測繪工程專業天文學課程設置的探討

汪海洪，羅 佳，羅志才，鐘 波，鄒賢才

(武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079)

一、 引 言

天文學與測繪有著天然不可分割的聯系，人們通常所說的“測天繪地”一定程度上體現了兩者的關系，因此，天文學相關課程(如大地天文學、實用天文測量學等)一直是測繪專業課程體系中的重要組成部分之一。1998年，大地測量、工程測量、攝影測量與遙感、地圖學等測繪類本科專業合并成為測繪工程一個本科專業[1],隨后各高校針對測繪工程專業的課程設置進行了大量研究，并結合各校特點制定相應的培養方案[2-7]。然而，除武漢大學和同濟大學等少數學校外，大多數學校測繪工程專業的培養方案沒有設置天文學相關課程。天文學課程之所以被忽視主要是因為GPS技術的興起，有一種觀點認為，GPS技術出現后天文測量失去了在測繪中的基礎作用并逐漸萎縮，故沒有必要再開設天文學方面的課程。另外，天文學課程的師資缺乏也是一個重要因素。針對這一現狀，本文將分別從素質教育和專業需求兩個方面論述開設天文學課程的必要性，并結合筆者所在單位的教學實踐對測繪工程專業天文學課程的設置和課程內容進行探討，旨在為優化測繪工程專業的課程體系提供參考。

二、開設天文學課程的必要性

1. 天文普及教育是素質教育的重要內容

作為自然科學的基礎學科之一，天文學具有悠久的歷史，幾乎貫穿人類的整個發展過程，可謂人類文明進步的一面鏡子。天文學不僅古老，同時又極具生命力。天文學的研究課題始終都是每個時代科學發展的最前沿，促進著物理學、化學、地球科學等其他學科不斷進步。天文學從其萌芽開始就與人類的生產生活息息相關。“日出而作，日入而息”，遠古時期人類就根據天文現象安排生活作息，并編制歷法、確定節候來指導生產勞動。進入太空時代的今天，天文學與我們的關系更加密切，從日常生活中的時間服務、空間位置確定，到國家戰略性的空間計劃都離不開天文學的支持。天文學還包含了豐富的哲學道理，揭示了自然界固有的辯證法[8]。許多哲學概念都能在天文學中找到例證，如“運動”與“靜止”、“空間”與“時間”、“宏觀”與“微觀”等。人類通過天文學去不斷地認識宇宙，才能正確了解人類自身在宇宙中的位置及與自然界的關系，才能真正意識到人的偉大和渺小，才能真正懂得“天”、“地”、“人”之間和諧關系的重要性。

學習天文學是提高大學生科學素養的一個重要環節。掌握基礎的天文學常識，可增加學生對謠言、迷信和偽科學的辨別能力，同時也可促使他們思考人類自身在宇宙中的地位，樹立正確的宇宙觀。了解天文學的基本概念和新的發現，不僅可以激發學生對科學的探索精神，也有助于培養他們科學、理性的思維。因此，發達國家對大學生的天文普及教育都極為重視，把天文教育作為國民義務教育的重要組成部分。我國的天文教育與發達國家相比雖有較大差距，但是近年來越來越受到教育界的重視，許多高校紛紛開設天文學選修課，并作為素質教育的重要內容[9]。

2. 天文學是測繪學科的專業基礎

測繪技術的產生源于古埃及農田水利建設的需求，而測繪技術的基礎則是天文學。古埃及人通過觀測北極星來確定方向，古希臘人通過觀測日影長度來測定地球的形狀和大小。測繪學的概念定義為研究地球和其他實體與地理空間分布有關的信息的采集、量測、分析、顯示、管理和利用的科學和技術[10]。地理空間分布信息需要測繪基準體系的支撐，傳統測繪基準體系中平面控制網的建立主要依靠天文測量，其起算點的經緯度和起算邊的方位角均是通過觀測恒星天體來確定的。1980國家大地坐標系統就是在20世紀80年代完成的全國一、二等天文大地網基礎上建立的，天文技術在傳統測繪中的重要基礎作用由此可見一斑。

隨著GPS、GLONASS等全球導航衛星系統的出現，傳統測繪中的天文觀測逐漸被GNSS技術所取代。天文學似乎失去了在測繪中的重要作用，導致有人認為測繪工程專業課程體系中沒有必要再開設天文學課程，這種觀點顯然是有誤導性的。以 GNSS 為代表的空間大地測量技術給測繪學科帶來革命性變化，雖然傳統天文觀測技術的應用范圍逐漸縮小，但是天文學對于測繪學科的基礎性作用并沒有削弱。主要表現在：

1) 天文學為GNSS等空間大地測量技術提供了必要的基礎知識。空間大地測量技術的主要特征之一是選擇自然天體或人造天體作為觀測目標或觀測平臺，這些技術所依賴的時空基準，以及所涉及天體的基本特性和運動規律均來自于天文學的研究成果。在空間大地測量時代，隨著觀測精度的大幅提高，必須借助更加嚴密的理論和分析方法處理相關觀測結果。比如，在研究激光測月及地月系動力學機制的問題中，沒有對地月系統復雜空間運動的深入研究，很難發揮高精度觀測結果的效果。在這類問題的研究中，天體力學的知識就非常重要。

2) 現代測繪基準體系的建立和維持仍需天文學的支持。在慣性框架的實現與維持上，恒星星表本身就起基礎性作用。而地球參考框架的實現及其與慣性框架的轉換關系，涉及歲差章動模型，以及地球自轉參數的確定。這些問題無一不與天文學密切有關。

3) 天文學與測繪學科的交叉更加緊密。天文學和測繪學之間本就有許多共同的研究課題，如大地測量學所研究的地球自轉和地球形狀也屬于天文學的研究范疇；作為高精度空間大地測量技術之一的甚長基線干涉測量(VLBI) 同樣也是一種重要的天文學觀測手段。空間技術擴展了人類的探索范圍，也拓展了測繪學的內涵。測繪學的研究對象已不再局限于地球，月球探測、行星探測等深空探測項目逐漸成為研究熱點和重點，從而產生許多新的交叉研究領域，如最近新興的脈沖星導航就屬于天文學和大地測量學的交叉研究領域。

“上知天文、下知地理”這一俗語常用來形容知識淵博，說明高素質人才應當具備一定的天文知識。天文不僅與日常生活息息相關，更與測繪科學關系密切。因此，作為培養厚基礎、寬口徑、高素質、強能力的高級測繪科技人才而設置的測繪工程專業，開設天文學課程非常有必要，對于提高學生的科學素養，增強對專業知識的理解和促進學科間的交叉有著重要意義。

三、課程內容與課程設置探討

天文學是研究天體和天體系統的各種屬性和規律的一門自然科學，其內容十分廣泛，主要包括天體測量、天體力學和天體物理學3個分支。測繪工程專業開設天文學課程不可能也沒必要包括天文學的所有內容，而應該結合專業特點和需求合理設置課程內容，這里僅結合武漢大學測繪學院多年開設天文學課程的經驗對天文學課程的設置和教學內容進行探討。

1. 課程內容

由前一節的討論可知，測繪工程專業天文學課程應具有通識課程和專業基礎課程的雙重特性。作為通識課程，天文學課程應達到天文知識普及教育、天文科學方法與精神教育兩個教學目標[8]。天文知識普及教育主要讓學生了解天文學科知識的輪廓和基本的天文常識，客觀認識與人類生存發展密切相關的時間和宇宙空間，天文科學方法和精神教育則是通過介紹天文學的研究方法和手段幫助學生形成科學的、理性的思維方式。作為專業基礎課程，天文學課程應系統地介紹與測繪學相關的天文學概念和理論，為后續的專業課程學習奠定基礎。根據上述要求，天文學課程應包括以下3個方面的內容：

1) 天文學概況和天文常識。這一類屬于通識課程內容，用于普及天文知識和拓寬知識面，使學生了解天文學基本輪廓和發展狀況，對各種常見天文現象有科學的認識。主要內容包括：天文學的基本概念和研究內容、天文學的發展歷史和研究成果、宇宙概念及星空的劃分、天體的運動及解釋、時間系統、常用歷法、地球和月球的基本特性和相關天文現象解釋、太陽和太陽系其他天體概況等。

2) 天文觀測與天文測量。這一部分主要介紹天文學研究的方法和手段，以及所需的一些基礎知識，具有素質教育和專業基礎教育的雙重性質。內容涉及天球的相關概念，球面三角基礎知識，天球坐標系及其轉換，天文望遠鏡，天體輻射及觀測(天體光度測量、光譜測量等)，實用天文測量(時間比對、天文經緯度測量和方位角測量)，以及現代主要空間探測技術等。

3) 天體力學的基本理論。這一部分屬于較高層次的學習內容，目的是使學生了解天體運動的基本規律，掌握研究天體運動的基本理論與方法，為后續相關專業課程的學習奠定基礎。基本內容應包括：天體力學的基本概念和研究內容、二體問題基本原理、軌道根數、星歷計算、軌道計算、攝動理論、N體問題、天體的形狀和自轉理論、天體力學的相關應用等。

2. 課程設置建議

20世紀90年代之前，我國測繪專業開設的天文學相關課程主要是“大地天文學”和“實用天文測量學”，而且是作為主干專業課開設的。空間技術興起后，天文觀測技術在測繪生產實踐中逐漸被GPS技術所取代，這些課程已經不再適合當前測繪教育的需求。根據前面對天文學課程的教學目標和課程內容的討論，建議測繪工程專業課程體系中設置1～2門天文學相關課程作為通識教育課或專業基礎課。

為了使學生能夠更好地掌握天文學的基本原理，理解天文學與測繪學的關系，天文學課程最好在學習了高等數學、大學物理和測繪學概論等課程之后開設。天文學課程的后續相關課程則有GPS原理及應用、空間大地測量學和衛星重力學等。因此，天文學課程的最佳開設時間是本科二年級。課程的學分設為3～5分，總學時數54～90學時，其中作為通識教育內容的天文學概況和天文常識部分學時數應不少于24學時，第二部分的天文觀測與天文測量學時數不少于12學時，第三部分內容的學時數可視實際情況設置在18～54學時之間。

目前，武漢大學測繪學院的天文學課程設置了“普通天文學”和“天體力學”兩門專業基礎選修課，分別在二年級第一學期和第二學期開設。“普通天文學”課程為2學分36學時，主要包括天球坐標和時間系統、天體的輻射和天文觀測、地球和月球、行星和衛星的運動、太陽系小天體和太陽系起源、太陽等內容。“天體力學”課程為3學分54學時，系統介紹了天體運動的基本理論與方法，以及天體力學在測繪中的應用等內容。這兩門課程已經開設了近10年，取得了良好效果。由于天文學的內容極為廣泛，各學校應根據自己的專業特色設置課程，適當選擇課程內容，合理安排課程學分和學時數。

四、結束語

GNSS等空間觀測技術的發展并沒有削弱天文學在測繪中的重要作用，反而促進了天文學與測繪學的學科交叉。因此，測繪工程專業天文學課程不僅不能取消，而應該受到更多的重視。開設天文學課程既是當代素質教育的要求，也符合測繪工程專業“厚基礎，寬口徑，高素質，強能力”的培養目標。

當前我國測繪工程專業天文學教育不管從天文教育理念、師資隊伍、教材建設，還是天文教學的硬件條件方面都存在許多問題，如從事天文學教學的師資不足，講授的天文學知識偏少甚至沒有，缺少適合測繪工程專業的天文學教材，難以開展天文實習等。武漢大學測繪學院一直在測繪工程專業天文學教學方面進行探索，成立了天文學課程組，編寫了測繪工程專業使用的普通天文學教材。可是這些努力還遠遠不夠，只有各高校的測繪工程專業改變思想，重視天文學課程，讓更多的測繪教育工作者參與進來，才能有效改善測繪工程專業天文學教育的現狀。

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