楊希祥, 鄧小龍

(國防科技大學(xué) 空天(航空)科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

天文學(xué)是研究宇宙的科學(xué),是自然科學(xué)的6大基礎(chǔ)學(xué)科之一,千百年來,在人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界的活動(dòng)中始終占有重要位置[1]。天文教育是國際上大學(xué)通識(shí)教育的七大核心課程之一[2],對(duì)于普及天文知識(shí)、優(yōu)化學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)、拓展視野,培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造能力和批判思維、培育科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)精神、形成正確的世界觀,具有重要意義[3]。近20年來,隨著天文學(xué)日新月異飛速發(fā)展和對(duì)天文教育的日益重視,國內(nèi)開設(shè)天文學(xué)公共選修課的高校大幅度增加,由新世紀(jì)初的50余所發(fā)展到目前的數(shù)百所,天文知識(shí)普及和理論教學(xué)得到很大發(fā)展,教學(xué)效果顯著、受益學(xué)生數(shù)增加。天文學(xué)是一門以觀測為基礎(chǔ)的科學(xué),觀測是天文學(xué)最基本的研究方法[4],然而,以星空觀測為基本的實(shí)踐教學(xué)在天文學(xué)公共課的教學(xué)中卻未受到應(yīng)有重視,存在缺失現(xiàn)象。本文結(jié)合多年來在國防科技大學(xué)開展本科生公共選修課“天文學(xué)基礎(chǔ)”實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)歷,分析當(dāng)前天文學(xué)公共課開展實(shí)踐教學(xué)面臨的困難,重點(diǎn)對(duì)基于電子星圖軟件開展星空虛擬觀測的實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行介紹。

1 天文公共課開展實(shí)踐教學(xué)面臨的困難

國內(nèi)高等學(xué)校天文學(xué)公共課開展實(shí)踐教學(xué)面臨的困難主要源于4個(gè)方面。

1.1 高等學(xué)校傳統(tǒng)課程授課模式制約

我國高等學(xué)校傳統(tǒng)上多采用以教師為中心的、“灌輸式”的課堂理論教學(xué)模式,對(duì)實(shí)踐教學(xué)重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,天文學(xué)教學(xué)自然受到這種模式制約。特別是,天文學(xué)本身多是公共選修課,受到教師重視程度、學(xué)生學(xué)習(xí)重視程度、課程學(xué)時(shí)等多因素制約,很多專業(yè)課程也僅僅開設(shè)簡單的課程實(shí)驗(yàn),天文學(xué)開設(shè)實(shí)踐教學(xué)難以引起重視。同時(shí),雖然我國天文學(xué)發(fā)展歷史悠久,但天文教育普及程度和水平與西方存在很大差距[5],特別是公共選修課,在課程體系設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容等方面,理論教學(xué)尚有很大的改進(jìn)和完善空間,也一定程度上制約了教師去關(guān)注實(shí)踐教學(xué)。

1.2 天文實(shí)踐教學(xué)條件和支撐環(huán)境限制

開展天文學(xué)實(shí)踐教學(xué),不是簡單的在理論教學(xué)基礎(chǔ)上增加一些內(nèi)容,而是需要專門設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)大綱和教學(xué)體系,包括教學(xué)目的、教學(xué)方法、實(shí)踐項(xiàng)目、考核方法等；基于望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行實(shí)際觀測,則需要購置不同類型的天文望遠(yuǎn)鏡及其配套設(shè)備,以及購置、開發(fā)專門的數(shù)據(jù)處理軟件、顯示軟件等,需要學(xué)校劃撥專門的場地建設(shè)小型天文觀測實(shí)驗(yàn)臺(tái),還涉及到天文觀測設(shè)備、軟件運(yùn)行維護(hù)等問題,而基于大型天文臺(tái)的現(xiàn)地實(shí)踐教學(xué),則涉及校地合作教學(xué)機(jī)制建設(shè)、雙方師資協(xié)調(diào)、大量學(xué)生集體赴異地進(jìn)行校外活動(dòng)等諸多現(xiàn)實(shí)問題。

1.3 基于望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際觀測教學(xué)影響因素復(fù)雜

對(duì)于學(xué)校而言,在校園內(nèi)合理選址,建設(shè)小型天文臺(tái),采用天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行實(shí)際觀測是較理想的教學(xué)方式,但實(shí)際觀測往往受到多種因素制約[6],例如,小型天文臺(tái)的選址往往需要在海拔相對(duì)高的地方(如教學(xué)樓頂),以避開城市建筑物的遮擋；天文觀測需要晴朗的天氣,而當(dāng)前陰雨、霧霾等天氣呈常態(tài)化趨勢,特別是在南方一些城市的特定季節(jié),造成室外天文觀測無法開展；城市光污染嚴(yán)重,對(duì)天文觀測造成很大影響；天文學(xué)選修課往往選課人數(shù)很多,達(dá)到100～200人,開展實(shí)地觀測組織難度大等。以上種種因素造成基于天文望遠(yuǎn)鏡的室外觀測教學(xué),很難按照課程規(guī)劃的進(jìn)度進(jìn)行。

1.4 教師實(shí)踐教學(xué)能力和水平不足

中國天文學(xué)會(huì)原理事長蘇定強(qiáng)院士曾指出[7],對(duì)于天文教育,在生源一定的情況下,教師的素質(zhì)是關(guān)鍵因素。教師的責(zé)任是自己要懂得透徹,要寫出優(yōu)秀的教材,要深入思考教授的方法,要開展教學(xué)研究,使學(xué)生在盡量短的時(shí)間內(nèi)掌握問題的精髓。我國高等學(xué)校非天文學(xué)專業(yè)從事天文教育的教師往往不是天文科班出身,自身天文專業(yè)水平有限,本身不具備開展天文實(shí)踐教學(xué)的能力,特別是采用天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的能力缺乏。

2 電子星圖軟件簡介

2.1 星圖的發(fā)展

星圖是天文觀測的必備工具,它是把天體在天球曲面上的視位置投影到平面上而繪成,可表示天體位置、亮度和形態(tài)等。星圖真實(shí)地反映了一定時(shí)期內(nèi)天文學(xué)家在天體觀測方面取得的成果[8]。

早期的星圖都是繪制在絲織物或紙上的,現(xiàn)存最早的星圖是中國晚唐時(shí)期繪制的。歷史上比較著名的星圖包括拜耳星圖、赫維留星圖、波德星圖等,它們繪制精美、造型生動(dòng),兼具重要的科學(xué)價(jià)值與藝術(shù)價(jià)值。其中,1801年繪制的波德星圖,是西方古典星圖的巔峰巨著,它包括17 000顆恒星,2 500個(gè)星云、星團(tuán)及所有的星座。

電子計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)和發(fā)展以后,人們將計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形可視化技術(shù)等引入星圖編制領(lǐng)域,形成了很多電子星圖軟件。與傳統(tǒng)星圖相比,電子星圖軟件數(shù)據(jù)資源更加豐富,功能更加強(qiáng)大,使用更加方便。使用電子星圖軟件,觀測者足不出戶,不管天氣情況如何,都可以模擬觀測世界上任何地點(diǎn)、從古至今的四季星空,了解已經(jīng)發(fā)展和將要發(fā)生的各種天文現(xiàn)象。

2.2 常用電子星圖軟件

目前,比較流行的電子星圖軟件包括SkyGlobal、StarryNight、SkyMap、CyberSky等,這里主要對(duì)前3種進(jìn)行介紹。

(1) SkyGlobal。SkyGlobal是功能強(qiáng)大的電子星圖軟件,可按用戶指定的時(shí)間、地點(diǎn)、視場、方位等顯示星空,可模擬天體的各種視運(yùn)動(dòng),可在屏幕的星圖中指出用戶要尋找的天體,顯示天體的信息[9]。SkyGlobal(含9個(gè)文件)在Dos和Windows環(huán)境下均可運(yùn)行。

(2) StarryNight。StarryNight電子星圖軟件以觀察者的視角模擬天體的運(yùn)行,模擬逼真度高。StarryNight功能強(qiáng)大，天體種類豐富、數(shù)量多,提供日、月、行星、小行星、彗星出沒、距離和軌道運(yùn)行等資料,且能夠直接連接互聯(lián)網(wǎng),提供資料照片生動(dòng)地表現(xiàn)日月食、星體會(huì)合等特殊天文事件,可利用即時(shí)動(dòng)畫效果表現(xiàn)天體(含人造天體)運(yùn)行狀況。StarryNight在Windows環(huán)境下運(yùn)行使用。

(3) SkyMap。SkyMap是非常流行的電子星圖軟件,由SkyMap Software公司開發(fā),1993年2月發(fā)行,天文學(xué)家及天文愛好者廣泛使用[10]。SkyMap功能十分強(qiáng)大。上至公元前4000年,下至公元8000年,任意時(shí)刻,地球上任意地點(diǎn)的天空中,極限星等達(dá)15等的1 500萬顆恒星、20萬顆深空天體都可找到。同時(shí),包含已命名的1.1萬多顆小行星及彗星,并可通過互聯(lián)網(wǎng)不斷更新數(shù)據(jù)庫。SkyMap也是實(shí)測愛好者的理想工具,具有數(shù)據(jù)擴(kuò)充、觀測結(jié)果記錄、望遠(yuǎn)鏡控制功能。

3 電子星圖軟件實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

以在教學(xué)中使用的SkyMap11.0為例,介紹基于電子星圖軟件開展天文觀測教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

3.1 實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)思路

在天文學(xué)選修課教學(xué)中,采用SkyMap電子星圖軟件開展實(shí)踐觀測,教學(xué)思路和原則主要把握3個(gè)方面。

一是天文基本理論知識(shí)講解在前,實(shí)踐觀測在后。開展天文觀測實(shí)踐,需要有基本的天文概念和天文知識(shí),為此,SkyMap實(shí)踐教學(xué)安排在天文學(xué)整個(gè)教學(xué)進(jìn)度的中間環(huán)節(jié),之前需講授天球坐標(biāo)系、天體視位置、天體視運(yùn)動(dòng)、星空劃分等相關(guān)概念和理論。

二是掌握SkyMap的最基本的操作使用方法。作為一款電子軟件,初學(xué)的觀測者應(yīng)掌握最基本的操作使用方法,而更高級(jí)的功能和使用技巧應(yīng)在后續(xù)學(xué)習(xí)和使用中逐步掌握。為此,課堂實(shí)踐教學(xué)中,以基本操作和使用為主線,系統(tǒng)講授SkyMap安裝、界面上基本工具欄和選單欄及其下一級(jí)功能使用、使用注意事項(xiàng)等基本內(nèi)容,具體來說,主要包括觀測時(shí)間和觀測地點(diǎn)設(shè)置、變換和移動(dòng)視野方向、視圖級(jí)別和極限星等調(diào)整、多星圖顯示、星座顯示設(shè)置、背景顏色與地影顯示設(shè)置、選單欄與工具欄移動(dòng)與顯示等內(nèi)容。

三是掌握使用SkyMap觀測典型天體和天文現(xiàn)象的方法。學(xué)習(xí)使用SkyMap的最終目的是為了進(jìn)行模擬星空觀測,因此,典型天體和天文現(xiàn)象的觀測是最基本的要求。為此,課堂實(shí)踐教學(xué)中,重點(diǎn)講授星座、太陽、月球、8大行星等人們最熟悉的天體的觀測方法,講授日食、月食等人們熟悉的天文現(xiàn)象的觀測方法。在此基礎(chǔ)上,如學(xué)時(shí)允許,可以視學(xué)生掌握情況,進(jìn)一步講授小行星與彗星、深空天體、人造天體的觀測方法和技巧。

3.2 實(shí)踐教學(xué)案例

3.2.1 四季星空觀測

顯示2018年1月1日凌晨3點(diǎn),長沙的星空,分別給出北、東、南、西天空的星圖。

步驟1：設(shè)置觀測地點(diǎn)和觀測時(shí)間(見圖1和圖2)。分別點(diǎn)擊左側(cè)工具欄的地點(diǎn)和時(shí)間按鈕,設(shè)置觀測地點(diǎn)和觀測時(shí)間,在長沙觀測,地點(diǎn)為東經(jīng)112.59°、北緯28.12°,時(shí)區(qū)為東八區(qū),提前世界時(shí)(UT)480 min,不使用夏令時(shí)(daylight saving time),海拔高度1 607 m(在星圖軟件中對(duì)觀測結(jié)果無實(shí)際影響)。

圖1 設(shè)置觀測地點(diǎn)

圖2 設(shè)置觀測時(shí)間

步驟2：變換視野方向(見圖3和圖4)。SkyMap默認(rèn)顯示的是觀測者正南方的星空,可以通過左側(cè)工具欄的N、E、W、Z變換視野方向,顯示北、東、西、全天等其余方向的星空。

圖3 正南星空

圖4 正北星空

3.2.2 行星觀測

在SkyMap找到金星,并顯示其在1年時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行軌跡(觀測地點(diǎn)設(shè)為長沙)。

步驟1：搜索和定位金星(見圖5和圖6)。在“Search”選單的下拉選單“Planet”鏈接的對(duì)話框中,列出了太陽系的8大行星,同時(shí)列出了太陽和月球。選中金星(Venus),點(diǎn)擊對(duì)話框右側(cè)按鈕“Goto”即可在SkyMap主界面上搜尋并定位到金星。

圖5 搜索金星

圖6 定位金星

步驟2：設(shè)定運(yùn)行軌跡顯示參數(shù)并顯示(見圖7)[11]。在主界面定位到的金星上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,在彈出的選單欄中選擇“Track of Venus”,在彈出的對(duì)話框中設(shè)置相關(guān)參數(shù),即可顯示金星在一年的運(yùn)行軌跡。在這里,計(jì)算時(shí)間間隔設(shè)定為12 h,計(jì)算365個(gè)點(diǎn)。

圖7 金星運(yùn)行軌跡(標(biāo)注時(shí)間線)

3.2.3 日月食觀測

2018年1月31日,我國發(fā)生了一次月全食[12],請(qǐng)?jiān)赟kyMap中顯示其景象(需有地影,觀測地點(diǎn)為長沙)。

步驟1：查詢1月31日的月食(見圖8)。點(diǎn)擊“Tools”選單的下拉選單“Eclipses”,跳出二級(jí)下拉選單“Lunar Eclipses”,點(diǎn)擊后進(jìn)入鏈接對(duì)話框,以1 000年為分段,列出了自公元前2000年至公元3000年,共5 000年間的全部月食。選中公元2001年至公元3000年的時(shí)間區(qū)間,找到2018年1月31日的月全食。

圖8 查詢?cè)率?/p>

步驟2：顯示月全食景象(見圖9)。找到2018年1月31日的月全食后,選中,點(diǎn)擊右側(cè)的按鈕“Star Chart”,即可顯示月全食的景象。

圖9 顯示月全食景象

4 結(jié)語

天文學(xué)教育是通識(shí)教育體系的重要構(gòu)成部分,對(duì)于普及天文知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和批判思維,以及培育學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)精神、形成正確的世界觀,具有不可替代的作用。天文學(xué)是以觀測為基礎(chǔ)的自然科學(xué),開展觀測實(shí)踐教學(xué),對(duì)于天文學(xué)教育來說至關(guān)重要。充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)成果,不斷拓展天文實(shí)踐教學(xué)的方式和資源,改善天文實(shí)踐教學(xué)條件,提升天文實(shí)踐教學(xué)的便利性,逐步構(gòu)建綜合電子星圖軟件、學(xué)校小型天文觀測臺(tái)觀測、大型天文臺(tái)觀測實(shí)習(xí)的實(shí)踐教學(xué)體系,是值得深入研究的教育教學(xué)課題。