課程介紹

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光譜特色課程影片

       天文研究在過去十年,因為各重要天文衛星及地面天文望遠鏡觀測技術的突破,因此有了相當重要的進展,而這些成果也多以雲端資料庫的方式呈現於網際網路空間,供人自由搜索與下載使用。本計畫在北一女中物理、化學、地科、資訊、數學、英文共六科教師的共同合作及相關領域(包含清華大學天文研究所、臺灣師範大學科學教育研究所、政治大學圖書資訊研究所)教授指導下,以『光譜』為主題,抽取出該主題在天文上所應用到的部分,研發適合融入現有高中物理、化學、地球科學與資訊等課綱之課程。我們已完成4個課程模組,其課程架構如圖,每個模組課程均為6小時,內容涵蓋理論與實作,並大量融入資訊科技,將其應用於科學學習、議題處理與分析上。所設計的教學內容雖為目前最尖端的科學研究方向與內涵,但是所需之教學器材與設備,不受學校地域與規模之限制,盡量採用一般高中可取得之設備。而本研究採用模組式課程規劃,方便教師視教學需要與課程進度,可以提取所需課程模組進行教學。如果整合所有課程模組,則可以作為高中天文專題研究課程之前導課程。

 

 teaching table01 

 

課程模組融入數個國外知名機構之免費線上天文資料庫(例如: SDSSSloan Digital Sky Survey)、可供資料分析與應用的自由軟體、各類教學平台等,詳細如下表。教案研發以探究式教學為設計主軸,著重在學生動手操作、進行實驗與互動討論。因此各課程模組除了可單獨應用在各科教學中,也可結合成為專題式研究課程的前導式訓練課程,可進階地帶領中學生踏上天文研究的殿堂。雖然設計的教學內容包括目前最尖端的科學研究方向與內涵,但只需要基本資訊網路與設備,不受學校地域與規模之限制,適合在各中學進行推廣使用。 

  

 軟體或資料庫名稱 於教學上的用途 

Sloan Digital Sky Survey 簡稱SDSS

 The SDSS is one of the most ambitious and influential sky surveys. Its data have been released to the general public.
Galaxy Zoo It is an online astronomy project to assist in the morphological classification of large numbers of galaxies.
SAOImage DS9 It is an astronomical imaging and data visualization application
TOPCAT It is an interactive graphical viewer and editor for tabular data
VIREO project The laboratory exercises that illustrate modern astronomical techniques using digital data and color images.
Audacity  It is a fast multi-track audio editor and recorder.
Tracker  It is a free video analysis and modeling tool to be used in physics education.

 

  

  

模組一  光譜入門  簡介 

 

本模組課程目標為認識光的基本特性和光譜之基本概念,共分成三個課程:(1)探索光譜;(2)干涉與分光;(3)自製光譜儀,每個課程均為2小時。課程內容簡述如下:

  1. 探索光譜  透過不同氣體的燄色觀察,引發學生對光譜的興趣,利用三稜鏡觀察不同光源的色散現象,進而了解不同色光在同一介質中的折射角度不同,造成色散現象。最後,藉著介紹氫原子光譜,講解連續光譜與不連續光譜的差異,並且說明不同的電磁波段是觀測、認識宇宙的利器。

  2. 干涉與分光  除了折射色散之外,透過光柵觀察實驗,引出學生對於不同分光方式的發現。利用雙狹縫干涉實驗,以及水波的疊加,介紹建設性干涉與破壞性干涉,並推廣至光波的干涉,再次說明與歸納光柵分光的實驗結果。

  3. 自製光譜儀  說明分光是將不同的色光分佈到不同的空間位置,因此,利用光碟繞射原理,動手製作CD紙盒分光儀,並使用數位相機拍攝透過自製分光儀產生的各光源光譜影像。進一步,還可利用自由軟體Tracker,讀取相片檔中,光譜光強度與波長的數據。接著,利用Excel軟體將光強度與波長的數據,繪製成光譜圖表(graph)

 

模組二  天文觀測工具  簡介

 

        本模組課程目標乃配合問題討論,引導學生歸納出天文觀測的基本原理,並說明天文觀測儀器的功用與限制。同時,利用天文資料庫網站,免費下載天文觀測資料,利用免費之天文分析軟體,比較各波段觀測之天文影像差異,並進行多波段觀測影像合成活動,以使學生能更深刻理解多波段觀測天體的不同。共分成六個課程:(1)多波段觀測的宇宙;(2)『Colors of Stars in the SDSS』活動;(3)恆星的Color Index ;(4)天體的三色影像合成;(5)天文望遠鏡的觀測原理-以光學望遠鏡為例;(6)天文觀測的限制,每個課程均為1小時。課程內容簡述如下:

  1. 多波段觀測的宇宙透過不同波段的天文照片,引起學生動機,並觀察不同波段觀測影像的差異。利用黑體輻射曲線互動軟體,探討不同溫度之黑體其黑體輻射之異同。並以宇宙微波背景的輻射曲線Excel檔案,讓學生以互動方式根據黑體輻射曲線特性推論目前的宇宙溫度。最後,帶領學生認識Galaxy Zoo與SDSS計畫。

  2. Colors of Stars in the SDSS』活動帶領學生下載最新天文觀測線上資料庫數據,並且使用Excel將所下載各星體的各波段的星等資料進行繪製SED (Spectral Energy Distribution )圖。並且,根據自行繪製之圖形,回答有關星等、黑體輻射曲線相關之提問,以及運用Excel進行簡單運算,觀察各濾鏡星等相減所得到的Color Index大小與溫度的關係。

  3. 恆星的Color Index討論『Colors of Stars in the SDSS』學習單的問題,並介紹同一個星體其各波段所測量的星等大小會不一的現象,進而點出該圖可作為一種恆星不同波長能量的分佈圖(Spectral Energy Distribution)。再利用學習單,引入色指數(Color Index)的定義,以Excel進行運算得到恆星之色指數(color index),並說明天文上「色指數」概念與意涵。

  4. 天體的三色影像合成學習操作天文影像分析軟體DS9,認識其基本功能,並以DS9軟體進行多波段影像合成與影像相關資料收集。

  5. 天文望遠鏡的觀測原理-以光學望遠鏡為例說明天文望遠鏡的三大主要功能及其原理,進而分析不同天文影像品質與望遠鏡功能之間的關係。

  6.  天文觀測的限制說明地面觀測的限制因素,以及因應的觀測策略,進而延伸至討論太空的環境對天文望遠鏡的觀測影響。讓學生以小組方式進行資料閱讀,再透過互相討論、總結與分析比較可見光與紅外線天文望遠鏡資料。最後,由老師總結不同波段望遠鏡在天文上觀測的必要性與其多樣的觀測策略。

 

模組三  恆星演化  簡介 

 

本模組課程目標為認識不同光譜特性在天文研究上的作用。能根據恆星之觀測資料繪製出赫羅圖,並據此探討恆星之特性及恆星演化的過程,瞭解核融合反應與恆星生命史的關聯。共分成三個課程:(1)太陽光譜;(2)星口普查-赫羅圖的繪製與分析;(3)核融合與恆星的演化,每個課程均為2 小時。課程內容簡述如下:

  1. 太陽光譜探索陽光暗線現象、學習操作光譜儀觀察不同光源的光譜及透過教師主導的實驗來引介吸收光譜的概念透過數據資料處理,引導學生可以從諸多光譜中發現陽光的吸收線與原子的發射線是可以相互對應的關係。最後,透過Excel的操作處理光譜資料,學生可將太陽暗線對應至原子光譜,完成不同原子的對照線。

  2. 星口普查-赫羅圖的繪製與分析 教師透過Hipparcos恆星特性關係圖的繪製引發學生解答將恆星進行分類的方法。學習如何根據不同特性之資料,使用Topcat軟體進行圖形繪製,最後引導學生根據恆星資料繪製赫羅圖,並透過挑選不同物理特性之恆星樣本所繪製的圖表,比較其異同。

  3. 核融合與恆星的演化複習太陽暗線光譜所能提供的資訊,並引導學生思考週期表中許多元素都是利用核融合製造出來的,以積木拼裝活動引導學生思考核融合反應有其質量限制,並無法一直融合下去。透過赫羅圖可以反映恆星演化的各個階段,進一步了解核融合與恆星演化的關聯。

 

 

模組四  宇宙論   簡介   

 

      本模組課程目標為認識各種宇宙距離測量方法、並透過閱讀英文科普文章與瞭解我們對宇宙的認識、接觸最新宇宙論的實地觀測方向與欲解決之難題。共分成三個課程:(1)宇宙距離的測量;(2)模擬天文台 + 宇宙˙Size;(3)現代宇宙論簡介,各課程均為2小時。課程內容簡述如下:  

  1. 宇宙距離的測量解說天文常見的距離單位:天文單位、光年、秒差距,與測量天體距離的方法:①視差法、②光度法、③光譜視差法透過指導學生利用「視差法」、「光度法」測量LED燈的距離,利用「光譜視差法」測量星體的距離活動認識各種宇宙距離測量方法的適用範圍
  2. 模擬天文台 +宇宙˙Size 介紹與示範如何操作虛擬天文台軟體(Project CLEA),讓學生體驗操作虛擬望遠鏡進行觀測的流程與方法,引導學生應用虛擬光譜儀收集目標星體光譜,討論都卜勒效應的表現與在天文上的應用,最後進行資料收集後的作圖分析與判讀,並進一步介紹當今的宇宙觀。
  3. 現代宇宙論簡介透過引導學生閱讀英文科普文章,由上下文脈絡,理解掌握關鍵字彙字義,進一步繪製文章中的宇宙結構圖。藉由文章閱讀,增進對宇宙論的理解,瞭解科學家如何認定我們處在加速膨脹的宇宙。除了讓學生知道科學研究觀測資料蒐集與理論假設提出之間的不同外,也能在課程之後,持平而嚴謹地修改自己對宇宙的了解的觀點。

 

Comments  

 
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