■江林焱 張立云 萬俊桃/.貴州大學(xué)明德學(xué)院；2.貴州大學(xué)理學(xué)院

一、研究背景

天文學(xué)是研究宇宙中天體和天體系統(tǒng)的形成、結(jié)構(gòu)、活動和演化的科學(xué)，在探索宇宙中的自然規(guī)律、促進(jìn)其他自然學(xué)科的發(fā)展、推動技術(shù)進(jìn)步、研究日地空間環(huán)境，以及在提高全民素質(zhì)教育中有著不可替代的作用。開展天文教育，不僅可以拓寬高校學(xué)生視野，豐富其知識，還可提升其人文和科學(xué)素養(yǎng)。對促進(jìn)高校學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的合理化、培養(yǎng)科學(xué)理性思維方式有著重要意義，這也導(dǎo)致在國際上很多發(fā)達(dá)國家，高校內(nèi)普遍開設(shè)天文學(xué)方面的選修課。而在我國，中國高校中本科開設(shè)天文專業(yè)的就寥寥無幾，大量的非天文高校對天文教育的投入更是極其匱乏。這不僅阻礙了天文教育在這類高校中的發(fā)展，也不利于全民科學(xué)文化素養(yǎng)的提升和天文人才隊伍的培育。

STEM教育理念是一種立足生活經(jīng)驗和社會實踐，旨在培養(yǎng)探究能力、批判性思維能力、與人溝通能力，通過整合科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)等領(lǐng)域內(nèi)容和方法進(jìn)行的跨學(xué)科學(xué)習(xí)范式。

以STEM教育理念為代表的新時代教育思想變革給教育教學(xué)帶來前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，同時促使教育方式和教學(xué)行為的轉(zhuǎn)變。為了適應(yīng)時代發(fā)展需求，高校課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)主動探索與新型教育理念同步的教學(xué)方式，培養(yǎng)符合時代要求的新型人才。本文試圖以STEM教育理念+天文教育的模式探索一條在非天文高校開展天文教育的實踐路徑。

二、現(xiàn)狀分析

(一)師資資源欠缺

天文專業(yè)是一門小眾科學(xué)，對于大多數(shù)主要以工科、文科、藝術(shù)類等為主要專業(yè)的普通高校，極少開設(shè)天文專業(yè)，這也導(dǎo)致了許多非天文類的高校缺乏相關(guān)天文教學(xué)背景的教師。即使是有天文專業(yè)的高校主要以科研任務(wù)為主，能長期從事天文教育工作且具備天文觀測知識的人員也是少之又少。教師本身的天文觀測知識和經(jīng)驗不足,以致于無法指導(dǎo)學(xué)生獲得真正的觀測資料。

(二)需求層次參差不齊

眾多天文愛好者們對天文學(xué)的認(rèn)識層次大相徑庭，有的只停留在認(rèn)識太陽系中的八大行星，有的癡迷于科幻小說中的外星人、黑洞、多維空間等，當(dāng)初步了解天文社團(tuán)只能做一些基本的觀測活動后甚至覺得大失所望；有的甚至抱著純粹的浪漫主義情懷加入社團(tuán)，無意深度參與；而另有一部分人卻已經(jīng)熟練掌握操作帶有自動跟蹤系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡的觀測手段，以及相應(yīng)專業(yè)處理軟件(如MAXIM)數(shù)據(jù)處理的方法。這也直接導(dǎo)致了從事推動天文教育的教師在組織天文教學(xué)過程中無法做到真正的因材施教，僅僅提供天文學(xué)入門級課程、講座及常見的望遠(yuǎn)鏡使用教學(xué)，已難以滿足各個層次學(xué)生的需求。

(三)天文教育缺乏足夠硬件支持

如今,我國有教學(xué)天文臺的高校數(shù)目有限,除少數(shù)開設(shè)天文專業(yè)課程的高校愿意投入一定硬件設(shè)施，絕大多數(shù)的高校更多把資金投入其相關(guān)專業(yè)實驗室的建設(shè)，而作為天文選修課和天文社團(tuán)所需要的天文教學(xué)設(shè)備欠缺問題顯著。這也直接導(dǎo)致了天文教育更多的偏向理論教學(xué)，而無相應(yīng)實踐活動予以支撐，使得其教學(xué)方法和教學(xué)形式單一，缺乏吸引力。

(四)個人興趣與學(xué)業(yè)提升、就業(yè)壓力多因素難以平衡

南京師范大學(xué)的袁啟榮老師在多年教學(xué)模式探索過程中，曾經(jīng)總結(jié)設(shè)計兩種教學(xué)思路：(1)從天文知識的系統(tǒng)性出發(fā)組織教學(xué)，整個過程盡量側(cè)重知識結(jié)構(gòu)的完整性，教學(xué)內(nèi)容也偏向?qū)I(yè)化，包含了天文學(xué)簡史、天球坐標(biāo)和時間計量系統(tǒng)等知識點。(2)從趣味問題出發(fā)組織教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于授課的趣味性,從引人入勝的科學(xué)問題入手，介紹天文知識和方法。兩種思路各有利弊。僅從第一種思路來看，學(xué)生不僅需要較扎實的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，還需要學(xué)習(xí)專業(yè)性較強(qiáng)的天文學(xué)系統(tǒng)理論，而第二種對教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)有一點的難度。不管是第一種抑或是第二種，兩種思路均無法直接顯現(xiàn)對學(xué)生自身專業(yè)能力培養(yǎng)與就業(yè)技能的提升。高校學(xué)生無意愿投入大量精力在這個“無助學(xué)業(yè)、無助就業(yè)”的興趣愛好上。

三、STEM教育理念在高校天文教育中的實踐與應(yīng)用

結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)狀，我們需立足當(dāng)下，充分整合現(xiàn)有資源，引入新的教學(xué)理念，改變天文教育現(xiàn)有的教學(xué)模式。而作為當(dāng)前最新教育理念的STEM它具有跨學(xué)科性、趣味性、體驗性、情景性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性、技術(shù)增強(qiáng)性的核心特征。STEM教育理念與天文教育的深度融合，不僅可實現(xiàn)天文教育的基本教學(xué)目標(biāo)，還可打破學(xué)科壁壘，為高校培養(yǎng)新時代創(chuàng)新性、綜合性人才奠定基礎(chǔ)。本人所在的貴州大學(xué)明德學(xué)院是一所典型的非天文基礎(chǔ)的普通高校，我校一直力圖推動STEM+天文教育模式的實踐工作，經(jīng)過數(shù)年的摸索，總結(jié)出可操作性較強(qiáng)的實踐經(jīng)驗：

(一)以天文愛好者協(xié)會為核心力量推動天文教育發(fā)展

考慮到非天文高校未開設(shè)天文專業(yè)課，甚至連天文類選修課程也無法開設(shè)，可借助組建天文愛好者社團(tuán)方式以聚集天文愛好者。通過校內(nèi)社團(tuán)活動(如天文知識競賽、專業(yè)望遠(yuǎn)鏡使用培訓(xùn))、校外實踐(如組織面向社會的如觀星或觀測日食、參加全國科技活動周等天文科普活動)、全國專業(yè)競賽(如參加各類天文競賽)等，并將其作為天文教育主要對象以及培養(yǎng)隊伍。天文社團(tuán)成員既是科普成員骨干，亦是被教育對象，以此為核心力量將天文教育輻射至整個學(xué)校乃至地方社會普通民眾。天文社團(tuán)本著服務(wù)社會的思想，努力為天文學(xué)科儲備后備人才服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)、文化、教育和旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，豐富校園文化生活為實現(xiàn)自身的宏偉目標(biāo)而奮斗不息，同時也為廣大的天文愛好者提供了一個展示自我的舞臺。

而作為整個團(tuán)隊核心的指導(dǎo)教師需要以高站位、高水準(zhǔn)的要求自身，需具備一定的專業(yè)素養(yǎng)、實踐能力、組織能力和奉獻(xiàn)精神。其不僅需要掌握扎實的理論基礎(chǔ)，還需有一定的天文實測能力和綜合學(xué)習(xí)能力。社團(tuán)成員各人的學(xué)科背景均可能有所不同，因材施教也是關(guān)鍵所在。同時，從社團(tuán)的搭建到管理是個長期過程，所付出的努力無法體現(xiàn)在年度業(yè)績考核和職稱評選上。指導(dǎo)教師需有較強(qiáng)的教師職業(yè)道德感和使命感和無私回饋社會的奉獻(xiàn)意識。

(二)結(jié)合STEM教育理念，打造物理+天文+專業(yè)跨學(xué)科教育

盡管高校開設(shè)天文專業(yè)的極少，但并非沒有天文的土壤。全國有絕大多數(shù)高校均有開設(shè)相關(guān)大學(xué)物理、大學(xué)物理實驗等通識類課程，而該課程便是天文學(xué)的基礎(chǔ)。當(dāng)前物理類課程本身也存在知識內(nèi)容難度高、脫離前沿科學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不強(qiáng)等問題，甚至面臨被“砍”危機(jī)。但如果我們可以適當(dāng)將天文內(nèi)容融入大學(xué)物理和大學(xué)物理實驗課程，以物理類課程為基礎(chǔ)、天文興趣為引導(dǎo)，同時結(jié)合其他專業(yè)內(nèi)容，真正的實現(xiàn)STEM教學(xué)模式，跨學(xué)科的把專業(yè)課和天文知識融合，將天文教育打造為一門實踐課程。這不僅可以讓學(xué)生更加深入掌握物理知識，滿足天文教育的需求，還可促進(jìn)本專業(yè)的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)了學(xué)生的實踐能力，一舉三得。

(三)基于STEM教學(xué)理念，設(shè)置“因?qū)６悺钡奶煳慕逃龑嵺`課題

以我校為例：貴州大學(xué)明德學(xué)院是以電氣系、信息系、傳媒系等多學(xué)科并存的綜合類高校。該校天文社團(tuán)的指導(dǎo)老師在針對不同的專業(yè)“因?qū)６悺钡脑O(shè)置天文教學(xué)課題，如：(1)指導(dǎo)傳媒專業(yè)學(xué)生，利用AR技術(shù)展現(xiàn)當(dāng)前世界最大單口徑的望遠(yuǎn)鏡FAST模型，并利用其動畫制作及剪輯能力制作相應(yīng)宣傳片；(2)指導(dǎo)電氣自動化專業(yè)的學(xué)生通過其專業(yè)軟件3D Max的3D建模功能以及最新的前沿技術(shù)3D打印技術(shù)，通過打印FAST望遠(yuǎn)鏡模型，讓學(xué)生認(rèn)識射電望遠(yuǎn)鏡的基本構(gòu)造和相應(yīng)功能；(3)指導(dǎo)信息系通信專業(yè)學(xué)生嘗試?yán)米灾铺炀€觀測太陽、木星等天體射電輻射；(4)利用計信專業(yè)學(xué)生課借助虛擬天文臺發(fā)布的觀測數(shù)據(jù)，嘗試?yán)脵C(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)尋找超新星爆發(fā)事件。

在整個指導(dǎo)過程中，指導(dǎo)老師結(jié)合社團(tuán)中天文愛好者各自的專業(yè)特點，將理論專業(yè)性強(qiáng)的天文知識通過可視化信息技術(shù)、3D打印技術(shù)、工程制圖、無線電技術(shù)、通信原理、機(jī)器學(xué)習(xí)多學(xué)科融合。這不僅讓鍛煉了學(xué)生專業(yè)技術(shù)能力，也鍛煉了其實踐能力，團(tuán)隊能力，提升的學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，也對天文教育工作起到一定的推廣作用，實現(xiàn)了其教學(xué)目標(biāo)。而本團(tuán)隊個別實踐案例已于2019年獲得“全國大學(xué)生天文創(chuàng)新作品競賽”一等獎、二等獎，得到天文業(yè)界專家一致肯定。

四、展望

STEM教育理念在天文教育實踐過程中仍有許多課題亟待摸索，教師可根據(jù)自身能力及學(xué)校專業(yè)特點設(shè)置其他多個課題，例如“基于phyphox軟件測量重力加速度”、“基于Matlab模擬行星運(yùn)動”、“脈沖星輻射過程可視化”等……。STEM 教育實施成功的一個關(guān)鍵因素在于問題情境的設(shè)置。而這些課題立足于天文科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)，切合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)環(huán)境和背景，按需設(shè)計了具備可操作性又有一定深度的問題情境，真正的實現(xiàn)了STEM 教育理念。整個實踐過程更易構(gòu)建和鞏固學(xué)習(xí)者個體相關(guān)的知識體系，同時學(xué)以致用，避免將知識變?yōu)槎栊灾R。

STEM教育理念不是簡單地將科學(xué)技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科進(jìn)行疊加，而是一種有機(jī)整合，一種立足于學(xué)生應(yīng)具備的、能適應(yīng)終科教熱點、自身發(fā)展和社會需要的必須品格和關(guān)鍵能力的跨學(xué)科整合。天文學(xué)是一門古老的學(xué)科，但隨著我們的教育理念的更新，這門學(xué)科不但可以重?zé)ㄉ鷻C(jī)，還可以幫助培養(yǎng)更多的不同專業(yè)的人才，可以讓天文教育更深層次的融入社會，提升公眾的科學(xué)素養(yǎng)，加強(qiáng)學(xué)生實踐能力、團(tuán)隊能力的綜合能力的提升。這不僅助力學(xué)生自身的發(fā)展，對天文教育來說也是一種良性的推動。