淺談高校天文選修課的開設思路

▍蘇州大學電子信息學院 竇玉江

作為自然科學六大基礎學科（數學、物理學、化學、天文學、地理學、生物學）之一，天文學稱得上是古老而美麗的一個學科。同時，現代天文學又與數學、物理、電子、計算機、機械、考古、生命科學等多個學科互為關聯，交叉發展，每一次天文學的重大突破都會對人類文明和現代科學技術產生重大而深刻的影響。自20世紀70年代至今，先后有11個項目17位天文學家因為在天文學方面的卓越貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。

然而，我國各類高校中開設天文課的不超過50所。因此，基于加強高校大學生的天文素質教育，開設高校天文公選課就變得十分有意義了。

一、開設高校天文公選課的必要性

美國國家天文學聯盟副主席肯·威爾科克認為：“對于學生，天文學是檢驗他們一生對科學興趣的最好方法。”目前，幾乎所有的發達國家都十分重視大學生的天文素質教育，同時學生本身也對天文學產生了濃厚的興趣。在西方，甚至很多大學生唯一選修的自然科學課程就是天文公選課。

相對而言，我國的天文科普教育做得有些薄弱。2014年，好萊塢推出的天文科幻商業大片《星際穿越》在我國上映時，甚至出現了年輕情侶因看不懂劇情而發生爭執乃至分手的新聞。

當代大學生是未來推進我國各方面事業建設和發展的核心力量，在大學教育階段為他們構建完整的知識體系，規避因高考指揮棒帶來的功利性應試教育而導致的狹窄知識面就顯得很有必要了。

二、當前高校天文公選課的教學現狀

高校天文課的量與質不僅關系大學生的科學素養與國民素質的提高，而且關系天文事業的發展。世界上許多國家，包括某些發展中國家，大學開設天文課十分普遍，甚至中學就已開設。我國卻不是這樣，據統計，每年接受天文教育的在校大學生不超過萬分之五。

近年來，為提高大學生的人文素質和科學素養，促進知識結構的合理化，以利于各學科間的相互滲透，各高校紛紛開設公共選修課，加強通識教育。筆者所在的蘇州大學也于2016年開始開設天文公選課，每年選修的人數超過300人。作為學校開設的眾多選修課中的一門，天文公選課需要精心設計規劃。目前，高校學習風氣普遍比較浮躁，“必修課選逃，選修課必逃”已經成為一句口號。很多學生面對必修課還可能迫于壓力而認真學習，但到了選修課則只是應付形式混學分而已。造成這種現狀的原因，一方面是高校本身對選修課的重視程度不夠，導致學生的不重視；另一方面是授課教師對課程內容的設計和對授課方式的選取不夠吸引學生。

三、天文公選課的設計思路

高校天文公選課要面向不同專業、不同知識背景的學生，有些同學有比較好的數學和物理基礎，而有些同學在自然科學領域的知識儲備還處于高中階段（如一些文科生），因此講授深度需要合理安排。另外，為了提高學生的學習興趣，教學模式要靈活多變，不能僅限于傳統教學的課堂講授。因此，設計好天文公選課需要進行多方面的考慮。

（一）教學內容設計

面對不同專業背景的學生群體，教學內容安排不宜過深。因為目前國內學生在天文方面涉獵比較少，所以教學內容應以“掃盲”為主，盡量少介紹那些晦澀難懂的內容，盡可能少地闡述公式。同時，兼顧教學的系統性，可將較為全面的天文知識向學生傳播。筆者在蘇州大學開設的天文公選課——仰望星空，采用南開大學蘇宜教授編寫的《文科天文》為教材，按照由小到大、由近及遠、由易到難的順序向學生講授，課程構架體系如下表所示。

仰望星空課程體系設置

第八講 地外文明第九講 宇宙的創生與終結

（二）多媒體教學設計

天文學有著比其他學科更吸引人的地方——美麗的天文圖片。絢爛的星空、美麗的天體，這些資源可以幫助我們把課程PPT制作得更加美觀，從而激發學生的學習興趣。然后，較多地編輯、整理教學視頻（如BBC的天文紀錄片）播放給學生，動態的畫面可以幫助學生建立最直觀的印象，如行星撞擊地球的畫面可以給學生留下深刻的印象。觀看視頻除了是一種視覺的享受外，也可以放松大腦，達到學習和放松的平衡，因此受到很多學生的喜愛。

（三）前沿知識引入

天文學是一個不斷向前發展的學科，每一年都有前沿的研究成果出現。如，2016年LIGO科學合作組織兩次宣布探測到來自宇宙深處的引力波，在天文學界和物理學界引起轟動；2016年7月3日，由我國建造的全球最大的球面射電望遠鏡FAST落成，為地球安上了探索宇宙的“天眼”。再比如，2017年5月26日，地基極端巨大望遠鏡——歐洲極大望遠鏡（European Extremely Large Telescope，E-ELT）正式在智利奠基，建成后將是全球最大的光學望遠鏡，旨在探索外星生命等天文前沿問題，預計2024年開光。這些有影響力的事件令人振奮，讓學生在學習傳統天文學的同時又不斷了解最前沿的信息，使得課堂教學也與時俱進。

（四）課外參觀引導

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”課堂上所能展示的內容終究有限，現代教學不同于過去，教學條件已經大幅提高，要充分利用社會資源盡可能多地向學生展示科學成果，讓學生近距離觀看觀測設備，有助于學生現場提出問題并獲得答案。如2018年11月，筆者授課班級參觀了位于上海松江區的中國最大的拋物面射電望遠鏡——天馬望遠鏡（如圖所示）。當時參觀的同學看到接收陣面分為主陣面和副陣面兩部分，就直接提出問題：“為什么設計時要設計兩個陣面？直接把饋源放到主陣面的焦點上不是更簡單嗎？”當然，這涉及卡塞格林式望遠鏡的優點，如果不是現場參觀，初學者是問不出這種水平的問題的。

天馬望遠鏡

（五）師生互動學習

單方面的講授式教學很容易讓學生疲憊、走神，如果學生能參與進來成為該課程的“主人”之一，則往往能夠收獲較深刻的理解。同時，學生通過自學獲得的體會又會對老師有所啟發，雙方都能有所收獲。蘇州大學天文課將期末考試設計為一些小的課題，由學生按照興趣選擇，并組隊調研、書寫報告，然后在課堂上演講，接受老師和同學的提問。在一定的壓力作用下，學生往往準備得較充分，在完成期末考試的同時不僅收獲了知識，還獲得了團隊協同工作的經驗。

四、老師的修養與提高

宇宙學中存在很多不易理解的概念，比如大爆炸時才出現了空間和時間、宇宙的有限無界結構等，這些概念無法通過日常經驗得到。另外，在天文選修課的教授過程中，一些深奧的物理問題是無法繞開的，比如，宇宙大爆炸理論中會涉及時空量子化、恒星演化中會涉及核聚變、宇宙結構和黑洞的講解中會涉及時空彎曲、平行宇宙中會涉及量子態糾纏等。要想講授清楚，老師需要涉獵不同學科的知識，不斷提高自己；而且還要有計劃地參加一些天文教育會議和培訓班，通過交流來豐富自己的學識及教學經驗。