《空间环境与探测技术导论》课堂教学实践

尹凡　蔡红涛　周云良　王慧　蔡磊　田茂

摘要：随着中国航天事业的迅速发展，国家对相关人才的需求也迅速扩大，空间环境与探测技术相关课程被引入到是综合性高校本科教学。相关课程内容涉及的知识面较广较深，距离日常生活较远，如果教学只注重公式的推导、概念的解释，数字的罗列，很难吸引学生的学习兴趣。因此必须通过教学方法的改进与实践，来提高学生的理解力和想象力。

关键词：空间环境；空间探测；教学方法

中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）24-0076-02

1 引言

新世纪以来，在国家的大力推动下，中国的空间事业得到深入发展，比如嫦娥工程、载人航天工程、北斗卫星导航工程等都取得了重大突破和成功。为适应国家对相关人才的需求以及人才培养目标的发展趋势，武汉大学电子信息学院于2013年开始在电波传播与天线（国防）以及电子信息科学与技术本科专业引入《空间环境与探测技术导论》课程。为培养空间物理、无线电物理学科高层次创新型人才，2015年在实施“本硕博一体化”人才培养计划中，相关课程又进入拔尖学术人才班本科阶段教学计划。

《空间环境与探测技术导论》课程涉及的知识面较广，主要讨论日地空间环境各种要素的特征和它们之间的相互作用，以及由此引起的物理过程和物理现象，简要介绍可能影响航天器性能的空间环境要素以及某些与空间环境要素相关的探测技术。这些内容涉及多学科内容的相互交叉渗透，相关的知识点分散于基础课和专业课之中，如高等数学、大学物理、电磁场与电磁波等。目前还没有专门针对此课程本科教学的教材，因此如何提高学生学习兴趣，合理安排相关教学内容和方法是一个值得探讨的问题。

对于学生而言，要充分理解课程的知识内容需要有很强的想象力。本课中许多概念涉及的尺度很大，比如空间尺度可以从卫星高度的几百公里延伸到日地距离的上亿公里。如果教师不善于调动学生的想象力，而只强调公式的推导、理论的解释，学生对概念就会缺乏感性认识，往往印象不深，因此对学习感到索然无味。空间环境虽然离我们地面生活环境遥远，但是相关的信息却经常出现在我们的日常生活中。教师要善于把日常生活中出现的这些信息与课堂教学实践相结合起来，充分调动学生的学习积极性，扩大学生的视野。

2结合日常生活经验调动学生的想象力

空间环境的诸多概念和我们日常生活的经验认识相去甚远，学生往往缺乏直观感受，比如距离、温度、密度等尺度都是跨数量级的变化。如果只是在PPT上罗列这些数据，很难抓住学生的注意力和兴趣。这时候需要教师把学生日常熟知的内容和教学内容进行某种联系，逐步推进。例如，对于距离尺度而言，普通飞机（如波音777，消失的马航MH370和被导弹击落的MH17都属此类）巡航飞行在10公里的高度，一般的风雨雷电等气象都在这个高度以下，被大家熟知的臭氧层则在30-40公里高度。低轨卫星运行的高度则已经跨入百公里高度门槛（比如中国神舟飞船和国际空间站都在300至400公里高度，新闻中经常出现的哈勃望远镜位于550公里高度，央视天气预报展示的云图则来自800多公里高度的风云气象卫星）。众所周知的GPS卫星迅速跨越千公里级别，飞行在2万公里的高度，在同样高度也运行着中国北斗系统的中轨道卫星。地球同步轨道在中学物理中就有涉及，距离地面大约3万6千公里高度，而同步轨道的高度大约只是月地距离的十一分之一。这样，通过把一些熟知事物与抽象数据相联系，使学生更容易接受。

当空间范围跨越到整个太阳系时，数量级也扩展到亿公里的级别（例如，日地距离1.5亿公里，冥王星距太阳60亿公里）。这种尺度不会出现在普通的日常生活中，也很难和熟悉的概念联系，如果课堂上只是照本宣科，那么学生接受的也只是更多抽象的零而已，听过即忘。这种情况下，可以通过等比例的方法，把巨大的空间缩小到普通日常的生活尺度，使学生更容易想象各星体之间的关系。天文学上，日地距离被定义为一个天文单位（AU），那么水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星分别距太阳0.39、0.72、1.52、5.2、9.58、19.23、30.1、39.3个天文单位。如果等效一个天文单位为500米，那么相应的距离分别等效为195米、360米、760米、2.6公里、4.79公里、9.61公里、15公里、19.7公里，这样的尺度很容易在一副市区的地图上标注出来。此时，月地距离等效为1.3米，月地系统大约为一张课桌的尺度。地球的大小则等效为一个半径2厘米的乒乓球，相比之下，太阳相当于一个半径为2.29米的大广告气球，而木星的半径则比地球大十一倍，大约又是太阳半径的十分之一。通过这种比较方法，学生更容易建立对超大空间相对尺度的直观感受。

利用类比的方法也可以解释某些物理过程和现象。几百公里高度的大气处于热层，温度达到1千摄氏度，按同学的一般理解就会产生疑问：这比烤箱里的温度高多了，为什么航天员还能在舱外行走？实际上，由于高层大气过于稀薄，热容量很小，热传导也不容易发生。类似于日常生活里，人能被80摄氏度的热水烫伤，但是却可以在同样温度的热蒸汽里享受桑拿浴。

3 结合新闻时事引导教学内容

有些新闻时事直接和课程的知识点挂钩，教师可以通过相关的信息来展开教学内容，使学生更容易接受。以下列举几条一年来与课程相关的重要新闻时事：

“2014年11月12日，欧空局罗塞塔探测器成功释放“菲莱”（Philae）着陆器，开展人类历史上的首次彗星登陆行动。”。此条新闻引导展开彗星特点，大偏心率轨道等知识点。

“2015年7月16日，NASA公布了14日新视野号近距离飞掠冥王星后获取的冥王星及其卫星的高清图像。”，涉及矮行星，行星等概念。

“2015年7月24日，美国宇航局（NASA）向世界宣布，他们发现了一颗与地球相似指数达到0.98的类地行星开普勒452b（Kepler-452b）。”；“2015年9月28日美国航天局宣布，在火星表面发现了有液态水活动的“强有力”证据，而液态水是生命存在的必要条件。”。这两条新闻引导出太阳系类地行星的概念，以及为什么地球有适宜生命的环境等知识点。

“2015年8月2日，位于贵州平塘县的500米口径球面射电望远镜（FAST）完成首块反射面单元的吊装工作，施工进入冲刺阶段。 FAST的反射面由4450块反射面单元组成，总面积约25万平方米，用于反射无线电波、供馈源接收机接收，是FAST工程的主线。 FAST工程预计于2016年9月竣工，该望远镜建成后，将成为世界上最大的单口径射电望远镜和世界级射电天文研究中心。”。此条新闻涉及深空探测技术、电波传播与天线等知识。

“2015年9月20日7时01分，我国新型运载火箭长征六号在太原卫星发射中心点火发射，成功将20颗微小卫星送入太空。此次发射任务圆满成功，不仅标志着我国长征系列运载火箭家族再添新成员，而且创造了中国航天一箭多星发射的新纪录。”。通过此条新闻可展开卫星轨道动力学等内容。

当然，与课程内容相关的新闻时事还有很多。授课教师平时需要多注意多积累，并灵活运用在课堂教学中，让学生了解到，专业课知识背后不仅有理论的艰涩，也有在现实生活中的生动体现。

4 结束语

空间环境与空间探测知识体系涵盖的内容很广且距离实际生活经验较远，授课教师如果只是罗列空洞的数据和板书复杂的公式，则往往使教学缺乏效果，达不到教学目标。因此教学方法必须务实灵活，帮助学生提高想象力和理解力，启发学生的学习能力和兴趣，达到课程教学和人才培养的目标。

参考文献：

[1] 涂传诒.日地空间物理学[M].北京：科学出版社，1988.

[2] Hargreaves， J. K..The solar-terrestrial environment[M]. Cambridge，Cambridge University Press，1992.

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[4] Tribble A C.空间环境[M]. 唐贤明，译.北京：中国宇航出版社，2009.

[5] 上出洋介，简进隆.日地环境指南[M].徐文耀，译.北京：科学出版社，2010.

[6] 王慧.《电磁场理论》课堂教学实践[J].中国校外教育，2012（3）.