“双一流”背景下高校天文实验室建设探究

陈亮 彭志欣 何秋会

(南京大学天文与空间科学学院 江苏南京 210023)

2022年1月26日，教育部、财政部、国家发展改革委发布了《关于深入推进世界一流大学和一流学科建设的若干意见》文件，标志着新一轮“双一流”建设正式启动，从2015 年“统筹推进阶段”开始迈入了“深入推进”的新阶段[1]。新一轮建设以“十四五”期间国家战略急需领域作为指引，加大基础学科的学科布局，着力解决“双一流”建设中创新人才不足问题[1]。实验室作为面向科学前沿、推动学科建设发展的重要载体，是一流学科的重要支撑，也是创新人才培养的重要场所[2]。

天文学是一门基于观测的基础学科,先进的天文探测技术、天文仪器技术以及天文学的研究成果，广泛应用于导航、定位、航天、深空探测等领域，对我国经济建设和国家安全都有重要的意义[3]。随着一批地面和空间天文重大科学装置的建设并陆续投入使用，天文学人才的需求变得旺盛，对高校天文学人才的培养也提出了新的要求。加强高校天文实验室的建设，对培养科学创新人才，推进一流学科建设至关重要。

1 高校天文实验室建设的趋势及国内现状

天文学作为一门十分古老的学科，它研究宇宙空间中的各种天体。一直以来，人们通过观测的方法测量天体的位置，研究探索其结构及运动和演化的规律。中国是世界上天文学发展最早的国家之一，曾经在天文观测和研究中取得不少世界领先的成就，但在近代陷于停滞，落后于西方[4]，20世纪50年代南京大学天文系成立后，我国高校天文学科才开始逐步迎来发展。

早期高校天文实验室大多基于机房和数据的运行模式，侧重于天文理论的研究，天文技术方法作为支撑天文学发展的技术基础在高校中较少涉及，天文仪器设备十分匮乏。进入21 世纪后，随着信息技术、工业技术等快速发展，天文技术研究方法包括光学红外技术、射电天文技术、空间天文技术等，作为实验室建设的技术支撑，发展得十分迅速，大量的关键技术取得了突破，天文观测工具和手段不断扩展丰富。观测手段的迅速发展和全波段研究的开拓成了当代天文学发展的一个显著特点[3]。国内高校天文实验室开始建设并拥有了一些大型的天文观测设备，随着这些天文仪器设备的完善，使得学生有了更多的实践动手操作机会，逐渐涉及了大量前沿科学技术内容。高校天文实验室的建设由此逐步朝着综合型实验室的方向发展。

然而，目前国内建设有天文实验室尤其拥有天文台的高校还是屈指可数的。南京大学在校内南雍山建有左涤江天文台，拥有一台口径65 cm反射望远镜，主要用于本科教学、天文实验教学以及早期的科研训练，同时作为江苏省天文学会科普宣传基地；在校外建有位于南京紫金山的塔式太阳望远镜和位于云南澄江抚仙湖的太阳观测基地。山东大学威海校区玛珈山顶上建有山东大学威海天文台，拥有一台科研用口径1 m的赤道式望远镜，它是目前国内高校中建成的口径最大、技术水平先进的光学天文望远镜；除此之外，还有多台用于本科生及研究生的实验教学的天文仪器设备。北京师范大学建设有天文教学综合实验室，拥有较为完善的校内天文实验设备，并与中国科学院天文研究单位共建了多个校外天文教学科研基地[5]。西华师范大学与中国科学院天文研究单位在校外青海德令哈观测站共同建设了天文台，是中国西部高校第一个实测天文台。

天文学作为《国家中长期科学和技术发展规划纲要》重点发展的六大基础学科之一，当前已发展为集观测、理论研究、实验室模拟和数值模拟“四位一体”的学科，和其他学科有广泛的交叉性[6]。欧美发达国家高校十分重视天文学发展，美国主要的大学几乎都有天文系或天文专业[6]，而我国目前成立天文系（院）的高校仅有20余所，开设天文相关课程的高校比例远远低于欧美大学。但随着国家不断加大基础研究投入以及深入推进“一流”学科的建设，天文学成为国内高校提高学生综合科学素养，培养创新人才关注的重点，越来越多的高校开设了天文学课程，成立天文系，建立天文实验室。近5年就有上海交通大学、清华大学、华中科技大学、广州大学、贵州师范大学等多所高校陆续成立了天文学系（院），天文实验室的建设也将成为这些高校建设的重点。

实验室是高校教学科研的重要场所，加强高校实验室的建设是助力深入推进“双一流”建设的重要方式。然而，实验室的建设是一项极为复杂的系统工程，不仅涉及学科专业发展、设备硬件建设，还涉及到制度、队伍建设等软件建设[7]。国内高校天文学实验室在长期的建设过程中由于天文学科的小、人员规模的少、仪器设备的缺乏，存在着许多的问题与不足。

2 高校天文学实验室建设存在的问题与不足

2.1 实验室软硬件建设不足

实验室软硬件建设是保障实验室运行的基础。部分开设了天文学课程的高校由于天文实验室建设不够系统和完备，造成无法有效地进行实验教学和科研。与此同时，伴随着科学技术快速发展及天文热点事件的频发，激起了普通大众对天文学的浓厚兴趣，高校天文学实验室除了承担日常教学、科研任务外，还逐渐承担起科普传播的任务，原有的软硬件设施及环境也需要进一步提升。此外，大型科学仪器设备建设是提升实验室硬实力的强力武器，也是培养高层次人才有效的工具，高校天文实验室在大型科学装置投入建设上明显不足。天文学高影响力的学术产出建立在一流的观测设备获取的第一手数据[8]，加强高校主导建设世界一流的大型天文观测设备，也是深入推进“双一流”高校和学科建设重要举措。

2.2 实验室教学内容及质量有待提升

实验教学是培养学生综合素质和创新能力不可替代的环节[9]。天文学的飞速发展使得传统实验教学内容要随着科学技术前沿的发展而不断更新[4]，以保持实验内容的先进性和实用性，激发学生对天文学的兴趣，从而使学生能够应对未来的挑战。当前，部分高校天文实验教学设备严重缺乏或者设备陈旧与老化，实验技术和方法不能与时俱进，甚至还在沿用数十年前的实验课程内容，教学内容不够丰富，内容也逐渐跟不上天文学的快速发展，难以与国家的发展需求相适应。此外，随着天文学科的学生不断增多，教学用设备跟不上以及实验教师配比不足，天文实验教学特别是天文观测过程中还严重受到天气和环境的影响，导致实验教学内容和质量都存在一定欠缺。

2.3 实验室创新人才培养与建设有待提高

“一流学科”的建设发展，离不开创新人才。现代天文学在国内起步较晚，国内高校天文人才队伍相对其他学科规模较小，分布不平衡，高校获得过国家自然科学基金天文学科资助的只占全国高校数量的4.3%。此外，全国的天文研究队伍人才中还有近2/3集中在中国科学院少数天文台单位。因此，高校天文研究人才的储备严重不足[6]。实验室作为学生对所学理论知识的实践应用场所，是创新人才的培养基地[9]，高等院校（尤其是知名高校）在天文实验室建设上的缺失导致天文学科在创新人才培养方面落后。

另外，高校天文实验室传统设备和教学内容不足以支撑创新人才的培养，更难以激发学生的创新热情。当前如何有效利用实验室大型科学仪器设备引导教师科研项目创新，激发学生的兴趣，对未来创新型人才培养十分关键。

2.4 实验室制度及实验技术队伍建设需进一步加强

高校实验技术队伍在培养创新人才、推动学科持续发展、促进高校科研实力提升等方面发挥着重要作用[10]。当前，国内高校从事天文实验技术人员极少，远未达到教育部2007年颁发的相关文件规定的比例[11]。高校天文学的发展长时间侧重理论研究，实验技术队伍的建设工作没有得到应有的重视。实验室相关的管理制度相对不够完善和系统，导致高校天文实验室建设缓慢，存在着实验技术队伍人数不足、岗位匹配度不高、缺乏考评激励机制、职称晋升难度大、实验技术队伍地位低薪资低等诸多问题。

在深入推进高校“双一流”建设下，加强实验室的制度建设以及打造一流实验技术队伍，是高校人才培养、教学科研及学科建设的强力支撑[10]。

3 高校天文实验室建设的思考与建议

针对当前高校天文学实验室建设中存在的问题与不足，建议采取相应措施做好以下几个方面。

3.1 增加经费投入，加强实验室软硬件建设

在推动“双一流”建设下，中央预算内投资对中央高校学科建设相关基础设施给予支持，并鼓励地方政府和有关主管部门应通过多种方式，对世界一流大学和一流学科建设加大资金、政策、资源支持力度[12]。在此契机下，高校天文实验室的建设应加大经费投入，完善更新实验室教学科研设备，改善实验室环境，创造科普传播条件，加强信息化和智能化的建设，大力推动高校主导的天文大型科学仪器设备的研制，积极探索校企共建天文学实验室模式，从而打造先进和实用的一流实验室条件，为教学、科研、社会服务提供稳定的基础保障。

3.2 丰富实验教学内容，提升教学质量

随着天文学细分专业越来越多，自主开发符合专业特点的教学实验，完善实验教学体系，提升教学质量，是实验室教学内容建设的一个大方向。积极引导推动教师将科研成果转化为实验教学内容，培养学生独立思考与研究的意识。从地面设备研制到空间科学设备的研究合作上，探索将天文学最新研究的成果以及新技术新方法融入实验教学内容中。在实验教学内容中不断引入如人工智能、大数据、云计算等新型信息技术内容，促进学生了解相关技术的原理和应用。此外，加强天文学虚拟仿真实验项目的建设，虚拟仿真实验教学能够不受时空和各项条件限制，通过网络的方式实现精准教学，激发学生对新现象、新事物、新概念的学习积极性，提高学生自主学习能力，促进教学质量的提升。

3.3 开发创新实验，大力培养创新人才

习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会的讲话中指出，实现建成社会主义现代化强国的伟大目标,实现中华民族伟大复兴的中国梦，我们必须具有强大的科技实力和创新能力[13]。天文技术方法是高技术发展的创新源头之一[14]，高校实验室作为学生创新能力培养的主场地，开发设计天文相关创新实验，不仅能让学生了解到望远镜研制最前沿的关键技术，还能培养学生的创新意识，是培养创新人才的一个直接有效的方式。对此，笔者学院教学中心建设成立了天文实践创新实验室，结合当前最新天文研究成果以及天文技术，开发设计了自适应光学模拟实验、引进设计了引力波探测模拟实验、自行搭建了光谱仪设计实训平台等，这些实验能让学生动手操作后再自行思考设计，不仅能加强动手与独立思考的能力，还能极大地激发学生的创新思维。

3.4 注重科学管理，加强实验技术队伍建设

高校天文实验室在当前“双一流”建设背景下，要充分认识到实验技术队伍建设的重要性，适时转变观念，加强实验技术人员的引进特别是高水平实验技术人才引进。合理制定符合实验技术人员的岗位职责，设立专项奖励激励实验技术人员的积极性，构建实验技术人员培训和再学习的机制，把实验技术队伍看成是教学科研的支撑队伍，而不是无足轻重的辅助人员[15]。实验室大型天文高端科学仪器设备十分昂贵，在设备项目建设上，要重视项目团队的建设，引进专职的实验工程人员，建立完善的项目管理制度，确保项目建设进展顺利。

天文实验室通常离主办公教学楼较远，探索建立规范完善的实验室运行管理模式尤为重要。在一流学科建设支持下，应加大人力、物力、财力等各方面制度的支持与配合，合理设置实验管理、教学、科研岗，职责划分明确清晰，建立健全管理规章制度，加强信息化管理水平。合理安排教师夜间观测教学任务，保障教学质量和教师的身心健康。建立健全的实验室安全管理架构和责任体系，加强师生安全教育和培训，保障实验室安全平稳运行。

4 结语

近几年，诸多天文学研究成果在全球引起了轰动，2017 年诺贝尔物理学奖授予了LIGO 激光干涉引力波探测项目的相关科学家，2019年诺贝尔物理学奖授予了物理宇宙学的理论发现以及首个围绕类太阳恒星的太阳系外行星的发现，这些成果无疑是理论和实验的完美融合。在当前深入推进“双一流”高校建设的背景下，高校天文实验室的建设不仅关系到今后的教学科研环境，更是促进创新人才培养的重要因素。国内高校天文学实验室的建设要紧盯学科发展的趋势，加大经费投入力度，朝着国际一流实验室的方向前进。