天文學中赫茨普龍—羅素圖的教學內容優(yōu)化探析

張一鳴，李盤興

(貴州師范大學物理與電子科學學院天文系，貴州 貴陽 550025)

天文學是以觀測為基礎的科學，推動著人類認識論和世界觀的發(fā)展。天文學的學科特征及其特殊意義，對天文學的本科教學提出了較高的要求。在高校天文學專業(yè)，基礎天文學課程具有重要的承上啟下作用，一方面可以為學生在研究生階段的深造打好基礎，另一方面可以為面向公眾和學生的天文學教育、天文科普等提供專業(yè)支撐。在實際教學中容易發(fā)現(xiàn)，如果單從數(shù)理基礎與一般性描述來講解基礎天文學課程內容，往往不容易引導學生探究知識點的科學本質，難以真正讓“天文學成為傳播科學知識和科學思想方法最積極和最有效的學科之一”[1]。同時，國內的天文學本科教學研究偏少，難以給出有效借鑒。在“中國知網(wǎng)”搜索到以篇名含“天文”且主題含“教學”的論文共計228篇，而其中涉及高等教育領域的僅占15.8%，相關內容介紹了天文學的本科教育概況、天文選修課的開設與建設情況、基于數(shù)據(jù)和技術的教學實踐等，缺乏對天文學教學內容的研究。結合授課反思與教學改革的需要，我們選擇先對基礎天文學教學內容中的核心知識點之一“赫茨普龍—羅素圖”(以下簡稱“赫—羅圖”，英文為Hertzsprung-Russell diagram)展開優(yōu)化教學內容的案例研究，以期豐富教學理論，探索教學路徑，提升教學實效。

一、基礎天文學經典教材中赫—羅圖的編寫簡況與特征

20世紀初，丹麥天文學家埃希納·赫茨普龍(Ejnar Hertzsprung)與美國天文學亨利·諾利斯·羅素(Henry Norris Russell)分別繪制過天體的光譜—光度圖，該圖最早稱為“羅素圖”(見圖1)，后確定為“赫茨普龍—羅素圖”(赫—羅圖)。此后，赫—羅圖始終處于天文學教學的核心地位，這主要表現(xiàn)在三方面：一是赫—羅圖被視為天文學發(fā)展進程中的標志性事件[2]11，其建立過程中使用了重要的科學方法；二是赫—羅圖的建立對于恒星演化有著相當重要的科學價值，而恒星演化同樣在天文學教學中是非常核心的知識點；三是赫—羅圖作為經典的科學圖像[3](散點圖)體現(xiàn)出了許多優(yōu)點和特點，可被視為很好的教學案例[4]。

圖1 羅素于 1914 年正式發(fā)表的第一幅光譜—光度圖，一般被認為是現(xiàn)代赫—羅圖的原型 注：轉自卞毓麟的《恒星身世案 循跡赫羅圖》[2]14

在赫—羅圖的教學準備中，參考了國內外頗具代表性的基礎天文學教材。國內的教材很少，在此重點選取了由天文學工作者撰寫并在高校天文系使用的兩冊教材：一是2004年出版且于2019年重印的《基礎天文學》[5](以下簡稱“教材1”)，二是2020年出版且前身已跨越20年的《天文學教程》[6](以下簡稱“教材2”)。國外的教材相對豐富，選取了兩冊高校使用的教材：一是2019年引進的Astronomy：ABeginner′sGuidetotheUniverse(SeventhEdition)[7]250-311(以下簡稱“教材A”)，二是2017年出版的FundamentalAstronomy(SixthEdition)[8](以下簡稱“教材B”)。國內教材的編寫體現(xiàn)出三個特征：一是內容安排上板塊性較強，利于整體講授和理解相關概念；二是再版內容的時間跨度較大，但內容更全面；三是對學生的數(shù)理基礎和相關能力的要求相對較高。作者在對比研究以后，發(fā)現(xiàn)國內教材在保留自身優(yōu)勢的前提下，還可以借鑒教材A和教材B以下三方面的特點。

第一，教材A與教材B對赫—羅圖本質的揭示顯得相對自然。赫—羅圖不是單單一幅科學圖像，而是基于一定的研究目標和研究方法所形成的系列示意圖(用來闡明某些關聯(lián))，這從赫—羅圖的英文描述中可以明顯發(fā)現(xiàn)，但中文語境下容易與其他的科學圖像(如英文中的image、curve等)相混(僅一個漢語詞匯“圖像”來對應)，這可能導致國內教材在編寫過程中不自然地省略了對赫—羅圖本質的理解與揭示。

第二，國外教材A更善于用準確易懂的語言描述天文學內容，在適量減少復雜數(shù)學運算的同時，對天文學中許多重要概念依然設法分析得完整、準確，體現(xiàn)出對專業(yè)知識的深度掌握和教材的編排技巧。當某個概念相對復雜時，教材中往往使用讀者熟悉的物體或現(xiàn)象進行類比，比如，使用人的身高、體重類比鄰近恒星的赫—羅圖的坐標，生動展示“人的身高和體重沿主序星下降”的變化過程。

第三，教材編寫要相對提升學術性。教材A中的赫—羅圖大多為以階段性的觀測為依據(jù)直接給出的準確結論，凸顯嚴謹性；增加了赫—羅圖的最新觀測結果，如教材A第10章第5節(jié)給出了依據(jù)依巴谷衛(wèi)星測量結果而形成的赫—羅圖(見圖2)，標明該圖僅通過少量恒星的觀測結果所得，說明相關圖像還存在變化的空間與可能；注重標注各類經典赫—羅圖的早期文獻來源，如教材B中圖12.1和12.2中均標注了相關學術論文。

圖2 依巴谷赫—羅圖

上述教材的優(yōu)點無疑有助于教學的優(yōu)化，不過，國外教材的友好性和學術性依然不足以引導學生有效理解赫—羅圖的科學本質。因此，有必要嘗試將赫—羅圖相關的科學史、科學哲學(主要涉及科學方法相關內容)以及科學社會學(主要指科學發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權、科學共同體、實驗室研究)的內容融入教學[9-10]，引導學生比較全面、深入地理解赫—羅圖。此類嘗試反映在科學課程與教學改革中，國內教育工作者近年來對此也越來越重視。但由于對教師有較高要求，該做法在引入教學的過程中面臨三方面的實際困境[11]。因此，在改良赫—羅圖教學內容的過程中，應準確并有針對性地介紹相關科學史內容，相對深入地分析相關科學方法及其與理論的關聯(lián)，選擇性地探討科學共同體、實驗室研究等科學社會學話題。

二、分析赫—羅圖的科學史有助于發(fā)掘其科學本質

赫—羅圖具有比較特殊的歷史地位，作為一種特殊的示意圖，它既體現(xiàn)了當時天文學發(fā)展的現(xiàn)實需求，又反映了近年天文學發(fā)展的最新狀況，還承載了恒星演化的深度理解，具有強大的生命力。恒星的種類眾多、各具特色，對于這些各具特色的恒星，19世紀的天文學者希望找到一種方法，對恒星進行分類，并且能通過一系列探索，演示恒星的演化軌跡。恒星的性質主要由恒星表面溫度和恒星光度(絕對星等)這兩個參數(shù)決定。恒星光譜形態(tài)的影響因素(元素豐度、溫度和壓力)中，元素豐度一般相似(相同)，導致恒星光譜的主要差異與恒星的溫度、壓力密切相關，可以說，恒星光譜隨溫度和光度而變化。因此，眾多天文學家通過恒星溫度和光度的數(shù)據(jù)，對恒星光譜開展了分類研究[12]。1888年，英國天文學家洛基爾·約瑟夫·諾曼(Lockyer Joseph Norman)根據(jù)自己對光譜分類以及恒星演化模型的獨特見解，提出了恒星演化的模型。19世紀末到20世紀初，愛德華·查爾斯·皮克林(Edward Charles Pickering)領導美國哈佛大學天文臺開展恒星光譜分類研究，安妮·坎農(Annie Jump Cannon)女士的哈佛分類系統(tǒng)得到了高度的評價，并且廣泛使用。同一時期，安東尼·莫里(Antonia Maury)發(fā)表了恒星光譜表，其分類法沒有得到足夠的重視。1900年，英國天文學家大衛(wèi)·吉爾(David Gill)發(fā)表《恒星視差研究》。在這一時期，有不少關于恒星演化的研究，但當時存在各種原因，很多研究未受到應有的重視。

20世紀初，赫茨普龍從光化學研究轉向天文學，并在許多天文臺開展觀測工作。赫茨普龍對恒星亮度測定和光譜研究十分感興趣。他知道坎農女士的分類法，但他對莫里女士的光譜分類更加關注。赫茨普龍研究了莫里女士的光譜分類法，并借助統(tǒng)計的科學方法，發(fā)現(xiàn)了“巨星序”和“矮星序”，并提出了更加嚴謹?shù)墓庾V分類方法。1905年和1907年，赫茨普龍在德國《科學照相》發(fā)表了兩篇題名均為《恒星輻射》的論文，由此報道其研究成果。前述論文對于天文學史而言，是非常重要的學術文獻，它們揭示了恒星光譜型與光度的關系，然而，由于未發(fā)表在天文學專業(yè)期刊上，并未及時引起當時天文學界的注意。[2]13同一時期，羅素正開展通過照相術確定恒星的研究，并于1910年發(fā)表了與吉爾不同的論文——《恒星視差的確定》。1910年8月，羅素將恒星分成兩個序列，這與赫茨普龍的做法一致，但由于信息閉塞，當時未有人將兩者論文聯(lián)想起來。赫茨普龍后面的幾年時間里繼續(xù)從事星團研究，并于1911年修訂、發(fā)表了昴星團和畢星團的“顏色—星等”圖。羅素則于1913年宣讀了自己的重要論文——《恒星光譜與其他特征之間的關系》。文中，羅素以光譜型為橫坐標、絕對星等為縱坐標，根據(jù)已知三角視差的300多顆恒星的數(shù)據(jù)，制作了這些恒星的光譜—光度圖，后于同年7月發(fā)表。1933年，北歐天文學家最早將這類圖稱之為赫茨普龍—羅素圖，該圖推動了天文學的快速發(fā)展。

上述科學史的簡要內容可引導老師提煉出赫—羅圖教學的三方面新內容：一是分析形成赫—羅圖的根本原因——對已觀測的各類恒星進行分類的需求，思考并探索恒星分類的各類科學方法，將成為赫—羅圖教學中較適合科學探究的部分，由此可以進一步深入理解天文學家洛基爾、坎農女士、莫里女士等的光譜分類法的形成過程，為充分理解赫—羅圖的科學本質奠定基礎，這也反映出科學哲學的研究目標——研究科學理論的結構、科學解釋、科學觀察與理論的關系等[13]。二是進一步了解赫茨普龍選擇研究莫里女士光譜分類法而非坎農女士分類法的原因，這需要更詳實的天文學與科學史史料，借此引導學生思考科學方法在赫—羅圖形成過程中所發(fā)揮的作用，同時探討“赫—羅圖研究者”這一科學共同體的特征[14]167-216。三是體驗天文學家的思維差異，羅素與赫茨普龍的分類方法和思維有何異同，羅素又如何借此研究了恒星光譜與其他特征之間的關系。前述三方面內容在教學的前期和中期加入，或較大程度上解答了學生在學習和思考赫—羅圖過程中的主要困惑。這對老師提出了較高要求，可建立跨學科的教學小組在假期開展研究，并相應更新教案內容，同時要注意避免沖淡原知識點的講授。

三、探索赫—羅圖中蘊含的科學方法有助于提升思維高度

科學哲學在天文學中的重要運用，表現(xiàn)在探索天體運行和發(fā)展規(guī)律以及人對天體認識的規(guī)律，而科學方法的探索或可視為科學哲學的最早淵源[15]27-28。國內學者提煉出科學方法中的十大關系并提出方法論研究的新階段[16]46-50，而各種“天文學發(fā)現(xiàn)”蘊含了該學科的科學方法論基礎[17]。從赫—羅圖的科學史不難發(fā)現(xiàn)，(光譜)分類法、統(tǒng)計法都是典型的科學方法，這與天文學的學科特征有關。天文學是一門以觀測為基礎的學科，而天文觀測具有被動性、粗略性、瞬時性、長期性和連續(xù)性等特征：天文學無法設計實驗，只能被動觀測；整個宇宙中，往往受望遠鏡分辨度、靈敏度、設備折舊等條件限制，只能對龐大而不夠精確(一直在提升精度)的數(shù)據(jù)進行“粗略”計算(相對實驗室的精確測量)，而只有經過大量數(shù)據(jù)的篩選、計算才能得出相對正確的理論；人類研究天體的演化，對宇宙來說是短暫一瞬，且觀測結果也可能轉瞬即逝，這也體現(xiàn)了觀測的瞬時性。因此，天文學可以被認為在比較“短暫”時間里，以基本“被動”的觀測手段面向廣袤無垠的宇宙空間，探索各類天體在漫長歷程中的存在和演變的一門學科[18]。上述特征側重反映出人類對天體認識的規(guī)律。

在赫—羅圖的建立過程中，學者們嘗試了很多科學方法，最終使赫—羅圖得以建立，并使其獲得強勁的生命力。研究天體時往往首先使用觀測法，而赫—羅圖正是建立在大量的天文觀測基礎上。在形成赫—羅圖的過程中，至少使用了分類法、統(tǒng)計法、歸納法和模型法等科學方法，包括丁蔚在系統(tǒng)梳理赫—羅圖的建立過程時提及的演化假說與統(tǒng)計分類的方法[19]，卞毓麟在詳細分析赫—羅圖揭示的恒星演化14個階段中談及“可能是發(fā)現(xiàn)世界秩序的最簡單方法——分類法”[2]11，溫韌和孫逸倩在討論赫—羅圖的方法論時具體分析了恒星分類研究、統(tǒng)計關系與進化模式[12]89-92等。赫—羅圖的形成前提，是恒星的分類研究。有學者指出，通過恒星分類，可以超越幾何或力學關系，進入多種物理屬性為主的深層關系的分析；赫—羅圖就是在對恒星光譜進行二元分類的研究中慢慢產生的，這也是人類對恒星認識的一大飛躍，反過來，赫—羅圖也提供了重要的分類方法，有助于開拓對恒星的認知；更重要的是，赫—羅圖可以視為恒星時空轉化的一種橋梁。[12]90-91赫—羅圖已然成為恒星各類信息的儲藏庫，可提供大小、質量、化學成分、星團年齡、星團成員、星團距離等信息。而上述幾個方面，使得赫—羅圖成為研究恒星非常特殊的方法[12]92。

赫—羅圖的核心用途之一是展現(xiàn)恒星演化的過程，但赫—羅圖的形成是通過歸納法(將越來越多的恒星按照一定的關系標記在示意圖上)獲得的，而恒星演化是一種演繹型理論且較為復雜，那嘗試用一種歸納法形成的示意圖來直接展現(xiàn)演繹型理論將似乎產生矛盾，這是學生(包括老師)在理解赫—羅圖時的主要困惑之一。鑒于此，有必要同步介紹并分析赫—羅圖形成的時代所發(fā)展出的恒星內部結構理論(如1926年天文學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓(Arthur Stanley Eddington)出版的相關學術名著)及其進展，該理論可以說明赫—羅圖上恒星的分布和演化以及元素的合成和演化，闡明各種星團的赫—羅圖的意義。在觀測手段與計算能力同步提升后，天文學家可以從球狀星團中各類恒星的三維分布旋轉圖直觀地看到赫—羅圖的生成。將上述內容引入后，學生所見的赫—羅圖不再是冰冷靜止的科學圖像，而是對赫—羅圖背后的科學方法與科學理論有了更深入的了解，有望進一步理解其科學本質。

四、觀測與理論的新進展提升了赫—羅圖教學的學術性

不論是赫—羅圖的科學史還是其體現(xiàn)的科學方法，都離不開天文觀測結果的精進、天文學理論的更迭，將最新進展納入教學內容，能提升教學的學術性。隨著時代的進步，現(xiàn)有的天文觀測手段越來越多，觀測儀器越來越先進，通過測量衛(wèi)星對宇宙不斷的精確觀測，可以繪制出更加科學、精確和完整的赫—羅圖(會不斷更新和演進)。根據(jù)高精視差測量衛(wèi)星(High Precision Parallax Collecting Satellite，縮寫為Hipparcos)觀測結果所繪制的赫—羅圖已在國內外天文學教材上廣泛使用。其后，全球天體物理干涉測量儀(Global Astrometric Interferometer for Astrophysics，縮寫為GAIA)的觀測效率提升了數(shù)百萬倍，主要觀測銀河系。該衛(wèi)星在赫—羅圖的更新上自有建樹：GAIA DR2數(shù)據(jù)在天體測量和光度測量上獲取的深度、均勻度及高精度得以讓天文學家繪制出迄今為止最詳盡的赫—羅圖，如Jao W C和Feiden G A運用GAIA衛(wèi)星發(fā)布的數(shù)據(jù)(超過10億顆恒星的高精度天文測量)嘗試揭示赫—羅圖主序列的精細結構，有望徹底改變人類在恒星天文學中看待赫—羅圖的基本方式，給赫—羅圖帶來新的認知。[20]同時需注意的是，天文儀器及數(shù)據(jù)處理帶給天文學研究的改變是革命性的，赫—羅圖的認知變化及其本質，還應從科學社會學的視角(尤其是實驗室研究)加以思考。

赫—羅圖具有很強的生命力。不管是在觀測上還是理論研究上都取得了許多重大的成果。國內學者田斌、鄧李才和熊大閏[21]提出，已有的理論演化模型與觀測結果之間存在著嚴重的分歧，該分歧處在主導大質量恒星演化最主要因素的處理過程中，他們還提供了太陽周圍3kpc范圍內超巨星的赫—羅圖，大麥哲倫云內R127和R128兩個星團的赫—羅圖等。洪雅芳、蔣書云[22]通過對3～10倍太陽質量恒星在赫—羅圖上演化軌跡的研究分析，給出了中等質量恒星由早期AGB星演化至熱脈沖AGB星階段在赫—羅圖上的分界點、5個太陽質量的恒星在赫—羅圖中的演化軌跡、各個質量恒星在赫—羅圖上的演化軌跡圖等。Farag E，Timmes F X和Taylor M等人[23]認為大多數(shù)氫和氦燃燒時，來自核反應中的中微子占主導地位，并分析了兩種可能性，同時展示出多種赫—羅圖。Sichevskij， S. G[24]通過半徑、有效溫度和表面重力之間的關系近似用恒星的內部結構和演化的模型進行了研究，有望對赫—羅圖的運用提供新的角度。這些新進展取決于天文觀測的不斷精進、研究方法的持續(xù)演進以及計算能力的重大提升，為教學內容提供了豐富的新案例。前述各類赫—羅圖的特征也反映出天文儀器與觀測結果對恒星演化理論形成的持續(xù)影響。天文學工作者、天文儀器或設備、天文觀測活動以及理論探索等，已構成觀測天文學的“行動者—網(wǎng)絡”[14]216-220，據(jù)此可適當深化教學內容并展開科學社會學方面的討論。

五、討論與建議

赫—羅圖在天文學本科生階段的學習中具有重大的學習和研究價值，將科學史、科學哲學以及科學社會學內容引入該教學內容及其過程，具有一定的必要性與重要性，但也為基礎天文學教學帶來一定的困難，并對授課教師也提出了更高的要求。在嘗試優(yōu)化赫—羅圖教學內容的過程中，可適當增加講授時間，以自制課件為講授主體并選擇性地融入科學史、科學哲學以及科學社會學內容，輔以測試學生對教材相應部分(文字描述與多種類型的赫—羅圖)的理解程度，作為檢驗教學效果的方法之一。同時，嘗試優(yōu)化教學方式，不再進行單一的講授，而通過小組討論、案例探討、原理探究、歷史再現(xiàn)等方式，活躍課堂氣氛，提升學生的學習效果，達成教學的核心目標——理解赫—羅圖的科學本質，并提升學生的科學素養(yǎng)。另一方面，為緩解課時少、內容多的困難，可嘗試在系內其他專業(yè)選修課程的相應教學內容中，針對性地從科學史、科學哲學以及科學社會學的一個或多個方面對基礎天文學的核心知識點進行一定的補充講解，但這對課程設置的頂層設計與實時調控提出了較高要求。

天文學學科與科學史、科學哲學、科學社會學均具有重大關聯(lián)，將這三方面內容引入天文學教學，至少可能會帶來三方面的有益變化：一是促進教師(在一定的幫助下)開始探索基礎天文學知識點所承載的科學史、科學哲學乃至科學社會學內容，在提升自身科學素養(yǎng)的同時，優(yōu)化教學內容，提升教學效果；二是有助于引導學生將科學本質理解為一種累積性和連續(xù)性的過程，充分體會到天文學知識是孕育在相應的學科文化中的；三是有助于引導學生深刻理解天文學在科學革命中的重要地位、科學方法中的重要貢獻，進而掌握天文學的學科特征及其特殊意義。近年來，基礎學科獲得越來越多的重視。在高校建設天文學等基礎學科，離不開優(yōu)質的教學，從科學史、科學哲學和科學社會學三方面對基礎天文學的教學內容進行深度反思與相應優(yōu)化，將有助于推進基礎學科(理科)基礎教學的改革與創(chuàng)新。在一定程度上，這已不僅是天文學課程需達到的目標，更是基礎學科(理科)課程共同努力的方向。