（课程与教学论专业论文）在天文科普中引入概念图.pdf

摘要 我国自改革丌放以来，各方面都取得了很大的进步。物质文明的建设对于精 神文明的建设提出了更高的要求。在努力提高全民素质的背景下，科普教育被赋 予了更大的责任，得到了极大的重视。作为六个基础学科之一的天文学，其科普 教育是自然科学普及教育的重要阵地。 为了更好促进天文科普教育的发展，我们尝试引入一种主动学习法一一 m i n d m a p ( 概念图) 。制作概念图是一种主动的认知过程，概念图的制作者就是 学习者本身，可以让他们积极参与到相关学习内容的组织中来。学习者通过制作 概念图，可以把一些比较复杂的问题形象化，利用图形结构和各部分之间的联络， 使学习内容的组织、结构变得易于理解。我们尝试在天文科普教育中利用概念图 来加深学习者对相关内容的理解，以加强天文科普的效果，这是一次全新的尝试。 围绕“在天文科普中引入概念图，引导大众主动学习”这一问题，本课题主 要进行了以下工作： 一、分析我国天文科普教育现状与特点； 二、深入了解概念图学习方法的施行过程与特点： 三、结合天文科普实际，尝试引入概念图学习法； 四、在天文科普中应用概念图学习法的具体步骤； 通过本文所做的工作，可以认为：天文科普的内容具有涉及对象广，对象间 联系丰富的特点；概念图学习法可以引导学习者，主动组织、探索各种天象，适 用于天文科普教学；在天文科普教学中引入这种学习法，可以取得很好的效果。 关键词：概念图：天文科普；s t s ：建构理论 a b s t r a c t g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nd i f f e r e n tf i e l d so fo n rc o u n t r ys i n c er e f o i t f la n d o p e n i n g u p t h ec o n s t r u c t i o no f t h em a t e r i a lp r o g r e s sh a sp u tf o r w a r d h i g h e rd e m a n d f o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h es p i r i t u a lc i v i l i z a t i o n u n d e rt h a tb a c k g r o u n d ，t h ep o p u l a r s c i e n c eh a sb e e ng i v e ng r e a t e rr e s p o n s i b i l i t yt oi m p r o v et h ew h o l ep e o p l e sq u a l i t y a n di th a sb e e ng i v e ng r e a te m p h a s i s a so n eo ft h es i xb a s i cs c i e n c e s ，t h ep o p u l a r s c i e n c e o f a s t r o n o m y i sav e r yi m p o r t a n tf i e l do f t h es c i e n t i f i ce d u c a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ep o p u l a rs c i e n c eo fa s t r o n o m y , w et r i e dt oi n t r o d u c ea l l a c t i v el e a r n i n gm e t h o d ，t h em a k i n go fm i n d m a p ，i ti sa na c t i v ec o g n i t i v ec o u r s e ，i n w h i c ht h e p a r t i c i p a t o r s a r et h e1 e a r n e r s t h e m s e l v e s t h r o u g ht h em a k i n go ft h e m i n d m a p ，t h el e a r n e r s c a nt a k ea na c t i v ep a r ti nt h e o r g a n i z a t i o no ft h e r e l a t e d l e a r n i n gc o n t e n t t h em i n d m a p c a nv i s u a l i z es o m e c o m p l i c a t ep r o b l e m sa n dm a k e t h e o r g a n i z a t i o na n ds t r u c t u r eo ft h el e a r n i n g c o n t e n te a s yt ou n d e r s t a n db yt h em a p s t r u c t u r ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i t i e r e n tp a r t s ，w et r i e dt om a k eu s eo ft h e m i n d m a pt os t r e n g t h e nl e a r n e r su n d e r s t a n d i n go fr e l e v a n tc o n t e n t si nt h ep o p u l a r s c i e n c e o f a s t r o n o m y , i no r d e r t oi m p r o v ei t se d u c a t i o nr e s u l t t h i si sab r a n d - n e w t r y c e n t e r e do nt h e t o p i c o f i n t r o d u c et h e m i n d m a pi n t h ep o p u l a rs c i e n c eo f a s t r o n o m yt og u i d ea c t i v el e a r n i n go ft h el e a m e r s ，t h i sp a p e rc a r r i e so nt h es u b j e c t m a i n l y i nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： f i r s t l y , a n a l y z i n g t l l ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f p o p u l a rs c i e n c eo f a s t r o n o m y ； s e c o n d l y ，p r o b i n gi n t o t h e p r o c e s s o ft h e r n i n d m a pl e a r n i n gm e t h o da n di t s c h a r a c t e r i s t i c s ； t h i r d l y ，t r y i n gt oi n t r o d u c et h em i n d m a p i n t ot h ep o p u l a rs c i e n c eo fa s t r o n o m y ， b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t h e p o p u l a r s c i e n c eo f a s t r o n o m y ； f o u r t h l y , t h ed e t a i l e ds t e p so ft h ea p p l i c a t i o no ft h em i n d m a pi nt h ep o p u l a r s c i e n c eo f a s t r o n o m y t h r o u g ht h ew o r ki nt h i sp a p e r , w ec a ng e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ，f i r s t ，t h e p o p u l a rs c i e n c eo fa s t r o n o m yh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fw i d er a n g e sa n dc l o s er e l a t i o n b e t w e e nd i f f e r e n to b j e c t s s e c o n d ，t h em i n d m a pc a nl e a dt h el e a r n e r st o t l l ea c t i v e l e a r n i n ga n de x p l o r ed i f f e r e n ta s t r o n o m i c a lp h e n o m e n aa n di ss u i t a b l et ot h ep o p u l a r s c i e n c eo f a s t r o n o m y t h i r d ，t h ei n t r o d u c t i o no fm i n d m a ph a sv e r yg o o de f f e c to nt h e p o p u l a rs c i e n c eo f a s t r o n o m y k e yw o r d s ：m i n d m a p ；p o p u l a rs c i e n c eo f a s t r o n o m y ；s t s ；c o n s t r u c t i v i s m 广州大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 学位论文作者签名：铭洵日期：讪咕年f 月日 广州大学学位论文版权使用授权书 本人授权广州大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 广州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刍骞淘日期：z , i - - 年r 月面目 导师签名嬲，嗍僻r 月彰日 引言 一、研究背景 改革开放以来，我国在许多方面都发生了翻天覆地的变化，在经济、政治、 科技、文化等领域内都得到了很大的提高。在物质文明得到很大改善的同时，人 们对精神生活的需求提出更高的要求。在这种情形下，人们的思想已经突破传统 观念的束缚，热衷于接受一些新的东西。在改革开放的过程中，国外的各种思想 也进入到中国，许多新的思想观念成长起来。这些新思想通过各自的方式来影响 着人们的日常生活，它们里面有健康的，也有不健康的。为了消除各种不良思想 的侵蚀，提高人们的综合素质，国家正在大力发展教育，这是因为教育不仅有着 传播知谚 的作用，而且还有帮助人们建立正确的思维方式来去除一些不良习惯。 教育可以笼统地被分为课堂教育和科普教育等不同的形式。 科普教育，最早出现于1 8 3 6 年，后来被定义为科学技术普及教育，它的文 章以“通俗的形式来讲解技术问题”。m与学校了f 规教育相比，科普教育通过自 己特有的方式在影响着人们。( 1 ) 其教育形式比较灵活，学校、工厂、博物馆、 动物园等地方都可成为它施教的舞台；( 2 ) 受教育的人群没有太多的限制，不同 知识层次的人群可以接受同样的科普教育：( 3 ) 科普教育的题材一般更加接近实 际生活，对人们的生产生活会产生较大的影响。f 因为科普教育有着非常重要的 作用，所以我国政府在2 0 0 2 年9 月2 9 日颁布实施了科普法，使科普教育能 够制度化、规范化和法律化。科普教育根据教育题材的划分可分为许多不同的类 型，比如计算机科普、环境科普、生物科普等，而天文科普则是科普教育中发展 较早，与人们实际生活很接近的科普形式，有着非常重要的作用。 天文学是既古老又现代的自然学科。古代的四大文明古国在他们的发展初 期都涉及到了天文学。我国在帝尧时代，就设立了专职的天文官，专门从事“观 象授时”；”而对于古埃及人所建金字塔的种种传说，又与天文学有着非常紧密 的关系。古代的天文学积极的应用价值体现在了农耕和确定方位上。现代的天文 学在自然科学发展( 包括物理，化学，生物，材料，计算机等) 、授时、导航、 引言 航天等方面起到了非常重要的作用，所以，以天文学知t 为题材的天文科普教育 是非常重要的。 我国现有的天文科普形式，对于天文学的普及教育产生了非常积极的作用， 但应看到我国的天文科普较国外发达国家来说还比较落后。比如，在西方，科学 技术的合理精神已经渗入到了民族文化并竭力扩大民族文化中技术成份的比重； t 。而我国的天文科普形式主要是报告、宣传画报、观测等。随着计算机以及网络 的应用，天文知识的普及发展至0 应用网络和计算机软件。为了能够加快我国天文 科普的发展速度，我们应该选择合适的工具对现有的科普形式进行补充。 概念图产生于上世纪6 0 年代，来自认知心理学的发展。由于从其诞生到现 在，一直应用于某些教育领域，并且收到了非常好的效果，因此我们也应将概念 图用来发展天文科普教育。 二、研究目标 由于天文科普涉及到非常多的天体，并且它们相互之间关系比较复杂，为天 文科普的发展造成了困难，而概念图具有方便的处理一些比较复杂地关系的特 点，所以本文主要的研究目标是在天文科普的实施中引入概念图。 三、概念图的研究与应用和国内天文科普发展的现状 ( ) 、概念图的研究与应用 1 、西方国家对于概念图的深入研究与广泛应用 概念图是一种新的教学工具，主要通过图形结构来分析处理问题，可以使一 些比较复杂的问题简单化，从丽帮助我们分析问题，学习知识，因而可以对以前 的科普形式进行很好的补充。西方国家对概念图的研究是从2 0 世纪6 0 年代开始 的，经过了将近半个世纪的研究探索，这个理论已经比较成熟。美国科学教育 研究杂志( o u r n a o fr e s e a r c hi ns e i e r l c et e a c h i n g ) 在1 9 9 0 年第四季度 曾专门出版了一期“概念图面面观”( p e r s p e c t i v e so nc o n c e p tm a p p i n g ) ， 就概念图的研究成果、存在现状、发展前景等方面做了全面的介绍。w 在西方国 家，概念图已经成为中小学教学中很常用的一个方法，在实际应用过程中，起到 了很好的效果。随着网络的普及和新的教学工具的使用，概念图更加具有时代的 气息。从应用的领域来看，概念图从以前那种单纯被用在自然科学领域，逐渐朝 引言 着人文科学、社会科学等领域拓展。同时，概念图还被用在许多大型工业生产的 流程中，比如美国的波音公司用概念图来设计飞机，r 本的索尼公司用概念图来 研制新的播放器等。总之，概念图在西方得到了非常广泛的应用，并且得到了非 常好的效果。 2 、我国港台地区概念图的发展情况 概念图传入我国港台地区的时间比较早，所以研究成果也比较多。1 9 9 7 年， 台湾就有了关于概念图的专著有意义的学习概念构图之研究( 台湾， 商鼎文化出版社，1 9 9 7 年) ，代表了当时台湾的研究现状，并对以后的概念图研 究产生了很大的影响：”1 随后1 9 9 7 年到2 0 0 2 年6 年的时间里，相关的硕博论文 就有3 6 篇之多。n ，由此看来，概念图在港台地区已经得到了非常大的发展。 3 、我国内地概念图的发展情况 在我国内地，虽然概念图的发展比较晚，但是已经有许多的研究机构在做这 方面的工作，比如北京师范大学基础教育研究中心，华东师范大学课程与数学研 究所等，他们获得了非常多的研究成果。为了比较全面地了解实际情况，在“中 国期刊网”上对概念图历年的发展情况进行了搜索。各年份所搜的文章数量如图 o - 1 ( 1 9 9 4 2 0 0 4 年发表的涉及概念图的期刊论文数目) 和图0 - 2 所示( 2 0 0 1 2 0 0 4 年发表的涉及概念图的硕博论文数目) 。从这两个图形中，我们可以看出，近几 年得到了突飞猛进的发展。2 0 0 0 年之前涉及到概念图的文章每年最多5 篇，而 到了2 0 0 4 年，却有了3 0 多篇论文。而从应用范围看来，也在不断拓展，1 9 9 7 年和1 9 9 9 年各有5 篇相关论文并且只涉及到生物、化学和物理这三个领域， 目mm i v * r ( 1 荆- 2 0 。) 目0 1 1 9 9 5 2 0 0 4 年发表的涉厦概念图的期刊论文 f i g u r e o 。11 9 9 4 1 2 0 0 4p e r i n d i c a lt h e s e sc o n c e r n i n g m l t l d m u p y * q 加1 - 0 4 ) 圈( - 2 2 0 0 1 2 0 0 4 年发裘的涉及概念图的砸博论文数目 r i g u r e o22 0 ) 1 2 0 0 4h u s t e rd e g r e ea n dd i s s e r t u t l o n “m h i n gm7 n d 腑p 弓f 高 1 9 9 7 年的6 篇文章中，4 篇是介绍性的，1 篇是应用型的；1 9 9 9 年，应用型4 篇，介绍性1 篇：而到了2 0 0 4 年，便出现了3 2 篇文章，涉及范围从自然科学延 伸到社会科学，涉及内容包括了从介绍性的文章到实际的应用技术等多方面。 ( 二) 、我国天文科普的现状 我国现在的天文科普教育主要通过图片展览，参观天文科普场馆，天文科普 讲座，参加天文知识竞赛，科普网站等方式来实现。在天文科普普及的过程中， 天文工作者做出了非常大的贡献，他们凭借着自己所掌握的丰富的天文知识，在 天文科普的过程中起到了先锋和模范的作用。现在，我们经常会看到由天文专家 举办的各种天文科普讲座。在他们的带动下，社会上逐渐形成了热爱天文的气氛， 比如我国现有天文爱好者协会和俱乐部3 0 多个( 数据来自空间天文网) 。川在我 国的天文科普工作获得很大进步的同时，我们也应该看到其中的不足：f 1 ) 有机 会能够接受天文科普的人群比较小，他们主要集中在大中城市和大学里，而广大 农村和比较偏远地区则是天文科普教育的盲点；( 2 ) 天文工作者在整个人群中， 只是极少一部分，所以光靠他们是远远不够的，这就需要有一大批天文爱好者在 天文科普的过程中起到传递知识和引导大众的作用，但是很可惜，我国这部分人 群还是太少，满足不了大众对于天文知识的实际需要。 虽然天文科普的发展受到一些条件的限制，但随着国家对于天文科普工作的 重视，各方面投入不断增加阻及越来越多的人投入到这项工作中来。随着阻碍天 文科普发展的那些因素被逐渐削弱，天文科普教育在不久的将来一定能够加速成 长。 第一章j | i 【述 第一章概述 概念图是一种处理问题的工具，它通过图形的结构，简化一些复杂问题的 分析过程；而天文科普教育的普及过程是一个非常复杂的工作。通过对两者特 点的分析，我们提出可用概念图来发展天文科普教育。本章主要对科普教育和 概念图的背景知识，以及两者的特点和它们之间联系进行阐述。 1 1 天文科普教育的特点及其重要作用 科普教育对于国民素质的提高，科学精神和科学方法的培养具有非常重要 的作用。 1 1 】科学技术的重要性 当我们回顾人类历史发展的漫漫长河时，我们会发现从上个世纪到现今的发 展变化是最为剧烈的。人类从诞生到发展到农业文明用了上万年，又经过几千年 步入工业文明的时代，而从工业文明过渡到后工业时代直至现今的信息时代用了 不到5 0 0 年的时间。在这期间最明显的发展特征是科学技术的发展，据统计，“从 科学发展到技术发明，2 0 世纪初以前大约需要3 0 年，到2 0 世纪中叶大致为l o 年，2 0 世纪下半叶缩短至5 年左右。”。w 这期间，各国都非常重视科技的发展， 在美国，里根，老布什政府，都把科技摆在了最重要的位置，克林顿政府在政策 报告为了国家利益发展报告中强调指出：“为了迎接2 i 世纪的挑战，美国应 成为一个科学知识普及的社会。”并认为“良好的国民素质是认识和欣赏现代世 界的关键”。日本在1 8 7 2 年开始推行新学制，全力以赴地普及资产阶级式的国民 教育，力求实现“邑无不学之户，家无不学之人”。至1 9 0 5 年同俄战争期间，r 本小学就学率超过9 0 ，到1 9 9 2 年，日本国民初等教育适龄人员入学率达到 9 7 ，1 9 9 5 年日本1 5 岁以上的文盲占总人口比例为零。1 3 本科学技术厅在1 9 9 5 第一章概述 年发布的科技白皮书中对战后发展有概括性的论述：第二次世界大战结束时， f = l 本保存下来的最大资产就是国民经过努力和培养所具有的智慧。经过巨大变革 科学技术领域在对人爿和资源投入的再分配后，日本国民将聪明和智慧，与不 懈的努力相结合，不断地解决所遇到的各种困难，并务实地面对时代所提出的 课题，从而取得了今天的繁荣。”：”1 我国政府也非常重视科技的重要性，早在 1 9 6 3 年，毛泽东同志便指出“科学技术这仗，一定要打，而且必须要打好”， m - 邓小平同志提出了“科学技术是第一生产力”这一重大的科学命题，在随后的 我国各届政府都非常重视科技，在社会逐渐形成了一股崇尚科学的风气。 然而科技的竞争归根到底是人才的竞争，只有具备了大量的科技人才，j + 能 在世界科技潮中率先发展高科技，在科技竞争中取得优势。因此，在世界范围内 的科技竞争需要一批又一批的科技人才。而这些人才又不是凭空出现的，只能通 过教育的方式柬解决，所以人才竞争归根到底又是教育的竞争。为了取得教育的 优先发展，各国都采取了一定方式，方面加大对教育的投入，例如美国为培养 本国人才，提出了为二十一世纪而教育美国人和美国为二十一世纪准备师 资的报告；韩国实行“人才第一”的战略，政府决定从1 9 9 1 年到2 0 0 1 年，每 年按国民生产总值的0 1 递增教育经费；另一方面逐渐实现教育的多样化，大 力发展科普教育。n “ l1 ，2 科普教育的产生和发展 科普事业最早产生在欧洲，1 7 2 2 年出版的百科全书，科学、艺术和工艺 详解词典，促使现代科普教育的丌展，这部百科全书是由被西方科学界誉为“科 普事业的鼻祖”的法国大哲学家狄德罗( d e n i sd i d e r o t ，1 7 1 3 年1 0 月5 同1 7 8 4 年7 月1 3 日) 和达兰贝尔等人编制完成的，如果我们把科普教育产生的时间从 这时算起，到现在已有二百多年的历史了。m 科普教育的一些特点使得它在教育中有非常重要的作用：首先在教育方式方 面，它的教育方式灵活多变，可以在课堂上讲，也可在田间，在工厂等不同地方 旖教，可以采用课本为主要的题材，也可采用实物，多媒体，图片等不同的题材； 其次在评价方式上，没有考试，文凭等条条框框因素的约束：最后在教育对象上， 笙二里塑堕一 也没有严格限制，例如，1 9 5 6 年苏联的岩石学专家列别金斯基在曾经写的一篇 名为大同火山群的科研论文中，提出大同周围的火山是休眠火山而不是死火 山，过一段时间会再次喷发的观点，当时，阅读此文的都是些专业人士，所以并 没有引起很大影响，但在随后的8 0 年代，这篇文章被某个杂志以科普短文的形 式发表了出去，结果在社会上引起了很大的震动，最后只能出动一些相关方面的 专家出面解释才把事件平息，m 由此可见，科普内容很容易被接受，科普文章的 读者群是非常广泛的。 1 i 3 、天文科普教育的重要作用 天文科普教育是非常重要的，除了具有一般科普教育的作用外，由于它所涉 及的内容主要是天文学方面的，所以与天文学有着比较密切的关系。 天文学是人类最早发展的自然科学之一，无论在我国，还是在国外，它在人 们心目中的影响力是非常巨大的，同时它也是和人们的日常生活接触最为紧密的 自然科学之，从古到今，天文学都起到了比较重要的作用。因而对于天文学的 普及教育就显得非常重要了。 ( 1 ) 对古代天文学知识进行科普的重要作用 无论是四大文明古国，还是随后的希腊文明，印加文明等，在它们的发展过 程中，天文学都对社会发展起到了非常重要的作用。对古代这些天文知识的普及， 有利于人们了解历史，吸取一些古人在认识领域内的好的经验。比如古埃及人通 过确定天狼星的方位，而确立了太阳历，并以此来安排农时；我国大约从3 0 0 0 年 前起便有“御前天文学家”，各朝各代都设置了专门的官职，对一些特殊的天象 进行观测，比如日食、月食、流星等。我们为了更好地从古代的天文学中学到一 些好的做法，所以应该对当时天文学的作用进行一下简单概括。天文学在古代的 作用主要体现在下面几个方面：( 1 ) 制定历法，比如西方的太阳历，太阴历，我们中 国农历等都是通过天文来确定的，通过这些历法来确定时间，安排农时等这对人 们了解现在的历法如何形成，有着什么样的规律起到了很好的参考作用；( 2 ) 可 第一章概述 以根据相对于太阳、北极星、北斗星、天狼星等特殊天体的位置来确定方位，这 种定位方式到现在还具有重要的应用价值，比如在野外；( 3 ) 天文学在这么久的 发展过程中，保留下来了大量的观测记录，通过这些记录我们可以确定很多事情， 比如对历史上重大历史事件发生年代的确定和对现代天文学发展的影响，这旱举 两个简单的例子，武王伐纣是我国历史上的一个重要时刻，对于这一时刻，很多 人有着不同的看法，郭沫若认为是在公元前1 0 2 7 年，而著名的史学家范文澜却 认为是在公元前1 0 6 6 年，双方争论不休，最后我国著名天文学家张钰哲，根据 历史上对于这一历史时刻的记载“武王伐纣东面而迎岁，至汜而水，至共头而坠。 彗星出而授殷人其柄。”语出西汉淮南兵略训，大概意思是说武王伐纣的时 候向东面迎着木星进军，到了汜水下了雨，到共头山时发生山崩。根据彗星轨道 参数，确定了这颗彗星便是哈雷彗星，从而推算出了发生时间应在公元前1 0 5 7 ， 后又经出土的西周青铜铭文加以确认一4 】另一个重要的例子是关于筮状星云，见 图1 1 ，在我国宋代的时候，曾经记录过一次超新星爆发，宋史天文志记载： “客星出天关东南可数寸，岁余稍末”，宋会要中记载：“嘉佑元年三月，司天 监言：客星没，客去之兆也。初，至和元年五月，展出东方，守天关，昼见如 太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日”( 图1 - 2 ) ，后来，人们在研究蟹状星 云时，发现它是超新星爆炸的遗迹，并推测出了爆炸的时间，发现这个时间和我 国宋代记录的这次记录非常吻合，从而验证了这种推测理论的正确性。所以，对 于古代的天文知识的普及和教育有着非常重要的作用。 蟹状星云 c r a bn e b u l 8 图1 2 宋代记录 f i g u l - e 卜2 t h en o t ei ns o n g d y n a s t y 一 一 圈 一 第一章概述 ( 2 ) 普及现代天文学的重要作用 上面谈到的科普对象是古代天文学，现代的天文学与人们的日常生活联系比 较紧密，所以这些知识的普及是非常重要的。天文学为现代科技的发展做出了不 可磨灭的贡献，有许多内容可以作为科普的好题材。哥白尼天体运行论的发 表点燃了人们的心灵，开启了近代科技发展的大门；伽利略用制成的天文望远镜 对月球的观测，标志着实验物理学的发展；牛顿万有引力理论的提出，则打 开了人们探索宇宙的大门；爱因斯坦“广义相对论”理论，把两种截然不同的概 念时问和空间，连在了一起，使之成为了一个整体，使时空转换成为了可能， 从而转变了我们以前对于时空的认识。这种转换使我们认识到了正确的物理规律 是客观存在的，并不依赖于参考系等的变化而变化，“广义相对论”以及随后发 展起来的“大爆炸理论”，为我们提供了一个梯子，可以从中探索宇宙的过去， 现在和未来等。现代的天文学可以说是个大的金库，只要我们好好地利用，就可 以对人们的思想产生积极的影响。 现在的天文学在实际的应用中也有着非常重要的，除了以天文为主导的空间 探测领域外，在其他的许多领域内也占据着举足轻重地位，比如在远程通讯过程， 我们需要用到人造卫星来传输信息，但由于太阳风暴对地球的磁场和人造卫星有 着比较强的影响，所以为了提高通讯水平，必须对太阳风进行研究；而在定位领 域内，可以用人造卫星，但是用这种方法定位时，会受到一些条件的限制，这时， 我们可以采用恒星或星系来定位：也可以通过天文来确定时间，例如依靠脉冲星 等特殊的星体，利用它们在旋转的周期上非常固定的性质；我们也可以研究一些 星系的演化和周期等方面的因素，来推测我们银河系的演化发展过程，进而可以 研究太阳系的发展过程等，总之，天文学是一门既古老又很年轻的科学，不仅在 古代占据着非常重要的作用，在现代，也在快速地发展变化，对我们的日常生活、 科技发展、国防建设、空间探测等方面，都有着非常重要的作用。 天文知识的普及，对于人们树立正确的价值观和人生观，可以起到非常积极 的意义。但是我们也要看到，天文知识非常多，内部的联系比较丰富，这为我们 的科普工作带来了一定的难度，这就促使我们寻求新的科普方法，因而我们引入 了概念图。 第一章概违 1 2 概念图的起源和主要特点 概念图是种通过图形结构而处理问题的工具。由于其在教育教学以及实践等 领域都产生了很好的效果，所以引起了人们的关注。 概念图起源于心理学的发展。本节主要讲述概念图的起源发展问题，并对概 念图的主要特点进行概括。 1 2 1 概念图的起源 上世纪6 0 年代末西方教育界在认知领域的一些专家之间一场大争论：儿奄 是否能够理解诸如能量等一系列抽象的概念，n o w k 教授等人认为，儿童通过自 己的经验和在学校学习中所获彳导的有关概念起决定作用；而皮亚杰教授等人强调 非常抽象的认知操作能力只起次要作用。争论的结果便是概念图的原型一 t o i m a n 的“认知地图”的产生。m ， 概念图的理论基础是奥苏贝尔的学习理论。这个理论主要包括三个方面：第 一，在学习过程中，把握知识点的结构，比单纯地死记知识点更重要：第二，学 习应该成为有意义的学习，这种有意义的学习是把以前所学的知识认知构体系和 现在要学的知识点都用符号表达出来，然后建立了非人为、非任意的本质性的联 系；第三，学习应重在对前后知识的理解和把握，弄清知识点、知识体系之间的 关系。“”他的这种有意义的学习理论，成为概念图来源主要的理论依据。概念图 的制作过程是由他们自己完成的，所以便使学生由被动地学转变为主动地学。奥 苏贝尔强调了在教学中应该积极运用以下两个组织原则：其一，应用先行组织者 前导构架，即可对所要学习的高度抽象与概括化的教材做简要的提示，它可以帮 助学习者了解新教材的相关观念、观点，指出教材的相似点与相异点，防止干扰 的影响，增强记忆。这一方法用在不同的学习方式中同样有效，因此，教学时必 须就学科内容以多层次分明的方式安排概念，运用渐进分化策略，先教最普遍、 涵盖最广的概念，涵盖较少的概念次之，最后是比较特殊的信息；其二，综合贯 通，所教的观念和内容必须与以前所学的观念贯通起来，从而可以产生有意义的 联系，否则将会产生学习者对前后所学内容混淆不清，不了解教材间的关系，导 1 0 致教和学脱节，不能达到课程目标，不能把以前所学到的知识用于新的学习之中。 倒卜3 脚蝌层扶 f i g u r e l 3 n c t w o r k i b e r a r c h y 随后q u i l l i a n 和c o l l i n s 提出了概念的网络概念( 如图1 3 ) ，里面提到 了网络层次的思想；n o v a k 和g o w i n 综合运用上面的知识，于1 9 8 4 年首先发展 了概念图这一工具，并把它应用于教学，起到了非常好的效果，随后这一工具向 着其他的方向和领域( 比如产品的研制和开发，生产流程设计等方向) 发展。 1 2 2 概念图的特点 由于概念的普遍性，常使人们从不同的角度去研究它，并且不同的学科，对 概念有着不同的描述。例如，从哲学上看，概念是事物本质特征的反映；而从逻 辑学上看，概念却是一种反映对象或其属性的思维形式，具有其恒定的“内涵” 与“外延”，但总体来说，概念具有以下的特点： ( 1 ) 与人类的概念分层密切相关； ( 2 ) 以感知经验为基础，经过思维活动而产生； ( 3 ) 任何一种概念通常都以具有为社会所接受的一般意义的词或词组来表示。 由此，概念可定义为“人们以感知经验为基础，通过思维活动而产生的，对 两个以上的对象、事件及活动的共同特征的概括，通常以具有一般社会意义的词 或词组来表示。” 军富 一葶搴囱零宝 第一章概述 上面我们已经就概念图的起源进行了分析，下面我们将透过对人脑的分析转 入对概念图特点的分析。人脑的左半脑主要同逻辑思维、象征性关系和对细节的 逻辑分析有关，担负言语、概念、分析、计算等任务；右半脑主要同形象思维、 空间和知觉有关，具有对音乐、图形、整体性映象和几何空间的鉴别能力：人的 大脑两半通过连接而相互作用。人的大脑除了具有时间维度逻辑以及思维能力之 外，同时还具有空间维度的直观思维和形象思维的优势，直观思维关注的是事物 之间的空间关系，而形象思维则关注的是事物的属性。“73 如果说语言文字是逻 辑思维的工具，则“图”就是直观思维和形象思维的可视化的工具。最早根据人 脑特征来研究形象思维工具的是2 0 世纪6 0 年代英国的托尼巴赞( t o n y b u z a n ) ， 他创造了一种以直观形象图示来标识概念之间关系的一种记笔记的方法，并出版 了世界畅销书 u s ey o u rh e a d ) ) ，托尼巴赞还和他的同伴巴利巴赞( b a r r y b u a z a n ) 一起创作了( ( m i n dm a pb o o k ) ) ( 思维导图) 。与托尼巴赞研究思 维导图的同时，在美国康乃尔大学，j o s e p hd n o v a k 博士根据奥苏伯尔( a u s u b e l ) 的先行组织者学习理论开始了进行节点代表概念、连线代表概念间关系的概念图 研究。“图”的非常直观的形象特征，让人们能够从整体上把握事物，容易使人 产生创新的火花。在具体运用的时候，根据不同的需要可以应用不同的图形，如 森林图、植物图( 图卜4 ) 、生态图( 图卜5 ) 、控制图等问题来求解；利用思 维导 图卜4 概念图举倒( a ) ”1罔卜5 概念图举例( b ) ” f i g u r e l 一5m i n d m a pe x d m p l e ( b 图柬形成想法；利用概念图、窗式图等来撰写报告；利用流程图或环形图来说明 甲鹭占 一 。 一 ，鱼 一。 ) 文章，是讨论天文上测得的高能x 射线和t 射线产生来 第三章概念图制作过程及重要价值的实例验证 源的科研论文。观测事实显示了只在这两个波段有着周期性的抖动，其余波段比 如光学部分则没有。在对这个问题的分析中我便是采用概念图来完成的。这篇论 文已被中国物理学报收录，按照上节所述制作概念图的步骤，我们得出概念 图? 一嬲下面我们简单地回顾一下分析的过程。 1 、提出问题 我们通过望远镜对星体m k n5 0 1 进行观测时，找到了高能的x 射线和t 射 线，并且只有这两个波段存在着一个2 3 天的抖动周期，其余如光学波段、射电、 红外、紫外都没有这个抖动。已经知道这类天体产生此类辐射与该天体的喷流有 着很大的关系，并且是由于某个地方的不稳定导致这类现象的发生。对应此问题， 做概念图如下( 困3 1 6 ) ，然后我们探讨发生这种辐射的原因。 o 罔3 - 1 6 辐射概念图( a ) f i g o r e 3 一1 6r a d f al i o f t 剐n d m a p ( a ) 2 、分析问题 圈3 17 辐射概念圈( b ) f f g u r e 3 1 7 鼢dj a t i o n n d m a p ( b ) 分析问题的过程，也就是按照已知条件层层推理的过程，我们利用概念图容 易在图中标示的特点，通过图形进行推理。在图上进行推理时，我们用黑色表示 确定的过程或结果，用红色表示假设的部分，用蓝色表示不可能出现的情况。 ( 1 ) 假若是喷流直接产生光线的不稳定性被我们观测到，经分析后会发生如图 厨3 一t 7 现象，即同时应该能观测到其它波段，比如光学等部分发生此类抖动， 但实际上却没有，所以此种假设不存在。 ( 2 ) 搜索一下相关的文献，看对此类问题有无不同的观点。我们看到在文献” 中谈至4 ，喷流( j e t ) 中会有一个a d a f 盘，对j e t , 产生很大的影响( 留3 1 8 ) 第三章概念国制作过程及重要价值的袋例验证 r a ，_ 矿 辐射进入 辐射被观测 悔 陶：j - j 8 辐射概念罔( c ) l g u r e 3 一】8r a d i a t l o rm 1 n d m a p ( c ) 图3 一1 9 辐射概念图( d ) f i g u r e 3 一】9r a d i a t i o nm i n d m a p ( d ) 我们把此种解释放置到所研究的问题上，得图了一，鼠再分析此图时，我们发现 不会出现自相矛盾的地方。 3 、解决问题 在完成第2 部分的分析后，我们发现原来是存在一个a d a f 盘的原因，导致 此类现象的发生。最后作图如下( 留3 - 2 0 ) 。 从这个问题的分析处理过程，我们可以看出，用概念图分析问题，具有思路清晰、 结构简练的特点。所以学生们用它来处理天文科普问题中，有着非常好的应用价 值。 罔32 0 辐射概念图( o ) i g u r e 32 0 腑d i a t i o nm i n d m a l ( e j 阳3 2 i电容概念囝【4 引 f i g u r e 3 + 2jc a p a c l t a f l c em l n d m a p 第三章概念图制作过程驶重要价值的实例验证 3 2 2 、描述方法 概念图还可用在解释一些比较复杂的处理问题的处理过程。在2 0 0 5 年己发 表的一篇科研论文“”上，谈到了一种求解充满不规则电解质的平行扳电容器电容 的解法。文章涉及概念图( 留? 誓，) 。现做如下解释： 1 、对平行板电容器整体进行分析，把串联部分和并联部分分开。对于比较复杂 的电容层层进行分解； 2 、对于所划分的最底层次，采用电路中“串并联”的相关解法分别进行求解； 3 、按照处理复杂电路的方法，再层层地把各部分电容求出，最后求出总的电容。 由此可见，用概念图来解释实际问题，实际上是在原有的解释方式上增添了 支翅膀。学生通过这种图文并列的解释方法进行学习或解决问题，比用单纯的 文字描述会起到更好的效果。 第四章综述和展望 本章作为论文的结尾，总结全文，展望未来。共包括三部分内容：首先， 对全文进行概括；其次，阐述论文还存在的问题；最后，总结以后的研究方向 和发展重点。 4 1 文章综述 用概念图来发展天文科普教育，是一个新鲜的事物，概括全文，主要包含内 容如下： ( i ) 用概念图发展天文科普时，学生是主体。概念图制作的如何，科普的好 坏，主要取决是否最大限度地发挥了学生的主观能动性。老师在科普过程中，起 引导、辅助的作用； ( 2 ) 在制作天文科普的过程中，科学思想和科学方法的普及和教育是非常重 要的。概念图中的联络部分体现了这两部分内容，所以在制作天文科普的过程中， 应该注意这部分内容； ( 3 ) 概念图不仅体现在教育的过程中，对于我们分析一些头绪比较多的问题， 得出一些好的方法上面，也有非常重要的作用； ( 4 ) 用概念图发展天文科普，对于提高同学们之间的团结合作能力，具有非 常重要的作用： ( 5 ) 概念图发展天文科普有一些比较先进的教育理论，另外对于贯彻实行国 家新的课程标准会起到非常积极的作用； ( 6 ) 解释了概念图的制作过程。 4 2 论文需要进一步拓展的地方 由于本人时间和精力的限制，还有很多与此有关的工作没有做。所以本研究 第四章综述和展单 存在一些应该继续拓展的地方，主要体现在以f 方面。 1 、要建立实践基础 由于这是一个全新的问题，所以在选题和组织材料上付出了大量的时间，造 成最后没有时间进行科普实践工作。不过现在研究中心对于这个问题正在进行更 加深入的研究，相关的实践工作也开始实施。在下一届研究生的硕士论文中，将 会体现这一部分。 2 、没有实际考虑经济的因素 当面对一些结构简单的天文科普问题时，用概念图发展是否必要? 概念图发 展天文科普，是否具有比较高的价值比? 3 、是否导致学生忽略对于知识的学习? 利用概念图这种方法发展天文科普时，由于非常多地重视了学生主观能动性 的培养，这样导致了学生把比较多的时问用在图形的制作和问题的讨论上，那么 他们用于学习主体内容的时间就比较少了，这样会不会对他们的学习产生一定的 影响? 4 3 进一步研究的设想 通过前面的研究，我们可以发现用概念图来发展天文科普教育是可行的， 并且有着非常广阔的发展前景。面对天文科普这个大课题，我们还需要做