天文学中赫茨普龙—罗素图的教学内容优化探析

张一鸣，李盘兴

(贵州师范大学物理与电子科学学院天文系，贵州 贵阳 550025)

天文学是以观测为基础的科学，推动着人类认识论和世界观的发展。天文学的学科特征及其特殊意义，对天文学的本科教学提出了较高的要求。在高校天文学专业，基础天文学课程具有重要的承上启下作用，一方面可以为学生在研究生阶段的深造打好基础，另一方面可以为面向公众和学生的天文学教育、天文科普等提供专业支撑。在实际教学中容易发现，如果单从数理基础与一般性描述来讲解基础天文学课程内容，往往不容易引导学生探究知识点的科学本质，难以真正让“天文学成为传播科学知识和科学思想方法最积极和最有效的学科之一”[1]。同时，国内的天文学本科教学研究偏少，难以给出有效借鉴。在“中国知网”搜索到以篇名含“天文”且主题含“教学”的论文共计228篇，而其中涉及高等教育领域的仅占15.8%，相关内容介绍了天文学的本科教育概况、天文选修课的开设与建设情况、基于数据和技术的教学实践等，缺乏对天文学教学内容的研究。结合授课反思与教学改革的需要，我们选择先对基础天文学教学内容中的核心知识点之一“赫茨普龙—罗素图”(以下简称“赫—罗图”，英文为Hertzsprung-Russell diagram)展开优化教学内容的案例研究，以期丰富教学理论，探索教学路径，提升教学实效。

一、基础天文学经典教材中赫—罗图的编写简况与特征

20世纪初，丹麦天文学家埃希纳·赫茨普龙(Ejnar Hertzsprung)与美国天文学亨利·诺利斯·罗素(Henry Norris Russell)分别绘制过天体的光谱—光度图，该图最早称为“罗素图”(见图1)，后确定为“赫茨普龙—罗素图”(赫—罗图)。此后，赫—罗图始终处于天文学教学的核心地位，这主要表现在三方面：一是赫—罗图被视为天文学发展进程中的标志性事件[2]11，其建立过程中使用了重要的科学方法；二是赫—罗图的建立对于恒星演化有着相当重要的科学价值，而恒星演化同样在天文学教学中是非常核心的知识点；三是赫—罗图作为经典的科学图像[3](散点图)体现出了许多优点和特点，可被视为很好的教学案例[4]。

图1 罗素于 1914 年正式发表的第一幅光谱—光度图，一般被认为是现代赫—罗图的原型 注：转自卞毓麟的《恒星身世案 循迹赫罗图》[2]14

在赫—罗图的教学准备中，参考了国内外颇具代表性的基础天文学教材。国内的教材很少，在此重点选取了由天文学工作者撰写并在高校天文系使用的两册教材：一是2004年出版且于2019年重印的《基础天文学》[5](以下简称“教材1”)，二是2020年出版且前身已跨越20年的《天文学教程》[6](以下简称“教材2”)。国外的教材相对丰富，选取了两册高校使用的教材：一是2019年引进的Astronomy：ABeginner′sGuidetotheUniverse(SeventhEdition)[7]250-311(以下简称“教材A”)，二是2017年出版的FundamentalAstronomy(SixthEdition)[8](以下简称“教材B”)。国内教材的编写体现出三个特征：一是内容安排上板块性较强，利于整体讲授和理解相关概念；二是再版内容的时间跨度较大，但内容更全面；三是对学生的数理基础和相关能力的要求相对较高。作者在对比研究以后，发现国内教材在保留自身优势的前提下，还可以借鉴教材A和教材B以下三方面的特点。

第一，教材A与教材B对赫—罗图本质的揭示显得相对自然。赫—罗图不是单单一幅科学图像，而是基于一定的研究目标和研究方法所形成的系列示意图(用来阐明某些关联)，这从赫—罗图的英文描述中可以明显发现，但中文语境下容易与其他的科学图像(如英文中的image、curve等)相混(仅一个汉语词汇“图像”来对应)，这可能导致国内教材在编写过程中不自然地省略了对赫—罗图本质的理解与揭示。

第二，国外教材A更善于用准确易懂的语言描述天文学内容，在适量减少复杂数学运算的同时，对天文学中许多重要概念依然设法分析得完整、准确，体现出对专业知识的深度掌握和教材的编排技巧。当某个概念相对复杂时，教材中往往使用读者熟悉的物体或现象进行类比，比如，使用人的身高、体重类比邻近恒星的赫—罗图的坐标，生动展示“人的身高和体重沿主序星下降”的变化过程。

第三，教材编写要相对提升学术性。教材A中的赫—罗图大多为以阶段性的观测为依据直接给出的准确结论，凸显严谨性；增加了赫—罗图的最新观测结果，如教材A第10章第5节给出了依据依巴谷卫星测量结果而形成的赫—罗图(见图2)，标明该图仅通过少量恒星的观测结果所得，说明相关图像还存在变化的空间与可能；注重标注各类经典赫—罗图的早期文献来源，如教材B中图12.1和12.2中均标注了相关学术论文。

图2 依巴谷赫—罗图

上述教材的优点无疑有助于教学的优化，不过，国外教材的友好性和学术性依然不足以引导学生有效理解赫—罗图的科学本质。因此，有必要尝试将赫—罗图相关的科学史、科学哲学(主要涉及科学方法相关内容)以及科学社会学(主要指科学发现的优先权、科学共同体、实验室研究)的内容融入教学[9-10]，引导学生比较全面、深入地理解赫—罗图。此类尝试反映在科学课程与教学改革中，国内教育工作者近年来对此也越来越重视。但由于对教师有较高要求，该做法在引入教学的过程中面临三方面的实际困境[11]。因此，在改良赫—罗图教学内容的过程中，应准确并有针对性地介绍相关科学史内容，相对深入地分析相关科学方法及其与理论的关联，选择性地探讨科学共同体、实验室研究等科学社会学话题。

二、分析赫—罗图的科学史有助于发掘其科学本质

赫—罗图具有比较特殊的历史地位，作为一种特殊的示意图，它既体现了当时天文学发展的现实需求，又反映了近年天文学发展的最新状况，还承载了恒星演化的深度理解，具有强大的生命力。恒星的种类众多、各具特色，对于这些各具特色的恒星，19世纪的天文学者希望找到一种方法，对恒星进行分类，并且能通过一系列探索，演示恒星的演化轨迹。恒星的性质主要由恒星表面温度和恒星光度(绝对星等)这两个参数决定。恒星光谱形态的影响因素(元素丰度、温度和压力)中，元素丰度一般相似(相同)，导致恒星光谱的主要差异与恒星的温度、压力密切相关，可以说，恒星光谱随温度和光度而变化。因此，众多天文学家通过恒星温度和光度的数据，对恒星光谱开展了分类研究[12]。1888年，英国天文学家洛基尔·约瑟夫·诺曼(Lockyer Joseph Norman)根据自己对光谱分类以及恒星演化模型的独特见解，提出了恒星演化的模型。19世纪末到20世纪初，爱德华·查尔斯·皮克林(Edward Charles Pickering)领导美国哈佛大学天文台开展恒星光谱分类研究，安妮·坎农(Annie Jump Cannon)女士的哈佛分类系统得到了高度的评价，并且广泛使用。同一时期，安东尼·莫里(Antonia Maury)发表了恒星光谱表，其分类法没有得到足够的重视。1900年，英国天文学家大卫·吉尔(David Gill)发表《恒星视差研究》。在这一时期，有不少关于恒星演化的研究，但当时存在各种原因，很多研究未受到应有的重视。

20世纪初，赫茨普龙从光化学研究转向天文学，并在许多天文台开展观测工作。赫茨普龙对恒星亮度测定和光谱研究十分感兴趣。他知道坎农女士的分类法，但他对莫里女士的光谱分类更加关注。赫茨普龙研究了莫里女士的光谱分类法，并借助统计的科学方法，发现了“巨星序”和“矮星序”，并提出了更加严谨的光谱分类方法。1905年和1907年，赫茨普龙在德国《科学照相》发表了两篇题名均为《恒星辐射》的论文，由此报道其研究成果。前述论文对于天文学史而言，是非常重要的学术文献，它们揭示了恒星光谱型与光度的关系，然而，由于未发表在天文学专业期刊上，并未及时引起当时天文学界的注意。[2]13同一时期，罗素正开展通过照相术确定恒星的研究，并于1910年发表了与吉尔不同的论文——《恒星视差的确定》。1910年8月，罗素将恒星分成两个序列，这与赫茨普龙的做法一致，但由于信息闭塞，当时未有人将两者论文联想起来。赫茨普龙后面的几年时间里继续从事星团研究，并于1911年修订、发表了昴星团和毕星团的“颜色—星等”图。罗素则于1913年宣读了自己的重要论文——《恒星光谱与其他特征之间的关系》。文中，罗素以光谱型为横坐标、绝对星等为纵坐标，根据已知三角视差的300多颗恒星的数据，制作了这些恒星的光谱—光度图，后于同年7月发表。1933年，北欧天文学家最早将这类图称之为赫茨普龙—罗素图，该图推动了天文学的快速发展。

上述科学史的简要内容可引导老师提炼出赫—罗图教学的三方面新内容：一是分析形成赫—罗图的根本原因——对已观测的各类恒星进行分类的需求，思考并探索恒星分类的各类科学方法，将成为赫—罗图教学中较适合科学探究的部分，由此可以进一步深入理解天文学家洛基尔、坎农女士、莫里女士等的光谱分类法的形成过程，为充分理解赫—罗图的科学本质奠定基础，这也反映出科学哲学的研究目标——研究科学理论的结构、科学解释、科学观察与理论的关系等[13]。二是进一步了解赫茨普龙选择研究莫里女士光谱分类法而非坎农女士分类法的原因，这需要更详实的天文学与科学史史料，借此引导学生思考科学方法在赫—罗图形成过程中所发挥的作用，同时探讨“赫—罗图研究者”这一科学共同体的特征[14]167-216。三是体验天文学家的思维差异，罗素与赫茨普龙的分类方法和思维有何异同，罗素又如何借此研究了恒星光谱与其他特征之间的关系。前述三方面内容在教学的前期和中期加入，或较大程度上解答了学生在学习和思考赫—罗图过程中的主要困惑。这对老师提出了较高要求，可建立跨学科的教学小组在假期开展研究，并相应更新教案内容，同时要注意避免冲淡原知识点的讲授。

三、探索赫—罗图中蕴含的科学方法有助于提升思维高度

科学哲学在天文学中的重要运用，表现在探索天体运行和发展规律以及人对天体认识的规律，而科学方法的探索或可视为科学哲学的最早渊源[15]27-28。国内学者提炼出科学方法中的十大关系并提出方法论研究的新阶段[16]46-50，而各种“天文学发现”蕴含了该学科的科学方法论基础[17]。从赫—罗图的科学史不难发现，(光谱)分类法、统计法都是典型的科学方法，这与天文学的学科特征有关。天文学是一门以观测为基础的学科，而天文观测具有被动性、粗略性、瞬时性、长期性和连续性等特征：天文学无法设计实验，只能被动观测；整个宇宙中，往往受望远镜分辨度、灵敏度、设备折旧等条件限制，只能对庞大而不够精确(一直在提升精度)的数据进行“粗略”计算(相对实验室的精确测量)，而只有经过大量数据的筛选、计算才能得出相对正确的理论；人类研究天体的演化，对宇宙来说是短暂一瞬，且观测结果也可能转瞬即逝，这也体现了观测的瞬时性。因此，天文学可以被认为在比较“短暂”时间里，以基本“被动”的观测手段面向广袤无垠的宇宙空间，探索各类天体在漫长历程中的存在和演变的一门学科[18]。上述特征侧重反映出人类对天体认识的规律。

在赫—罗图的建立过程中，学者们尝试了很多科学方法，最终使赫—罗图得以建立，并使其获得强劲的生命力。研究天体时往往首先使用观测法，而赫—罗图正是建立在大量的天文观测基础上。在形成赫—罗图的过程中，至少使用了分类法、统计法、归纳法和模型法等科学方法，包括丁蔚在系统梳理赫—罗图的建立过程时提及的演化假说与统计分类的方法[19]，卞毓麟在详细分析赫—罗图揭示的恒星演化14个阶段中谈及“可能是发现世界秩序的最简单方法——分类法”[2]11，温韧和孙逸倩在讨论赫—罗图的方法论时具体分析了恒星分类研究、统计关系与进化模式[12]89-92等。赫—罗图的形成前提，是恒星的分类研究。有学者指出，通过恒星分类，可以超越几何或力学关系，进入多种物理属性为主的深层关系的分析；赫—罗图就是在对恒星光谱进行二元分类的研究中慢慢产生的，这也是人类对恒星认识的一大飞跃，反过来，赫—罗图也提供了重要的分类方法，有助于开拓对恒星的认知；更重要的是，赫—罗图可以视为恒星时空转化的一种桥梁。[12]90-91赫—罗图已然成为恒星各类信息的储藏库，可提供大小、质量、化学成分、星团年龄、星团成员、星团距离等信息。而上述几个方面，使得赫—罗图成为研究恒星非常特殊的方法[12]92。

赫—罗图的核心用途之一是展现恒星演化的过程，但赫—罗图的形成是通过归纳法(将越来越多的恒星按照一定的关系标记在示意图上)获得的，而恒星演化是一种演绎型理论且较为复杂，那尝试用一种归纳法形成的示意图来直接展现演绎型理论将似乎产生矛盾，这是学生(包括老师)在理解赫—罗图时的主要困惑之一。鉴于此，有必要同步介绍并分析赫—罗图形成的时代所发展出的恒星内部结构理论(如1926年天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)出版的相关学术名著)及其进展，该理论可以说明赫—罗图上恒星的分布和演化以及元素的合成和演化，阐明各种星团的赫—罗图的意义。在观测手段与计算能力同步提升后，天文学家可以从球状星团中各类恒星的三维分布旋转图直观地看到赫—罗图的生成。将上述内容引入后，学生所见的赫—罗图不再是冰冷静止的科学图像，而是对赫—罗图背后的科学方法与科学理论有了更深入的了解，有望进一步理解其科学本质。

四、观测与理论的新进展提升了赫—罗图教学的学术性

不论是赫—罗图的科学史还是其体现的科学方法，都离不开天文观测结果的精进、天文学理论的更迭，将最新进展纳入教学内容，能提升教学的学术性。随着时代的进步，现有的天文观测手段越来越多，观测仪器越来越先进，通过测量卫星对宇宙不断的精确观测，可以绘制出更加科学、精确和完整的赫—罗图(会不断更新和演进)。根据高精视差测量卫星(High Precision Parallax Collecting Satellite，缩写为Hipparcos)观测结果所绘制的赫—罗图已在国内外天文学教材上广泛使用。其后，全球天体物理干涉测量仪(Global Astrometric Interferometer for Astrophysics，缩写为GAIA)的观测效率提升了数百万倍，主要观测银河系。该卫星在赫—罗图的更新上自有建树：GAIA DR2数据在天体测量和光度测量上获取的深度、均匀度及高精度得以让天文学家绘制出迄今为止最详尽的赫—罗图，如Jao W C和Feiden G A运用GAIA卫星发布的数据(超过10亿颗恒星的高精度天文测量)尝试揭示赫—罗图主序列的精细结构，有望彻底改变人类在恒星天文学中看待赫—罗图的基本方式，给赫—罗图带来新的认知。[20]同时需注意的是，天文仪器及数据处理带给天文学研究的改变是革命性的，赫—罗图的认知变化及其本质，还应从科学社会学的视角(尤其是实验室研究)加以思考。

赫—罗图具有很强的生命力。不管是在观测上还是理论研究上都取得了许多重大的成果。国内学者田斌、邓李才和熊大闰[21]提出，已有的理论演化模型与观测结果之间存在着严重的分歧，该分歧处在主导大质量恒星演化最主要因素的处理过程中，他们还提供了太阳周围3kpc范围内超巨星的赫—罗图，大麦哲伦云内R127和R128两个星团的赫—罗图等。洪雅芳、蒋书云[22]通过对3～10倍太阳质量恒星在赫—罗图上演化轨迹的研究分析，给出了中等质量恒星由早期AGB星演化至热脉冲AGB星阶段在赫—罗图上的分界点、5个太阳质量的恒星在赫—罗图中的演化轨迹、各个质量恒星在赫—罗图上的演化轨迹图等。Farag E，Timmes F X和Taylor M等人[23]认为大多数氢和氦燃烧时，来自核反应中的中微子占主导地位，并分析了两种可能性，同时展示出多种赫—罗图。Sichevskij， S. G[24]通过半径、有效温度和表面重力之间的关系近似用恒星的内部结构和演化的模型进行了研究，有望对赫—罗图的运用提供新的角度。这些新进展取决于天文观测的不断精进、研究方法的持续演进以及计算能力的重大提升，为教学内容提供了丰富的新案例。前述各类赫—罗图的特征也反映出天文仪器与观测结果对恒星演化理论形成的持续影响。天文学工作者、天文仪器或设备、天文观测活动以及理论探索等，已构成观测天文学的“行动者—网络”[14]216-220，据此可适当深化教学内容并展开科学社会学方面的讨论。

五、讨论与建议

赫—罗图在天文学本科生阶段的学习中具有重大的学习和研究价值，将科学史、科学哲学以及科学社会学内容引入该教学内容及其过程，具有一定的必要性与重要性，但也为基础天文学教学带来一定的困难，并对授课教师也提出了更高的要求。在尝试优化赫—罗图教学内容的过程中，可适当增加讲授时间，以自制课件为讲授主体并选择性地融入科学史、科学哲学以及科学社会学内容，辅以测试学生对教材相应部分(文字描述与多种类型的赫—罗图)的理解程度，作为检验教学效果的方法之一。同时，尝试优化教学方式，不再进行单一的讲授，而通过小组讨论、案例探讨、原理探究、历史再现等方式，活跃课堂气氛，提升学生的学习效果，达成教学的核心目标——理解赫—罗图的科学本质，并提升学生的科学素养。另一方面，为缓解课时少、内容多的困难，可尝试在系内其他专业选修课程的相应教学内容中，针对性地从科学史、科学哲学以及科学社会学的一个或多个方面对基础天文学的核心知识点进行一定的补充讲解，但这对课程设置的顶层设计与实时调控提出了较高要求。

天文学学科与科学史、科学哲学、科学社会学均具有重大关联，将这三方面内容引入天文学教学，至少可能会带来三方面的有益变化：一是促进教师(在一定的帮助下)开始探索基础天文学知识点所承载的科学史、科学哲学乃至科学社会学内容，在提升自身科学素养的同时，优化教学内容，提升教学效果；二是有助于引导学生将科学本质理解为一种累积性和连续性的过程，充分体会到天文学知识是孕育在相应的学科文化中的；三是有助于引导学生深刻理解天文学在科学革命中的重要地位、科学方法中的重要贡献，进而掌握天文学的学科特征及其特殊意义。近年来，基础学科获得越来越多的重视。在高校建设天文学等基础学科，离不开优质的教学，从科学史、科学哲学和科学社会学三方面对基础天文学的教学内容进行深度反思与相应优化，将有助于推进基础学科(理科)基础教学的改革与创新。在一定程度上，这已不仅是天文学课程需达到的目标，更是基础学科(理科)课程共同努力的方向。