《空間環(huán)境與探測(cè)技術(shù)導(dǎo)論》課堂教學(xué)實(shí)踐

尹凡　蔡紅濤　周云良　王慧　蔡磊　田茂

摘要：隨著中國(guó)航天事業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)家對(duì)相關(guān)人才的需求也迅速擴(kuò)大，空間環(huán)境與探測(cè)技術(shù)相關(guān)課程被引入到是綜合性高校本科教學(xué)。相關(guān)課程內(nèi)容涉及的知識(shí)面較廣較深，距離日常生活較遠(yuǎn)，如果教學(xué)只注重公式的推導(dǎo)、概念的解釋，數(shù)字的羅列，很難吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此必須通過(guò)教學(xué)方法的改進(jìn)與實(shí)踐，來(lái)提高學(xué)生的理解力和想象力。

關(guān)鍵詞：空間環(huán)境；空間探測(cè)；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）24-0076-02

1 引言

新世紀(jì)以來(lái)，在國(guó)家的大力推動(dòng)下，中國(guó)的空間事業(yè)得到深入發(fā)展，比如嫦娥工程、載人航天工程、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航工程等都取得了重大突破和成功。為適應(yīng)國(guó)家對(duì)相關(guān)人才的需求以及人才培養(yǎng)目標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院于2013年開(kāi)始在電波傳播與天線（國(guó)防）以及電子信息科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)引入《空間環(huán)境與探測(cè)技術(shù)導(dǎo)論》課程。為培養(yǎng)空間物理、無(wú)線電物理學(xué)科高層次創(chuàng)新型人才，2015年在實(shí)施“本碩博一體化”人才培養(yǎng)計(jì)劃中，相關(guān)課程又進(jìn)入拔尖學(xué)術(shù)人才班本科階段教學(xué)計(jì)劃。

《空間環(huán)境與探測(cè)技術(shù)導(dǎo)論》課程涉及的知識(shí)面較廣，主要討論日地空間環(huán)境各種要素的特征和它們之間的相互作用，以及由此引起的物理過(guò)程和物理現(xiàn)象，簡(jiǎn)要介紹可能影響航天器性能的空間環(huán)境要素以及某些與空間環(huán)境要素相關(guān)的探測(cè)技術(shù)。這些內(nèi)容涉及多學(xué)科內(nèi)容的相互交叉滲透，相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)分散于基礎(chǔ)課和專業(yè)課之中，如高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電磁場(chǎng)與電磁波等。目前還沒(méi)有專門(mén)針對(duì)此課程本科教學(xué)的教材，因此如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，合理安排相關(guān)教學(xué)內(nèi)容和方法是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

對(duì)于學(xué)生而言，要充分理解課程的知識(shí)內(nèi)容需要有很強(qiáng)的想象力。本課中許多概念涉及的尺度很大，比如空間尺度可以從衛(wèi)星高度的幾百公里延伸到日地距離的上億公里。如果教師不善于調(diào)動(dòng)學(xué)生的想象力，而只強(qiáng)調(diào)公式的推導(dǎo)、理論的解釋，學(xué)生對(duì)概念就會(huì)缺乏感性認(rèn)識(shí)，往往印象不深，因此對(duì)學(xué)習(xí)感到索然無(wú)味。空間環(huán)境雖然離我們地面生活環(huán)境遙遠(yuǎn)，但是相關(guān)的信息卻經(jīng)常出現(xiàn)在我們的日常生活中。教師要善于把日常生活中出現(xiàn)的這些信息與課堂教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，擴(kuò)大學(xué)生的視野。

2結(jié)合日常生活經(jīng)驗(yàn)調(diào)動(dòng)學(xué)生的想象力

空間環(huán)境的諸多概念和我們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)相去甚遠(yuǎn)，學(xué)生往往缺乏直觀感受，比如距離、溫度、密度等尺度都是跨數(shù)量級(jí)的變化。如果只是在PPT上羅列這些數(shù)據(jù)，很難抓住學(xué)生的注意力和興趣。這時(shí)候需要教師把學(xué)生日常熟知的內(nèi)容和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行某種聯(lián)系，逐步推進(jìn)。例如，對(duì)于距離尺度而言，普通飛機(jī)（如波音777，消失的馬航MH370和被導(dǎo)彈擊落的MH17都屬此類）巡航飛行在10公里的高度，一般的風(fēng)雨雷電等氣象都在這個(gè)高度以下，被大家熟知的臭氧層則在30-40公里高度。低軌衛(wèi)星運(yùn)行的高度則已經(jīng)跨入百公里高度門(mén)檻（比如中國(guó)神舟飛船和國(guó)際空間站都在300至400公里高度，新聞中經(jīng)常出現(xiàn)的哈勃望遠(yuǎn)鏡位于550公里高度，央視天氣預(yù)報(bào)展示的云圖則來(lái)自800多公里高度的風(fēng)云氣象衛(wèi)星）。眾所周知的GPS衛(wèi)星迅速跨越千公里級(jí)別，飛行在2萬(wàn)公里的高度，在同樣高度也運(yùn)行著中國(guó)北斗系統(tǒng)的中軌道衛(wèi)星。地球同步軌道在中學(xué)物理中就有涉及，距離地面大約3萬(wàn)6千公里高度，而同步軌道的高度大約只是月地距離的十一分之一。這樣，通過(guò)把一些熟知事物與抽象數(shù)據(jù)相聯(lián)系，使學(xué)生更容易接受。

當(dāng)空間范圍跨越到整個(gè)太陽(yáng)系時(shí)，數(shù)量級(jí)也擴(kuò)展到億公里的級(jí)別（例如，日地距離1.5億公里，冥王星距太陽(yáng)60億公里）。這種尺度不會(huì)出現(xiàn)在普通的日常生活中，也很難和熟悉的概念聯(lián)系，如果課堂上只是照本宣科，那么學(xué)生接受的也只是更多抽象的零而已，聽(tīng)過(guò)即忘。這種情況下，可以通過(guò)等比例的方法，把巨大的空間縮小到普通日常的生活尺度，使學(xué)生更容易想象各星體之間的關(guān)系。天文學(xué)上，日地距離被定義為一個(gè)天文單位（AU），那么水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星分別距太陽(yáng)0.39、0.72、1.52、5.2、9.58、19.23、30.1、39.3個(gè)天文單位。如果等效一個(gè)天文單位為500米，那么相應(yīng)的距離分別等效為195米、360米、760米、2.6公里、4.79公里、9.61公里、15公里、19.7公里，這樣的尺度很容易在一副市區(qū)的地圖上標(biāo)注出來(lái)。此時(shí)，月地距離等效為1.3米，月地系統(tǒng)大約為一張課桌的尺度。地球的大小則等效為一個(gè)半徑2厘米的乒乓球，相比之下，太陽(yáng)相當(dāng)于一個(gè)半徑為2.29米的大廣告氣球，而木星的半徑則比地球大十一倍，大約又是太陽(yáng)半徑的十分之一。通過(guò)這種比較方法，學(xué)生更容易建立對(duì)超大空間相對(duì)尺度的直觀感受。

利用類比的方法也可以解釋某些物理過(guò)程和現(xiàn)象。幾百公里高度的大氣處于熱層，溫度達(dá)到1千攝氏度，按同學(xué)的一般理解就會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：這比烤箱里的溫度高多了，為什么航天員還能在艙外行走？實(shí)際上，由于高層大氣過(guò)于稀薄，熱容量很小，熱傳導(dǎo)也不容易發(fā)生。類似于日常生活里，人能被80攝氏度的熱水燙傷，但是卻可以在同樣溫度的熱蒸汽里享受桑拿浴。

3 結(jié)合新聞時(shí)事引導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容

有些新聞時(shí)事直接和課程的知識(shí)點(diǎn)掛鉤，教師可以通過(guò)相關(guān)的信息來(lái)展開(kāi)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生更容易接受。以下列舉幾條一年來(lái)與課程相關(guān)的重要新聞時(shí)事：

“2014年11月12日，歐空局羅塞塔探測(cè)器成功釋放“菲萊”（Philae）著陸器，開(kāi)展人類歷史上的首次彗星登陸行動(dòng)。”。此條新聞引導(dǎo)展開(kāi)彗星特點(diǎn)，大偏心率軌道等知識(shí)點(diǎn)。

“2015年7月16日，NASA公布了14日新視野號(hào)近距離飛掠冥王星后獲取的冥王星及其衛(wèi)星的高清圖像?！?，涉及矮行星，行星等概念。

“2015年7月24日，美國(guó)宇航局（NASA）向世界宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一顆與地球相似指數(shù)達(dá)到0.98的類地行星開(kāi)普勒452b（Kepler-452b）?！?；“2015年9月28日美國(guó)航天局宣布，在火星表面發(fā)現(xiàn)了有液態(tài)水活動(dòng)的“強(qiáng)有力”證據(jù)，而液態(tài)水是生命存在的必要條件?！?。這兩條新聞引導(dǎo)出太陽(yáng)系類地行星的概念，以及為什么地球有適宜生命的環(huán)境等知識(shí)點(diǎn)。

“2015年8月2日，位于貴州平塘縣的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）完成首塊反射面單元的吊裝工作，施工進(jìn)入沖刺階段。 FAST的反射面由4450塊反射面單元組成，總面積約25萬(wàn)平方米，用于反射無(wú)線電波、供饋源接收機(jī)接收，是FAST工程的主線。 FAST工程預(yù)計(jì)于2016年9月竣工，該望遠(yuǎn)鏡建成后，將成為世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡和世界級(jí)射電天文研究中心?！?。此條新聞涉及深空探測(cè)技術(shù)、電波傳播與天線等知識(shí)。

“2015年9月20日7時(shí)01分，我國(guó)新型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征六號(hào)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射，成功將20顆微小衛(wèi)星送入太空。此次發(fā)射任務(wù)圓滿成功，不僅標(biāo)志著我國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭家族再添新成員，而且創(chuàng)造了中國(guó)航天一箭多星發(fā)射的新紀(jì)錄?！薄Ｍㄟ^(guò)此條新聞可展開(kāi)衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容。

當(dāng)然，與課程內(nèi)容相關(guān)的新聞時(shí)事還有很多。授課教師平時(shí)需要多注意多積累，并靈活運(yùn)用在課堂教學(xué)中，讓學(xué)生了解到，專業(yè)課知識(shí)背后不僅有理論的艱澀，也有在現(xiàn)實(shí)生活中的生動(dòng)體現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

空間環(huán)境與空間探測(cè)知識(shí)體系涵蓋的內(nèi)容很廣且距離實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)較遠(yuǎn)，授課教師如果只是羅列空洞的數(shù)據(jù)和板書(shū)復(fù)雜的公式，則往往使教學(xué)缺乏效果，達(dá)不到教學(xué)目標(biāo)。因此教學(xué)方法必須務(wù)實(shí)靈活，幫助學(xué)生提高想象力和理解力，啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和興趣，達(dá)到課程教學(xué)和人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

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