FAST望遠鏡紙模型設計及相關天文科普課程開發

摘"要：國家在科學普及和學科發展方面都對天文學科普教育提出了要求。本文以世界最大單口徑射電望遠鏡——FAST望遠鏡為切入點進行天文科普產品開發，設計了一款能更好用于科普實踐的FAST望遠鏡紙模型產品。基于STEM教育理念，結合FAST望遠鏡紙模型，設計了射電天文科普課程。FAST望遠鏡紙模型可生動反映“主動反射面”和“饋源索支撐”兩大工程特點，價格低廉，適用于個體或團體手工實踐課，也可作為科普道具使用，在具體科普活動中取得了良好的教學實踐效果。

關鍵詞：天文學；科普教育；紙模型

Abstract：The"country"has"set"development"standards"for"astronomy"popular"science"education"in"the"areas"of"scientific"popularization"and"academic"development.This"developed"astronomical"science"popularization"products"centered"around"the"world's"largest"single"dish"radio"telescope，the"FAST，and"designed"a"paper"model"of"the"FAST"telescope"that"can"enhance"science"popularization"efforts.This"radio"astronomy"science"popularization"course"is"based"on"the"STEM"education"philosophy"and"combined"with"the"design"of"the"FAST"telescopenbsp;paper"model.The"FAST"telescope"paper"model"vividly"illustrates"two"key"engineering"features：the"\"active"reflecting"surface\""and"the"\"feed"cable"support\".The"product"material"used"is"affordable，making"it"suitable"for"both"individual"and"group"handicraft"practice"sessions，as"well"as"serving"as"props"for"science"popularization"activities.It"has"gained"popularity"among"audiences"during"science"popularization"events"and"has"yielded"significant"teaching"outcomes.

Keywords：Astronomy;Science"Popularization"Education;Paper"Model

天文學是六大基礎學科之一，與其他自然學科有著十分密切的關系。目前，雖然天文學沒有納入中小學課程體系中，但國家一直支持天文學相關科普活動及學科發展。2016年《中國公民科學素質基準》［1］中提出中國公民應掌握基本的天文知識；2022年《關于新時代進一步加強科學技術普及工作的意見》［2］中提出大力弘揚科學精神和科學家精神、提高民眾的科學素養和科學意識；2023年《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案》［3］中，提出“建強數理化生等基礎理科學科專業，適度擴大天文學等緊缺理科學科專業布局”。進一步加強天文學科普力度，不僅符合國家對科普工作的要求，也可以培養更多愛好天文學的中小學生，引導更多學生投身天文學科發展，為國家學科專業調整優化工作做貢獻。

2016年，目前世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（Fivehundredmeter"Aperture"Spherical"radio"Telescope，FAST）在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼落成啟用。這一重大科技事件，引發了我國民眾對天文學的強烈熱情。FAST望遠鏡的落成啟用作為我國在射電天文學發展歷程上的一項重要里程碑，選擇FAST望遠鏡作為天文科普載體，能夠增強公眾對FAST望遠鏡和射電天文的認知，提高民眾民族自信心。

科學普及的形式多種多樣，如科普講座、科普課程、研學活動、科普讀物等。為更好地吸引中小學生參與到天文科普活動中，本文基于STEM教育理念，制作了一個FAST望遠鏡紙模型，并開發相關射電天文科普實踐課程，用于進行一系列射電天文科普活動。

1"FAST望遠鏡模型發展

目前，圍繞FAST望遠鏡射電天文科普活動已有大型可動式FAST望遠鏡模型、3D打印可拼裝FAST望遠鏡模型、FAST金屬拼裝模型、FAST木板拼裝模型等多種模型。不同的模型有著各自的優缺點，但都不能滿足本文科普課程開發要求。

大型復合材料可動式FAST望遠鏡模型，由復合材料制造，通常設計有電動裝置，其反射面和饋源艙可以模仿實物運動，還原FAST望遠鏡運動情形。此類模型可以在外觀細節、運動方式，甚至周圍地形地貌上還原FAST望遠鏡真實情況，展示度最好，但該模型成本高、占地面積大、維護難度大，通常只適合固定展廳使用。

3D打印可拼裝FAST望遠鏡模型，通過3D打印技術制作出來一組模型部件，可由用戶自行拼裝。3D打印用于制作復雜的結構，可以較好地還原FAST望遠鏡工程特點。該模型重復利用率高，維護方便，可用作科普課堂重復使用。

FAST金屬拼裝模型為金屬材質制成，可以自由拼裝。該模型同樣能較好地還原FAST望遠鏡實際情況，耐損耗。但在組裝時，金屬尖銳部件可能會對組裝者造成傷害，存在一定的安全隱患。

FAST木板拼裝模型成本低，容易拼裝。但由于受木板模型拼裝方式限制，無法反映FAST望遠鏡反射面工程結構特點，還原度較差。

本文希望有一種同時滿足還原度高、制作成本低的小型拼接FAST望遠鏡模型，能讓中小學生動手拼裝并作為參加科普活動成果帶走，也可用作教具很好地講解FAST望遠鏡工程的特點。以上模型均無法滿足需求，所以本文選擇使用紙模型的形式自主開發一種FAST望遠鏡紙模型。

紙模型是一種將模型設計圖紙打印在紙上，通過裁剪、粘貼等操作，制作成立體模型的一種制作形式。在國外已經有了部分望遠鏡紙模型先例，如澳大利亞帕克斯64米口徑射電望遠鏡、日本的野邊山天文臺45米望遠鏡、美國阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列、日本岡山天體物理觀測所188厘米口徑反射望遠鏡。國內目前尚未有天文望遠鏡紙模型產品。FAST望遠鏡紙模型，是以一種紙面上的形式，將FAST的設計圖呈現在科普受眾面前。受眾再根據FAST紙模型開發對應的科普課程，按照FAST望遠鏡建設歷程一步一步搭建FAST望遠鏡紙模型，寓教于樂，動手學天文，使受眾能夠對FAST望遠鏡及射電天文學有進一步了解。

2"FAST紙模型設計

2.1"設計思路

FAST望遠鏡主要由格構柱、圈梁、饋源塔、索網、下拉索、反射面、饋源艙和測量基墩等幾部分組成。其中，圈梁由50根格構柱支撐，索網架設在圈梁上，索網有2225個節點，每個節點之上有一個下拉索，下拉索連接著促動器，通過控制促動器來改變索網的形狀，在索網上鋪設有4450塊鋁合金面板構成望遠鏡反射面。圈梁外圍有6座饋源支撐塔，6根饋源索從塔上引出，牽引饋源艙至指定位置。此外FAST望遠鏡還有24個測量基墩，測量基墩頂端的全站儀可以對反射面形狀和饋源艙位置姿態進行測量。

FAST望遠鏡具有“主動反射面”和“饋源索驅動”兩大工程特點。FAST望遠鏡工作時需要將部分反射面由球形變為拋物面，從而將來自宇宙的射電信號匯聚到焦點處，此為“主動反射面”。而“饋源索驅動”則是通過伸縮饋源索調節饋源艙位置至焦點處，以收集天體射電信號。

通過與FAST望遠鏡外觀數據比對，考慮到需要在常規紙張尺寸下，盡量把模型做大，保證模型觀感，最終選取1∶3333的比例來復刻FAST望遠鏡。在設計過程中，按照FAST望遠鏡主要外觀結構進行復刻，對細節進行簡化，調整部分結構相對比例。比如，將實際的50個格構柱改為10個格構柱并將其適當放大，取消了下拉索、驅動器、全站儀、標靶、24個測量基墩等與FAST望遠鏡工程特點關系不大的細節；忽略地形，將格構柱、饋源支撐塔都放置在同一平面。

為反映“主動反射面”這一特點，采用5根棉線模擬FAST望遠鏡反射面5根主索，將FAST望遠鏡反射面直接放置于5根棉線相連的“索網”上（如圖1所示）。為反映“饋源索驅動”，使用6根棉線代表饋源艙支撐索，將饋源艙與饋源支撐塔通過這6根棉線連接起來，把饋源艙懸掛于反射面之上。

2.2"設計過程

首先，本文采用“六角大王”建模軟件對其FAST望遠鏡各個主要結構進行建模設計。其次，借助“紙藝大師”軟件對FAST紙模型的3D建模圖進行分解、切割和展開并進行適當的調整，完成FAST望遠鏡各個部件的平面展開圖設計。值得注意的是由軟件自動展開的結果并不合理，需要進行適當調整。最后，將FAST望遠鏡的圈梁、格構柱、反射面等部件平面展開圖進行合理排布以方便打印，并將圖紙編排成冊。為了增強模型適用范圍，模型冊中包含有制作說明，并針對各主要結構設計了FAST望遠鏡小知識，可以讓用戶自主拼裝，并在組裝的過程中對FAST望遠鏡實際情況有所了解。拼裝后的FAST望遠鏡紙模型實物如圖2所示。

3"科普課程開發

STEM教育模式融合Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數學）四門學科的知識，強調動手學習、情景學習，在實踐中強化學生對知識點的掌握。STEM教育理念具有趣味性、體驗性、情景性、協作性、技術增強性等核心特征，在課堂教育、科普教育中都有很好的實踐效果。對于天文學而言，受限于設備與觀測條件，利用實際觀測開展STEM教育難度較大，通常借助合適的模型教具或軟件工具進行STEM教育，有少量成功的先例［4，5］。FAST望遠鏡紙模型的成功開發，是運用STEM教育理念進行基于FAST望遠鏡的射電天文科普課程設計的有力保障。

科普課程的第一個環節是了解FAST望遠鏡的基本情況。先向學生展示FAST望遠鏡實物照片，講解FAST望遠鏡基本結構；然后通過播放FAST望遠鏡建設過程的照片、視頻，讓學生了解FAST望遠鏡建設過程。

第二個環節是動手制作。簡單介紹FAST望遠鏡紙模型拼裝方法，播放模型拼裝視頻，讓學生模仿FAST望遠鏡建設過程拼裝FAST望遠鏡紙模型。在此過程中，學生可以切實了解FAST望遠鏡各主要部分的功能，親身體驗FAST望遠鏡建設過程。

第三個環節基于制作完成的FAST望遠鏡紙模型，向學生講解FAST望遠鏡工作原理，比如，讓學生通過拉動饋源索以調整饋源艙位置姿態，同時向學生講解FAST望遠鏡如何觀測不同位置的天體。針對不同年級的學生，可以選擇難度適中的內容，講解FAST望遠鏡的科學用途。通過互動式、一問一答的教學形式，在課堂上以學生為主體，解答學生心中疑惑，激發學生對天文的興趣和好奇心，培養科學探究素養。

我們將該課程實際應用到貴州省都勻市某小學課后天文興趣課堂中。實踐表明，通過動手組裝FAST望遠鏡紙模型，能更好地激發學生的學習興趣。通過以組裝后的FAST望遠鏡紙模型為教具，可以更好地調動課堂氛圍，讓學生生動地理解FAST望遠鏡工程特點，同時激發學生對后續FAST科學目標等科普內容的學習熱情。

總結

目前，我國天文學科普教育仍有待進一步加強。本文通過以FAST望遠鏡為切入點，進行射電天文學科普，加強公眾對射電天文的認知程度。本文設計了一款FAST望遠鏡紙模型，并基于STEM教育理念，將該模型用于射電天文學科普課程中。FAST望遠鏡紙模型不僅較好地還原了FAST望遠鏡的外觀，還展現了它“主動反射面”和“饋源索驅動”兩大工程特點。在貴州省都勻市某小學進行的科普實踐中，FAST望遠鏡紙模型及相關科普課程寓教于樂，受到學生的熱烈歡迎，并取得了較好的教學效果。

參考文獻：

［1］科技部，中宣部.關于印發《中國公民科學素質基準》的通知［EB/OL］.（2016418）.https：//www.gov.cn/gongbao/content/2016/content_5103155.htm.

［2］中共中央辦公廳，國務院辦公廳.關于新時代進一步加強科學技術普及工作的意見［EB/OL］.（20220904）.https：//www.gov.cn/gongbao/content/2022/content_5710610.htm？eqid=ecee4cff0009746700000003648aeb2c.

［3］教育部，國家發展改革委，工業和信息化部，等.關于印發《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案》的通知［EB/OL］.（20230221）.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202304/04/content_5750018.htm.

［4］陳宇新.基于STEM教育理念的校外天文科普教學探究［J］.中國校外教育，2019（S1）：5152.

［5］江林焱，萬俊桃，張立云.STEM教育理念在非天文高校天文教育中的實踐［J］.長江叢刊，2021：9697.

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目“追星筑夢——射電天文科普活動輔助教具設計”（項目編號：202310670088）；貴州省教學內容和課程體系改革項目“射電天文方法與技術實踐課程改革”（項目編號：2022334）

作者簡介：代宇（2003—"），男，土家族，貴州銅仁人，本科生，研究方向：天文學。

*通信作者：喻業釗（1989—"），男，漢族，廣東揭陽人，博士研究生，副教授，主要從事射電脈沖星、射電天文方法、天文科普教育方面的教學及科研工作。