天文学公共课电子星图软件实践教学设计

杨希祥, 邓小龙

(国防科技大学 空天(航空)科学学院, 湖南 长沙 410073)

天文学是研究宇宙的科学,是自然科学的6大基础学科之一,千百年来,在人类认识世界、改造世界的活动中始终占有重要位置[1]。天文教育是国际上大学通识教育的七大核心课程之一[2],对于普及天文知识、优化学生知识结构、拓展视野,培养创新创造能力和批判思维、培育科学素养和科学精神、形成正确的世界观,具有重要意义[3]。近20年来,随着天文学日新月异飞速发展和对天文教育的日益重视,国内开设天文学公共选修课的高校大幅度增加,由新世纪初的50余所发展到目前的数百所,天文知识普及和理论教学得到很大发展,教学效果显著、受益学生数增加。天文学是一门以观测为基础的科学,观测是天文学最基本的研究方法[4],然而,以星空观测为基本的实践教学在天文学公共课的教学中却未受到应有重视,存在缺失现象。本文结合多年来在国防科技大学开展本科生公共选修课“天文学基础”实践教学的经历,分析当前天文学公共课开展实践教学面临的困难,重点对基于电子星图软件开展星空虚拟观测的实践教学方法进行介绍。

1 天文公共课开展实践教学面临的困难

国内高等学校天文学公共课开展实践教学面临的困难主要源于4个方面。

1.1 高等学校传统课程授课模式制约

我国高等学校传统上多采用以教师为中心的、“灌输式”的课堂理论教学模式,对实践教学重视程度远远不够,天文学教学自然受到这种模式制约。特别是,天文学本身多是公共选修课,受到教师重视程度、学生学习重视程度、课程学时等多因素制约,很多专业课程也仅仅开设简单的课程实验,天文学开设实践教学难以引起重视。同时,虽然我国天文学发展历史悠久,但天文教育普及程度和水平与西方存在很大差距[5],特别是公共选修课,在课程体系设计、教学内容等方面,理论教学尚有很大的改进和完善空间,也一定程度上制约了教师去关注实践教学。

1.2 天文实践教学条件和支撑环境限制

开展天文学实践教学,不是简单的在理论教学基础上增加一些内容,而是需要专门设计实践教学大纲和教学体系,包括教学目的、教学方法、实践项目、考核方法等；基于望远镜进行实际观测,则需要购置不同类型的天文望远镜及其配套设备,以及购置、开发专门的数据处理软件、显示软件等,需要学校划拨专门的场地建设小型天文观测实验台,还涉及到天文观测设备、软件运行维护等问题,而基于大型天文台的现地实践教学,则涉及校地合作教学机制建设、双方师资协调、大量学生集体赴异地进行校外活动等诸多现实问题。

1.3 基于望远镜的实际观测教学影响因素复杂

对于学校而言,在校园内合理选址,建设小型天文台,采用天文望远镜进行实际观测是较理想的教学方式,但实际观测往往受到多种因素制约[6],例如,小型天文台的选址往往需要在海拔相对高的地方(如教学楼顶),以避开城市建筑物的遮挡；天文观测需要晴朗的天气,而当前阴雨、雾霾等天气呈常态化趋势,特别是在南方一些城市的特定季节,造成室外天文观测无法开展；城市光污染严重,对天文观测造成很大影响；天文学选修课往往选课人数很多,达到100～200人,开展实地观测组织难度大等。以上种种因素造成基于天文望远镜的室外观测教学,很难按照课程规划的进度进行。

1.4 教师实践教学能力和水平不足

中国天文学会原理事长苏定强院士曾指出[7],对于天文教育,在生源一定的情况下,教师的素质是关键因素。教师的责任是自己要懂得透彻,要写出优秀的教材,要深入思考教授的方法,要开展教学研究,使学生在尽量短的时间内掌握问题的精髓。我国高等学校非天文学专业从事天文教育的教师往往不是天文科班出身,自身天文专业水平有限,本身不具备开展天文实践教学的能力,特别是采用天文望远镜进行实践教学的能力缺乏。

2 电子星图软件简介

2.1 星图的发展

星图是天文观测的必备工具,它是把天体在天球曲面上的视位置投影到平面上而绘成,可表示天体位置、亮度和形态等。星图真实地反映了一定时期内天文学家在天体观测方面取得的成果[8]。

早期的星图都是绘制在丝织物或纸上的,现存最早的星图是中国晚唐时期绘制的。历史上比较著名的星图包括拜耳星图、赫维留星图、波德星图等,它们绘制精美、造型生动,兼具重要的科学价值与艺术价值。其中,1801年绘制的波德星图,是西方古典星图的巅峰巨著,它包括17 000颗恒星,2 500个星云、星团及所有的星座。

电子计算机技术出现和发展以后,人们将计算机技术、软件技术、数据库技术、图形可视化技术等引入星图编制领域,形成了很多电子星图软件。与传统星图相比,电子星图软件数据资源更加丰富,功能更加强大,使用更加方便。使用电子星图软件,观测者足不出户,不管天气情况如何,都可以模拟观测世界上任何地点、从古至今的四季星空,了解已经发展和将要发生的各种天文现象。

2.2 常用电子星图软件

目前,比较流行的电子星图软件包括SkyGlobal、StarryNight、SkyMap、CyberSky等,这里主要对前3种进行介绍。

(1) SkyGlobal。SkyGlobal是功能强大的电子星图软件,可按用户指定的时间、地点、视场、方位等显示星空,可模拟天体的各种视运动,可在屏幕的星图中指出用户要寻找的天体,显示天体的信息[9]。SkyGlobal(含9个文件)在Dos和Windows环境下均可运行。

(2) StarryNight。StarryNight电子星图软件以观察者的视角模拟天体的运行,模拟逼真度高。StarryNight功能强大，天体种类丰富、数量多,提供日、月、行星、小行星、彗星出没、距离和轨道运行等资料,且能够直接连接互联网,提供资料照片生动地表现日月食、星体会合等特殊天文事件,可利用即时动画效果表现天体(含人造天体)运行状况。StarryNight在Windows环境下运行使用。

(3) SkyMap。SkyMap是非常流行的电子星图软件,由SkyMap Software公司开发,1993年2月发行,天文学家及天文爱好者广泛使用[10]。SkyMap功能十分强大。上至公元前4000年,下至公元8000年,任意时刻,地球上任意地点的天空中,极限星等达15等的1 500万颗恒星、20万颗深空天体都可找到。同时,包含已命名的1.1万多颗小行星及彗星,并可通过互联网不断更新数据库。SkyMap也是实测爱好者的理想工具,具有数据扩充、观测结果记录、望远镜控制功能。

3 电子星图软件实践教学设计

以在教学中使用的SkyMap11.0为例,介绍基于电子星图软件开展天文观测教学的教学设计。

3.1 实践教学设计思路

在天文学选修课教学中,采用SkyMap电子星图软件开展实践观测,教学思路和原则主要把握3个方面。

一是天文基本理论知识讲解在前,实践观测在后。开展天文观测实践,需要有基本的天文概念和天文知识,为此,SkyMap实践教学安排在天文学整个教学进度的中间环节,之前需讲授天球坐标系、天体视位置、天体视运动、星空划分等相关概念和理论。

二是掌握SkyMap的最基本的操作使用方法。作为一款电子软件,初学的观测者应掌握最基本的操作使用方法,而更高级的功能和使用技巧应在后续学习和使用中逐步掌握。为此,课堂实践教学中,以基本操作和使用为主线,系统讲授SkyMap安装、界面上基本工具栏和选单栏及其下一级功能使用、使用注意事项等基本内容,具体来说,主要包括观测时间和观测地点设置、变换和移动视野方向、视图级别和极限星等调整、多星图显示、星座显示设置、背景颜色与地影显示设置、选单栏与工具栏移动与显示等内容。

三是掌握使用SkyMap观测典型天体和天文现象的方法。学习使用SkyMap的最终目的是为了进行模拟星空观测,因此,典型天体和天文现象的观测是最基本的要求。为此,课堂实践教学中,重点讲授星座、太阳、月球、8大行星等人们最熟悉的天体的观测方法,讲授日食、月食等人们熟悉的天文现象的观测方法。在此基础上,如学时允许,可以视学生掌握情况,进一步讲授小行星与彗星、深空天体、人造天体的观测方法和技巧。

3.2 实践教学案例

3.2.1 四季星空观测

显示2018年1月1日凌晨3点,长沙的星空,分别给出北、东、南、西天空的星图。

步骤1：设置观测地点和观测时间(见图1和图2)。分别点击左侧工具栏的地点和时间按钮,设置观测地点和观测时间,在长沙观测,地点为东经112.59°、北纬28.12°,时区为东八区,提前世界时(UT)480 min,不使用夏令时(daylight saving time),海拔高度1 607 m(在星图软件中对观测结果无实际影响)。

图1 设置观测地点

图2 设置观测时间

步骤2：变换视野方向(见图3和图4)。SkyMap默认显示的是观测者正南方的星空,可以通过左侧工具栏的N、E、W、Z变换视野方向,显示北、东、西、全天等其余方向的星空。

图3 正南星空

图4 正北星空

3.2.2 行星观测

在SkyMap找到金星,并显示其在1年时间内的运行轨迹(观测地点设为长沙)。

步骤1：搜索和定位金星(见图5和图6)。在“Search”选单的下拉选单“Planet”链接的对话框中,列出了太阳系的8大行星,同时列出了太阳和月球。选中金星(Venus),点击对话框右侧按钮“Goto”即可在SkyMap主界面上搜寻并定位到金星。

图5 搜索金星

图6 定位金星

步骤2：设定运行轨迹显示参数并显示(见图7)[11]。在主界面定位到的金星上点击鼠标右键,在弹出的选单栏中选择“Track of Venus”,在弹出的对话框中设置相关参数,即可显示金星在一年的运行轨迹。在这里,计算时间间隔设定为12 h,计算365个点。

图7 金星运行轨迹(标注时间线)

3.2.3 日月食观测

2018年1月31日,我国发生了一次月全食[12],请在SkyMap中显示其景象(需有地影,观测地点为长沙)。

步骤1：查询1月31日的月食(见图8)。点击“Tools”选单的下拉选单“Eclipses”,跳出二级下拉选单“Lunar Eclipses”,点击后进入链接对话框,以1 000年为分段,列出了自公元前2000年至公元3000年,共5 000年间的全部月食。选中公元2001年至公元3000年的时间区间,找到2018年1月31日的月全食。

图8 查询月食

步骤2：显示月全食景象(见图9)。找到2018年1月31日的月全食后,选中,点击右侧的按钮“Star Chart”,即可显示月全食的景象。

图9 显示月全食景象

4 结语

天文学教育是通识教育体系的重要构成部分,对于普及天文知识、培养学生的创新能力和批判思维,以及培育学生的科学素养和科学精神、形成正确的世界观,具有不可替代的作用。天文学是以观测为基础的自然科学,开展观测实践教学,对于天文学教育来说至关重要。充分利用现代信息技术成果,不断拓展天文实践教学的方式和资源,改善天文实践教学条件,提升天文实践教学的便利性,逐步构建综合电子星图软件、学校小型天文观测台观测、大型天文台观测实习的实践教学体系,是值得深入研究的教育教学课题。