高校天文選修課的一種友好化設(shè)計方案

文/劉文潑

天文學(xué)是一門關(guān)于天體起源及演化的實測科學(xué)，從古代的“地心說”到近代的“日心說”，再到現(xiàn)代的“宇宙大爆炸論”，天文學(xué)的每次大發(fā)展都革新人類的宇宙觀，為人類文明的進步做出了不朽的貢獻。研究天文學(xué)需要有深厚的數(shù)理基礎(chǔ) (例如研究恒星需要相對論和量子力學(xué)等比較高深的物理知識)，而作為高校選修課的天文學(xué)課程面向的則是全校性的各專業(yè)各層次的大學(xué)生 (包括一些文科生)，他們數(shù)理基礎(chǔ)參差不齊。那么，在高校天文選修課教學(xué)中我們該如何有效地傳授天文知識并激發(fā)學(xué)生們的探索熱情呢?針對這個問題，我們提出了一種面向?qū)W生的友好化設(shè)計方案。

具體地，這套方案指的是:在教學(xué)中除了以去數(shù)學(xué)化的方式闡述天體的知識之外，還要適當(dāng)?shù)卦黾尤の缎?，與學(xué)生們共享天文之樂。這實際上包含了兩個“友好化”過程:一個是“由難到易”的過程，用通俗的語言闡述天文中的觀測和觀念，避免過于數(shù)學(xué)和程式化;另一個是“由苦到樂”的過程，通過增加一些趣味性因素和環(huán)節(jié)，來激發(fā)學(xué)生們探索自然的熱情。

那么友好化方案是不是不要數(shù)學(xué)呢?不是這樣的，友好化不等于不要數(shù)學(xué)，實際上描述基本自然現(xiàn)象最簡潔的還是數(shù)學(xué)，在天文選修課中教師仍然需要一些簡單的數(shù)學(xué)知識 (大部分學(xué)生們都能接受)來描述基本天文概念。那么友好化方案會不會導(dǎo)致天文知識的膚淺化呢?也不是這樣的，以通俗的語言闡述天文知識盡管有失簡潔性，但是學(xué)生們更容易接受，而且不會降低天文知識的準(zhǔn)確性和完整性，也不會導(dǎo)致膚淺化。退一步說，并不是所有的知識都可以用數(shù)學(xué)闡述的，比如人的感情，在天文上有很多未知的現(xiàn)象目前也無法用數(shù)學(xué)進行有效闡述。那么友好化方案會不會導(dǎo)致媚俗化?天文選修課的友好化并不是嘩眾取寵的手段，而是以公眾喜聞樂見的方式傳播天文知識，提高公眾的科學(xué)素養(yǎng)，從而實現(xiàn)天文的“獨樂樂不如眾樂樂”。愛因斯坦本人寫過一本《狹義與廣義相對論淺說》[1](這是關(guān)于相對論的通俗版本)，目的就是為了讓具有大學(xué)入學(xué)考試水平以上的公眾比較準(zhǔn)確的理解相對論。

那么友好化方案如何具體實施呢?我們認為大體上有兩個要點:1.通過類比生活中的實例來闡述天文現(xiàn)象;2.提出一些有趣的問題，并通過與學(xué)生們的互動來進一步增加教學(xué)的趣味性。

我們在中國民航大學(xué)開設(shè)了一門天文選修課程——《現(xiàn)代天文學(xué)》，并在教學(xué)中實踐了上述友好化方案，受到了學(xué)生們的歡迎和好評。下面，我們通過一個教學(xué)片斷(“宇宙起源”章節(jié)中的一部分)來闡述友好化設(shè)計方案。

首先提出一個有趣的問題:這個世界到底是先有的雞，還是先有的蛋?讓學(xué)生們自由討論，年輕人富有想象力，可以給出各種新奇的答案——這樣不僅可以活躍課堂氣氛，而且能調(diào)足學(xué)生們的探索胃口。當(dāng)討論進行到高潮的時候，教師話鋒一轉(zhuǎn) (手中握著一枚雞蛋)，指出不管這個世界是先有的雞還是先有的蛋，但對于宇宙來說，比利時天文學(xué)家喬治·勒梅特認為先有的蛋——叫做勒梅特的“宇宙蛋”[2]。

美國天文學(xué)家喬治·伽莫夫在勒梅特的“宇宙蛋”基礎(chǔ)上進一步提出了“原始火球”的假說，該觀點認為宇宙是從一次大爆炸中產(chǎn)生的[3]，[4]。而后經(jīng)過許多人的改進，逐步發(fā)展成為著名的“熱大爆炸宇宙學(xué)模型”[4]——這一觀點現(xiàn)在已經(jīng)成為人類的基本科學(xué)文化常識。這兒，我們列舉了一個實例:一位老鄉(xiāng) (僅有小學(xué)學(xué)歷)把成捆的啤酒放在冰箱的冷凍層，沒多久啤酒瓶竟然都“爆炸”了，他向作者詢問這個現(xiàn)象和“宇宙大爆炸”有沒有關(guān)聯(lián)?作者想了想，啤酒瓶之所以“爆炸”，是因為當(dāng)溫度低于凝固點時，啤酒相變?yōu)楣虘B(tài)，其體積則發(fā)生膨脹，而且這個過程是非常短暫的——這位老鄉(xiāng)可能給出了“宇宙大爆炸”的一個可能原因——因為突然冷卻從而發(fā)生了“大爆炸”——此觀點盡管有待進一步驗證，但至少可以說明“大爆炸宇宙學(xué)模型”確實已經(jīng)深入人心，成為一種基本科學(xué)常識。

目前已經(jīng)有很多證據(jù)支持這個“大爆炸宇宙學(xué)模型”(通過多媒體手段詳述各種觀測證據(jù))，從“大爆炸”到這堂課宇宙經(jīng)歷了上百億年的滄?！欠浅２蝗菀椎?，我們要珍惜這難得的學(xué)習(xí)機會。

上述教學(xué)實例展現(xiàn)了高校天文選修課教學(xué)的友好化設(shè)計方案，學(xué)生們通過此方案不僅學(xué)到了一點有趣的天文知識，而且還激發(fā)了探索熱情——這對于培養(yǎng)創(chuàng)新精神是至關(guān)要緊的。我們將在教學(xué)中進一步實踐和完善友好化設(shè)計方案，以期達到最優(yōu)化的教學(xué)效果。

[1]愛因斯坦著.楊潤殷譯.胡剛復(fù)校.狹義與廣義相對論淺說[M].第一版:北京大學(xué)出版社，2006.

[2]Wikipedia，Georges Lema?tre[OL]， (數(shù)據(jù)截止至2015年8月) [引用日期:2015年8月18日]，網(wǎng)絡(luò):訪問路徑:https://en.wikipedia.org/wiki/Georges_Lema%C3%AEtre.

[3]Alpher，R.A.，Bethe，H.，Gamow，G.，(1 April 1948)，“The Origin of Chemical Elements”[J]，Physical Review 73(7):803–804.

[4]孫錦龍，李德范著.大學(xué)天文學(xué)[M].第一版.河南大學(xué)出版社，2005.