“雙一流”背景下高校天文實驗室建設(shè)探究

陳亮 彭志欣 何秋會

(南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 210023)

2022年1月26日，教育部、財政部、國家發(fā)展改革委發(fā)布了《關(guān)于深入推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)的若干意見》文件，標(biāo)志著新一輪“雙一流”建設(shè)正式啟動，從2015 年“統(tǒng)籌推進(jìn)階段”開始邁入了“深入推進(jìn)”的新階段[1]。新一輪建設(shè)以“十四五”期間國家戰(zhàn)略急需領(lǐng)域作為指引，加大基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)科布局，著力解決“雙一流”建設(shè)中創(chuàng)新人才不足問題[1]。實驗室作為面向科學(xué)前沿、推動學(xué)科建設(shè)發(fā)展的重要載體，是一流學(xué)科的重要支撐，也是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要場所[2]。

天文學(xué)是一門基于觀測的基礎(chǔ)學(xué)科,先進(jìn)的天文探測技術(shù)、天文儀器技術(shù)以及天文學(xué)的研究成果，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位、航天、深空探測等領(lǐng)域，對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家安全都有重要的意義[3]。隨著一批地面和空間天文重大科學(xué)裝置的建設(shè)并陸續(xù)投入使用，天文學(xué)人才的需求變得旺盛，對高校天文學(xué)人才的培養(yǎng)也提出了新的要求。加強高校天文實驗室的建設(shè)，對培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新人才，推進(jìn)一流學(xué)科建設(shè)至關(guān)重要。

1 高校天文實驗室建設(shè)的趨勢及國內(nèi)現(xiàn)狀

天文學(xué)作為一門十分古老的學(xué)科，它研究宇宙空間中的各種天體。一直以來，人們通過觀測的方法測量天體的位置，研究探索其結(jié)構(gòu)及運動和演化的規(guī)律。中國是世界上天文學(xué)發(fā)展最早的國家之一，曾經(jīng)在天文觀測和研究中取得不少世界領(lǐng)先的成就，但在近代陷于停滯，落后于西方[4]，20世紀(jì)50年代南京大學(xué)天文系成立后，我國高校天文學(xué)科才開始逐步迎來發(fā)展。

早期高校天文實驗室大多基于機(jī)房和數(shù)據(jù)的運行模式，側(cè)重于天文理論的研究，天文技術(shù)方法作為支撐天文學(xué)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)在高校中較少涉及，天文儀器設(shè)備十分匱乏。進(jìn)入21 世紀(jì)后，隨著信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)等快速發(fā)展，天文技術(shù)研究方法包括光學(xué)紅外技術(shù)、射電天文技術(shù)、空間天文技術(shù)等，作為實驗室建設(shè)的技術(shù)支撐，發(fā)展得十分迅速，大量的關(guān)鍵技術(shù)取得了突破，天文觀測工具和手段不斷擴(kuò)展豐富。觀測手段的迅速發(fā)展和全波段研究的開拓成了當(dāng)代天文學(xué)發(fā)展的一個顯著特點[3]。國內(nèi)高校天文實驗室開始建設(shè)并擁有了一些大型的天文觀測設(shè)備，隨著這些天文儀器設(shè)備的完善，使得學(xué)生有了更多的實踐動手操作機(jī)會，逐漸涉及了大量前沿科學(xué)技術(shù)內(nèi)容。高校天文實驗室的建設(shè)由此逐步朝著綜合型實驗室的方向發(fā)展。

然而，目前國內(nèi)建設(shè)有天文實驗室尤其擁有天文臺的高校還是屈指可數(shù)的。南京大學(xué)在校內(nèi)南雍山建有左滌江天文臺，擁有一臺口徑65 cm反射望遠(yuǎn)鏡，主要用于本科教學(xué)、天文實驗教學(xué)以及早期的科研訓(xùn)練，同時作為江蘇省天文學(xué)會科普宣傳基地；在校外建有位于南京紫金山的塔式太陽望遠(yuǎn)鏡和位于云南澄江撫仙湖的太陽觀測基地。山東大學(xué)威海校區(qū)瑪珈山頂上建有山東大學(xué)威海天文臺，擁有一臺科研用口徑1 m的赤道式望遠(yuǎn)鏡，它是目前國內(nèi)高校中建成的口徑最大、技術(shù)水平先進(jìn)的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡；除此之外，還有多臺用于本科生及研究生的實驗教學(xué)的天文儀器設(shè)備。北京師范大學(xué)建設(shè)有天文教學(xué)綜合實驗室，擁有較為完善的校內(nèi)天文實驗設(shè)備，并與中國科學(xué)院天文研究單位共建了多個校外天文教學(xué)科研基地[5]。西華師范大學(xué)與中國科學(xué)院天文研究單位在校外青海德令哈觀測站共同建設(shè)了天文臺，是中國西部高校第一個實測天文臺。

天文學(xué)作為《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》重點發(fā)展的六大基礎(chǔ)學(xué)科之一，當(dāng)前已發(fā)展為集觀測、理論研究、實驗室模擬和數(shù)值模擬“四位一體”的學(xué)科，和其他學(xué)科有廣泛的交叉性[6]。歐美發(fā)達(dá)國家高校十分重視天文學(xué)發(fā)展，美國主要的大學(xué)幾乎都有天文系或天文專業(yè)[6]，而我國目前成立天文系（院）的高校僅有20余所，開設(shè)天文相關(guān)課程的高校比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美大學(xué)。但隨著國家不斷加大基礎(chǔ)研究投入以及深入推進(jìn)“一流”學(xué)科的建設(shè)，天文學(xué)成為國內(nèi)高校提高學(xué)生綜合科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新人才關(guān)注的重點，越來越多的高校開設(shè)了天文學(xué)課程，成立天文系，建立天文實驗室。近5年就有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、廣州大學(xué)、貴州師范大學(xué)等多所高校陸續(xù)成立了天文學(xué)系（院），天文實驗室的建設(shè)也將成為這些高校建設(shè)的重點。

實驗室是高校教學(xué)科研的重要場所，加強高校實驗室的建設(shè)是助力深入推進(jìn)“雙一流”建設(shè)的重要方式。然而，實驗室的建設(shè)是一項極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅涉及學(xué)科專業(yè)發(fā)展、設(shè)備硬件建設(shè)，還涉及到制度、隊伍建設(shè)等軟件建設(shè)[7]。國內(nèi)高校天文學(xué)實驗室在長期的建設(shè)過程中由于天文學(xué)科的小、人員規(guī)模的少、儀器設(shè)備的缺乏，存在著許多的問題與不足。

2 高校天文學(xué)實驗室建設(shè)存在的問題與不足

2.1 實驗室軟硬件建設(shè)不足

實驗室軟硬件建設(shè)是保障實驗室運行的基礎(chǔ)。部分開設(shè)了天文學(xué)課程的高校由于天文實驗室建設(shè)不夠系統(tǒng)和完備，造成無法有效地進(jìn)行實驗教學(xué)和科研。與此同時，伴隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展及天文熱點事件的頻發(fā)，激起了普通大眾對天文學(xué)的濃厚興趣，高校天文學(xué)實驗室除了承擔(dān)日常教學(xué)、科研任務(wù)外，還逐漸承擔(dān)起科普傳播的任務(wù)，原有的軟硬件設(shè)施及環(huán)境也需要進(jìn)一步提升。此外，大型科學(xué)儀器設(shè)備建設(shè)是提升實驗室硬實力的強力武器，也是培養(yǎng)高層次人才有效的工具，高校天文實驗室在大型科學(xué)裝置投入建設(shè)上明顯不足。天文學(xué)高影響力的學(xué)術(shù)產(chǎn)出建立在一流的觀測設(shè)備獲取的第一手?jǐn)?shù)據(jù)[8]，加強高校主導(dǎo)建設(shè)世界一流的大型天文觀測設(shè)備，也是深入推進(jìn)“雙一流”高校和學(xué)科建設(shè)重要舉措。

2.2 實驗室教學(xué)內(nèi)容及質(zhì)量有待提升

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力不可替代的環(huán)節(jié)[9]。天文學(xué)的飛速發(fā)展使得傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容要隨著科學(xué)技術(shù)前沿的發(fā)展而不斷更新[4]，以保持實驗內(nèi)容的先進(jìn)性和實用性，激發(fā)學(xué)生對天文學(xué)的興趣，從而使學(xué)生能夠應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，部分高校天文實驗教學(xué)設(shè)備嚴(yán)重缺乏或者設(shè)備陳舊與老化，實驗技術(shù)和方法不能與時俱進(jìn)，甚至還在沿用數(shù)十年前的實驗課程內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容不夠豐富，內(nèi)容也逐漸跟不上天文學(xué)的快速發(fā)展，難以與國家的發(fā)展需求相適應(yīng)。此外，隨著天文學(xué)科的學(xué)生不斷增多，教學(xué)用設(shè)備跟不上以及實驗教師配比不足，天文實驗教學(xué)特別是天文觀測過程中還嚴(yán)重受到天氣和環(huán)境的影響，導(dǎo)致實驗教學(xué)內(nèi)容和質(zhì)量都存在一定欠缺。

2.3 實驗室創(chuàng)新人才培養(yǎng)與建設(shè)有待提高

“一流學(xué)科”的建設(shè)發(fā)展，離不開創(chuàng)新人才。現(xiàn)代天文學(xué)在國內(nèi)起步較晚，國內(nèi)高校天文人才隊伍相對其他學(xué)科規(guī)模較小，分布不平衡，高校獲得過國家自然科學(xué)基金天文學(xué)科資助的只占全國高校數(shù)量的4.3%。此外，全國的天文研究隊伍人才中還有近2/3集中在中國科學(xué)院少數(shù)天文臺單位。因此，高校天文研究人才的儲備嚴(yán)重不足[6]。實驗室作為學(xué)生對所學(xué)理論知識的實踐應(yīng)用場所，是創(chuàng)新人才的培養(yǎng)基地[9]，高等院校（尤其是知名高校）在天文實驗室建設(shè)上的缺失導(dǎo)致天文學(xué)科在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面落后。

另外，高校天文實驗室傳統(tǒng)設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容不足以支撐創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，更難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。當(dāng)前如何有效利用實驗室大型科學(xué)儀器設(shè)備引導(dǎo)教師科研項目創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生的興趣，對未來創(chuàng)新型人才培養(yǎng)十分關(guān)鍵。

2.4 實驗室制度及實驗技術(shù)隊伍建設(shè)需進(jìn)一步加強

高校實驗技術(shù)隊伍在培養(yǎng)創(chuàng)新人才、推動學(xué)科持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)高校科研實力提升等方面發(fā)揮著重要作用[10]。當(dāng)前，國內(nèi)高校從事天文實驗技術(shù)人員極少，遠(yuǎn)未達(dá)到教育部2007年頒發(fā)的相關(guān)文件規(guī)定的比例[11]。高校天文學(xué)的發(fā)展長時間側(cè)重理論研究，實驗技術(shù)隊伍的建設(shè)工作沒有得到應(yīng)有的重視。實驗室相關(guān)的管理制度相對不夠完善和系統(tǒng)，導(dǎo)致高校天文實驗室建設(shè)緩慢，存在著實驗技術(shù)隊伍人數(shù)不足、崗位匹配度不高、缺乏考評激勵機(jī)制、職稱晉升難度大、實驗技術(shù)隊伍地位低薪資低等諸多問題。

在深入推進(jìn)高?！半p一流”建設(shè)下，加強實驗室的制度建設(shè)以及打造一流實驗技術(shù)隊伍，是高校人才培養(yǎng)、教學(xué)科研及學(xué)科建設(shè)的強力支撐[10]。

3 高校天文實驗室建設(shè)的思考與建議

針對當(dāng)前高校天文學(xué)實驗室建設(shè)中存在的問題與不足，建議采取相應(yīng)措施做好以下幾個方面。

3.1 增加經(jīng)費投入，加強實驗室軟硬件建設(shè)

在推動“雙一流”建設(shè)下，中央預(yù)算內(nèi)投資對中央高校學(xué)科建設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施給予支持，并鼓勵地方政府和有關(guān)主管部門應(yīng)通過多種方式，對世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)加大資金、政策、資源支持力度[12]。在此契機(jī)下，高校天文實驗室的建設(shè)應(yīng)加大經(jīng)費投入，完善更新實驗室教學(xué)科研設(shè)備，改善實驗室環(huán)境，創(chuàng)造科普傳播條件，加強信息化和智能化的建設(shè)，大力推動高校主導(dǎo)的天文大型科學(xué)儀器設(shè)備的研制，積極探索校企共建天文學(xué)實驗室模式，從而打造先進(jìn)和實用的一流實驗室條件，為教學(xué)、科研、社會服務(wù)提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)保障。

3.2 豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)質(zhì)量

隨著天文學(xué)細(xì)分專業(yè)越來越多，自主開發(fā)符合專業(yè)特點的教學(xué)實驗，完善實驗教學(xué)體系，提升教學(xué)質(zhì)量，是實驗室教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的一個大方向。積極引導(dǎo)推動教師將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考與研究的意識。從地面設(shè)備研制到空間科學(xué)設(shè)備的研究合作上，探索將天文學(xué)最新研究的成果以及新技術(shù)新方法融入實驗教學(xué)內(nèi)容中。在實驗教學(xué)內(nèi)容中不斷引入如人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新型信息技術(shù)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生了解相關(guān)技術(shù)的原理和應(yīng)用。此外，加強天文學(xué)虛擬仿真實驗項目的建設(shè)，虛擬仿真實驗教學(xué)能夠不受時空和各項條件限制，通過網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生對新現(xiàn)象、新事物、新概念的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

3.3 開發(fā)創(chuàng)新實驗，大力培養(yǎng)創(chuàng)新人才

習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第十九次院士大會的講話中指出，實現(xiàn)建成社會主義現(xiàn)代化強國的偉大目標(biāo),實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢，我們必須具有強大的科技實力和創(chuàng)新能力[13]。天文技術(shù)方法是高技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新源頭之一[14]，高校實驗室作為學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主場地，開發(fā)設(shè)計天文相關(guān)創(chuàng)新實驗，不僅能讓學(xué)生了解到望遠(yuǎn)鏡研制最前沿的關(guān)鍵技術(shù)，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的一個直接有效的方式。對此，筆者學(xué)院教學(xué)中心建設(shè)成立了天文實踐創(chuàng)新實驗室，結(jié)合當(dāng)前最新天文研究成果以及天文技術(shù)，開發(fā)設(shè)計了自適應(yīng)光學(xué)模擬實驗、引進(jìn)設(shè)計了引力波探測模擬實驗、自行搭建了光譜儀設(shè)計實訓(xùn)平臺等，這些實驗?zāi)茏寣W(xué)生動手操作后再自行思考設(shè)計，不僅能加強動手與獨立思考的能力，還能極大地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3.4 注重科學(xué)管理，加強實驗技術(shù)隊伍建設(shè)

高校天文實驗室在當(dāng)前“雙一流”建設(shè)背景下，要充分認(rèn)識到實驗技術(shù)隊伍建設(shè)的重要性，適時轉(zhuǎn)變觀念，加強實驗技術(shù)人員的引進(jìn)特別是高水平實驗技術(shù)人才引進(jìn)。合理制定符合實驗技術(shù)人員的崗位職責(zé)，設(shè)立專項獎勵激勵實驗技術(shù)人員的積極性，構(gòu)建實驗技術(shù)人員培訓(xùn)和再學(xué)習(xí)的機(jī)制，把實驗技術(shù)隊伍看成是教學(xué)科研的支撐隊伍，而不是無足輕重的輔助人員[15]。實驗室大型天文高端科學(xué)儀器設(shè)備十分昂貴，在設(shè)備項目建設(shè)上，要重視項目團(tuán)隊的建設(shè)，引進(jìn)專職的實驗工程人員，建立完善的項目管理制度，確保項目建設(shè)進(jìn)展順利。

天文實驗室通常離主辦公教學(xué)樓較遠(yuǎn)，探索建立規(guī)范完善的實驗室運行管理模式尤為重要。在一流學(xué)科建設(shè)支持下，應(yīng)加大人力、物力、財力等各方面制度的支持與配合，合理設(shè)置實驗管理、教學(xué)、科研崗，職責(zé)劃分明確清晰，建立健全管理規(guī)章制度，加強信息化管理水平。合理安排教師夜間觀測教學(xué)任務(wù)，保障教學(xué)質(zhì)量和教師的身心健康。建立健全的實驗室安全管理架構(gòu)和責(zé)任體系，加強師生安全教育和培訓(xùn)，保障實驗室安全平穩(wěn)運行。

4 結(jié)語

近幾年，諸多天文學(xué)研究成果在全球引起了轟動，2017 年諾貝爾物理學(xué)獎授予了LIGO 激光干涉引力波探測項目的相關(guān)科學(xué)家，2019年諾貝爾物理學(xué)獎授予了物理宇宙學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)以及首個圍繞類太陽恒星的太陽系外行星的發(fā)現(xiàn)，這些成果無疑是理論和實驗的完美融合。在當(dāng)前深入推進(jìn)“雙一流”高校建設(shè)的背景下，高校天文實驗室的建設(shè)不僅關(guān)系到今后的教學(xué)科研環(huán)境，更是促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要因素。國內(nèi)高校天文學(xué)實驗室的建設(shè)要緊盯學(xué)科發(fā)展的趨勢，加大經(jīng)費投入力度，朝著國際一流實驗室的方向前進(jìn)。