天文学研究课题范文

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篇1

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）05-0058-02

一、引言

天体力学是应用力学规律研究天体的运动和形状的一门学科，是天文学的一个分支，同时又与数学和物理学的关系密切。天体力学诞生于1687年，但作为学科名称是拉普拉斯于1798年首次提出的[1]。天体力学的基本理论虽然源于对自然天体的研究，但同样适用于人造天体。随着卫星技术的广泛应用，现代天体力学与航天科学、大地测量学和地球物理学等学科相互交叉，形成了一些共同的研究领域。因此，天体力学不仅是天文学专业必修的专业基础课，也是其他相关专业的重要选修课。天体力学涉及的内容广泛，理论性强，公式复杂，对于非天文专业的学生而言，天体力学是一门难度较大的课程。由于教学对象和教学目标不同，非天文专业开设的《天体力学》课程不可能照搬天文学专业的课程体系，而必须结合自身专业特点和需求进行课程体系建设。本文以武汉大学测绘学院天体力学课程为例，从教学目标、教学内容与教材、教学方法和考核等方面对非天文专业天体力学课程建设进行探讨，以供同行参考。

二、教学目标

武汉大学测绘学院开设天体力学课程主要针对测绘工程和地球物理两个本科专业。目前，全球卫星导航技术、遥感技术和卫星重力等现代卫星技术广泛用于测绘、地球物理领域的生产实践和科学研究，掌握基本的天体力学理论对于理解和掌握后续的专业课程具有重要作用。因此，天体力学是一门重要的专业基础课，一般在二年级下学期开设。通过本课程的教学，应达到以下目标：（1）使学生了解天体运动的基本规律，掌握天体运动的基本理论，为GPS原理及应用、卫星大地测量学、卫星重力学等后续专业课的学习奠定基础；（2）使学生了解天体力学的研究方法，通过一些理论公式的推导和天体运动规律的分析，增强学生科学理性的逻辑思维能力；（3）指导学生将天体力学基本理论应用于实际天体，利用案例介绍天体力学在本专业中的应用，培养学生独立分析与解决问题的能力。

三、教学内容与教材

人造天体的出现与电子计算机的广泛应用，极大扩展了天体力学的内容和应用范围，但是非天文专业天体力学课程不可能也没必要涉及天体力学的所有内容。结合专业特点和需求，选择的教学内容以经典天体力学的核心内容为主，即二体问题和摄动理论。考虑到非天文专业大学生的实际，教学内容侧重于基本概念和基础理论，并辅以所需的数学和物理学基础知识。表1列出了具体教学内容和课时安排。第1章绪论对课程进行概述，简要介绍天体力学的研究内容和发展历史。第2～3章是针对非天文专业学生缺乏相应基础而安排的数学、物理和天文学方面的基础知识。第4～6章是经典天体力学的主要内容，也是课程学习的重点。第7章是多体问题，重点介绍三体问题。第8章主要以地球为例介绍天体的形状与自转理论。教学内容由浅到深、由易到难逐渐递进，便于学生理解吸收。

国内天体力学的教材较少，而且由于出版时间较早现已经没有再版，如《天体力学引论》[2]、《天体力学基础》[3]。近年来，也鲜有天体力学方面的书籍出版。时间最近的天体力学书籍是2008年出版的《现代天体力学导论》[4]，但是该书专业性较强，主要介绍现代天体力学的内容和代表性研究成果，不适合作为非天文学专业本科生的教材。为了满足课程教学的需要，课程组在2006年就结合国内外资料编写了《天体力学》讲义，内容覆盖了所需的基础知识和天体力学基本理论，并添加在本专业的一些实际应用案例。经过多年的不断更新和完善，讲义基本具备了出版教材的条件。

四、教学方法与手段

1.合理利用计算机技术辅助教学。信息技术的发展及在教育教学领域的应用，导致了教学方法和手段的深刻变革，目前多媒体教学已成为课堂教学的主流方式。天体力学涉及不少抽象的天文学概念和复杂的空间关系，同时也有较多的公式，因此采用板书和多媒体相结合的方式更利于学生对课程内容的理解。对于一些重要公式的推导采用板书形式，这样容易引导学生的思路，增加与学生的互动。对于抽象的概念和理论，采用图片、动画和视频等多媒体资料进行讲解，不仅可以激发学生的学习兴趣，也有利于他们更好地理解和掌握。例如，第二章中的天球坐标系就涉及到天球上的许多点、线、面的概念，以及地平坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系等多种天球坐标系的定义，采用传统方法讲授这些知识需要较多课时。而使用多媒体教学方式，只需几幅图片和一个动画就可以将这些坐标系的定义及相互关系形象直观地展现出来，极大提高了教学效率。另外，还可以编写一些程序或运用专业仿真软件（如STK卫星工具箱[5]）对某些教学内容进行演示，增进学生的感性认识，如天体的运行轨道模拟、摄动力对轨道的影响等内容。

2.理论联系实际，注重培养知识运用能力。天体力学课程是一门公式多、理论性强、逻辑严密的理论课。但是如果过多地讲授理论和公式推导，学生听课会觉得枯燥无味，学习兴趣下降，导致教学效果不佳。授课过程中应注重理论知识与实际应用的联系，特别是增加与本专业相关的一些应用或者是当前的热点问题。例如，讲授卫星轨道的相关知识时可以介绍嫦娥探月卫星轨道设计等实际问题，讲授轨道摄动问题时可以介绍卫星轨道摄动在确定地球重力场方面的应用。还可以采用案例教学法对一些公式较多的知识点进行教学，例如天体星历的计算，给定某实际天体运行轨道的轨道根数，让学生编程计算该天体在任意时刻的位置。通过介绍应用案例或者让学生自己动手解决实际问题，能激发学生的学习兴趣，增强对知识的理解。

3.利用灵活多样的考核方式保障课程教学质量和学生的学习效果。课程考核是实现教学目标和检验学生学习效果的一种手段，是课程教学的一个重要环节。为了避免传统期末考试“一考定成绩”的诸多弊端，本课程采用多元的考核方式，课程成绩由平时成绩和期末考试成绩两部分组成，分别占总成绩的45%和55%。平时考核可采取考勤、作业、课堂演讲与讨论、编程实验等多种形式，对于全面了解学生的学习状况和教师的授课效果非常有效，同时也可减小学生对考试的畏惧心理，避免考前突击行为。期末考试可采用开卷、半开卷和闭卷三种形式。开卷考试以应用题为主，题目覆盖课程的主要知识点，但又不能在学生携带的参考资料中找到完整的考题答案，以考察学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力。半开卷形式则允许学生考试时将自己觉得重要的公式和理论抄写在一张纸上带进考场，这种方式有利于使学生理解知识点之间的联系，全面系统地复习、归纳和总结知识体系。闭卷形式虽然要求学生不准携带任何资料进入考场，但是为了避免学生对理论和公式死记硬背，试卷中会给出可能用到的重要公式，从而引导学生在学习过程中着重对知识点的理解、分析和运用。

五、结语

《天体力学》课程专业性较强，开设该课程的多为天文学专业。非天文专业开设《天体力学》，无论是教学内容还是教学方法，都没有经验可以借鉴。我院开设该课程已近十年，在课程建设方面进行了一系列教改实践，并取得了良好效果。学生学习该课程后掌握了本专业所需的基本知识，有的学生因此喜欢上天文专业并考取了该专业的研究生。本文在多年的教学实践基础上，在教学内容、教学方法和教学手段、考核方式等方面总结了教学经验，为非天文类的其他相关专业开设《天体力学》课程提供了参考。

参考文献：

[1]易照华.天文动力学和天体力学[J].云南天文台台刊，2002，（3）：1-8.

[2]易照华.天体力学引论[M].北京：科学出版社，1978.

[3]易照华.天体力学基础[M].南京：南京大学出版社，1993.

[4]孙义燧，周济林.现代天体力学导论[M].北京：高等教育出版社，2008.

篇2

南开大学没有天文专业，但有全校性天文学公共选修课，属通识类课程，更是大学生素质教育类课程。当代自然科学有六大基础学科：数、理、化、天、地、生。天文学是人类最古老的，也是当代最活跃的自然科学之一。据《新千年美国国家研究理事会研究报告》称：“在美国，每年有超过20万大学生选修天文课程，对于他们之中的很多人，天文是学习过的唯一科学课程。天文学为公众认识人类在宇宙中的地位和科学的本质提供了窗口。天文学家在美国的科学教育中扮演着重要的角色。天文学同物理学、数学、地球科学等的综合联系，使之成为向广大听众讲授科学的一个特别恰当的载体。”

人类天生就是追星族。远古时代，在与大自然进行生死搏斗中的古人类，即使对自然规律尚无所知，也难抑制对美丽星空的遐想；仰观日月星辰的运行，居然获得了农耕或游牧的重要启示。天长日久，渐渐发展出一门研究天体运动、探索宇宙奥秘的天文学。明末清初，著名学者顾炎武说：“三代以上，人人皆知天文”，在夏、商、周以前，中华民族的人文初始阶段，天象知识已经相当普及。1987年在河南濮阳发掘的仰韶文化遗存中，竟有由蚌壳和人骨摆放组成的青龙、白虎和北斗的星象图案，经碳14测定，年代为距今6460±135年，把中华民族的先民们仰观天文的历史推前到殷墟甲骨文之前又3000年。这一重要发现的出土实物，现已移放在北京天安门广场东侧国家博物馆古代中国陈列厅展出。

2007年5月14日，总理在同济大学即席演讲，引用黑格尔的话：一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望；一个民族只是关心脚下的事情，那是没有未来的。2007年9月4日《人民日报》发表温总理诗作：“仰望星空”。德国大哲学家康德在他的名著《实践理性批判》说：“世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。” 人生于世，转瞬百年。芸芸众生，沧桑多变，世态炎凉。惟有遥远的天体，给人以恬静、永恒的感觉。昭如日月，灿若明星，历来是文学艺术讴歌的对象，精神领域崇高的寄托。仰望星空，无论是几十年前还是几十年后，无论你身在地球上什么地方，灿烂的群星总以它那无比的庄严和静谧，向你展示着神秘而和谐的宇宙图景，使你心驰神往，无限遐思，心灵得到净化。天文学的基本知识，对于当代追求高尚知识素养的人，无论从事何种职业，都是值得学习的。如果对天体和宇宙当中的事情一无所知，便不能算作是一个知识全面的人。

天空中那耀眼的太阳，皎洁的月亮，闪烁的恒星，迷蒙的银河，长尾巴的彗星，飘落夜空的流星雨……探索这些神秘而遥远的天体是人类永恒的欲望。宇宙多么宏大，而人类何其渺小。但渺小的人类居然可以探测如此宏大的宇宙，追询它如何创生、怎样演化。人类的智慧才是宇宙中真正的奇迹。在宇宙演化进程中诞生的人类, 在研究宇宙的同时，也认识自身，认识人类在宇宙中的地位。

南开大学从1993年起开设天文学选修课，至今已历19年，37学期，选修人数11968人。1997年天文选修课辐射至天津大学，历24学期，选修人数7919人；2005年辐射至天津滨海学院, 历14学期，选修人数1954人。三所大学选修总人数21841人。天文选修课分文理两班。理科班的课名为“天文学概论”，使用的教材《天文学新概论》，2000年8月出第一版，2002年2月出第二版，2005年12月出第三版，由武汉市华中科技大学出版社出版。2009年8月，《天文学新概论，第四版》改由科学出版社出版，至2012年1月，第四版已第三次印刷。12年间总共出版4版，11次印刷。发行3.57万册。2008年6月还在台湾出版《天文学新概论》繁体字版，由高雄市丽文文化事业股份有限公司出版。文科班的课名为“宇宙掠影”，使用的教材《文科天文》，科学出版社2010年6月第一版。前期曾使用过的教材《宇宙掠影》，2006年1月由河南人民出版社出版。2007年5月也在台湾由高雄市丽文文化事业股份有限公司出版《宇宙掠影》繁体字版。前中国天文学会理事长、南京大学天文系苏定强院士评价《天文学新概论》：“很符合当前国际上天文学研究的重点范围，不仅介绍天文知识，还联系人文思想、文学和哲学方面的话题。是对大学生进行科学素质教育很好的教材。”南京大学天文系肖耐园教授认为本书“是同类型书籍中出类拔萃、独树一帜的优秀著作”。国家天文台李竞研究员撰文指出：《天文学新概论》“恰如其分地反映了当代天文学的时代特征。10年间从一版出到四版在天文书刊界实为罕见。”

课程讲解的重点内容为：地月系—太阳系—银河系—河外星系—星系团—超星系团—总星系各层次天体的系统知识和最新研究进展情况；恒星物理方法，主序星、双星、不稳定星、星团、星云，恒星演化机理；黑洞及其探测，伽玛射线暴，引力透镜；大爆炸宇宙论，背景辐射，暗物质与暗能量，时空的起源与归宿；人类探索宇宙的新视野和地外文明探索。采用多媒体教学方式，展示大量的天体和宇宙探测新发现的图片、动画、小电影等。天气特别晴朗的时候，带领同学户外认识星空，用小型天文望远镜观测月亮、行星和部分深空天体。有条件时组织学生去国家天文台参观实习。当发生特殊天象或重大天文成果、最新天文发现等时机，结合课堂及时讲授或通过“南开周末论坛”面向全校学生普及天文知识。例如：2011年10月21日举办的“解读2011年诺贝尔物理学奖——超新星、暗能量和宇宙加速膨胀”；2012年3月30日举办的“521日环食和66金星凌日天象预告”等。前中国天文学会理事长、北京天文台台长李启斌曾评价：南开大学的天文选修课是全国做得最好的。

2007年国家教育部、财政部在全国高等学校范围内，立项建设首批100个国家级教学团队。“南开大学科学素质教育系列公共课教学团队”是其中唯一的科学素质教育类国家级教学团队。团队共分8个课程组，12门课程。“天文学概论”和“宇宙掠影”两门均位列其中。另10门课程为：数学文化、世界科技文化史、基础生命科学、基础生命科学实验、科研方法论、环境伦理学概论、前进中的物理学、物理演示实验、研究性学习、大学文科数学。这些课程对于普及科学知识、倡导科学方法、推崇理性思维、传播科学思想、弘扬科学精神，发挥了其他课程难以替代的素质教育功能。天文选修课的教学面向全校所有专业的学生，特别注重科学精神与人文精神的融合。在传授现代天文知识的同时，培养学生正确的世界观、人生观、价值观，使学生在科学素质、文化素质、思想素质上全面提高。

2009年，“南开大学科学素质教育系列公共课教学团队”获国家级教学成果二等奖。教育部在有关文件中称：“在全国开展教学成果奖励活动是国家实施科教兴国战略的重要举措。……获奖项目在总体上代表了当前我国高等教育教学工作的最高水平。”中国科学技术协会2010年评选全国优秀科技工作者，天文界入选5人中就有南开大学天文选修课教师苏宜教授。

2010年6月12-13日，由教育部高等教育司主办的“人文素质教育与科学素质教育的融合高层论坛”在南开大学举行。包括清华大学、北京大学、南京大学、南开大学、复旦大学、天津大学、东南大学等高校近300人汇集南开大学与会。出席的高层人士有：中国高等教育学会会长周远清（原教育部副部长、清华大学副校长），教育部高等教育司司长张大良，教育部文化素质教育指导委员会主任杨叔子（原华中科技大学校长），教育部文化素质教育指导委员会顾问王义遒（原北京大学常务副校长），教育部文化素质教育指导委员会顾问张岂之（清华大学思想文化研究所教授），教育部文化素质教育指导委员会顾问胡显章（原清华大学党委副书记）等。论坛的主题是：大学应该培养什么样的人？——探索有中国特色的人才培养模式，探讨进一步加强和推进文化素质教育等的相关问题，交流文化素质教育经验，尤其是在人文素质教育与科学素质教育的融合中取得的成果。南开大学的苏宜教授以“人文素质教育中的宇宙情怀”为题，在大会报告中介绍了南开大学开设天文选修课的情况，及其对本科生科学素质培养方面所起到的作用。

论坛最后达到的主流认识是：大学应该培养兼有人文精神和科学精神的、有创造能力的、适应21世纪需要的现代化高素质人才。回顾以前，曾经有过的提法是：大学教育的目的是传授知识，培养能力。后来才注意到素质的问题。素质是什么？——知识和能力内化为人的稳定性的品格，这就是素质。

1995年开始在全国52所高校开展文化素质教育的试点工作。早期的重点放在对理工科大学生的人文素质教育上，开设文学、历史、哲学、艺术等人文社会科学方面的课程。后来提高到为全体大学生进行人文素质跟科学素质的教育。现在又提出科学和人文融合，不是混合、凑合和勉强的结合。人文素质教育和科学素质教育双翼齐飞，相互融合。科学呼唤人文，人文导引科学。不能用通识教育简单代替文化素质教育。杨叔子院士提出：“高等教育是育人还是制器？” 爱因斯坦（对加州理工学院学生）说:“你们不仅要关心设计图纸，首先要关心人，关心经济怎么分配。”教育质量的标准在于：人的发展与社会发展的统一。科学创造到了一定的程度，再上一个台阶，往往就是人文的过程。文化就是以文“化天下”。科学用脑，人文用心，一种公平心，一种同情心，一种价值观，一种态度，一种感情。人们生活水平提高了，科学技术发展了，但人的道德却在下降，这就是素质教育缺失的表现。

现在中国有大学2000多所，学生2900万以上。中国是世界上教育规模最大的国家，但远不是高等教育的强国。中国大学生占全国同龄人口23%以上，他们的人文素质和科学素质得到提高，就可望整个国民的素质得到提高。

南开大学的“人文素质教育中的宇宙情怀”大会报告，引用南开大学校党委书记曾经在全校德育工作会议上总结的：“天文学课程并没有在课堂上讲政治思想问题，而是寓德育于科学知识之中，居然改变了学生对事业的看法，成为人生的转折点，发挥着不可替代的作用。”以下列举部分学生选修天文课后获得的实际感悟：

“两年多的大学生活过得散散漫漫。没有理想，没有激情，不知目标、不知方向。直到选上《天文学概论》，我看到遥远的宇宙、浩瀚的星空。感到人生的短暂、个人的渺小。我开始猛醒、开始振作，从此改变散漫的生活。（天大环境工程）”

“听苏宜老师的宇宙掠影课，我如痴如醉。宁静、安详、和谐的星空净化了我的心灵，陶冶了我的情操，让我学会理解，懂得包容。与其说是给人以知识的课，倒不如说更像是一堂人生的课，我收益良多。（南开图书档案）”

“感谢天文学课程，激励我们甩开郁闷的困扰，不再抱怨学习的辛苦，不再计较学分、成绩，为了明事、明理，探求未知而自觉学习。我相信，美丽的星空会让我们的人生更加美丽！（天大自动化）”

“我曾沉溺于星相算命，经常上网看每周、每月的星座运程、爱情特征、交友指数等来安排和指导自己……是宇宙掠影课让我明白了这有多么无知可笑。我彻底摆脱了星座迷信的阴影，欣赏自然的美丽，享受人与自然的和谐。（南开法学）”

“自从选修天文，我又一次体会到久违的学习的乐趣。惊喜的发现，我原来可以学得这么快乐，听得那么清楚明白。灿烂的星空洗去了我的浮躁和不如意的感觉。豁然开朗的我，不再自卑、不再徘徊，徜徉在美好的学习生活中。（天大英语）”

“一直相信人是诗意的栖居。宁愿相信月中的玉兔，而不相信环形山，因为我认为美的比真的更有价值。直到走进天文学课堂，我受到前所未有的震撼，心灵在更广阔的空间里飞翔。天文奥秘中闪耀的是人类理性的光芒，这种理性的美是感性的美所不可比拟的。（南开中文）”

“天文学中蕴含的人类思想的美丽，使我明白了什么才是生命的真正价值。曾经一度不愿也不肯原谅从前的恋人。现在，也做到了释然和毫无怨言。（南开计算机）”

“我是一个有心理疾病的学生，对人生抱着绝望的态度，有过轻生的倾向。天文课的学习、自然界极致的美一次次震撼着我的心灵，再次燃起了我幼时对大自然的兴趣之火。现在我必须忘却烦恼，感受豁达，走出疾病的阴影，走向光明的未来。（南开生物）”

“学了天文学，我心目中的世界不再是原来那个狭小的空间。灿烂的群星已经震撼了我的心灵，使我更加地热爱科学、热爱生活。似乎有点玄乎，但的确我有这种感受。（南开化学）”

2009年起，中国科学院国家天文台对在国内设置天文专业或有天文学研究方向的高校，设立本科生奖学金，奖金额每人3000元，旨在鼓励本科生立志献身天文事业，促使我国天文学科优秀人才的迅速成长。受奖高校共24所。其中有天文本科专业的4所：南京大学、北京大学、北京师范大学、中国科学技术大学。有天文硕士、博士点或天文研究课题的19所：清华大学、天津大学、武汉大学、上海交通大学、华中科技大学、广州大学、厦门大学、河北师大、天津师大、华中师大、上海师大、沈阳师大等。既没有天文本科专业，也设有天文硕士、博士点或天文研究课题的大学只有一所：南开大学。原因在于国家天文台看好南开大学的天文公选课在培养国家天文专门人才方面发挥的作用。开课以来，已有约20名本科学生考入国家天文台等单位攻读天文学研究生、博士生。南开大学已连续三届共有6位同学（物理4名，数学1名，软件1名）获得中国科学院国家天文台本科生奖学金。

南开大学两门天文学选修课《天文学新概论》和《宇宙掠影》已由超星数字图书馆尔雅大学堂全程录像。《天文学新概论》课已在互联网上播出，共62集。《宇宙掠影》课正在后期制作之中。欢迎登陆有关网站观看及下载。网址为：Http：//省略/或Http：//省略/ 。

参考文献:

[1] National Research Council (NRC).Astronomy and Astrophysics in the New Millennium, National Academy Press, Washington, D.C.,2001.

[2] 顾沛.以科学素质教育系列课程为大学生文化素质教育助力[J].高教发展与评估，2009(2).

[3] 顾沛.注重科学与人文融合 构建科学教育公共课的新模式[J].高等学校理工科教学指导委员会通讯，2010(9).

[4] 李竞.从第一版到第四版—— 10内年再版3次的《天文学新概论》[J].天好者，2009(12).

[5] 苏宜.文科天文[M].北京：科学出版社，2010.

[6] 苏宜.天文学新概论 [M].北京：科学出版社，2012.

[7] 苏宜.宇宙掠影——天文学概要[M].高雄：高雄市丽文文化事业股份有限公司，2007.