STEM教育理念在非天文高校天文教育中的实践

■江林焱 张立云 万俊桃/.贵州大学明德学院；2.贵州大学理学院

一、研究背景

天文学是研究宇宙中天体和天体系统的形成、结构、活动和演化的科学，在探索宇宙中的自然规律、促进其他自然学科的发展、推动技术进步、研究日地空间环境，以及在提高全民素质教育中有着不可替代的作用。开展天文教育，不仅可以拓宽高校学生视野，丰富其知识，还可提升其人文和科学素养。对促进高校学生知识结构的合理化、培养科学理性思维方式有着重要意义，这也导致在国际上很多发达国家，高校内普遍开设天文学方面的选修课。而在我国，中国高校中本科开设天文专业的就寥寥无几，大量的非天文高校对天文教育的投入更是极其匮乏。这不仅阻碍了天文教育在这类高校中的发展，也不利于全民科学文化素养的提升和天文人才队伍的培育。

STEM教育理念是一种立足生活经验和社会实践，旨在培养探究能力、批判性思维能力、与人沟通能力，通过整合科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)等领域内容和方法进行的跨学科学习范式。

以STEM教育理念为代表的新时代教育思想变革给教育教学带来前所未有的机遇和挑战，同时促使教育方式和教学行为的转变。为了适应时代发展需求，高校课堂教学应当主动探索与新型教育理念同步的教学方式，培养符合时代要求的新型人才。本文试图以STEM教育理念+天文教育的模式探索一条在非天文高校开展天文教育的实践路径。

二、现状分析

(一)师资资源欠缺

天文专业是一门小众科学，对于大多数主要以工科、文科、艺术类等为主要专业的普通高校，极少开设天文专业，这也导致了许多非天文类的高校缺乏相关天文教学背景的教师。即使是有天文专业的高校主要以科研任务为主，能长期从事天文教育工作且具备天文观测知识的人员也是少之又少。教师本身的天文观测知识和经验不足,以致于无法指导学生获得真正的观测资料。

(二)需求层次参差不齐

众多天文爱好者们对天文学的认识层次大相径庭，有的只停留在认识太阳系中的八大行星，有的痴迷于科幻小说中的外星人、黑洞、多维空间等，当初步了解天文社团只能做一些基本的观测活动后甚至觉得大失所望；有的甚至抱着纯粹的浪漫主义情怀加入社团，无意深度参与；而另有一部分人却已经熟练掌握操作带有自动跟踪系统的望远镜的观测手段，以及相应专业处理软件(如MAXIM)数据处理的方法。这也直接导致了从事推动天文教育的教师在组织天文教学过程中无法做到真正的因材施教，仅仅提供天文学入门级课程、讲座及常见的望远镜使用教学，已难以满足各个层次学生的需求。

(三)天文教育缺乏足够硬件支持

如今,我国有教学天文台的高校数目有限,除少数开设天文专业课程的高校愿意投入一定硬件设施，绝大多数的高校更多把资金投入其相关专业实验室的建设，而作为天文选修课和天文社团所需要的天文教学设备欠缺问题显著。这也直接导致了天文教育更多的偏向理论教学，而无相应实践活动予以支撑，使得其教学方法和教学形式单一，缺乏吸引力。

(四)个人兴趣与学业提升、就业压力多因素难以平衡

南京师范大学的袁启荣老师在多年教学模式探索过程中，曾经总结设计两种教学思路：(1)从天文知识的系统性出发组织教学，整个过程尽量侧重知识结构的完整性，教学内容也偏向专业化，包含了天文学简史、天球坐标和时间计量系统等知识点。(2)从趣味问题出发组织教学，教学内容侧重于授课的趣味性,从引人入胜的科学问题入手，介绍天文知识和方法。两种思路各有利弊。仅从第一种思路来看，学生不仅需要较扎实的数学和物理基础，还需要学习专业性较强的天文学系统理论，而第二种对教学目标的实现有一点的难度。不管是第一种抑或是第二种，两种思路均无法直接显现对学生自身专业能力培养与就业技能的提升。高校学生无意愿投入大量精力在这个“无助学业、无助就业”的兴趣爱好上。

三、STEM教育理念在高校天文教育中的实践与应用

结合当前现状，我们需立足当下，充分整合现有资源，引入新的教学理念，改变天文教育现有的教学模式。而作为当前最新教育理念的STEM它具有跨学科性、趣味性、体验性、情景性、协作性、设计性、艺术性、实证性、技术增强性的核心特征。STEM教育理念与天文教育的深度融合，不仅可实现天文教育的基本教学目标，还可打破学科壁垒，为高校培养新时代创新性、综合性人才奠定基础。本人所在的贵州大学明德学院是一所典型的非天文基础的普通高校，我校一直力图推动STEM+天文教育模式的实践工作，经过数年的摸索，总结出可操作性较强的实践经验：

(一)以天文爱好者协会为核心力量推动天文教育发展

考虑到非天文高校未开设天文专业课，甚至连天文类选修课程也无法开设，可借助组建天文爱好者社团方式以聚集天文爱好者。通过校内社团活动(如天文知识竞赛、专业望远镜使用培训)、校外实践(如组织面向社会的如观星或观测日食、参加全国科技活动周等天文科普活动)、全国专业竞赛(如参加各类天文竞赛)等，并将其作为天文教育主要对象以及培养队伍。天文社团成员既是科普成员骨干，亦是被教育对象，以此为核心力量将天文教育辐射至整个学校乃至地方社会普通民众。天文社团本着服务社会的思想，努力为天文学科储备后备人才服务地方经济、文化、教育和旅游产业的发展，丰富校园文化生活为实现自身的宏伟目标而奋斗不息，同时也为广大的天文爱好者提供了一个展示自我的舞台。

而作为整个团队核心的指导教师需要以高站位、高水准的要求自身，需具备一定的专业素养、实践能力、组织能力和奉献精神。其不仅需要掌握扎实的理论基础，还需有一定的天文实测能力和综合学习能力。社团成员各人的学科背景均可能有所不同，因材施教也是关键所在。同时，从社团的搭建到管理是个长期过程，所付出的努力无法体现在年度业绩考核和职称评选上。指导教师需有较强的教师职业道德感和使命感和无私回馈社会的奉献意识。

(二)结合STEM教育理念，打造物理+天文+专业跨学科教育

尽管高校开设天文专业的极少，但并非没有天文的土壤。全国有绝大多数高校均有开设相关大学物理、大学物理实验等通识类课程，而该课程便是天文学的基础。当前物理类课程本身也存在知识内容难度高、脱离前沿科学、学生学习积极性不强等问题，甚至面临被“砍”危机。但如果我们可以适当将天文内容融入大学物理和大学物理实验课程，以物理类课程为基础、天文兴趣为引导，同时结合其他专业内容，真正的实现STEM教学模式，跨学科的把专业课和天文知识融合，将天文教育打造为一门实践课程。这不仅可以让学生更加深入掌握物理知识，满足天文教育的需求，还可促进本专业的学习，加强了学生的实践能力，一举三得。

(三)基于STEM教学理念，设置“因专而异”的天文教育实践课题

以我校为例：贵州大学明德学院是以电气系、信息系、传媒系等多学科并存的综合类高校。该校天文社团的指导老师在针对不同的专业“因专而异”的设置天文教学课题，如：(1)指导传媒专业学生，利用AR技术展现当前世界最大单口径的望远镜FAST模型，并利用其动画制作及剪辑能力制作相应宣传片；(2)指导电气自动化专业的学生通过其专业软件3D Max的3D建模功能以及最新的前沿技术3D打印技术，通过打印FAST望远镜模型，让学生认识射电望远镜的基本构造和相应功能；(3)指导信息系通信专业学生尝试利用自制天线观测太阳、木星等天体射电辐射；(4)利用计信专业学生课借助虚拟天文台发布的观测数据，尝试利用机器学习技术寻找超新星爆发事件。

在整个指导过程中，指导老师结合社团中天文爱好者各自的专业特点，将理论专业性强的天文知识通过可视化信息技术、3D打印技术、工程制图、无线电技术、通信原理、机器学习多学科融合。这不仅让锻炼了学生专业技术能力，也锻炼了其实践能力，团队能力，提升的学生的科学素养，也对天文教育工作起到一定的推广作用，实现了其教学目标。而本团队个别实践案例已于2019年获得“全国大学生天文创新作品竞赛”一等奖、二等奖，得到天文业界专家一致肯定。

四、展望

STEM教育理念在天文教育实践过程中仍有许多课题亟待摸索，教师可根据自身能力及学校专业特点设置其他多个课题，例如“基于phyphox软件测量重力加速度”、“基于Matlab模拟行星运动”、“脉冲星辐射过程可视化”等……。STEM 教育实施成功的一个关键因素在于问题情境的设置。而这些课题立足于天文科学、数学、工程和技术，切合学习者的学习环境和背景，按需设计了具备可操作性又有一定深度的问题情境，真正的实现了STEM 教育理念。整个实践过程更易构建和巩固学习者个体相关的知识体系，同时学以致用，避免将知识变为惰性知识。

STEM教育理念不是简单地将科学技术、工程、数学等学科进行叠加，而是一种有机整合，一种立足于学生应具备的、能适应终科教热点、自身发展和社会需要的必须品格和关键能力的跨学科整合。天文学是一门古老的学科，但随着我们的教育理念的更新，这门学科不但可以重焕生机，还可以帮助培养更多的不同专业的人才，可以让天文教育更深层次的融入社会，提升公众的科学素养，加强学生实践能力、团队能力的综合能力的提升。这不仅助力学生自身的发展，对天文教育来说也是一种良性的推动。