《現代天文學》的教學設計

劉文潑 周青軍

摘要：《現代天文學》是中國民航大學面向全校本科生開設的一門自然科學類選修課程，該課程以激發學生探索熱情和創新精神為核心目標，自2012年開課以來，深得學生們的歡迎。本文從宏觀（總課程）和微觀（一節課）兩個不同尺度介紹了《現代天文學》課程的教學設計。在宏觀設計上，我們分析了課程的教學背景，并著重介紹了課程任務、課時設置、課程特色及課程的評價標準。在微觀設計上，我們則結合“火星”這一具體章節從教學方法、教學過程和教學總結三個方面談了如何上好一節天文課。從教學效果來看，我們的方案設計合理、成效顯著，有效地調動了學生們的探索熱情和創新積極性。我們將在今后的教學實踐中進一步完善這套方案，以期達到最佳效果。

關鍵詞：現代天文學;選修課;教學設計;宏觀設計;微觀設計

中圖分類號：G642.4 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）05-0199-03

一、前言

天文學是建立在堅實的觀測基礎和嚴密的數理邏輯之上的一門科學，在人類文明進程中始終扮演著重要角色。她不僅讓我們領略了宇宙之美，還激發了我們探索自然的熱情——這是創新的原始推動力。華裔諾貝爾物理學獎得主楊振寧博士，在一次演講中談到他就是受到一本天文科普讀物的啟蒙才踏上了探索自然的征程[1]，而且他在近90歲高齡時仍然保持著對外在世界的好奇心并在前沿科學領域進行著創新性研究——這也許是天文科普教育激發人類創造熱情的最杰出的例子。大學生，朝氣蓬勃，是構建創新型社會的生力軍，如果在他們當中適當開展天文學科普教育，激發他們的探索熱情，對于他們快速成長為創新型人才是非常有益的。本著這一目的，我們在中國民航大學開設了面向全校本科生的《現代天文學》選修課程（自然科學類）——這填補了中國民航大學沒有天文選修課的歷史空白。自2012年開課以來，深得學生們歡迎，課程評教數據[2]如下：2012-2013學年評教結果：95.066（參評學生人數：168;有效參評學生人數：152）;2013-2014學年評教結果：96.592（參評學生人數：395;有效參評學生人數：355）;2014-2015學年評教結果：96.825（參評學生人數：189;有效參評學生人數：171）。

在第二和第三部分，我們將分別從宏觀（總課程）和微觀（一節課）兩個不同尺度來闡述《現代天文學》的教學設計。第四部分是總結。

二、宏觀（總課程）設計

首先分析一下教學背景：（1）學生情況分析：中國民航大學綜合了工學、理學、管理學、經濟學、法學等不同學科[3]，由于存在較大專業跨度，全校本科生的數理基礎是參差不齊的（有些專業對大學數學和大學物理不做要求，比如外語專業），因此作為面向全校本科生的選修課程（自然科學類），《現代天文學》應以激發學生們的探索熱情為教學目標;（2）教材內容分析：我們主要借鑒了南京大學羅新煉（個人通信交流）、中國科技大學向守平[4]、南開大學蘇宜[5]等老師的教學材料，為了反映最新天文前沿成果，我們還結合了最新的天文新聞報道，這也體現了《現代天文學》課程的現代性和前沿性。

考慮到上述教學背景，我們制定了《現代天文學》的課程任務：通過對天文學總攬式的了解和對天文學前沿課題的追蹤，讓學生們在領略宇宙之美的同時，激發他們的原創精神和探索熱情，并讓他們認清自己在宇宙中所處的位置和肩負的使命，從而樹立正確的人生觀和價值觀。了解當前國人在太空中的種種努力和取得的初步成果，逐步增強學生們的愛國主義熱情和民族自信心。

具體地，《現代天文學》共36學時，以理論教學為主，還包括了一些簡單的天文實測項目，例如觀測月球、太陽黑子等。目前中國民航大學擁有4架星特朗天文望遠鏡（3架80EQ，1架127SLT），可以滿足基本的近地實測要求。2014年10月8日晚，我們帶領學生觀測了月全食這一奇妙天象，圖1為當晚“紅月亮”過后楊明同學（學號：110641127）利用星特朗127SLT望遠鏡拍攝到的月球圖像。天文實測項目的上課時間視天氣和天象情況而定。

為了調動對天文感興趣學生的積極性，我們在選課系統中發布了精心設計的選課“廣告”：小時候有沒有想過星座是什么？天上有沒有外星人？星星為什么眨眼睛？宇宙是怎么起源的？這些有趣的問題都能在《現代天文學》中找到答案。在本課程中，我們將結合最新的觀測星圖，開啟探險的歷程，一起搜尋宇宙的寶藏。本課程只需要你帶著一顆好奇心就夠了，還等什么呢？

得益于良好的教學效果和學生們對星空的好奇，選修《現代天文學》課程的人數眾多，有時甚至超過千人，但由于教室容量和個人精力所限，只能滿足部分同學需求，課程容量通常設定為160～200人。

下面談一談《現代天文學》課程的特色：（1）體現天文的現代化和前沿化。現代科技的迅猛發展為現代天文學提供了各種先進的觀測手段，而這將帶給我們許多新奇的天文現象和知識。國內外近幾年在建或者建成使用的大型觀測設備層出不窮，國內的如中國科學院國家天文臺的郭守敬望遠鏡，該望遠鏡是目前國際上光譜獲取率最高的王-蘇反射式施密特望遠鏡——這使得中國在光纖光譜的大規模觀測領域居于世界前列[6]。而正在建設中的FAST（500米口徑球面射電望遠鏡），將成為世界上最大的單口徑射電望遠鏡，其靈敏度和分辨率都將刷新單天線射電望遠鏡的世界紀錄，可以預期，未來FAST投入使用，將使我們在相關領域取得舉世矚目的成就[7]。國外的如NASA于2008年6月發射的費米伽馬射線太空望遠鏡，該望遠鏡自發射以來在伽馬射線天文學領域取得了一系列開創性成果[8]，開闊了人類的視野;（2）受南京大學天文與空間科學學院羅新煉老師啟發，我們在《現代天文學》課程教學中鼓勵學生們自由組隊針對某一個課題調研討論并上臺進行展示，而團隊間相互競爭——目的在于提升學生們的團隊創新能力和自我展示能力。具體地，就是讓學生們自己找合作者并組成團隊，每組至多10人（由一個隊長負責該團隊的管理，而總結性發言由組員推選，報告共同署名，最好寫清楚各自貢獻）。在課程開始的前幾周，組長們陸續將名單交上。而在課程的后幾周，老師留給學生們幾節課進行團隊展示比賽（每組展示10分鐘左右），課堂上教師對每個團隊的成果進行現場點評并指出其中的不足（課后老師結合學生們的評價給出各個團隊最終的分數）——通過成果展示和教師點評可以點燃學生們的探索熱情。

我們在《現代天文學》教學過程中形成了如下評價標準：個人分數由團隊報告得分和個人出勤率共同決定。不參加組隊展示者，交一篇紙質論文（按照期刊論文格式）也可以，但是分數相對低。

以下為《現代天文學》論文參考題目（不局限于這些題目）：

1.民航和天文的關系？

2.設計一種新型空間射電望遠鏡方案？

3.如何在月球或近地行星上建立天文臺？

4.一種新型的測距技術？

5.如何探測黑洞？

6.人類起源和天文的關系？

7.中國天文學簡史及籌劃中國天文學的未來？

8.一種新的月球形成模型？

9.地外文明存在么？

10.宇宙這個概念有意義么？

11.用WWT軟件制作一部太陽系方面的作品？

12.設計一種新型星際旅行方案？

13.星座神話和天文的關系？

14.文學與天文的關系？

15.如何探測和預言地震？

16.南極天文臺及如果提高遠程傳輸和維修？

三、微觀（一節課）設計

要講好一門課，除了要從宏觀（總課程）尺度上做好規劃之外，更要緊的是要優化微觀設計——也就是要下功夫準備每節課。那么如何講好一節《現代天文學》課呢？通過近三年的教學實踐，我們總結了一些教學心得，下面我們從教學方法、教學過程和教學總結三個方面來談一下這個問題：

1.教學方法：a.以啟發式教學為主，并加強互動討論，可以通過向學生提出一些有趣而開放的問題來活躍課堂氣氛;b.通過多媒體展示一些精美的天文圖片和有趣的天文視頻。高健和張文昭（2013年）介紹了在天文選修課中引入一些優秀的天文科普記錄片的心得[9]，這也給我們一些啟發;c.在講授一些比較抽象的天文概念時，可以適當運用類比方法。

2.教學過程：a.引入主題：為了激發學生們的探索熱情，在引入主題時盡量使用一些視覺沖擊力較強的天文圖片;b.說文：中外相關文化介紹并進行科學批判;c.談天：介紹相關的現代觀測并給出可能的理論解釋。

3.教學總結：a.讓學生們用簡短的話語總結和評價一節課的內容，并給出建議;b.最后老師進行點評，列出參考文獻，鼓勵學生進一步研究。

下面，我們通過“火星”這一節課來展示《現代天文學》的微觀教學設計：

1.引入“火星”主題（10分鐘）。先通過多媒體展示震撼的銀河系圖像，并指出太陽系在銀河系中的位置，慢慢放大太陽系圖像至整個畫面，鼓勵學生們自己尋找這堂課的主角“火星”，鼓勵學生們談一下對火星的認識？詢問他們小時候有沒有想象過“火星人”是什么樣子？人類可以去火星上生活么？

2.說文（15分鐘）——介紹中外與“火星”相關的文化并進行科學批判。中國古代稱火星為“熒惑星”——因為火星亮度變，而且相對地球的軌道有時很詭異——用現代天文學解釋這兩個現象。講述晉代干寶《搜神記》卷八“星外來客”篇章——這是關于“火星人”預言三國歸晉的故事[10]——或許是人類歷史上首次“記載”人類與外星人接觸的科幻故事——體現了中國人的想象力和傳統文化的魅力。火星在西方文化故事里屬于“戰神”，而梅西則是足球界的“戰神”（起到一點活躍氣氛的作用）。

3.談天（20分鐘）：“火星”的現代觀測并給出可能的理論解釋。介紹人類向火星發射的各種探測器，并展示火星最新的觀測圖像。鼓勵學生們根據火星探測數據（表面溫度、空氣成分等環境數據）想象火星生命的形式和樣子（如果存在的話）。鼓勵學生想辦法改造火星，使之變成一個適宜人類居住的星球。

4.以小紙條的形式，讓學生們用簡短的話語總結和評價這節課的內容（4分鐘）。

5.最后老師列出參考文獻，鼓勵學生進一步研究（1分鐘）。

利用上述教學設計方案講授的《現代天文學》課程得到了學生們的較高評價。例如劉暢同學（學號：110542119）評價說：老師的課生動，畫面真實感強，講的透徹易懂，具有吸引力，能把復雜的問題興趣化，幽默風趣。胡潤同學（學號：101044306）寫道：老師的課讓人容易接受，幽默詼諧，知識全面。劉霏霏同學（學號：110641414）認為：老師的授課方式注重與現實結合，與同學互動，注重吸引同學學習興趣、積極性。呂珂珗同學（學號：100741117）說：老師講的內容比較有趣易懂，還聯系了生活實際。陳昕堯同學（學號：100441504）道：老師的課通俗易懂，因為沒有太過專業的知識要求，也可以調動學生的積極性，適合我們這些非專業的學生學習。姜安同學（學號：101143310）發表了類似的看法：老師講的比較通俗，可以讓我們這些非理科專業的人能對天文學產生興趣，而我們選擇這門課能有興趣學一些東西就足夠了。

學生們是該套教學設計方案的參與者和受益者，他們是最有發言權的，能得到學生的肯定是非常令人欣慰的。

四、總結

我們從宏觀（總課程）和微觀（一節課）兩個不同尺度介紹了《現代天文學》的教學設計。從逐年增長的課程評教分數[2]和學生們對課程的較高評價來看，我們的方案設計合理、成效顯著。我們將在教學實踐中進一步完善該套方案，期望該課程可以最大限度地激發學生們的探索熱情和創新精神。

參考文獻：

[1]張苗，董旭明.楊振寧浙大演講，兩小時沒喝一口水[N].錢江晚報，2014-04-15：A0016.

[2]中國民航大學.本科生教務管理系統（2012-2013學年，2013-2014學年，2014-2015學年）[DB/OL].[2015-07-12].

http：//jwgl.cauc.edu.cn/.

[3]中國民航大學學校簡介[DB/OL].（數據截止至2015年5月）[2015-07-12].

http：//www.cauc.edu.cn/zh/1.html.

[4]向守平.天體物理概論[M].中國科學技術大學出版社，2008.

[5]蘇宜.文科天文[M].科學出版社，2010.

[6]中國科學院國家天文臺.郭守敬望遠鏡主頁[DB/OL].（數據截止至2015年7月）[2015-07-12日].

http：//www.lamost.org/.

[7]中國科學院國家天文臺，FAST主頁[DB/OL].（數據截止至2015年7月）[2015-07-12日].

http：//fast.bao.ac.cn.

[8]NASA.費米太空望遠鏡主頁[OL]，（數據截止至2015年7月）[2015-07-12].

http：//fermi.gsfc.nasa.gov/ssc/.

[9]高健，張文昭.科普紀錄片在天文通識課程中的應用[J].大學物理，2013，32（7）：55-58.

[10]干寶.搜神記[M]，卷八（星外來客），東晉.