浅谈高校天文选修课的开设思路

▍苏州大学电子信息学院 窦玉江

作为自然科学六大基础学科（数学、物理学、化学、天文学、地理学、生物学）之一，天文学称得上是古老而美丽的一个学科。同时，现代天文学又与数学、物理、电子、计算机、机械、考古、生命科学等多个学科互为关联，交叉发展，每一次天文学的重大突破都会对人类文明和现代科学技术产生重大而深刻的影响。自20世纪70年代至今，先后有11个项目17位天文学家因为在天文学方面的卓越贡献而获得诺贝尔物理学奖。

然而，我国各类高校中开设天文课的不超过50所。因此，基于加强高校大学生的天文素质教育，开设高校天文公选课就变得十分有意义了。

一、开设高校天文公选课的必要性

美国国家天文学联盟副主席肯·威尔科克认为：“对于学生，天文学是检验他们一生对科学兴趣的最好方法。”目前，几乎所有的发达国家都十分重视大学生的天文素质教育，同时学生本身也对天文学产生了浓厚的兴趣。在西方，甚至很多大学生唯一选修的自然科学课程就是天文公选课。

相对而言，我国的天文科普教育做得有些薄弱。2014年，好莱坞推出的天文科幻商业大片《星际穿越》在我国上映时，甚至出现了年轻情侣因看不懂剧情而发生争执乃至分手的新闻。

当代大学生是未来推进我国各方面事业建设和发展的核心力量，在大学教育阶段为他们构建完整的知识体系，规避因高考指挥棒带来的功利性应试教育而导致的狭窄知识面就显得很有必要了。

二、当前高校天文公选课的教学现状

高校天文课的量与质不仅关系大学生的科学素养与国民素质的提高，而且关系天文事业的发展。世界上许多国家，包括某些发展中国家，大学开设天文课十分普遍，甚至中学就已开设。我国却不是这样，据统计，每年接受天文教育的在校大学生不超过万分之五。

近年来，为提高大学生的人文素质和科学素养，促进知识结构的合理化，以利于各学科间的相互渗透，各高校纷纷开设公共选修课，加强通识教育。笔者所在的苏州大学也于2016年开始开设天文公选课，每年选修的人数超过300人。作为学校开设的众多选修课中的一门，天文公选课需要精心设计规划。目前，高校学习风气普遍比较浮躁，“必修课选逃，选修课必逃”已经成为一句口号。很多学生面对必修课还可能迫于压力而认真学习，但到了选修课则只是应付形式混学分而已。造成这种现状的原因，一方面是高校本身对选修课的重视程度不够，导致学生的不重视；另一方面是授课教师对课程内容的设计和对授课方式的选取不够吸引学生。

三、天文公选课的设计思路

高校天文公选课要面向不同专业、不同知识背景的学生，有些同学有比较好的数学和物理基础，而有些同学在自然科学领域的知识储备还处于高中阶段（如一些文科生），因此讲授深度需要合理安排。另外，为了提高学生的学习兴趣，教学模式要灵活多变，不能仅限于传统教学的课堂讲授。因此，设计好天文公选课需要进行多方面的考虑。

（一）教学内容设计

面对不同专业背景的学生群体，教学内容安排不宜过深。因为目前国内学生在天文方面涉猎比较少，所以教学内容应以“扫盲”为主，尽量少介绍那些晦涩难懂的内容，尽可能少地阐述公式。同时，兼顾教学的系统性，可将较为全面的天文知识向学生传播。笔者在苏州大学开设的天文公选课——仰望星空，采用南开大学苏宜教授编写的《文科天文》为教材，按照由小到大、由近及远、由易到难的顺序向学生讲授，课程构架体系如下表所示。

仰望星空课程体系设置

第八讲 地外文明第九讲 宇宙的创生与终结

（二）多媒体教学设计

天文学有着比其他学科更吸引人的地方——美丽的天文图片。绚烂的星空、美丽的天体，这些资源可以帮助我们把课程PPT制作得更加美观，从而激发学生的学习兴趣。然后，较多地编辑、整理教学视频（如BBC的天文纪录片）播放给学生，动态的画面可以帮助学生建立最直观的印象，如行星撞击地球的画面可以给学生留下深刻的印象。观看视频除了是一种视觉的享受外，也可以放松大脑，达到学习和放松的平衡，因此受到很多学生的喜爱。

（三）前沿知识引入

天文学是一个不断向前发展的学科，每一年都有前沿的研究成果出现。如，2016年LIGO科学合作组织两次宣布探测到来自宇宙深处的引力波，在天文学界和物理学界引起轰动；2016年7月3日，由我国建造的全球最大的球面射电望远镜FAST落成，为地球安上了探索宇宙的“天眼”。再比如，2017年5月26日，地基极端巨大望远镜——欧洲极大望远镜（European Extremely Large Telescope，E-ELT）正式在智利奠基，建成后将是全球最大的光学望远镜，旨在探索外星生命等天文前沿问题，预计2024年开光。这些有影响力的事件令人振奋，让学生在学习传统天文学的同时又不断了解最前沿的信息，使得课堂教学也与时俱进。

（四）课外参观引导

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”课堂上所能展示的内容终究有限，现代教学不同于过去，教学条件已经大幅提高，要充分利用社会资源尽可能多地向学生展示科学成果，让学生近距离观看观测设备，有助于学生现场提出问题并获得答案。如2018年11月，笔者授课班级参观了位于上海松江区的中国最大的抛物面射电望远镜——天马望远镜（如图所示）。当时参观的同学看到接收阵面分为主阵面和副阵面两部分，就直接提出问题：“为什么设计时要设计两个阵面？直接把馈源放到主阵面的焦点上不是更简单吗？”当然，这涉及卡塞格林式望远镜的优点，如果不是现场参观，初学者是问不出这种水平的问题的。

天马望远镜

（五）师生互动学习

单方面的讲授式教学很容易让学生疲惫、走神，如果学生能参与进来成为该课程的“主人”之一，则往往能够收获较深刻的理解。同时，学生通过自学获得的体会又会对老师有所启发，双方都能有所收获。苏州大学天文课将期末考试设计为一些小的课题，由学生按照兴趣选择，并组队调研、书写报告，然后在课堂上演讲，接受老师和同学的提问。在一定的压力作用下，学生往往准备得较充分，在完成期末考试的同时不仅收获了知识，还获得了团队协同工作的经验。

四、老师的修养与提高

宇宙学中存在很多不易理解的概念，比如大爆炸时才出现了空间和时间、宇宙的有限无界结构等，这些概念无法通过日常经验得到。另外，在天文选修课的教授过程中，一些深奥的物理问题是无法绕开的，比如，宇宙大爆炸理论中会涉及时空量子化、恒星演化中会涉及核聚变、宇宙结构和黑洞的讲解中会涉及时空弯曲、平行宇宙中会涉及量子态纠缠等。要想讲授清楚，老师需要涉猎不同学科的知识，不断提高自己；而且还要有计划地参加一些天文教育会议和培训班，通过交流来丰富自己的学识及教学经验。