STEM教育理念在非天文高校天文教育中的實踐

■江林焱 張立云 萬俊桃/.貴州大學明德學院；2.貴州大學理學院

一、研究背景

天文學是研究宇宙中天體和天體系統(tǒng)的形成、結(jié)構、活動和演化的科學，在探索宇宙中的自然規(guī)律、促進其他自然學科的發(fā)展、推動技術進步、研究日地空間環(huán)境，以及在提高全民素質(zhì)教育中有著不可替代的作用。開展天文教育，不僅可以拓寬高校學生視野，豐富其知識，還可提升其人文和科學素養(yǎng)。對促進高校學生知識結(jié)構的合理化、培養(yǎng)科學理性思維方式有著重要意義，這也導致在國際上很多發(fā)達國家，高校內(nèi)普遍開設天文學方面的選修課。而在我國，中國高校中本科開設天文專業(yè)的就寥寥無幾，大量的非天文高校對天文教育的投入更是極其匱乏。這不僅阻礙了天文教育在這類高校中的發(fā)展，也不利于全民科學文化素養(yǎng)的提升和天文人才隊伍的培育。

STEM教育理念是一種立足生活經(jīng)驗和社會實踐，旨在培養(yǎng)探究能力、批判性思維能力、與人溝通能力，通過整合科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(Mathematics)等領域內(nèi)容和方法進行的跨學科學習范式。

以STEM教育理念為代表的新時代教育思想變革給教育教學帶來前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，同時促使教育方式和教學行為的轉(zhuǎn)變。為了適應時代發(fā)展需求，高校課堂教學應當主動探索與新型教育理念同步的教學方式，培養(yǎng)符合時代要求的新型人才。本文試圖以STEM教育理念+天文教育的模式探索一條在非天文高校開展天文教育的實踐路徑。

二、現(xiàn)狀分析

(一)師資資源欠缺

天文專業(yè)是一門小眾科學，對于大多數(shù)主要以工科、文科、藝術類等為主要專業(yè)的普通高校，極少開設天文專業(yè)，這也導致了許多非天文類的高校缺乏相關天文教學背景的教師。即使是有天文專業(yè)的高校主要以科研任務為主，能長期從事天文教育工作且具備天文觀測知識的人員也是少之又少。教師本身的天文觀測知識和經(jīng)驗不足,以致于無法指導學生獲得真正的觀測資料。

(二)需求層次參差不齊

眾多天文愛好者們對天文學的認識層次大相徑庭，有的只停留在認識太陽系中的八大行星，有的癡迷于科幻小說中的外星人、黑洞、多維空間等，當初步了解天文社團只能做一些基本的觀測活動后甚至覺得大失所望；有的甚至抱著純粹的浪漫主義情懷加入社團，無意深度參與；而另有一部分人卻已經(jīng)熟練掌握操作帶有自動跟蹤系統(tǒng)的望遠鏡的觀測手段，以及相應專業(yè)處理軟件(如MAXIM)數(shù)據(jù)處理的方法。這也直接導致了從事推動天文教育的教師在組織天文教學過程中無法做到真正的因材施教，僅僅提供天文學入門級課程、講座及常見的望遠鏡使用教學，已難以滿足各個層次學生的需求。

(三)天文教育缺乏足夠硬件支持

如今,我國有教學天文臺的高校數(shù)目有限,除少數(shù)開設天文專業(yè)課程的高校愿意投入一定硬件設施，絕大多數(shù)的高校更多把資金投入其相關專業(yè)實驗室的建設，而作為天文選修課和天文社團所需要的天文教學設備欠缺問題顯著。這也直接導致了天文教育更多的偏向理論教學，而無相應實踐活動予以支撐，使得其教學方法和教學形式單一，缺乏吸引力。

(四)個人興趣與學業(yè)提升、就業(yè)壓力多因素難以平衡

南京師范大學的袁啟榮老師在多年教學模式探索過程中，曾經(jīng)總結(jié)設計兩種教學思路：(1)從天文知識的系統(tǒng)性出發(fā)組織教學，整個過程盡量側(cè)重知識結(jié)構的完整性，教學內(nèi)容也偏向?qū)I(yè)化，包含了天文學簡史、天球坐標和時間計量系統(tǒng)等知識點。(2)從趣味問題出發(fā)組織教學，教學內(nèi)容側(cè)重于授課的趣味性,從引人入勝的科學問題入手，介紹天文知識和方法。兩種思路各有利弊。僅從第一種思路來看，學生不僅需要較扎實的數(shù)學和物理基礎，還需要學習專業(yè)性較強的天文學系統(tǒng)理論，而第二種對教學目標的實現(xiàn)有一點的難度。不管是第一種抑或是第二種，兩種思路均無法直接顯現(xiàn)對學生自身專業(yè)能力培養(yǎng)與就業(yè)技能的提升。高校學生無意愿投入大量精力在這個“無助學業(yè)、無助就業(yè)”的興趣愛好上。

三、STEM教育理念在高校天文教育中的實踐與應用

結(jié)合當前現(xiàn)狀，我們需立足當下，充分整合現(xiàn)有資源，引入新的教學理念，改變天文教育現(xiàn)有的教學模式。而作為當前最新教育理念的STEM它具有跨學科性、趣味性、體驗性、情景性、協(xié)作性、設計性、藝術性、實證性、技術增強性的核心特征。STEM教育理念與天文教育的深度融合，不僅可實現(xiàn)天文教育的基本教學目標，還可打破學科壁壘，為高校培養(yǎng)新時代創(chuàng)新性、綜合性人才奠定基礎。本人所在的貴州大學明德學院是一所典型的非天文基礎的普通高校，我校一直力圖推動STEM+天文教育模式的實踐工作，經(jīng)過數(shù)年的摸索，總結(jié)出可操作性較強的實踐經(jīng)驗：

(一)以天文愛好者協(xié)會為核心力量推動天文教育發(fā)展

考慮到非天文高校未開設天文專業(yè)課，甚至連天文類選修課程也無法開設，可借助組建天文愛好者社團方式以聚集天文愛好者。通過校內(nèi)社團活動(如天文知識競賽、專業(yè)望遠鏡使用培訓)、校外實踐(如組織面向社會的如觀星或觀測日食、參加全國科技活動周等天文科普活動)、全國專業(yè)競賽(如參加各類天文競賽)等，并將其作為天文教育主要對象以及培養(yǎng)隊伍。天文社團成員既是科普成員骨干，亦是被教育對象，以此為核心力量將天文教育輻射至整個學校乃至地方社會普通民眾。天文社團本著服務社會的思想，努力為天文學科儲備后備人才服務地方經(jīng)濟、文化、教育和旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，豐富校園文化生活為實現(xiàn)自身的宏偉目標而奮斗不息，同時也為廣大的天文愛好者提供了一個展示自我的舞臺。

而作為整個團隊核心的指導教師需要以高站位、高水準的要求自身，需具備一定的專業(yè)素養(yǎng)、實踐能力、組織能力和奉獻精神。其不僅需要掌握扎實的理論基礎，還需有一定的天文實測能力和綜合學習能力。社團成員各人的學科背景均可能有所不同，因材施教也是關鍵所在。同時，從社團的搭建到管理是個長期過程，所付出的努力無法體現(xiàn)在年度業(yè)績考核和職稱評選上。指導教師需有較強的教師職業(yè)道德感和使命感和無私回饋社會的奉獻意識。

(二)結(jié)合STEM教育理念，打造物理+天文+專業(yè)跨學科教育

盡管高校開設天文專業(yè)的極少，但并非沒有天文的土壤。全國有絕大多數(shù)高校均有開設相關大學物理、大學物理實驗等通識類課程，而該課程便是天文學的基礎。當前物理類課程本身也存在知識內(nèi)容難度高、脫離前沿科學、學生學習積極性不強等問題，甚至面臨被“砍”危機。但如果我們可以適當將天文內(nèi)容融入大學物理和大學物理實驗課程，以物理類課程為基礎、天文興趣為引導，同時結(jié)合其他專業(yè)內(nèi)容，真正的實現(xiàn)STEM教學模式，跨學科的把專業(yè)課和天文知識融合，將天文教育打造為一門實踐課程。這不僅可以讓學生更加深入掌握物理知識，滿足天文教育的需求，還可促進本專業(yè)的學習，加強了學生的實踐能力，一舉三得。

(三)基于STEM教學理念，設置“因?qū)６悺钡奶煳慕逃龑嵺`課題

以我校為例：貴州大學明德學院是以電氣系、信息系、傳媒系等多學科并存的綜合類高校。該校天文社團的指導老師在針對不同的專業(yè)“因?qū)６悺钡脑O置天文教學課題，如：(1)指導傳媒專業(yè)學生，利用AR技術展現(xiàn)當前世界最大單口徑的望遠鏡FAST模型，并利用其動畫制作及剪輯能力制作相應宣傳片；(2)指導電氣自動化專業(yè)的學生通過其專業(yè)軟件3D Max的3D建模功能以及最新的前沿技術3D打印技術，通過打印FAST望遠鏡模型，讓學生認識射電望遠鏡的基本構造和相應功能；(3)指導信息系通信專業(yè)學生嘗試利用自制天線觀測太陽、木星等天體射電輻射；(4)利用計信專業(yè)學生課借助虛擬天文臺發(fā)布的觀測數(shù)據(jù)，嘗試利用機器學習技術尋找超新星爆發(fā)事件。

在整個指導過程中，指導老師結(jié)合社團中天文愛好者各自的專業(yè)特點，將理論專業(yè)性強的天文知識通過可視化信息技術、3D打印技術、工程制圖、無線電技術、通信原理、機器學習多學科融合。這不僅讓鍛煉了學生專業(yè)技術能力，也鍛煉了其實踐能力，團隊能力，提升的學生的科學素養(yǎng)，也對天文教育工作起到一定的推廣作用，實現(xiàn)了其教學目標。而本團隊個別實踐案例已于2019年獲得“全國大學生天文創(chuàng)新作品競賽”一等獎、二等獎，得到天文業(yè)界專家一致肯定。

四、展望

STEM教育理念在天文教育實踐過程中仍有許多課題亟待摸索，教師可根據(jù)自身能力及學校專業(yè)特點設置其他多個課題，例如“基于phyphox軟件測量重力加速度”、“基于Matlab模擬行星運動”、“脈沖星輻射過程可視化”等……。STEM 教育實施成功的一個關鍵因素在于問題情境的設置。而這些課題立足于天文科學、數(shù)學、工程和技術，切合學習者的學習環(huán)境和背景，按需設計了具備可操作性又有一定深度的問題情境，真正的實現(xiàn)了STEM 教育理念。整個實踐過程更易構建和鞏固學習者個體相關的知識體系，同時學以致用，避免將知識變?yōu)槎栊灾R。

STEM教育理念不是簡單地將科學技術、工程、數(shù)學等學科進行疊加，而是一種有機整合，一種立足于學生應具備的、能適應終科教熱點、自身發(fā)展和社會需要的必須品格和關鍵能力的跨學科整合。天文學是一門古老的學科，但隨著我們的教育理念的更新，這門學科不但可以重煥生機，還可以幫助培養(yǎng)更多的不同專業(yè)的人才，可以讓天文教育更深層次的融入社會，提升公眾的科學素養(yǎng)，加強學生實踐能力、團隊能力的綜合能力的提升。這不僅助力學生自身的發(fā)展，對天文教育來說也是一種良性的推動。