從科教融合到科學引領(lǐng)—中國特色的行星科學建設(shè)思路

吳福元 魏 勇 宋玉環(huán) 劉 洋 李鐵勝 孫文科 劉繼峰,4 王艷芬

1 中國科學院大學 北京 100049

2 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029

3 中國科學院國家空間科學中心 北京 100190

4 中國科學院國家天文臺 北京 100012

1 他山之石：美國行星科學研究與教育 50 年

雖然人類仰望星空和觀測太陽系天體的歷史可以追溯到幾千年前，但直到 20 世紀中期，人類才真正開始系統(tǒng)探索太陽系和太陽系以外太空的征程。這一系統(tǒng)探索進程的標志，是第二次世界大戰(zhàn)期間德國科學家成功研制出的能將物體送進太空的 A-4/V2 火箭。二戰(zhàn)后，美國和蘇聯(lián)分別在德國火箭技術(shù)基礎(chǔ)上進行了一系列次軌道飛行試驗。值得一提的是，美國將著名的科學家馮 · 布勞恩（Wernher von Braun）等 100 多名關(guān)鍵的 V2（德國 V2 火箭）科技人員招募到美國，從而奠定了美國在美蘇太空競賽中的后發(fā)優(yōu)勢。

1957 年 10月4 日，蘇聯(lián)成功地將世界上第一顆繞地球運行的人造衛(wèi)星送入軌道。這一事件也拉開了美國和蘇聯(lián)兩個超級大國之間太空競賽的序幕。美國國會認為，蘇聯(lián)在火箭技術(shù)方面的成功已經(jīng)威脅到了美國的安全和技術(shù)領(lǐng)先，建議美國政府立即予以強烈回擊。時任美國總統(tǒng)的艾森豪威爾與他的顧問則進行了更為仔細而認真的思考，經(jīng)過幾個月的辯論，通過國會投票，最終一致同意美國政府將采取非軍事回應(yīng)，并由此在 1958 年創(chuàng)立美國國家航空航天局（NASA），負責制定、實施美國的太空計劃，并開展航空科學暨太空科學的研究。1961 年 4 月12 日，蘇聯(lián)在世界上首次成功地將宇航員尤里 · 加加林送入太空。這一事件也促使美國肯尼迪總統(tǒng)向全世界宣布實施宏偉的載人登月計劃，邁出了美國以及人類真正向太陽系擴張和探索的第一步——“阿波羅登月計劃”由此誕生。

1969 年 7 月20日，“阿波羅 11 號”任務(wù)的圓滿完成使美國宇航員阿姆斯特朗成為登陸月球的第一人，也實現(xiàn)了肯尼迪總統(tǒng)要在 20 世紀 60 年代末之前完成載人登月的承諾。截至 1972 年 12 月“阿波羅登月計劃”最后一次任務(wù)即“阿波羅 17 號”任務(wù)的完成，美國一共有 12 名宇航員登陸月球并在月球表面開展了一系列科學實驗，共帶回 382 千克的月壤樣品?！鞍⒉_登月計劃”開啟了科學探索太陽系的革命。通過這個計劃，人們在一定層面上了解了月球自 45 億年前誕生以來的地質(zhì)事件演化序列，并以此為窗口了解了地球早期演化歷史和地球上生命誕生之時猛烈和頻繁的撞擊環(huán)境。人們也了解到月球有包括氦-3 在內(nèi)的豐富資源可供人類移民月球、火星甚至太陽系更遠的地方。

伴隨著登月的成功和熱潮，美國也成功開啟了探索火星、金星、水星以及太陽系內(nèi)更遠天體的步伐，取得了一系列舉世矚目的重要科學發(fā)現(xiàn)，直接催生和迅速發(fā)展了行星科學這一與深空探測密不可分的綜合交叉學科。行星科學植根于天文學、地質(zhì)學、物理學、化學等一系列基礎(chǔ)學科，在深空探測的迫切需要下催化誕生。美國的許多頂尖大學和研究機構(gòu)在深空探測科學人才需求的驅(qū)動下，在“阿波羅時代”便開始在其相關(guān)的學科中加入行星科學元素，并將行星科學迅速發(fā)展成在深空探測熱潮中極具時代特色的一門學科。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，這一學科所在的大學和研究機構(gòu)已經(jīng)為美國的深空探測輸出了大量的行星科學人才，這些優(yōu)秀人才又反過來進一步促進了美國深空探測項目的蓬勃發(fā)展。在這些眾多的大學和研究機構(gòu)中，美國亞利桑那大學的月球與行星實驗室和行星科學系是最早建立行星科學學科的杰出代表。

亞利桑那大學月球與行星實驗室成立于 1960 年，由對月球有著濃厚興趣的荷蘭裔美國天文學學家柯伊伯建立。建立初期的科研人員大都是天文學家，但是他們很快意識到研究像月球一樣的巖質(zhì)行星，需要不同的方法和技術(shù)。于是，他們在已有的知識儲備的基礎(chǔ)上，最大程度地利用深空探測的數(shù)據(jù)來發(fā)展研究行星的新方法、新思路，使該實驗室不僅慢慢成為行星科學的領(lǐng)導者，也在很大程度上幫助了美國行星科學這一新興學科的建立。建立之后，該實驗室?guī)缀鯀⑴c了 NASA 從“阿波羅登月計劃”開始的所有的行星探測任務(wù)。目前，該實驗室已經(jīng)成為世界級的研究太陽系行星的領(lǐng)航者。除了出色的行星科學研究外，為培養(yǎng)一代又一代的行星科學人才，亞利桑那大學又于 1973 年成立了行星科學系，成為最早建立專門研究行星的院系之一。該系致力于教授與行星科學相關(guān)的基礎(chǔ)和專業(yè)課程，培養(yǎng)從本科到研究生的各個層次的行星科學人才。目前他們培養(yǎng)的大部分研究生在畢業(yè)后成了美國行星科學的主力軍，并在各個層面深入?yún)⑴c美國的行星和深空探測任務(wù)，并且很多已經(jīng)成為國際行星科學的領(lǐng)軍人物。

亞利桑那大學的月球與行星實驗室和行星科學系的發(fā)展只是一個縮影。這些有著優(yōu)秀行星科學學科的大學和研究機構(gòu)為美國培養(yǎng)和輸出了大量的杰出人才，在美國一次又一次的深空探測任務(wù)中扛起了科學的大旗，并產(chǎn)出了令世界矚目的科學成果。正是這些培養(yǎng)出來的行星科學家，第一次在月球上發(fā)現(xiàn)了水的存在，第一次揭示了火星上曾經(jīng)有大量水并有適合生命起源的氣候條件，第一次發(fā)現(xiàn)土星和木星的衛(wèi)星表面下可能存在海洋，第一次揭開了冥王星的神秘面紗……。與此同時，我國深空探測的“阿波羅時代”已經(jīng)到來，并以燎原之勢迅猛并穩(wěn)步地開展。但從長遠發(fā)展?jié)摿εc布局看，我們依然鮮有具有國際影響力的科學發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)出，依然缺少行星科學的國際領(lǐng)軍人才。因此，我國行星科學人才的培養(yǎng)和輸出迫在眉睫，行星科學一級學科的建立勢在必行。

2 千里跬步：我國行星科學教育的發(fā)展基礎(chǔ)

2.1 中國科學院大學行星科學教育 40 年

我國的行星科學脫胎于地球科學，形成于地球科學、天文學、空間科學等學科的交叉。在過去數(shù)十年中，行星科學在中國科學院大學（以下簡稱“國科大”）等高校已經(jīng)開始萌芽并默默生長。國科大的前身是中國科學院研究生院，成立于 1978 年，是經(jīng)國務(wù)院批準創(chuàng)辦的我國第一所研究生院，以“科教融合、育人為本、協(xié)同創(chuàng)新、服務(wù)國家”為辦學理念，與中國科學院直屬研究機構(gòu)（以下簡稱“培養(yǎng)單位”）在管理體制、師資隊伍、培養(yǎng)體系、科研工作等方面高度融合。自從 1978 年開始，作為國科大的基礎(chǔ)學院之一，地球與行星科學學院（前身為地學部、地球科學學院，以下簡稱“地星學院”）承擔著地質(zhì)學、地球物理學等多個一級學科的教學科研工作。40 年來，地星學院培養(yǎng)研究生達 3.7 萬人[1,2]，有 28 位畢業(yè)生當選兩院院士。

40 年來，地星學院開設(shè)的《地球物理基礎(chǔ)》（1978—1979 學年，傅承義院士主講）、《普通地質(zhì)學》（1978—1979 學年，萬天豐教授主講）、《地磁與高空物理》（1980—1981 學年，朱崗昆教授主講）、《空間物理學》（1982—1983 學年，劉振興院士主講）、《空間物理探測技術(shù)》（1984—1985 學年，孫傳禮教授主講）等多門經(jīng)典課程，已成為行星科學人才培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)課。

近年來，國家深空探測工程帶動了學科建設(shè)，對人才培養(yǎng)提出了新的要求，學科也更加細化。為此，2003年地星學院開設(shè)了《比較行星學新進展》（歐陽自遠院士主講），自此正式開啟了以行星科學命名的課程，隨后陸續(xù)有：《比較行星學》（2007—2008 學年，林楊挺教授主講）、《行星地磁與環(huán)境》（2007—2008 學年，匡偉佳教授主講）、《行星空間物理》（2014—2015 學年，魏勇教授主講）、《空間物理概論》（2017—2018 學年，張輝教授主講）、《空間等離子體模擬》（2018—2019 學年，沈芳教授主講）、《空間環(huán)境探測原理》（2018—2019 學年，樂新安教授主講）等相關(guān)課程。國科大天文學院還開設(shè)了如：《行星科學導論》（崔峻、惠鶴九等教授主講）、《恒星大氣與譜線分析》（杜翠花等教授主講）、《天體測量學及其應(yīng)用》（齊朝祥教授主講）、《天文地球動力學》（陳俊平教授主講）和《空間環(huán)境預(yù)報》（劉四清教授主講）等多門行星科學的課程。

除此之外，地星學院邀請了世界知名科學家在夏季學期開設(shè)了與行星科學相關(guān)的各類短學期課程，如《簡正振動理論在固體地球與行星中的應(yīng)用》（2010—2011夏季學期，Roberto Sabadini 教授主講）、《地球與行星內(nèi)部的水：從原子至全球》（2011—2012 夏季學期，Shun-ichiro Karato 教授主講）、《行星物理與行星演化：觀測與建?！罚?012—2013 夏季學期，Paul Tackley 教授主講）、《行星物理及其演化》（2013—2014 夏季學期，Paul Tackley 教授主講）①詳見中國科學院大學地球與行星科學學院課程設(shè)置：https://earth.ucas.ac.cn/index.php/zh-CN/jwjx/kcxx。。

一代又一代的科學家辛勤耕耘、薪火相傳，使國科大成為中國行星科學人才培養(yǎng)高地。

2.2 中國科學院大學建設(shè)行星科學的優(yōu)勢

回顧美國行星科學早期發(fā)展歷史可以看出，亞利桑那大學月球與行星實驗室?guī)恿嗣绹行强茖W系的建立。實驗室的一線科學家上講臺授課，講述基本理論和前沿發(fā)現(xiàn)，而研究生可以進入實驗室進行研究，直接參與到美國的深空探測中去。這一教育理念，與當前國科大的“科教融合”辦學理念高度相似，其當時所處的歷史背景也恰好與當前我國深空探測發(fā)展階段較為類似。因此，國科大開展建設(shè)行星科學一級學科正當其時。除此之外，國科大還有 4 點優(yōu)勢。

（1）人才大本營。國科大是中國行星科學人才的大本營，我國從事行星科學的人才大部分集中在國科大，眾多的崗位教師分布在國科大地星學院以及由中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、地球化學研究所、國家天文臺、上海天文臺、紫金山天文臺、廣州地球化學研究所等支撐建立學院的研究所。

（2）科學目標實施的主要參與者。中國科學院及國科大是我國深空探測科學目標的主要提出者，工程任務(wù)的主要實施者之一，眾多的崗位教師和科研人員，在“嫦娥”1—4 號以及首次火星探測工程中發(fā)揮著重要的作用。

（3）綜合建制化優(yōu)勢。中國科學院建制化優(yōu)勢支持交叉學科的開展，行星科學融合了地球科學、空間科學、天文學、物理學、化學、數(shù)學、生物學等眾多領(lǐng)域，而國科大具有數(shù)學、物理學、化學、地質(zhì)學、地球物理學、天文學等學科交叉的綜合優(yōu)勢，相關(guān)課程體系具備較強的基礎(chǔ)。

（4）科教融合辦學優(yōu)勢。國科大科教融合辦學模式支持新興學科的建設(shè)。一線科學家上講臺、全球聘請名師授課、優(yōu)質(zhì)的本碩博生源……，隨著國際合作的增多，國家深空戰(zhàn)略的吸引，行星科學青年人才回流增加，高水平人才隊伍逐漸壯大。

上述優(yōu)勢，成為國科大建設(shè)好行星科學一級學科的獨特條件與厚實的發(fā)展沃土。

2.3 國內(nèi)相關(guān)高校一致支持國科大牽頭建設(shè)行星科學一級學科

我國深空探測起步晚，行星科學學科發(fā)展落后于歐美 50 年，一直缺席國際行星科學前沿競賽。國科大于 2018 年將地球科學學院正式更名為地球與行星科學學院，旨在加強行星科學的學科建設(shè)，以期培養(yǎng)更多符合國家戰(zhàn)略發(fā)展的急需人才，提升深空探測成果的科學產(chǎn)出和國際影響力。

國內(nèi)相關(guān)高校，如中國科學技術(shù)大學、北京大學、南京大學、中國地質(zhì)大學（武漢）以及桂林理工大學等分別設(shè)置了行星科學或比較行星學的研究單元，月球與行星科學國家重點實驗室亦落戶在澳門科技大學。以上均表明，國家戰(zhàn)略即是人才培養(yǎng)的目標，做好行星科學人才后備力量的儲備，是大學義不容辭的責任。

2018 年底，國科大在北京召開了“行星科學”一級學科設(shè)置的論證會，來自全國十幾所高校的從事行星科學領(lǐng)域的專家學者，一致建議由國科大牽頭組織行星科學一級學科建設(shè)。與會專家就行星科學的研究內(nèi)容、學科設(shè)置、課程體系等方面做了深入廣泛的討論，一致認為行星科學一級學科設(shè)置迫在眉睫。

3 教育興國：從科教融合到科學引領(lǐng)

我國的深空探測工程舉世矚目。但我們也注意到，當前我國深空探測是技術(shù)先行，科學家積極參與。對照美國行星科學的發(fā)展歷程，下一階段應(yīng)轉(zhuǎn)型為技術(shù)與科學并行，同時加強行星科學的學科建設(shè)和人才隊伍建設(shè)，最終實現(xiàn)科學引領(lǐng)。中國未來的深空探測，應(yīng)由科學家主導，科學家與工程師共同合作，形成分工明確、高效率且有強大凝聚力的團隊。為實現(xiàn)這一目標，我國應(yīng)當盡快著手開展行星科學人才的培養(yǎng)。加快建設(shè)行星科學一級學科，全面提升我國深空探測能力和行星科學國際影響力，這必將加速我國從深空探測大國邁向行星科學強國。

自2007 年“嫦娥一號”成功發(fā)射以來，我國的行星科學的規(guī)模和水平都有了質(zhì)的提升。從美歐回流的青年人才增多，加強了我國行星科學界與國際學界的聯(lián)系；國內(nèi)以交叉學科的方式培養(yǎng)的行星科學人才初具規(guī)模，也積極融入國際學界中去。但是，基于我國自主探測數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的成果仍然偏少，具有世界影響力的科學發(fā)現(xiàn)更是屈指可數(shù)。與探測工程的巨大國際影響力相比，行星科學的科學產(chǎn)出亟待大幅提高，我國深空探測需要盡快完成從工程驅(qū)動到科學驅(qū)動的轉(zhuǎn)變。所以，人才培養(yǎng)體制的建立越發(fā)重要與迫切。

縱觀歐美行星科學過去的 50 年發(fā)展，美國之所以在深空探測領(lǐng)域具有絕對的領(lǐng)先地位，完備的學科體制與人才培養(yǎng)模式是其保持傲視群雄的資本與來源。中國若要走向世界行星科學舞臺的中央，為人類作出與大國體量相當?shù)目茖W貢獻，必須開展行星科學一級學科建設(shè)，建立完備的人才培養(yǎng)體系，做好人才儲備工作。

基于上述認識，在 2018 年底舉行的論證會上，各高校代表就學科設(shè)置達成了一致意見。參照美歐發(fā)達國家的學科設(shè)置，按照我國的學科設(shè)置模式，建議行星科學作為一級學科，下設(shè) 3 個二級學科，具體設(shè)置如表 1。

（1）行星物理學。下設(shè) 4 個研究方向，分別為行星空間物理學、行星大氣物理學、行星固體物理學和行星探測技術(shù)。具體而言：①行星空間物理學研究行星空間等離子體物理過程，以及與行星際空間和底層大氣的相互耦合作用；②行星大氣物理學研究行星大氣中的各類動力學過程，以及與行星空間環(huán)境、行星表面和內(nèi)部環(huán)境之間的耦合；③行星固體物理學研究行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、成分和動力學過程等；④行星探測技術(shù)研究地基和天基的遙感光譜與成像，以及飛船的粒子探測、物理場的探測等。

（2）行星地質(zhì)學。下設(shè) 4 個研究方向，分別為行星巖石圈科學、行星環(huán)境科學、行星資源學和天體生物學。具體而言：①行星巖石圈科學研究行星巖石圈表面形貌、巖性、構(gòu)造形態(tài)、沉積相等的分布特征以及成因規(guī)律；②行星環(huán)境科學研究星體的環(huán)境特征、短時動態(tài)變化及長期演變歷史，以及星體內(nèi)、外部環(huán)境的物質(zhì)能量等交換過程和機制；③行星資源學圍繞行星、小行星和彗星等地外天體上的資源，開展資源分類、資源特征、分布規(guī)律與成因的研究；④天體生物學研究生命的起源和演化，探索生命在宇宙中的分布及其未來，探究行星宜居性演化。

（3）行星化學。下設(shè) 3 個研究方向，分別為行星物質(zhì)科學、行星年代學和同位素行星化學。具體而言：①行星物質(zhì)科學研究地外樣品的化學成分、礦物組成、巖相結(jié)構(gòu)，以及物理性質(zhì)、成因產(chǎn)狀等，結(jié)合熱力學和動力學計算模擬，研究太陽系天體的物質(zhì)組成、分布和遷移，揭示整個太陽系物質(zhì)的起源和演化；②行星年代學研究行星絕對年齡、相對年齡、隕石坑年代，提供時間坐標；③同位素行星化學研究太陽系中同位素形成和豐度及其分布、遷移和分餾，揭示太陽系天體的物質(zhì)來源和演化歷史。

表1 行星科學一級學科設(shè)置

如何建設(shè)中國特色的行星科學一級學科？我們認為，中國是一個正在崛起的深空探測大國，目前工程引領(lǐng)深空探測，行星科學研究滯后，以及行星科學人才培養(yǎng)體系缺乏，是當前的基本國情。我國的行星科學建設(shè)，應(yīng)順應(yīng)學科發(fā)展趨勢，緊扣當今科學前沿，聚焦國家戰(zhàn)略所需，充分發(fā)揮我國高校的基礎(chǔ)學科優(yōu)勢，有規(guī)劃、有計劃地培養(yǎng)出一個專業(yè)布局合理、具有國際一流水平的人才梯隊。國科大有條件、有能力、有優(yōu)勢率先開展行星科學一級學科建設(shè)，其科教融合辦學模式適合將學科建設(shè)和人才培養(yǎng)與國家深空探測工程緊密結(jié)合起來，在科學研究中培養(yǎng)人才，以人才帶動我國深空探測從工程引領(lǐng)向科學引領(lǐng)過渡。2016 年習近平總書記在“科技三會”上發(fā)出了建設(shè)世界科技強國的號召，在將我國建設(shè)成為深空探測強國與行星科學強國的過程中，深空探測工程、行星科學學科建設(shè)、行星科學人才培養(yǎng)等均需與國際對接，向發(fā)達國家學習，并帶動“一帶一路”國家共同努力，向和平利用太空和構(gòu)建人類命運共同體邁進。