的第一个分支。它的主要任务是研究和确定天体的位置和运动，建立基本的参考坐标系并确定地面点的坐标。根据用于观测的技术方法和开发顺序，天文测量可以分为四种类型：基本的、摄影的、无线电的和空间的。天体力学研究的运动包括天体质心运动的轨道运动和绕质心的转动。对于太阳、月亮和行星，有必要确定其轨道，编辑星历表，计算质量并根据天体的自转确定天体的形状等。它是在牛顿发现万有引力定律和基本运动定律（牛顿运动定律）的基础上形成的。从那时起，由于数学的广泛应用，它得到了迅速的发展。天体物理学是运用物理学技术、方法和理论研究天体的形态、结构、物理条件、化学成分和演化的学科。它是对宇宙进行研究地物理学，包括天体的物理性质（光度、密度、温度、化学成分等）以及天体与天体之间的相互作用。应用物理理论和方法探探讨恒星的结构、恒星的演化、太阳系的起源以及许多与宇宙学相关的问题。2.5物理学与天文学的联系从天文学的发展历程和内容体系可以看出，天文学的和物理学的发展是密切联系的。历史上许多杰出的物理学家在天文学领域都取得了巨大成就。例如，伽利略利用光学知识发明了天文望远镜，并使用它收集了大量数据，并观察到许多非常新颖的天文现象，例如土星的光环和金星的盈亏现象。并且伽利略通过实验总结出了自由落体定律、伽利略相对论原理和惯性定律。开普勒是德国物理学家和天文学家。他的主要成就之一是发现并提出了三个行星运动定律，后来被称为开普勒行星运动定律。这三条定律说明，绕太阳公转的所有行星轨道都是椭圆形，并且太阳处于椭圆的焦点上。任何行星与太阳的连线在相同的时间内扫过的面积相等。同时，所有行星轨道的半长轴与其公转周期有一定的数量关系。这三个规律为天文观测研究奠定了基础。著名物理学家牛顿在天文学领域也做出了重大贡献。他根据开普勒三定律发现并证实了万有引力定律，利用这个定律，可以计算出行星的运行轨道和天体的质量[]。此外，有的科学家也根据万有引力定律发现了未知天体，例如海王星。由此，我们可以发现，物理知识和天文知识是相交的。在现代社会，中学生，特别是高中生所掌握的物理知识几乎涵盖了物理学的大多数范围。所以人们可以在中学生已有的知识基础之上，结合中学物理知识，有意识地在日常物理学科教学中引导学生对天文学相关知识进行研究，从而达到激发学生学习物理和天文知识的兴趣，开拓学生的视野，提升学生综合素质的目的。2.6中学普及天文教育的目标《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）年)》指出：“注重学思结合。倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学，帮助学生学会学习。激发学生的好奇心，培养学生的兴趣爱好，营造独立思考、自由探索、勇于创新的良好环境注重知行统一。坚持教育教学与生产劳动、社会实践相结合。开发实践课程和活动课程，增强学生科学实验、生产实习和技能实训的成效。充分利用社会教育资源，开展各种课外及校外活动。加强中小学校外活动场所建设。”因此，现代素质教育强调“学思行”并重，尊重学生的兴趣和爱好，提高学生的整体素质，促进学生的全面和个性化发展。 中学天文教育作为贯彻素质教育的措施之一，应将提高学生综合素质，传播和发扬科学精神作为中学天文学教育的基本目标，具体分为以下几个方面：学生在接受天文教育的过程中，应学会基本知识和技能，运用科学的研究方法以及数理化等方面的知识解决天文的问题，并能解释一些相关的天文现象[]，从而锻炼他们的思维能力和探究合作能力，最终达到发展个性提高综合素质的目的。天文学是一门建立在观测和实测基础上，强调动手与实践的学科。在开展中学天文教育工作时，学生通过参与科学探索过程，学会天文观测方法并尝试将其应用于实践，培养严谨的科学态度和科学探究精神[表3-1：中学物理教材中的天文知识表3-1：中学物理教材中的天文知识教材章节内容初中八年级上册1.2运动的描述哈雷彗星造访地球4.1光的直线传播科学世界：光年5.5显微镜和望远镜望远镜探索宇宙八年级下册1.3重力万有引力科学世界：飞出地球11.4机械能及其转化科学世界：人造卫星及其机械能的转化九年级12.引言“发现号”航天飞机22.3太阳能太阳内部高中必修1总引言：物理学与人类文明物理学与思维观念2.6伽利略对自由落体运动的研究STS：从伽利略的一生看科学与社会3.1重力相互作用四种基本相互作用4.4牛顿第二定律科学漫步：用动力学方法测质量必修25.7生活中的圆周运动航天器中的失重现象第6章万有引力定律行星的运动太阳与行星间的引力万有引力定律万有引力理论的成就宇宙航行经典力学的局限性课外读物《大众天文学》《宇宙》《寻找太阳系的疆界》选修3-13.1磁现象与磁场宇宙的天体周围存在磁场选修3-26．引言“勇气号”火星探测器选修3-38.4气体热现象的微观意义科学漫步：星体表面的大气蒸发选修3-411.2简谐运动的描述科学漫步：月相12.5多普勒效应利用多普勒效应测量天体靠近或远离我们的速度14.5电磁波谱科学漫步；寻找外地文明15.4广义相对论简介广义相对论选修3-516.5反冲运动火箭火箭19.7核聚变宇宙中的热核反应19.8粒子和宇宙宇宙的演化，恒星的演化从表3-1中可以看出1和必修21STS”2（开普勒三大定律[8]地位。教师可以充分利用这一特点，在课堂教学时对教材中的天文学知识进行拓展。一些物理习题可以以天文知识为背景设置。例如，八年级上册在学习光的直线传播时，“科学世界”栏目介绍了的光年这一单位。教师可以让学生计算一束激光在地球和月球间往返一次所需的时间。这里就涉及到两天体之间的距离，一则反映天文数据的特点“大”，二则说明光速之快。除此之外，物理的教学内容应该紧跟时代的发展，教师在进行教学时，应当及时关注天文学研究进展，将科学新发现与课堂教学结合，增强物理学科的实用性和趣味性，让学生能把枯燥物理的物理理论知识和丰富多彩的现实生活联系起来，能够把基本的公式定理和现代的科学技术发2019年4月10完全可以抓住这股科学热潮，适时进行天文科普。3.2开展天文兴趣小组活动摒弃传统的教师教授，学生听课的单一模式，以兴趣小组的形式教授天文学的基础知识。学校需要调查分析学生学习现状和知识基础，从有兴趣、有信心、有毅力、有良好心理素质等方面选拔成员。配备专门的多媒体教室，主要用来科普天文学基础知识、播放科普视频、课件。同时，还需要配备天文望远镜，用于外出观测和观赏实践。购买天文科普读物(例如《天文爱好者》杂志等)放置在教室的图书角和专门的小组活动室，便于天文爱好者阅读。还可以在学校官网上开设“天文兴趣小组活动”专栏，用于宣传最新天文资讯，科普天文学小知以及发布天文活动信息。在开展天文科普活动之前，要制定详细的活动计划，要根据学生的课程表合理安排基础知识的学习实践和外出实践观测时间，阐明注意事项。学校还可以通过兴趣小组在校内举行天文知识竞赛，对于竞赛中表现优异的学生，组织参与校外各级的天文竞赛。天文兴趣小组活动的开展可以激发学生学习的兴趣，提升学生的天文素养，培养一批高水平、高素质的天文爱好者。3.3利用网络资源科普天文知识通过互联网人们可以获得大量的信息资源，并且不受地域条件的限制。因此，在中学天文科普中使用网络资源是非常有必要的。教师在天文科普过程中，可以通过网络查询到很多关于天文学的知识，通过下载资料的方式将天文学的知识充分向学生展示。例如，网络上存在大量的天文图片，教师在教学过程中利用网络提供的图片，可以生动地向学生展示天文学的相关图像，加深学生的印象，激发学生的探索愿望，培养学生的探索精神。随着社交软件的广泛使用，天文知识的传播途径更加便捷、更加多样化。一些微信公众号、微博以及学术论坛等都能成为教师收集天文资料和学生学习天文知识的场所。还有很多科普网站(图3.2)“星空天文网”、“中国天文科普网”、“北京天文馆”、“中国国家天文”以及各个天文台的官方网站，它们会对一些天文奥秘、奇特的天文现象进行深入解读，播送天文实时讯息和天文科研动态，并且开设天文直播栏目，专家在线分析天文的热点问题。例如中国科学院国家天文台的微“头条星闻”“观天者说”“漫画天文”(3.3)。表3.2：中国天文科普网图3.3：天文科普微信此外，(Stellarium（虚拟天文馆，它是一款虚拟星象仪的计算机软件，可以真实的表现通过肉眼、双（如图（Stellarium一些天文现象。图3.4：Stellarium星座3.4开发天文校本课程校本课程是以学校为本位、由学校自己确定的课程，它与国家课程和地方课程相对应，可以在很大程度上弥补它们的不足。校本课程开发是指学校为了达到教育目的或解决学校的教育问题，依据学校自身的性质、特点、条件以及可以利用和开发的资源，由学校教育人员与校外团体或个人合作开展的课程开发活动。天文学作为六大基础学科之一，是唯一一门没有在中学阶段开设课程的学科，只有少量天文学知识存在于地理与物理课程中，这就导致中学阶段缺乏相对系统的天文教育。开设天文校本课程，不但可以满足学生学习天文学知识的需要，拓宽学生的知识面，还可以增强学生学习天文学的兴趣，进而增强学生学习地理和物理学科的积极性。开设天文学校本课程的目的并非是培养天文学家，而在于提升学生相关天文科学素养。课程总目标是使中学生在学习基础知识和基本技能的同时，通过学习本校的天文校本课程培养和提升现代公民科学素养，增强学生的天文学习兴趣，满足学生的天文学习需要，为学生的终身发展负责。然后我们可以将课程开发划分为“环境分析”“目标拟定”“课程编排”“课程实施”“评价反思”等五个阶段。由于天文学校本课程不属于中学阶段的基础课程，因此在课程实施阶段，我们可以选择活动课程、选修课程或兴趣课程等几种实施形式，摒弃传统的接受性学习的方法，以研究性学习为其教学的主要形式，让中学生在掌握基础知识的同时能够感受到科学研究的乐趣，从而能够更好地培养学生的创新实践能力和科学探究能力[10]。在课程内容选择方面，要立足学生的知识基础和学习能力水平，选择合适的辅助书籍和学习内容。总之，天文学校本课程的开发要以学生为中心，严格尊重学生的教育主体地位。结论与展望4.1研究结论在中学教学过程中利用相关天文学知识开展科普，是促进天文普及教育工作发展的方式之一。本研究以天文学发展现状和对人类社会所产生的影响为出发点，指出中学进行天文教育的重要性。着重阐述了中学天文教育的目标