本科天文學專業(yè)射電天文學課程教學改革實踐

摘""要：隨著我國天文學領域的日益發(fā)展，對射電天文學專業(yè)人才的需求相應增加。黔南民族師范學院開設本科天文學專業(yè)，培養(yǎng)應用型天文人才。圍繞自身毗鄰FAST望遠鏡的地緣優(yōu)勢，針對射電天文領域的需求，大力推進射電天文學教學改革。改革重點在于射電天文學理論課程開發(fā)和射電望遠鏡制作與觀測實踐課程開發(fā)，加強實踐教學，培養(yǎng)射電天文實踐創(chuàng)新型人才。射電天文學課程教學改革實踐表明，部分學生能夠具備較好的實踐能力及創(chuàng)新能力，部分學生繼續(xù)升學深造，改革取得了一定的成效。

關鍵詞：射電天文學；本科教育；實踐教學

近年來，我國天文學科發(fā)展勢頭良好。一批重要的天文觀測設備，如：郭守敬望遠鏡（LAMOST）、五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST）、硬X射線調制望遠鏡（HXMT）、“悟空”號暗物質粒子探測衛(wèi)星、墨子巡天望遠鏡（WFST）等相繼建成投用。中國空間站2米光學望遠鏡（CSST）、清華大學6.5米寬場光譜巡天望遠鏡（MUST）、北京大學6-8米口徑成長型通用望遠鏡（EAST）等一批新設備建設項目正有條不紊地推進。除了科研領域，天文科普領域也有長足的發(fā)展。FAST望遠鏡所在的貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)建立了天文體驗館，上海天文館也已經(jīng)投入使用，西藏天文館已開工建設并將搭載一臺一米級光學望遠鏡，廈門天文館也已開工建設。隨著天文設備及科普場館的增加，對天文專業(yè)人才的需求也日益加大，在這一大背景下，廈門大學、上海交通大學、清華大學等學校建立了天文系；黔南民族師范學院、貴州師范大學、西華師范大學、廣州大學等高校相繼增設天文學本科專業(yè)[1，2]。在2023年2月，教育部等五部門聯(lián)合印發(fā)《普通高等教育學科專業(yè)設置調整優(yōu)化改革方案》更是明確提出：“適度擴大天文學等緊缺理科學科專業(yè)布局”。

基于與FAST望遠鏡同樣位于貴州省黔南州這一地緣條件，黔南民族師范學院開設天文學本科專業(yè)，培養(yǎng)應用型天文人才[3]，并將射電天文學作為天文學專業(yè)本科生主修課程之一。不同于可見光波段的天文觀測，射電天文的觀測往往沒有那么直觀。而且要較好地理解射電天文觀測流程，一般需要有電子、信號處理等相關等方面的背景知識作為支撐。這使得基于實踐的教學方式在射電天文學教學過程中顯得更為重要。本文從黔南民族師范學院天文專業(yè)培養(yǎng)目標出發(fā)，論述了理論課程及實踐課程的設置和教學經(jīng)驗成果。

1"人才培養(yǎng)

1.1"需求分析

從學科發(fā)展角度上看。國內(nèi)天文學研究水平整體雖然仍與世界上傳統(tǒng)天文強國存在一定的差距，但近年來發(fā)展勢頭良好，特別在射電天文領域，隨著FAST望遠鏡的建成投用，射電天文學研究方向正加快趕超歐美等發(fā)達國家。目前國內(nèi)在運行的主要射電天文觀測設備有FAST望遠鏡等11臺望遠鏡，另有4臺重要射電觀測設備正在建設中（見表1）。這些設備的建設、調試、觀測、運行，都需要有射電天文專業(yè)知識背景的實踐創(chuàng)新型人才。

從科普教育發(fā)展角度上看。2016年9月25日，世界最大單口徑射電望遠鏡FAST在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼落成啟用。同年，作為黔南州唯一的本科院校，黔南民族師范學院開始招收天文學專業(yè)本科生。隨著FAST的落成啟用，天文的熱度也在黔南州迅速升溫。FAST附近的克度鎮(zhèn)航龍村以天文體驗館、南仁東事跡館、FAST觀景平臺等場館為主要亮點，打造“天文小鎮(zhèn)”，吸引大批國內(nèi)外游客。圍繞平塘特大橋建設的“天空之橋”觀光服務區(qū)，除了設有橋梁科普館，也結合本地特色開設了天文科普館，并建設有天文臺，同時開展橋梁和天文科普研學活動。黔南州各地，特別是平塘縣，多所中小學也積極開展天文特色教學活動，其中平塘民族中學更是獲評“全國天文科普教育特色學?！?。作為一所地方院校，黔南民族師范學院天文專業(yè)除了培養(yǎng)科研儲備人才，同時也肩負著為地方天文教育、科普、研學產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)專業(yè)人才的任務。也正是由于毗鄰FAST這一重要的射電天文觀測設備，射電天文學自然是相關教育、科普、研學活動的重點，也是黔南民族師范學院天文專業(yè)學生必修課程。

總的來說，不管在科研領域還是科學普及教育領域，對射電天文學實踐創(chuàng)新型人才都有著較大的需求。

1.2"培養(yǎng)目標

射電天文學所涵蓋的天體物理研究領域廣泛，所涉技術手段繁多，不可能也沒有必要要求天文專業(yè)本科生對射電天文學涉及到的領域都有所了解和掌握。考慮到FAST坐落于黔南州境內(nèi)這一地緣因素，從課程內(nèi)容上講，我們旨在培養(yǎng)學生掌握單天線射電望遠鏡基本工作原理和性能描述，了解綜合孔徑射電望遠鏡基本原理，掌握脈沖星、中性氫等射電天文主要研究對象的基本情況及其包含的天體輻射機制。通過前置基礎課程、專業(yè)理論課程、實踐課程的結合，目標在于培養(yǎng)學生在射電天文學上的科學素養(yǎng)、實踐能力及創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生掌握進行射電天文科普的能力，或具備在射電天文領域進一步深入學習的能力。

2"課程設置

天文學是一門實驗的學科。在天文學教學過程中，除了理論課程，還應有實踐課程。理論與實踐并重，才能培養(yǎng)出實踐創(chuàng)新型人才。

2.1"理論課程設置

天文學課程的學習需要具有良好的數(shù)學物理基礎知識，為此設置有高等數(shù)學、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)學物理方法、普通物理、理論力學、熱力學與統(tǒng)計物理、電動力學、量子力學，等數(shù)學物理基礎課程。循序漸進開設專業(yè)課程，在本科低年級開設普通天文學，講授全面的天文基礎知識。后分兩個學期開設天體物理課程，深入講授天體物理專業(yè)知識。在以上大部分課程的學習基礎之上，開設射電天文學，專門深入講授射電天文學專業(yè)知識。此外，為滿足進行射電天文實踐的需要，開設有大學計算機、計算機程序設計（Python）等計算機課程。為引導部分有志于向天文科普教育方向發(fā)展的學生，還開設有科普學概論、天文旅游等課程。

2.2"實踐課程設置

本科階段天文學實驗、實踐主要以天文觀測為主?！镀胀ǜ叩葘W校本科專業(yè)類教學質量國家標準》中也有明確要求，天文學本科必須配備望遠鏡作為實驗儀器設備。對于不同的電磁波波段，天文望遠鏡的形式、所用技術、造價，等不盡相同，以可見光波段的天文望遠鏡應用的時間最早、最易獲得、觀測結果也最為直觀。所以，開設有天文學專業(yè)的學校都具有一定數(shù)量的光學望遠鏡，可進行可見光波段的目視、拍照觀測。與光學望遠鏡相比，射電望遠鏡口徑通常更大，造價通常更為昂貴，原理更為復雜，觀測結果不直觀。因此有些學校轉而通過尋求與擁有射電望遠鏡的科研單位合作，或利用虛擬實驗，開展射電天文實踐活動。

要更好地培養(yǎng)射電天文實踐創(chuàng)新型人才，需要讓學生能“摸到射電望遠鏡”。在資源有限的情況下，黔南民族師范學院：一是爭取資源建設了一臺6米口徑射電望遠鏡，目前已可用于射電望遠鏡指向校準、銀河系中性氫21厘米譜線觀測、地球同步衛(wèi)星觀測、電磁環(huán)境觀測分析，等射電天文實踐活動；二是借鑒國外自制小型射電望遠鏡的經(jīng)驗[4，5]，購置型號合適的衛(wèi)星天線，放大器、濾波器等分立器件，及軟件定義無線定后端，開設自制射電望遠鏡實踐課程，讓學生通過組裝器件自制射電望遠鏡，并進行銀河系中性氫21厘米譜線信號的觀測，充分認識射電望遠鏡的工作原理；三是在計算機程序設計課程中，以天文數(shù)據(jù)的分析處理為題布置作業(yè)及課程設計任務，將計算機編程與天文學有機結合起來；四是組織學生走進FAST觀測基地進行參觀實踐活動，近距離參觀FAST望遠鏡，更好地理解FAST望遠鏡工程特點和工作原理；五是根據(jù)FAST觀測基地需要，選派學生到觀測基地進行專業(yè)實習。

3課程改革實踐

3.1"射電天文學課程開發(fā)

國內(nèi)急缺射電天文學教材，是制約射電天文課程開設的一大問題。目前在版的較為適用作射電天文學教科書的，僅有北京師范大學姜碧溈教授2008年翻譯出版的，由羅爾夫斯和威爾遜編著的《射電天文工具》一書。此書內(nèi)容涉及面廣，難度較大，對本科生來說具有一定的難度。更主要的，該書內(nèi)容側重點與前述培養(yǎng)目標重合度不夠。因此開發(fā)一份內(nèi)容合適的射電天文課程內(nèi)容至關重要。

黔南民族師范學院圍繞FAST地緣優(yōu)勢，確立射電天文課程主要分為單天線射電望遠鏡、綜合孔徑陣列、輻射機制、脈沖星、中性氫等五部分。整體講授觀測頻率以L波段（電磁波頻率1至2吉赫茲）為主的反射式望遠鏡各部分結構功能、工作原理、性能描述；綜合孔徑陣列基本原理；常見的天體輻射機制；FAST重點觀測研究對象脈沖星與中性氫。具體見表2所示。

3.2"射電望遠鏡制作與觀測實踐課程開發(fā)

為配合射電天文理論課程，讓學生通過實踐深入理解所學知識，我們開發(fā)了一套行之有效的實踐課程。實踐課程主要分為兩部分，一為射電望遠鏡的搭建，二為中性氫譜線觀測。射電望遠鏡搭建材料包包括：天線（柵格天線和喇叭天線兩種形式）、放大器、濾波器、軟件定義無線電后端、數(shù)據(jù)采集軟件，可讓學生在搭建過程中掌握射電望遠鏡信號鏈路。通過使用搭建好的望遠鏡對指定天區(qū)進行多次觀測，再通過數(shù)據(jù)處理，獲得銀河系中性氫21厘米譜線積分數(shù)據(jù)，并進一步處理將譜線速度修正到本地靜止坐標系下。再將得到的結果與前人結果做比較，驗證望遠鏡性能，完成實踐課程。

4"取得的成效

在教學資源上，黔南民族師范學院建成了6米射電望遠鏡，并獲批黔南州射電天文重點實驗室，可進行射電天文實踐教學；建成天文科普展廳、天文科普研學教室等場所，獲批貴州省科普教育基地、黔南州科普教育基地，可進行天文科普教育方向實踐教學。

注重學生培養(yǎng)，支持學生申請大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目、參加各類學科競賽。有天文專業(yè)學生掌握自制射電望遠鏡的方法，并可進行相關軟硬件開發(fā)，本科畢業(yè)后已進入FAST觀測基地工作。有天文專業(yè)學生選擇在FAST附近的“天文小鎮(zhèn)”自主創(chuàng)業(yè)，圍繞FAST進行天文科普研學產(chǎn)品開發(fā)及銷售。有天文專業(yè)學生團隊開發(fā)了FAST望遠鏡紙模型，獲國家實用新型專利授權，并已轉化為商業(yè)產(chǎn)品投入市場。相關學生團隊也取得了“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”等多個比賽省級一等獎。自2020年首屆天文學本科生畢業(yè)以來，每年均有學生考取廣州大學、湖南師范大學、云南師范大學等院校天文學或相關專業(yè)碩士研究生。

結語

基于國家天文學科發(fā)展的大背景，及自身地緣優(yōu)勢，黔南民族師范學院以培養(yǎng)射電天文學實踐創(chuàng)新型人才為目標，積極開展射電天文實踐教學改革。通過基礎課程、專業(yè)理論課程及多個實踐環(huán)節(jié)相結合，充分培養(yǎng)學生在射電天文學方向的科學素養(yǎng)、實踐能力與創(chuàng)新能力。通過持續(xù)的實踐教學改革，我們在教學資源建設上，在學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)上，都取得了顯著的成果。

參考文獻：

• 董愛軍，支啟軍，肖文君，等.科研型天文創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的探索與實踐：以貴州師范大學“南仁東”創(chuàng)新人才實驗班為例[J].天文學報，2022，63（04）：117-125."
• 陳鵬飛."天文學院派等待仰望星空的你[J].中國國家天文，"2021，"015（006）：14-17.
• 米立功，肖劍，何婕，等.依托FAST的天文學特色專業(yè)建設探討[J].科技風，"2019，"000（035）：30-31.

[4]PATEL"N"A"，"PATEL"R"N"，"KIMBERK"R"S"，et"al."A"Low-cost"21"cm"Horn-antenna"Radio"Telescope"for"Education"and"Outreach[C]."American"Astronomical"Society"Meeting."American"Astronomical"Society"Meeting"Abstracts"，"2014，"224：415.

[5]PANDIAN"B"A"，"GANESH"L"，"Inbanathan"S"S"R"，et"al."Galaxy"Rotation"Curve"Measurements"with"Low"Cost"21"cm"Radio"Telescope[J].""Indian"Academy"of"Sciences，"2022，"47：68.

基金項目：貴州省教學內(nèi)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）；貴州省教育廳青年科技人才成長項目“伽馬射線暴的累計光度函數(shù)與事件率的研究”（項目編號：KY[2022]098）

作者簡介：喻業(yè)釗（1989—""），男，漢族，廣東揭陽人，博士，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。