摘"要：國家在科學普及和學科發(fā)展方面都對天文學科普教育提出了要求。本文以世界最大單口徑射電望遠鏡——FAST望遠鏡為切入點進行天文科普產(chǎn)品開發(fā)，設(shè)計了一款能更好用于科普實踐的FAST望遠鏡紙模型產(chǎn)品?；赟TEM教育理念，結(jié)合FAST望遠鏡紙模型，設(shè)計了射電天文科普課程。FAST望遠鏡紙模型可生動反映“主動反射面”和“饋源索支撐”兩大工程特點，價格低廉，適用于個體或團體手工實踐課，也可作為科普道具使用，在具體科普活動中取得了良好的教學實踐效果。

關(guān)鍵詞：天文學；科普教育；紙模型

Abstract：The"country"has"set"development"standards"for"astronomy"popular"science"education"in"the"areas"of"scientific"popularization"and"academic"development.This"developed"astronomical"science"popularization"products"centered"around"the"world's"largest"single"dish"radio"telescope，the"FAST，and"designed"a"paper"model"of"the"FAST"telescope"that"can"enhance"science"popularization"efforts.This"radio"astronomy"science"popularization"course"is"based"on"the"STEM"education"philosophy"and"combined"with"the"design"of"the"FAST"telescopenbsp;paper"model.The"FAST"telescope"paper"model"vividly"illustrates"two"key"engineering"features：the"\"active"reflecting"surface\""and"the"\"feed"cable"support\".The"product"material"used"is"affordable，making"it"suitable"for"both"individual"and"group"handicraft"practice"sessions，as"well"as"serving"as"props"for"science"popularization"activities.It"has"gained"popularity"among"audiences"during"science"popularization"events"and"has"yielded"significant"teaching"outcomes.

Keywords：Astronomy;Science"Popularization"Education;Paper"Model

天文學是六大基礎(chǔ)學科之一，與其他自然學科有著十分密切的關(guān)系。目前，雖然天文學沒有納入中小學課程體系中，但國家一直支持天文學相關(guān)科普活動及學科發(fā)展。2016年《中國公民科學素質(zhì)基準》［1］中提出中國公民應(yīng)掌握基本的天文知識；2022年《關(guān)于新時代進一步加強科學技術(shù)普及工作的意見》［2］中提出大力弘揚科學精神和科學家精神、提高民眾的科學素養(yǎng)和科學意識；2023年《普通高等教育學科專業(yè)設(shè)置調(diào)整優(yōu)化改革方案》［3］中，提出“建強數(shù)理化生等基礎(chǔ)理科學科專業(yè)，適度擴大天文學等緊缺理科學科專業(yè)布局”。進一步加強天文學科普力度，不僅符合國家對科普工作的要求，也可以培養(yǎng)更多愛好天文學的中小學生，引導(dǎo)更多學生投身天文學科發(fā)展，為國家學科專業(yè)調(diào)整優(yōu)化工作做貢獻。

2016年，目前世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（Fivehundredmeter"Aperture"Spherical"radio"Telescope，F(xiàn)AST）在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼落成啟用。這一重大科技事件，引發(fā)了我國民眾對天文學的強烈熱情。FAST望遠鏡的落成啟用作為我國在射電天文學發(fā)展歷程上的一項重要里程碑，選擇FAST望遠鏡作為天文科普載體，能夠增強公眾對FAST望遠鏡和射電天文的認知，提高民眾民族自信心。

科學普及的形式多種多樣，如科普講座、科普課程、研學活動、科普讀物等。為更好地吸引中小學生參與到天文科普活動中，本文基于STEM教育理念，制作了一個FAST望遠鏡紙模型，并開發(fā)相關(guān)射電天文科普實踐課程，用于進行一系列射電天文科普活動。

1"FAST望遠鏡模型發(fā)展

目前，圍繞FAST望遠鏡射電天文科普活動已有大型可動式FAST望遠鏡模型、3D打印可拼裝FAST望遠鏡模型、FAST金屬拼裝模型、FAST木板拼裝模型等多種模型。不同的模型有著各自的優(yōu)缺點，但都不能滿足本文科普課程開發(fā)要求。

大型復(fù)合材料可動式FAST望遠鏡模型，由復(fù)合材料制造，通常設(shè)計有電動裝置，其反射面和饋源艙可以模仿實物運動，還原FAST望遠鏡運動情形。此類模型可以在外觀細節(jié)、運動方式，甚至周圍地形地貌上還原FAST望遠鏡真實情況，展示度最好，但該模型成本高、占地面積大、維護難度大，通常只適合固定展廳使用。

3D打印可拼裝FAST望遠鏡模型，通過3D打印技術(shù)制作出來一組模型部件，可由用戶自行拼裝。3D打印用于制作復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以較好地還原FAST望遠鏡工程特點。該模型重復(fù)利用率高，維護方便，可用作科普課堂重復(fù)使用。

FAST金屬拼裝模型為金屬材質(zhì)制成，可以自由拼裝。該模型同樣能較好地還原FAST望遠鏡實際情況，耐損耗。但在組裝時，金屬尖銳部件可能會對組裝者造成傷害，存在一定的安全隱患。

FAST木板拼裝模型成本低，容易拼裝。但由于受木板模型拼裝方式限制，無法反映FAST望遠鏡反射面工程結(jié)構(gòu)特點，還原度較差。

本文希望有一種同時滿足還原度高、制作成本低的小型拼接FAST望遠鏡模型，能讓中小學生動手拼裝并作為參加科普活動成果帶走，也可用作教具很好地講解FAST望遠鏡工程的特點。以上模型均無法滿足需求，所以本文選擇使用紙模型的形式自主開發(fā)一種FAST望遠鏡紙模型。

紙模型是一種將模型設(shè)計圖紙打印在紙上，通過裁剪、粘貼等操作，制作成立體模型的一種制作形式。在國外已經(jīng)有了部分望遠鏡紙模型先例，如澳大利亞帕克斯64米口徑射電望遠鏡、日本的野邊山天文臺45米望遠鏡、美國阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列、日本岡山天體物理觀測所188厘米口徑反射望遠鏡。國內(nèi)目前尚未有天文望遠鏡紙模型產(chǎn)品。FAST望遠鏡紙模型，是以一種紙面上的形式，將FAST的設(shè)計圖呈現(xiàn)在科普受眾面前。受眾再根據(jù)FAST紙模型開發(fā)對應(yīng)的科普課程，按照FAST望遠鏡建設(shè)歷程一步一步搭建FAST望遠鏡紙模型，寓教于樂，動手學天文，使受眾能夠?qū)AST望遠鏡及射電天文學有進一步了解。

2"FAST紙模型設(shè)計

2.1"設(shè)計思路

FAST望遠鏡主要由格構(gòu)柱、圈梁、饋源塔、索網(wǎng)、下拉索、反射面、饋源艙和測量基墩等幾部分組成。其中，圈梁由50根格構(gòu)柱支撐，索網(wǎng)架設(shè)在圈梁上，索網(wǎng)有2225個節(jié)點，每個節(jié)點之上有一個下拉索，下拉索連接著促動器，通過控制促動器來改變索網(wǎng)的形狀，在索網(wǎng)上鋪設(shè)有4450塊鋁合金面板構(gòu)成望遠鏡反射面。圈梁外圍有6座饋源支撐塔，6根饋源索從塔上引出，牽引饋源艙至指定位置。此外FAST望遠鏡還有24個測量基墩，測量基墩頂端的全站儀可以對反射面形狀和饋源艙位置姿態(tài)進行測量。

FAST望遠鏡具有“主動反射面”和“饋源索驅(qū)動”兩大工程特點。FAST望遠鏡工作時需要將部分反射面由球形變?yōu)閽佄锩?，從而將來自宇宙的射電信號匯聚到焦點處，此為“主動反射面”。而“饋源索驅(qū)動”則是通過伸縮饋源索調(diào)節(jié)饋源艙位置至焦點處，以收集天體射電信號。

通過與FAST望遠鏡外觀數(shù)據(jù)比對，考慮到需要在常規(guī)紙張尺寸下，盡量把模型做大，保證模型觀感，最終選取1∶3333的比例來復(fù)刻FAST望遠鏡。在設(shè)計過程中，按照FAST望遠鏡主要外觀結(jié)構(gòu)進行復(fù)刻，對細節(jié)進行簡化，調(diào)整部分結(jié)構(gòu)相對比例。比如，將實際的50個格構(gòu)柱改為10個格構(gòu)柱并將其適當放大，取消了下拉索、驅(qū)動器、全站儀、標靶、24個測量基墩等與FAST望遠鏡工程特點關(guān)系不大的細節(jié)；忽略地形，將格構(gòu)柱、饋源支撐塔都放置在同一平面。

為反映“主動反射面”這一特點，采用5根棉線模擬FAST望遠鏡反射面5根主索，將FAST望遠鏡反射面直接放置于5根棉線相連的“索網(wǎng)”上（如圖1所示）。為反映“饋源索驅(qū)動”，使用6根棉線代表饋源艙支撐索，將饋源艙與饋源支撐塔通過這6根棉線連接起來，把饋源艙懸掛于反射面之上。

2.2"設(shè)計過程

首先，本文采用“六角大王”建模軟件對其FAST望遠鏡各個主要結(jié)構(gòu)進行建模設(shè)計。其次，借助“紙藝大師”軟件對FAST紙模型的3D建模圖進行分解、切割和展開并進行適當?shù)恼{(diào)整，完成FAST望遠鏡各個部件的平面展開圖設(shè)計。值得注意的是由軟件自動展開的結(jié)果并不合理，需要進行適當調(diào)整。最后，將FAST望遠鏡的圈梁、格構(gòu)柱、反射面等部件平面展開圖進行合理排布以方便打印，并將圖紙編排成冊。為了增強模型適用范圍，模型冊中包含有制作說明，并針對各主要結(jié)構(gòu)設(shè)計了FAST望遠鏡小知識，可以讓用戶自主拼裝，并在組裝的過程中對FAST望遠鏡實際情況有所了解。拼裝后的FAST望遠鏡紙模型實物如圖2所示。

3"科普課程開發(fā)

STEM教育模式融合Science（科學）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學）四門學科的知識，強調(diào)動手學習、情景學習，在實踐中強化學生對知識點的掌握。STEM教育理念具有趣味性、體驗性、情景性、協(xié)作性、技術(shù)增強性等核心特征，在課堂教育、科普教育中都有很好的實踐效果。對于天文學而言，受限于設(shè)備與觀測條件，利用實際觀測開展STEM教育難度較大，通常借助合適的模型教具或軟件工具進行STEM教育，有少量成功的先例［4，5］。FAST望遠鏡紙模型的成功開發(fā)，是運用STEM教育理念進行基于FAST望遠鏡的射電天文科普課程設(shè)計的有力保障。

科普課程的第一個環(huán)節(jié)是了解FAST望遠鏡的基本情況。先向?qū)W生展示FAST望遠鏡實物照片，講解FAST望遠鏡基本結(jié)構(gòu)；然后通過播放FAST望遠鏡建設(shè)過程的照片、視頻，讓學生了解FAST望遠鏡建設(shè)過程。

第二個環(huán)節(jié)是動手制作。簡單介紹FAST望遠鏡紙模型拼裝方法，播放模型拼裝視頻，讓學生模仿FAST望遠鏡建設(shè)過程拼裝FAST望遠鏡紙模型。在此過程中，學生可以切實了解FAST望遠鏡各主要部分的功能，親身體驗FAST望遠鏡建設(shè)過程。

第三個環(huán)節(jié)基于制作完成的FAST望遠鏡紙模型，向?qū)W生講解FAST望遠鏡工作原理，比如，讓學生通過拉動饋源索以調(diào)整饋源艙位置姿態(tài)，同時向?qū)W生講解FAST望遠鏡如何觀測不同位置的天體。針對不同年級的學生，可以選擇難度適中的內(nèi)容，講解FAST望遠鏡的科學用途。通過互動式、一問一答的教學形式，在課堂上以學生為主體，解答學生心中疑惑，激發(fā)學生對天文的興趣和好奇心，培養(yǎng)科學探究素養(yǎng)。

我們將該課程實際應(yīng)用到貴州省都勻市某小學課后天文興趣課堂中。實踐表明，通過動手組裝FAST望遠鏡紙模型，能更好地激發(fā)學生的學習興趣。通過以組裝后的FAST望遠鏡紙模型為教具，可以更好地調(diào)動課堂氛圍，讓學生生動地理解FAST望遠鏡工程特點，同時激發(fā)學生對后續(xù)FAST科學目標等科普內(nèi)容的學習熱情。

總結(jié)

目前，我國天文學科普教育仍有待進一步加強。本文通過以FAST望遠鏡為切入點，進行射電天文學科普，加強公眾對射電天文的認知程度。本文設(shè)計了一款FAST望遠鏡紙模型，并基于STEM教育理念，將該模型用于射電天文學科普課程中。FAST望遠鏡紙模型不僅較好地還原了FAST望遠鏡的外觀，還展現(xiàn)了它“主動反射面”和“饋源索驅(qū)動”兩大工程特點。在貴州省都勻市某小學進行的科普實踐中，F(xiàn)AST望遠鏡紙模型及相關(guān)科普課程寓教于樂，受到學生的熱烈歡迎，并取得了較好的教學效果。

參考文獻：

［1］科技部，中宣部.關(guān)于印發(fā)《中國公民科學素質(zhì)基準》的通知［EB/OL］.（2016418）.https：//www.gov.cn/gongbao/content/2016/content_5103155.htm.

［2］中共中央辦公廳，國務(wù)院辦公廳.關(guān)于新時代進一步加強科學技術(shù)普及工作的意見［EB/OL］.（20220904）.https：//www.gov.cn/gongbao/content/2022/content_5710610.htm？eqid=ecee4cff0009746700000003648aeb2c.

［3］教育部，國家發(fā)展改革委，工業(yè)和信息化部，等.關(guān)于印發(fā)《普通高等教育學科專業(yè)設(shè)置調(diào)整優(yōu)化改革方案》的通知［EB/OL］.（20230221）.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202304/04/content_5750018.htm.

［4］陳宇新.基于STEM教育理念的校外天文科普教學探究［J］.中國校外教育，2019（S1）：5152.

［5］江林焱，萬俊桃，張立云.STEM教育理念在非天文高校天文教育中的實踐［J］.長江叢刊，2021：9697.

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“追星筑夢——射電天文科普活動輔助教具設(shè)計”（項目編號：202310670088）；貴州省教學內(nèi)容和課程體系改革項目“射電天文方法與技術(shù)實踐課程改革”（項目編號：2022334）

作者簡介：代宇（2003—"），男，土家族，貴州銅仁人，本科生，研究方向：天文學。

*通信作者：喻業(yè)釗（1989—"），男，漢族，廣東揭陽人，博士研究生，副教授，主要從事射電脈沖星、射電天文方法、天文科普教育方面的教學及科研工作。