宇宙学 K12 · 10 节课完整课程方案

适用对象：小学 3~6 年级 / 初中 1~3 年级
每次课时长：90 分钟
课程理念：每节课分 2 个递进阶段——阶段一为知识探究，阶段二为实践创作。只有完成阶段一才能进入阶段二。
工具准备：Stellarium 开源天文馆软件、笔记本、彩色笔、手工材料（剪刀、胶水、卡纸、手电筒、乒乓球等）

课程总览

第 1 课：我们的地球家园（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：地球在宇宙中的位置（45 分钟）

知识目标：理解地球→太阳系→银河系→可观测宇宙的层级关系

教学内容：

• 宇宙层级结构：地球是太阳系八大行星之一，太阳系位于银河系猎户臂，银河系只是可观测宇宙中 2 万亿个星系之一
• 尺度感知：
• 地球直径约 12,742 km
• 日地距离约 1.5 亿 km（1 个天文单位 AU）
• 银河系直径约 10 万光年
• 可观测宇宙直径约 930 亿光年
• 光年概念：光走一年的距离 ≈ 9.46 万亿公里，是宇宙中的"尺子"

课堂互动：

• 提问：如果你能以光速飞行，从地球到月球要多久？（1.3 秒）到太阳呢？（8 分钟）
• 类比活动：如果地球是一颗绿豆，太阳有多大？（一个篮球）银河系有多大？（整个北京市）

阶段二：制作太阳系比例模型（45 分钟）

实践任务：

• 根据给定比例尺（如 1 cm = 5000 万 km），计算各行星到太阳的图上距离
• 在长卷纸上标出太阳和八大行星的位置
• 用不同大小的圆球或纸片代表行星（注意木星和土星明显比其他大）
• 观察发现：行星间距越来越大，太阳系其实非常"空旷"

材料：长卷纸（3m+）、彩色卡纸、尺子、标记笔、小圆球/瓶盖

完成标准：模型比例基本正确，能说出八大行星的排列顺序

第 2 课：太阳系大家族（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：八大行星分类与特征（45 分钟）

知识目标：掌握八大行星的基本特征和分类

教学内容：

• 类地行星（岩石星球）：水星、金星、地球、火星
• 体积小、密度大、有固体表面
• 水星：温差最大（-170°C ~ 430°C）
• 金星：最热（462°C），浓厚 CO₂ 大气，逆向自转
• 火星：红色星球，有极冠和峡谷，人类最关注的"第二家园"
• 类木行星（气态巨行星）：木星、土星
• 体积巨大，主要由氢和氦组成
• 木星：最大行星，大红斑是持续数百年的风暴
• 土星：壮观的环系统（冰块和岩石碎片）
• 冰巨行星：天王星、海王星
• 含大量"冰"（水、氨、甲烷），呈蓝/蓝绿色
• 天王星"躺着"转（自转轴倾斜 98°）
• 海王星：风速最快（2100 km/h）
• 其他成员：矮行星（冥王星）、小行星带、柯伊伯带

课堂互动：行星知识抢答赛

阶段二：行星身份证卡片设计（45 分钟）

实践任务：

• 为每颗行星设计一张"身份证"卡片（8 张）
• 每张卡片包含：行星名称、直径、与太阳距离、公转周期、自转周期、表面温度、卫星数量、一句趣味描述
• 用彩色卡纸制作，正面画行星插图，背面写数据
• 按距离太阳从近到远排列展示

材料：空白卡片 ×8、彩色笔、参考数据表

完成标准：8 张卡片数据准确，插图能体现行星特征

第 3 课：仰望星空——星座认知（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：四季主要星座与亮星（45 分钟）

知识目标：认识四季主要星座和最亮的恒星

教学内容：

• 天球概念：我们看到的星空是一个巨大的"天球"，地球在中心旋转
• 四季星空：
• 春季：大熊座（北斗七星）、狮子座、牧夫座大角星
• 夏季：天蝎座、天琴座织女星、天鹰座牛郎星、天鹅座（夏季大三角）
• 秋季：飞马座、仙女座、北落师门
• 冬季：猎户座（参宿四/参宿七）、大犬座天狼星（全天最亮恒星）、金牛座毕宿五
• 中国星官文化：
• 二十八宿体系
• 北斗七星在中国古代导航中的作用
• "牛郎织女"的天文学对应

课堂互动：展示星空图，让学生辨认当季可见星座

阶段二：Stellarium 认星实操（45 分钟）

实践任务：

• 安装并打开 Stellarium
• 设置观测地点为自己所在城市
• 设置时间为当前日期，找到今天日落后西方天空的星座
• 快进时间到不同季节，观察星空变化
• 完成"认星任务单"：记录 4 个季节各 3 个主要星座和 1 颗亮星
• 挑战：找到北极星，理解为什么它几乎不动

材料：电脑（已安装 Stellarium）、认星任务单

完成标准：能在 Stellarium 中快速定位四季主要星座

第 4 课：月相的秘密（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：月相变化规律与成因（45 分钟）

知识目标：理解月相变化的规律和物理原因

教学内容：

• 月相周期：新月→蛾眉月→上弦月→盈凸月→满月→亏凸月→下弦月→残月→新月（约 29.5 天）
• 成因：月球本身不发光，我们看到的月相是月球被太阳照亮的部分从地球角度的投影
• 关键关系：
• 新月时月球在地球和太阳之间
• 满月时地球在月球和太阳之间
• 上弦月出现在农历初七、初八，下午升起
• 下弦月出现在农历二十二、二十三，凌晨升起
• 潮汐关联：满月和新月时大潮（日月引力叠加）

课堂互动：用手电筒（太阳）、乒乓球（月球）和头（地球）模拟月相

阶段二：月相日历制作（45 分钟）

实践任务：

• 在 A3 纸上画一个 30 格的日历（代表一个月）
• 在每格中画出对应的月相形状
• 标注农历日期和月相名称
• 用 Stellarium 验证本月实际月相，与自己画的对比
• 添加观察备注：今晚实际看到的月亮是什么相？

材料：A3 白纸、圆规（画圆）、黑色笔、蓝色/灰色彩笔

完成标准：月相顺序正确，与实际观测一致

第 5 课：恒星的一生（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：恒星从诞生到消亡（45 分钟）

知识目标：了解恒星完整的生命周期

教学内容：

• 恒星诞生：巨大的分子云（星云）在引力作用下坍缩，核心温度升高到点燃核聚变
• 主序星阶段：氢聚变为氦，释放能量——太阳正处于此阶段（已燃烧约 46 亿年，还将燃烧约 50 亿年）
• 恒星的颜色与大小：
• 质量越大→温度越高→颜色越蓝→寿命越短
• 红矮星：质量小、温度低、寿命可达万亿年
• 蓝超巨星：质量大、温度高、寿命仅几百万年
• 恒星的死亡：
• 小质量恒星→红巨星→行星状星云→白矮星→黑矮星
• 大质量恒星→红超巨星→超新星爆发→中子星或黑洞
• 元素工厂：超新星爆发产生比铁更重的元素（金、银、铀等），我们身体中的重元素都来自远古超新星

课堂互动：讨论"我们身体里的金元素从哪里来？"

阶段二：恒星生命周期翻翻书（45 分钟）

实践任务：

• 用 8 张卡纸制作一本"翻翻书"
• 每一页展示恒星生命的一个阶段：
• 第 1 页：分子云/星云
• 第 2 页：原恒星
• 第 3 页：主序星（太阳在此阶段）
• 第 4 页：红巨星/红超巨星
• 第 5 页（小质量路线）：行星状星云
• 第 6 页：白矮星
• 第 7 页（大质量路线）：超新星爆发
• 第 8 页：中子星或黑洞
• 每页画插图 + 写一句话说明
• 用箭头标注两条不同的演化路径

材料：卡纸 8 张、装订工具、彩色笔

完成标准：两条演化路径清晰，每阶段描述准确

第 6 课：神奇的银河系（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：银河系结构与太阳系位置（45 分钟）

知识目标：了解银河系的基本结构和太阳在其中的位置

教学内容：

• 银河系概况：
• 棒旋星系，直径约 10 万光年
• 包含 1000 亿~4000 亿颗恒星
• 中心有一个超大质量黑洞（人马座 A*，质量约太阳的 400 万倍）
• 旋臂结构：
• 主要旋臂：英仙臂、人马臂、矩尺臂、外臂
• 太阳系位于猎户臂（英仙臂和人马臂之间的小臂）
• 距银河中心约 2.6 万光年
• 银河系的旋转：
• 太阳系绕银河中心公转一周约 2.25 亿年（一个"银河年"）
• 银河系也在与其他星系互动（正在吞噬人马座矮星系）
• 银河系在宇宙中的位置：本星系群→室女座超星系团→拉尼亚凯亚超星系团

课堂互动：如果银河系是一个大披萨，太阳系在哪里？（边缘附近的一小块）

阶段二：银河系漩涡模型实验（45 分钟）

实践任务：

• 在一个浅盘/大碗中倒入水和闪粉（代表恒星）
• 在中心放一个小磁铁或重物（代表银河中心的黑洞）
• 缓慢旋转浅盘，观察闪粉形成漩涡臂的过程
• 在纸板上用闪光胶和深蓝/黑色背景制作银河系俯视图
• 标注：银心、四条主旋臂、猎户臂、太阳系位置
• 思考并记录：为什么旋臂比臂间区域更亮？（恒星形成区密度更高）

材料：浅盘、水、闪粉、纸板、闪光胶、深蓝/黑色颜料

完成标准：模型能展示旋臂结构，太阳系位置标注正确

第 7 课：黑洞——宇宙最神秘的天体（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：黑洞的形成与特性（45 分钟）

知识目标：理解黑洞的基本概念和特性

教学内容：

• 什么是黑洞：时空中引力极强的区域，连光都无法逃逸
• 黑洞的形成：
• 大质量恒星（>25 倍太阳质量）燃料耗尽后核心坍缩
• 超新星爆发将外层物质抛射到太空
• 核心继续坍缩到一个无限密度的"奇点"
• 黑洞的结构：
• 事件视界（event horizon）：黑洞的"边界"，越过就无法返回
• 奇点（singularity）：中心无限密度的点
• 吸积盘：被黑洞引力捕获的物质在周围旋转形成的高温盘
• 黑洞的类型：
• 恒星级黑洞（几倍到几十倍太阳质量）
• 超大质量黑洞（数百万到数十亿倍太阳质量，位于星系中心）
• 人类首张黑洞照片：2019 年事件视界望远镜（EHT）拍摄了 M87 星系中心黑洞

课堂互动：如果把地球压缩成黑洞，它有多大？（约一颗弹珠大小，直径约 9mm）

阶段二：黑洞科普海报设计（45 分钟）

实践任务：

• 在 A3 纸上设计一张黑洞科普海报
• 必须包含：
• 黑洞结构示意图（事件视界、奇点、吸积盘、喷流）
• 黑洞形成的简单流程图（大质量恒星→超新星→黑洞）
• 3 个"你知道吗？"趣味事实
• 2019 年黑洞照片的简笔画还原
• 用深色背景 + 亮色文字突出"宇宙神秘感"
• 写一句吸引观众的海报标题

材料：A3 深色卡纸、白色/彩色笔、参考图片

完成标准：结构图准确，信息丰富，视觉效果好

第 8 课：星系宇宙大探索（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：星系分类与宇宙大尺度结构（45 分钟）

知识目标：了解星系的分类和宇宙的大尺度结构

教学内容：

• 哈勃星系分类：
• 椭圆星系（E）：圆形到椭圆形，几乎没有旋臂，恒星多为老年红星
• 旋涡星系（S）：有明显旋臂和中心核球，银河系就是此类
• 棒旋星系（SB）：中心有棒状结构，旋臂从棒端延伸
• 不规则星系（Irr）：没有规则形状，如大麦哲伦云
• 星系群与星系团：
• 本星系群：银河系、仙女座星系（M31）、三角座星系等约 50 个星系
• 室女座星系团：约 1300 个星系
• 宇宙大尺度结构：
• 星系不是随机分布的，形成"宇宙网"（cosmic web）
• 纤维状结构（filaments）和空洞（voids）交替
• 最大的结构：武仙-北冕座长城（长 100 亿光年）
• 可观测宇宙：直径 930 亿光年，包含约 2 万亿个星系

课堂互动：宇宙结构层级抢答（地球→太阳系→银河系→本星系群→…）

阶段二：宇宙网模型搭建（45 分钟）

实践任务：

• 在黑色大纸板（60cm × 60cm）上用白色小圆点贴纸代表星系
• 用白色毛线或细绳连接"星系"，形成纤维状结构
• 留出大片空白区域代表"宇宙空洞"
• 在节点密集处标注"星系团"
• 在模型上找到并标注"我们的位置"（本星系群）
• 拍照记录，写一段 50 字说明

材料：黑色大纸板、白色圆点贴纸 100+、白色毛线/细绳、胶水

完成标准：能展示纤维状结构和空洞，有标注

第 9 课：宇宙大爆炸与暗物质暗能量（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：大爆炸理论与宇宙膨胀证据（45 分钟）

知识目标：理解宇宙大爆炸理论的基本内容和关键证据

教学内容：

• 大爆炸理论：
• 约 138 亿年前，宇宙从一个极热极密的"奇点"开始膨胀
• 不是"爆炸"——而是空间本身的膨胀
• 时间线：大爆炸→38 万年后宇宙变透明（CMB）→数亿年后第一批恒星→数十亿年后星系形成
• 关键证据：
• 哈勃红移：1929 年哈勃发现远处星系都在远离我们，距离越远退行速度越快→宇宙在膨胀
• 宇宙微波背景辐射（CMB）：1965 年发现的"大爆炸余晖"，温度约 2.7K，充满整个宇宙
• 轻元素丰度：宇宙中氢和氦的比例与大爆炸理论预测一致
• 暗物质：
• 星系旋转速度太快，可见物质提供的引力不够→存在看不见的"暗物质"
• 暗物质约占宇宙总质能的 27%
• 证据：引力透镜效应、星系旋转曲线
• 暗能量：
• 1998 年发现宇宙膨胀在加速→某种神秘力量在推动→称为"暗能量"
• 暗能量约占宇宙总质能的 68%
• 普通物质（我们能看到的）只占约 5%

课堂互动：气球实验——在气球表面画星系，吹气球时观察"星系"之间的距离增大

阶段二：暗物质侦探推理游戏（45 分钟）

实践任务：

• 分组进行（3-4 人一组）
• 每组收到一份"星系观测报告"（含星系旋转速度数据）
• 任务：
• 根据可见物质计算星系应有的旋转速度
• 与实际观测速度对比，发现差异
• 推断需要多少"暗物质"才能解释观测结果
• 画出暗物质分布的推测图
• 各组汇报推理过程和结论
• 教师总结：这就是天文学家发现暗物质的方法！

材料：星系观测数据表（教师准备）、计算纸、绘图纸

完成标准：能正确计算差异并推断暗物质存在

第 10 课：人类太空探索与未来（90 分钟） 📖 详细课件 📝 进入考试

阶段一：太空探索里程碑与未来展望（45 分钟）

知识目标：了解人类太空探索的重要里程碑和未来计划

教学内容：

• 太空探索里程碑：
• 1957：苏联发射第一颗人造卫星 Sputnik 1
• 1961：加加林成为第一个进入太空的人
• 1969：阿波罗 11 号，人类首次登月
• 1990：哈勃空间望远镜发射
• 2003：中国神舟五号，杨利伟进入太空
• 2019：事件视界望远镜拍摄首张黑洞照片
• 2021：詹姆斯·韦伯空间望远镜发射
• 火星探索：
• 多个火星车（好奇号、毅力号、祝融号）正在火星工作
• SpaceX 星舰计划：载人登陆火星
• 火星地球化（Terraforming）的设想与挑战
• 系外行星：
• 已发现超过 5000 颗系外行星
• "宜居带"概念：距恒星距离适中，可能有液态水
• TRAPPIST-1 系统：7 颗类地行星，3 颗在宜居带
• 未来展望：太空旅游、月球基地、火星殖民、戴森球

课堂互动：讨论"你最想去的太空目的地是哪里？为什么？"

阶段二：我的火星基地设计（45 分钟）

实践任务：

• 设计一个可容纳 100 人的火星基地
• 需要考虑并标注：
• 居住区（防辐射、保温）
• 能源系统（太阳能/核能）
• 水源（火星地下冰开采）
• 食物生产（水培农场）
• 通信系统（与地球的通信延迟约 20 分钟）
• 紧急逃生方案
• 画出基地平面图或立体透视图
• 写一段 100 字的基地介绍

材料：A3 纸、彩色笔、尺子、参考火星环境数据

完成标准：设计合理考虑了火星环境限制，有创意

推荐学习路径

• 入门（第 1-4 课）：建立宇宙观基础，认识太阳系、星座和月相
• 进阶（第 5-7 课）：深入恒星、银河系和黑洞
• 前沿（第 8-9 课）：星系宇宙学和大爆炸理论
• 展望（第 10 课）：太空探索与人类未来

每节课学完后请参加对应考试，检验学习效果！