奇妙的太空课堂
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四、学生参与地理课教学

中学的地理课常常使人感到枯燥无味。面对着一张张世界各国的地图,只能靠死记硬背的方法来记住各地的名称和地理特点。往往是学时清楚,学后就忘。为了增加学生们学习地理课的兴趣,美国利用互联网技术和照相技术,开展了一项名为“向中学生传播地理知识”(EarthKAM)的教育计划。这是NASA赞助的一项教育计划,目的是使数以千计的学生以一个太空工作人员的身份对地球进行拍照和研究。

EarthKAM计划的提出

EarthKAM计划的设想最初是由美国进入太空的第一位妇女萨利·莱德提出的,她后来担任EarthKAM计划的主任(图2-27)。在1995年,萨利提出了此设想,当时称为KidSat。在航天飞机STS-76、STS-81和STS-86执行任务期间,对安装在航天飞机上KidSat照相机的可靠性进行了验证。1998年,确定实行此计划,并正式命名为EarthKAM计划。在国际空间站上实施此计划前,还在航天飞机STS-89和STS-99上进行了EarthKAM计划。2001年国际空间站第1长期考察组执行任务期间,开始实施EarthKAM计划,EarthKAM的照相机被固定在国际空间站上,作为一个永久的设备,每年要开展4次EarthKAM活动。

图2-27 正在太空工作的萨利·莱德

EarthKAM计划的设计初衷十分简单:它可以使数以千计的学生在地面操纵太空中的照相机,对地球进行拍照和详细观察,将学生们对航天的兴趣爱好与中学教育紧密结合起来,增加学生们学习地理知识的兴趣。在航天飞机和国际空间站上都实施了此计划。第一次实施是在1996年“亚特兰蒂斯”航天飞机飞行期间,地面三个参加此任务的学校共拍摄了325张地球照片。后来,在国际空间站上继续延续了此任务。在国际空间站上进行的EarthKAM计划更完善和教育范围更广,世界上所有国家的学校都有机会参加这种地理知识的教育。这项活动最初是为了中学生设立的,但是很多人被吸引进去,其中包括科学家、环境保护者、研究单位,甚至很多小学生也主动地加入此行列,成为小EarthKAM迷(图2-28)。

图2-28 小学生在地图上追踪正在飞行的国际空间站位置

学生要参加EarthKAM计划也并非轻而易举的事,参与EarthKAM计划的中学必须提交一份方案,列举他们将要实施的项目,并根据此项目选择所需拍摄的目标地域,NASA有关单位对每个希望参加的学校都要进行认真的审核。获得批准的学校必须建立一个学生任务实施中心,以便在拍摄任务过程中访问EarthKAM站点。学生任务实施中心的主要作用是与其他学校的实施中心和EarthKAM计划实施者进行通信,以便获取最新的天气情况、跟踪航天飞机的运行轨道,并选择提交目标的地域。在执行拍摄任务前,一些学生要接受10~15小时的训练,训练内容主要是教他们如何选择目标地域,以及如何处理那些已发布到网站上的照片。在照相机执行拍摄任务过程中,学生和教师经常会在学生任务实施中心待上一整天时间(图2-29)。

图2-29 参加EarthKAM计划的学生

EarthKAM计划的实施

这个太空教育课程与其他课程不同,学生们不仅是太空实验的设计者和总结者,而且是实验的真正主人。不像一些学生太空实验一样,要航天员在太空中帮助他们做,而是只要求航天员将一台数码相机带到太空,安装在国际空间站舱内的玻璃窗上就可以了(图2-30),其他的工作,例如选择拍照的时间、操作计算机拍照等工作,都由地面的学生自己来完成。

图2-30 航天员在为学生们安装照相机

地面的学生是如何操纵太空的计算机呢?工程人员为他们设计了一条巧妙的“天地控制”线路。在空间站上有台专门控制照相机的计算机,它的作用是控制照相机的操作和照片的存储,它与NASA的地面控制站也相连接,最后通过一条通信线路连接到EarthKAM计划的任务实施中心,这个中心坐落在圣地亚哥的加利福尼亚大学里面,是EarthKAM计划的“大脑”(图2-31)。在那里,有学生们需要的所有软件,其中还包括图像处理软件,利用这种软件学生们可以将照片转换成适用于网络环境的格式。

图2-31 EarthKAM计划的任务实施中心

在航天飞机或国际空间站执行任务期间,学生们可以通过两种方式拍摄他们想要的地球照片。一种方式是通过计算机中的交互式网页选择、定位想要拍摄的对象,然后操纵安装在航天飞机或空间站上的特制数码相机,从太空最佳视角开始拍摄地球表面美丽、迷人的照片,拍摄地球的海岸线、山脉和其他学生们感兴趣的地理景观(图2-32)。第二种方法是点击一张简便的轨道地图,选择航天器将要通过的地域和自己想拍的地域,然后由专业软件来“把关”,来验证被选择的地域能否被拍摄到。如果软件提示学生们选择的地域不能被拍摄到,有两种可能:一种是照相机拍摄不到;另一种是航天器不在此地域上空飞行。学生们获得此信息后,可以重新选择新的目标地域。如果所选择的地域是有效的,系统将显示以下信息:航天器飞行的轨道、纬度、经度和可以拍摄的时间。拍摄时间是指学生们可以拍摄照片的确切时间,是最重要的参数,只有在这个时间照相机才对地球进行拍照。在每台工作站的计算机里,有提供这些重要信息的运行程序。

图2-32 学生们拍摄的密西西比河

不是所有学生们想拍摄的照片,太空中的照相机都会执行,那样就会“乱套”了。加利福尼亚EarthKAM计划任务实施中心起调控作用,在学生们的指令传输到太空与照相机相连的计算机前,实施中心要起到严格“把关”、“筛选”和“合并”的作用,他们要检验学生们要求的完整性,将那些重复的选择合并成一张照片,最后由他们决定拍摄哪些照片。航天器绕地球一圈的时间是90分钟,只有45分钟是白天,这45分钟对于学生们来说是极为宝贵的,因为只有在可见光中,航天器上的数字照相机才能正常地工作。

当照片拍摄完毕后,存储到计算机中,经压缩传输回任务实施中心。然后,照片被转换成JPEG或GIF格式,以便发布在因特网上供学生们查询(网址http://earthkam.sdsc.edu)。这些照片通常在几个小时内便被发布到EarthKAM计划的网站上。

EarthKAM小组可以通过环球网将照片发给世界各地的公众和有关学校的同学看。小组的学生们将所有照片收集起来,将它们编辑成“照相机控制文件”,以便以后随时调用。EarthKAM计划每年让成千上万的学生有一个前所未有的机会从太空拍摄地球照片和研究地球。通过研究这些照片,学生们学习到更多与地球有关的地理知识,例如火山、河流三角洲和地球污染情况的知识,使学生们对我们居住的地球有了新的认识。

EarthKAM计划获得的效益

通过EarthKAM计划的多年实施,其获得的效益远远超过它的初衷。下面我们就来讲讲它的效益吧!

1.效益一:教育面广

由于EarthKAM计划是一项没有多少语言障碍的计划,很容易让全世界的学生都参与进来。到2007年12月为止,全世界有1400多所学校的89000多名学生参加了此计划。美国加州大学圣地亚哥分校的150名大学生参加了这项实验的操作。照相机在太空工作1小时,就可以支持1000~2000名学生拍摄地球照片,通过空间站的下行线可以支持5000~6000名学生的实验。

2.效益二:中学生真正参加了航天任务,增加了他们对太空探险和地理知识学习的兴趣

在NASA的其他教育项目中,没有一个是可以让学生们直接操纵飞行中航天器设备的。学生参加的其他太空实验,都是学生们提出实验设计,由飞行中的航天员“代劳”完成,这次是学生亲自操作太空实验,尽管只是在地面操纵照相机,也使他们觉得自己是真正的参与者。EarthKAM计划的实施,使枯燥无味的教科书教育变成生动活泼真正实践的教育。当学生们看着自己拍摄的地球照片来学习地理课时,其感觉和兴趣绝对与死记硬背地理教科书不同。

3.效益三:用途广

学生们拍摄的照片,不仅是对学生们了解地球知识有用,而且在其他课程的教育和研究中,都应用到这些照片。学生们可以在课堂上使用这些图片,例如地理课、数学课和太空科学课,也可以在进行课外研究中使用这些图片。这项计划可以帮助学生们提高调查研究能力和图片分析能力,也可以使学生们学会如何利用因特网作为学习工具(图2-33、图2-34)。通过这次大协作的活动,培养了学生和教育工作者相互协调的工作精神,提高了他们信息传递、解决和分析问题的能力。学生们不仅仅是利用拍摄的地球照片来学习地理知识,而且开展了各种有关的研究,他们通过这些图片来研究森林砍伐、都市化、火山、河流三角洲以及污染等对地球的影响,开展外星地形结构的研究等(图2-35)。例如,德州休斯敦市克利夫顿中学工程班的女孩们提出了“尤利坦岛上建造新液化天然气终端设备对此岛影响”的研究课题;马萨诸塞州内蒂克市肯尼迪中学的学生们利用在西亚、北非和欧洲拍摄到的EarthKAM照片,来研究这些地区的地形对圣战和扩张可能产生的影响;学生们利用拍摄到的南太平洋一个小岛的珊瑚礁照片,进行了环状珊瑚礁形成、岛屿上植物和动物的种类以及在那里生活的人们是如何维持生活的研究。很多学校还利用拍摄到的照片进行火星地貌研究:华盛顿州一所高中的学生们提议拍摄地球上的峡谷,将它们与火星上主要峡谷进行比较;纽约一所中学的学生们打算将他们拍摄下来的地球地形照片和以前火星探测器上拍摄的照片进行比较,研究两个星球地理结构的不同。

图2-33 两名女学生利用一张地图和互联网来确定她们拍摄照片的纬度和经度

图2-34 老师在教学生如何使用地图仪和因特网来确定照片的经度和纬度

图2-35 学生们研究地球上的三角洲

4.效益四:提供第一手科研资料

EarthKAM计划不仅为学生参与太空计划提供了独一无二的机会,而且还为科学研究提供了第一手资料。丰富的照片资源所涉及的内容十分广泛,在进行地球科学、数学、地理、社会研究、通信数学甚至艺术研究时都可利用这些照片。由于EarthKAM所拍摄的照片均上传至网站(http://www.earthkam.ucsd.edu),任何民众和研究单位都可利用这些照片来研究地球的每一寸角落,故EarthKAM计划不仅引起教育界的重视,美国政府、研究单位和私人企业都十分支持此计划,在国际空间站的任务中,它是一朵“永不凋落的花”。

现在,在地球与太空科学教育中心的协助下,已经完成了EarthKAM课程的编写,这个教育中心正在修改教师指南和辅导材料。此外,德州大学城德州A&M大学国家地理教育执行计划已经和NASA一起编写出一套被称为“地理学任务”的课程辅导材料。