測繪工程專業(yè)天文學(xué)課程設(shè)置的探討

汪海洪，羅 佳，羅志才，鐘 波，鄒賢才

(武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079)

一、 引 言

天文學(xué)與測繪有著天然不可分割的聯(lián)系，人們通常所說的“測天繪地”一定程度上體現(xiàn)了兩者的關(guān)系，因此，天文學(xué)相關(guān)課程(如大地天文學(xué)、實(shí)用天文測量學(xué)等)一直是測繪專業(yè)課程體系中的重要組成部分之一。1998年，大地測量、工程測量、攝影測量與遙感、地圖學(xué)等測繪類本科專業(yè)合并成為測繪工程一個(gè)本科專業(yè)[1],隨后各高校針對測繪工程專業(yè)的課程設(shè)置進(jìn)行了大量研究，并結(jié)合各校特點(diǎn)制定相應(yīng)的培養(yǎng)方案[2-7]。然而，除武漢大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等少數(shù)學(xué)校外，大多數(shù)學(xué)校測繪工程專業(yè)的培養(yǎng)方案沒有設(shè)置天文學(xué)相關(guān)課程。天文學(xué)課程之所以被忽視主要是因?yàn)镚PS技術(shù)的興起，有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，GPS技術(shù)出現(xiàn)后天文測量失去了在測繪中的基礎(chǔ)作用并逐漸萎縮，故沒有必要再開設(shè)天文學(xué)方面的課程。另外，天文學(xué)課程的師資缺乏也是一個(gè)重要因素。針對這一現(xiàn)狀，本文將分別從素質(zhì)教育和專業(yè)需求兩個(gè)方面論述開設(shè)天文學(xué)課程的必要性，并結(jié)合筆者所在單位的教學(xué)實(shí)踐對測繪工程專業(yè)天文學(xué)課程的設(shè)置和課程內(nèi)容進(jìn)行探討，旨在為優(yōu)化測繪工程專業(yè)的課程體系提供參考。

二、開設(shè)天文學(xué)課程的必要性

1. 天文普及教育是素質(zhì)教育的重要內(nèi)容

作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一，天文學(xué)具有悠久的歷史，幾乎貫穿人類的整個(gè)發(fā)展過程，可謂人類文明進(jìn)步的一面鏡子。天文學(xué)不僅古老，同時(shí)又極具生命力。天文學(xué)的研究課題始終都是每個(gè)時(shí)代科學(xué)發(fā)展的最前沿，促進(jìn)著物理學(xué)、化學(xué)、地球科學(xué)等其他學(xué)科不斷進(jìn)步。天文學(xué)從其萌芽開始就與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)?！叭粘龆鳎杖攵ⅰ?，遠(yuǎn)古時(shí)期人類就根據(jù)天文現(xiàn)象安排生活作息，并編制歷法、確定節(jié)候來指導(dǎo)生產(chǎn)勞動(dòng)。進(jìn)入太空時(shí)代的今天，天文學(xué)與我們的關(guān)系更加密切，從日常生活中的時(shí)間服務(wù)、空間位置確定，到國家戰(zhàn)略性的空間計(jì)劃都離不開天文學(xué)的支持。天文學(xué)還包含了豐富的哲學(xué)道理，揭示了自然界固有的辯證法[8]。許多哲學(xué)概念都能在天文學(xué)中找到例證，如“運(yùn)動(dòng)”與“靜止”、“空間”與“時(shí)間”、“宏觀”與“微觀”等。人類通過天文學(xué)去不斷地認(rèn)識(shí)宇宙，才能正確了解人類自身在宇宙中的位置及與自然界的關(guān)系，才能真正意識(shí)到人的偉大和渺小，才能真正懂得“天”、“地”、“人”之間和諧關(guān)系的重要性。

學(xué)習(xí)天文學(xué)是提高大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。掌握基礎(chǔ)的天文學(xué)常識(shí)，可增加學(xué)生對謠言、迷信和偽科學(xué)的辨別能力，同時(shí)也可促使他們思考人類自身在宇宙中的地位，樹立正確的宇宙觀。了解天文學(xué)的基本概念和新的發(fā)現(xiàn)，不僅可以激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的探索精神，也有助于培養(yǎng)他們科學(xué)、理性的思維。因此，發(fā)達(dá)國家對大學(xué)生的天文普及教育都極為重視，把天文教育作為國民義務(wù)教育的重要組成部分。我國的天文教育與發(fā)達(dá)國家相比雖有較大差距，但是近年來越來越受到教育界的重視，許多高校紛紛開設(shè)天文學(xué)選修課，并作為素質(zhì)教育的重要內(nèi)容[9]。

2. 天文學(xué)是測繪學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)

測繪技術(shù)的產(chǎn)生源于古埃及農(nóng)田水利建設(shè)的需求，而測繪技術(shù)的基礎(chǔ)則是天文學(xué)。古埃及人通過觀測北極星來確定方向，古希臘人通過觀測日影長度來測定地球的形狀和大小。測繪學(xué)的概念定義為研究地球和其他實(shí)體與地理空間分布有關(guān)的信息的采集、量測、分析、顯示、管理和利用的科學(xué)和技術(shù)[10]。地理空間分布信息需要測繪基準(zhǔn)體系的支撐，傳統(tǒng)測繪基準(zhǔn)體系中平面控制網(wǎng)的建立主要依靠天文測量，其起算點(diǎn)的經(jīng)緯度和起算邊的方位角均是通過觀測恒星天體來確定的。1980國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)就是在20世紀(jì)80年代完成的全國一、二等天文大地網(wǎng)基礎(chǔ)上建立的，天文技術(shù)在傳統(tǒng)測繪中的重要基礎(chǔ)作用由此可見一斑。

隨著GPS、GLONASS等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)測繪中的天文觀測逐漸被GNSS技術(shù)所取代。天文學(xué)似乎失去了在測繪中的重要作用，導(dǎo)致有人認(rèn)為測繪工程專業(yè)課程體系中沒有必要再開設(shè)天文學(xué)課程，這種觀點(diǎn)顯然是有誤導(dǎo)性的。以 GNSS 為代表的空間大地測量技術(shù)給測繪學(xué)科帶來革命性變化，雖然傳統(tǒng)天文觀測技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸縮小，但是天文學(xué)對于測繪學(xué)科的基礎(chǔ)性作用并沒有削弱。主要表現(xiàn)在：

1) 天文學(xué)為GNSS等空間大地測量技術(shù)提供了必要的基礎(chǔ)知識(shí)?？臻g大地測量技術(shù)的主要特征之一是選擇自然天體或人造天體作為觀測目標(biāo)或觀測平臺(tái)，這些技術(shù)所依賴的時(shí)空基準(zhǔn)，以及所涉及天體的基本特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律均來自于天文學(xué)的研究成果。在空間大地測量時(shí)代，隨著觀測精度的大幅提高，必須借助更加嚴(yán)密的理論和分析方法處理相關(guān)觀測結(jié)果。比如，在研究激光測月及地月系動(dòng)力學(xué)機(jī)制的問題中，沒有對地月系統(tǒng)復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)的深入研究，很難發(fā)揮高精度觀測結(jié)果的效果。在這類問題的研究中，天體力學(xué)的知識(shí)就非常重要。

2) 現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系的建立和維持仍需天文學(xué)的支持。在慣性框架的實(shí)現(xiàn)與維持上，恒星星表本身就起基礎(chǔ)性作用。而地球參考框架的實(shí)現(xiàn)及其與慣性框架的轉(zhuǎn)換關(guān)系，涉及歲差章動(dòng)模型，以及地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的確定。這些問題無一不與天文學(xué)密切有關(guān)。

3) 天文學(xué)與測繪學(xué)科的交叉更加緊密。天文學(xué)和測繪學(xué)之間本就有許多共同的研究課題，如大地測量學(xué)所研究的地球自轉(zhuǎn)和地球形狀也屬于天文學(xué)的研究范疇；作為高精度空間大地測量技術(shù)之一的甚長基線干涉測量(VLBI) 同樣也是一種重要的天文學(xué)觀測手段。空間技術(shù)擴(kuò)展了人類的探索范圍，也拓展了測繪學(xué)的內(nèi)涵。測繪學(xué)的研究對象已不再局限于地球，月球探測、行星探測等深空探測項(xiàng)目逐漸成為研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)，從而產(chǎn)生許多新的交叉研究領(lǐng)域，如最近新興的脈沖星導(dǎo)航就屬于天文學(xué)和大地測量學(xué)的交叉研究領(lǐng)域。

“上知天文、下知地理”這一俗語常用來形容知識(shí)淵博，說明高素質(zhì)人才應(yīng)當(dāng)具備一定的天文知識(shí)。天文不僅與日常生活息息相關(guān)，更與測繪科學(xué)關(guān)系密切。因此，作為培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強(qiáng)能力的高級(jí)測繪科技人才而設(shè)置的測繪工程專業(yè)，開設(shè)天文學(xué)課程非常有必要，對于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，增強(qiáng)對專業(yè)知識(shí)的理解和促進(jìn)學(xué)科間的交叉有著重要意義。

三、課程內(nèi)容與課程設(shè)置探討

天文學(xué)是研究天體和天體系統(tǒng)的各種屬性和規(guī)律的一門自然科學(xué)，其內(nèi)容十分廣泛，主要包括天體測量、天體力學(xué)和天體物理學(xué)3個(gè)分支。測繪工程專業(yè)開設(shè)天文學(xué)課程不可能也沒必要包括天文學(xué)的所有內(nèi)容，而應(yīng)該結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和需求合理設(shè)置課程內(nèi)容，這里僅結(jié)合武漢大學(xué)測繪學(xué)院多年開設(shè)天文學(xué)課程的經(jīng)驗(yàn)對天文學(xué)課程的設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行探討。

1. 課程內(nèi)容

由前一節(jié)的討論可知，測繪工程專業(yè)天文學(xué)課程應(yīng)具有通識(shí)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程的雙重特性。作為通識(shí)課程，天文學(xué)課程應(yīng)達(dá)到天文知識(shí)普及教育、天文科學(xué)方法與精神教育兩個(gè)教學(xué)目標(biāo)[8]。天文知識(shí)普及教育主要讓學(xué)生了解天文學(xué)科知識(shí)的輪廓和基本的天文常識(shí)，客觀認(rèn)識(shí)與人類生存發(fā)展密切相關(guān)的時(shí)間和宇宙空間，天文科學(xué)方法和精神教育則是通過介紹天文學(xué)的研究方法和手段幫助學(xué)生形成科學(xué)的、理性的思維方式。作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，天文學(xué)課程應(yīng)系統(tǒng)地介紹與測繪學(xué)相關(guān)的天文學(xué)概念和理論，為后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。根據(jù)上述要求，天文學(xué)課程應(yīng)包括以下3個(gè)方面的內(nèi)容：

1) 天文學(xué)概況和天文常識(shí)。這一類屬于通識(shí)課程內(nèi)容，用于普及天文知識(shí)和拓寬知識(shí)面，使學(xué)生了解天文學(xué)基本輪廓和發(fā)展?fàn)顩r，對各種常見天文現(xiàn)象有科學(xué)的認(rèn)識(shí)。主要內(nèi)容包括：天文學(xué)的基本概念和研究內(nèi)容、天文學(xué)的發(fā)展歷史和研究成果、宇宙概念及星空的劃分、天體的運(yùn)動(dòng)及解釋、時(shí)間系統(tǒng)、常用歷法、地球和月球的基本特性和相關(guān)天文現(xiàn)象解釋、太陽和太陽系其他天體概況等。

2) 天文觀測與天文測量。這一部分主要介紹天文學(xué)研究的方法和手段，以及所需的一些基礎(chǔ)知識(shí)，具有素質(zhì)教育和專業(yè)基礎(chǔ)教育的雙重性質(zhì)。內(nèi)容涉及天球的相關(guān)概念，球面三角基礎(chǔ)知識(shí)，天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換，天文望遠(yuǎn)鏡，天體輻射及觀測(天體光度測量、光譜測量等)，實(shí)用天文測量(時(shí)間比對、天文經(jīng)緯度測量和方位角測量)，以及現(xiàn)代主要空間探測技術(shù)等。

3) 天體力學(xué)的基本理論。這一部分屬于較高層次的學(xué)習(xí)內(nèi)容，目的是使學(xué)生了解天體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，掌握研究天體運(yùn)動(dòng)的基本理論與方法，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)?；緝?nèi)容應(yīng)包括：天體力學(xué)的基本概念和研究內(nèi)容、二體問題基本原理、軌道根數(shù)、星歷計(jì)算、軌道計(jì)算、攝動(dòng)理論、N體問題、天體的形狀和自轉(zhuǎn)理論、天體力學(xué)的相關(guān)應(yīng)用等。

2. 課程設(shè)置建議

20世紀(jì)90年代之前，我國測繪專業(yè)開設(shè)的天文學(xué)相關(guān)課程主要是“大地天文學(xué)”和“實(shí)用天文測量學(xué)”，而且是作為主干專業(yè)課開設(shè)的?？臻g技術(shù)興起后，天文觀測技術(shù)在測繪生產(chǎn)實(shí)踐中逐漸被GPS技術(shù)所取代，這些課程已經(jīng)不再適合當(dāng)前測繪教育的需求。根據(jù)前面對天文學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)和課程內(nèi)容的討論，建議測繪工程專業(yè)課程體系中設(shè)置1～2門天文學(xué)相關(guān)課程作為通識(shí)教育課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課。

為了使學(xué)生能夠更好地掌握天文學(xué)的基本原理，理解天文學(xué)與測繪學(xué)的關(guān)系，天文學(xué)課程最好在學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理和測繪學(xué)概論等課程之后開設(shè)。天文學(xué)課程的后續(xù)相關(guān)課程則有GPS原理及應(yīng)用、空間大地測量學(xué)和衛(wèi)星重力學(xué)等。因此，天文學(xué)課程的最佳開設(shè)時(shí)間是本科二年級(jí)。課程的學(xué)分設(shè)為3～5分，總學(xué)時(shí)數(shù)54～90學(xué)時(shí)，其中作為通識(shí)教育內(nèi)容的天文學(xué)概況和天文常識(shí)部分學(xué)時(shí)數(shù)應(yīng)不少于24學(xué)時(shí)，第二部分的天文觀測與天文測量學(xué)時(shí)數(shù)不少于12學(xué)時(shí)，第三部分內(nèi)容的學(xué)時(shí)數(shù)可視實(shí)際情況設(shè)置在18～54學(xué)時(shí)之間。

目前，武漢大學(xué)測繪學(xué)院的天文學(xué)課程設(shè)置了“普通天文學(xué)”和“天體力學(xué)”兩門專業(yè)基礎(chǔ)選修課，分別在二年級(jí)第一學(xué)期和第二學(xué)期開設(shè)?！捌胀ㄌ煳膶W(xué)”課程為2學(xué)分36學(xué)時(shí)，主要包括天球坐標(biāo)和時(shí)間系統(tǒng)、天體的輻射和天文觀測、地球和月球、行星和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)、太陽系小天體和太陽系起源、太陽等內(nèi)容?！疤祗w力學(xué)”課程為3學(xué)分54學(xué)時(shí)，系統(tǒng)介紹了天體運(yùn)動(dòng)的基本理論與方法，以及天體力學(xué)在測繪中的應(yīng)用等內(nèi)容。這兩門課程已經(jīng)開設(shè)了近10年，取得了良好效果。由于天文學(xué)的內(nèi)容極為廣泛，各學(xué)校應(yīng)根據(jù)自己的專業(yè)特色設(shè)置課程，適當(dāng)選擇課程內(nèi)容，合理安排課程學(xué)分和學(xué)時(shí)數(shù)。

四、結(jié)束語

GNSS等空間觀測技術(shù)的發(fā)展并沒有削弱天文學(xué)在測繪中的重要作用，反而促進(jìn)了天文學(xué)與測繪學(xué)的學(xué)科交叉。因此，測繪工程專業(yè)天文學(xué)課程不僅不能取消，而應(yīng)該受到更多的重視。開設(shè)天文學(xué)課程既是當(dāng)代素質(zhì)教育的要求，也符合測繪工程專業(yè)“厚基礎(chǔ)，寬口徑，高素質(zhì)，強(qiáng)能力”的培養(yǎng)目標(biāo)。

當(dāng)前我國測繪工程專業(yè)天文學(xué)教育不管從天文教育理念、師資隊(duì)伍、教材建設(shè)，還是天文教學(xué)的硬件條件方面都存在許多問題，如從事天文學(xué)教學(xué)的師資不足，講授的天文學(xué)知識(shí)偏少甚至沒有，缺少適合測繪工程專業(yè)的天文學(xué)教材，難以開展天文實(shí)習(xí)等。武漢大學(xué)測繪學(xué)院一直在測繪工程專業(yè)天文學(xué)教學(xué)方面進(jìn)行探索，成立了天文學(xué)課程組，編寫了測繪工程專業(yè)使用的普通天文學(xué)教材?？墒沁@些努力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有各高校的測繪工程專業(yè)改變思想，重視天文學(xué)課程，讓更多的測繪教育工作者參與進(jìn)來，才能有效改善測繪工程專業(yè)天文學(xué)教育的現(xiàn)狀。

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