物理与天文趣谈结课论文

一、天文学科的发展历史和现状 天文学是研究宇宙中天体和天体系统的形成、结构、活动和演化的科学，在探索宇宙中的自然规律、促进其他自然学科的发展、推动技术进步、研究日地空间环境和提高全民素质教育中有着不可替代的作用。作为一级学科，天文学是当代最活跃的前沿学科之一。天文学是一门古老的学科，它的研究对象是辽阔空间中的天体。几千年来人们通过观测这种"被动"的方法测量天体的位置，研究它们的结构，探索它们的运动和演化的规律。天文学的发展对于人类的自然观产生了重大影响。16、17世纪，哥白尼的日心学说使自然科学从神学中解放出来，人类认识宇宙出现了第一次飞跃。20世纪中叶以来，随着天文观测技术突飞猛进的发展，天文学特别是天体物理学空前地活跃起来，在人类认识宇宙的第二次飞跃中成为无可争辩的主角和带头学科。天文学家把宇宙当成一个独一无二的实验室，可实现在地球上无法实现的实验条件，可在其中检验已知的物理规律并寻找新物理。天文学在发展过程中与自然科学的几乎所有学科互相促进和渗透，开创了天体化学、天体生物学、天文地球动力学和空间天气学等交叉学科的研究。天文学研究对技术的需求，如对遥远、暗弱天体的精确位置、亮度、精细结构的测量，对时间的高精度测量，对各种物理、化学和演化过程的大样本统计分析和大规模数值计算等有力地推动了高新技术和方法的发展。天文学在科学教育中扮演了重要的角色。天文学研究的问题中包含了一些人类需要回答的最基本的问题：如宇宙是何时起源的？它是如何演化的？它最终的命运是什么？其他星球上有没有生命？宇宙将如何影响人类的发展？天文学为公众认识人类在宇宙中的地位和科学的本质提供了窗口。天文学囊括了几乎所有的自然现象，从不可见的基本粒子到空间与时间的本质，它提供了一个框架来说明自然现象的统一性以及解释这些现象的科学理论的演变。综合来看，这些性质使得天文学成了一个提高公众科学意识、向学生介绍科学概念和科学思维过程的最好的工具。当代天文学科发展的显著特点是观测手段的迅速提高和全波段研究的开拓。近十多年来国际上相继投入使用一系列大型的先进设备，使天文观测的空间分辨率提高了10~100倍，探测暗弱天体的能力提高了近百倍，并开创了全波段研究的崭新纪元。正在建立和完善的开放数据库、功能强大的高速计算机的应用和大批高效天文软件的研制成功，大大加快了全球天文资料共享以及天文资料处理和理论研究工作的进程。天文学研究日益呈现加速发展的态势，涌现出大批重要发现和研究成果，极大地激发了公众的科学热情，成为媒体关注的焦点。在世纪之交，各发达国家一方面根据本国的优势确立天文学发展战略，另一方面积极加强国际合作开展天文学研究。中国是世界上天文学发展最早的国家之一，曾经在天文观测和研究中取得不少世界领先的成就，但在近代陷于停滞，落后于西方。20世纪初至20世纪50年代，中国有两所大学培养天文人才。1917年在山东济南成立齐鲁大学，建立天文算学系。1926年中山大学数学系扩充为数学天文系，1929年建成中山大学天文台。1947年中山大学天文系从数学天文系中分离出来。新中国成立以后，1952年集中了原中山大学天文系和齐鲁大学天文算学系的师资成立南京大学天文系，同年秋季开始招生，成为新中国天文教育的摇篮。1960年北京师范大学天文系和北京大学地球物理系天体物理专业先后成立。它们和南京大学天文系一道，承担了向急需壮大的天文队伍输送新生力量的任务。1978年中国科学技术大学成立了天体物理中心，以科研和培养研究生为主。1998年和2000年中国科技大学天文与应用物理系和北京大学天文系分别成立。她们与南京大学天文系、北京师范大学天文系一道成为培养中国天文专业人才的骨干力量。目前，全国约有15所高校成立了天文教学或研究机构。1966年以前的天文教育在课程设置和培养方式方面受苏联的影响很大，专业划分很细，重视基础课学习。以南京大学天文系为例，1954年建立天体物理、天体力学和天体测量三个专业方向，1958年起又增加射电天文专业方向。修读不同方向的学生在课程设置上有很大不同。20世纪90年代以来，各天文教育单位开展了比较深入的天文教育改革，在本科教学中按天文学一级学科设置课程，拓宽和加强基础，同时加强实验室和图书馆的建设。目前，全国天文学专业每年的招生和毕业人数在60~80人左右。毕业生除部分（约30%~40％）继续攻读本专业研究生学位外，还就业于国防、教育、科研、科普、计算机等其他单位和企业。高校天文学科承担着为全国培养和输送天文人才和科学研究的双重任务。但由于历史的原因，我国天文学的研究队伍和观测设备主要集中在中国科学院的天文台。在高校中的研究队伍规模较小，高级研究人员占全国研究队伍的20％左右。我国高校在现代天文学研究中的另外一个主要不足是缺乏实验、观测和大规模计算的设备。相比而言，国际上发达国家几乎所有大学都有天文学科，一流大学的天文学科往往也是国际天文界的一流科研和教育机构，尤其是近年来很多国外高校建立了天文系或开展天文学研究和教育计划（如在美国有10％的大学生在毕业前学习了天文课）。我国高校天文学科的队伍规模和普及程度远远落后于国际上科学发展的态势，必须进行战略部署，迎头赶上。除专业教育外，高校天文学还承担着为全体大学生开设天文学选修课的任务。据不完全统计，目前有约50所高校开设天文公选课，每年接受天文教育的大学生占在校学生总数的5％左右，个别中学也开设了天文选修课。但在部分学校由于教师队伍青黄不接，天文教育趋于萎缩。与国外大学普遍开设天文课相比，我国的高校天文普及教育在质量和数量上都亟待提高。二、国家和社会对天文专业本科生的人才需求新中国成立50年来，高校培养了大量的优秀天文学和相关学科人才，不少人成为本研究领域的学术带头人和骨干。在今后几年，随着国家对天文研究投入力度的加大，一些大、中型天文设备的投入使用和航天、国防建设的需要，对高素质天文人才的需求量将会明显上升。在新形势下，尤其是国际合作和竞争的大趋势下，用人单位对学生的知识结构、创新与动手能力、团队与合作精神、实践水平等提出了更高的要求。进入21世纪以来，天文教育开始高速发展，本科生和研究生的招生人数迅速扩大。但由于受到学科规模的限制，天文学科本科毕业生除了从事天文和相关专业的基础与应用研究外，有相当一部分进入其他领域就业。高校的教育理念和培养体系要与时俱进，提出适合我国国情的天文教育发展思路和创新模式，以促进我国天文学科教育的健康发展。三、天文学科专业办学改革目标与措施 我国高校天文学科中长期发展的战略目标是形成和我国地位相符合的在国际前沿具有竞争力的高水平科研和人才培养的队伍，同时建设若干供高校天文学研究和人才培养的高性能实验、观测和计算设施。高校天文学科的重点是学科建设，天文学科的教学改革与创新主要涉及师资队伍的培养、教学内容与方法的改革和良好科研、教学环境的建设等几个问题。在所采取的各项措施和开展的各种项目中，应强调高校间的联合，发挥高校的人才优势并和科学院天文单位密切合作。为此我们提出如下建议：(1) 在各高校，尤其是没有天文系的高校中长期支持天文学科的发展，在有条件的高校中逐步成立物理与天文系、数学与天文系、天文研究中心等，形成良好的科学研究和人才培养环境。重点高校有责任和义务在师资力量、人才培养和科学研究方面帮助普通高校发展天文学科，扩大天文学的教学和科研规模，增强整体实力。加强和支持在更多的高校开设各种类型的天文选修课和科普讲座。(2) 提高师资队伍素质是保证教育质量的关键。 高质量的天文教育必须依赖于一流的师资队伍。在完成天文教育队伍的新老交替之后，目前的当务之急是提高青年教师的业务素质和教学水平。除了在工作经验和态度方面青年教师与老教师相比尚有差距外，在专业素质和能力方面青年教师队伍的状况也不容过于乐观。他们中有许多人教学任务重，没有时间和机会得到在职培养和提高，难以有精力创造性地完成教学内容和任务。高校对有发展潜力的青年教师应当有计划地派出到国内外一流科研单位进修和合作研究，并营造宽松的学术环境，使得他们能够安心教学。设有天文系和教育系的大学可以建立伙伴关系，以便科学家、教育家和有经验的教师能够一起成功地为未来从事天文教育的教师设计基于天文学的科学课程。(3) 复合型人才的培养。天文学科人才的培养模式逐渐从专才教育向通才教育过渡。较宽的知识面和良好的科学素养是学生顺利就业和工作的有利因素，因此天文学科教育应当以大理科通才教育作为基础，同时又不能失去本专业的特色，知识面的拓宽不能以牺牲学生的专业基础作为代价。高校天文教育要协调拓宽口径和强化基础之间的关系、优化课程体系、合理安排知识结构，特别注重加强学生素质和能力的培养。(4) 整合全国天文教学和科研资源实现互惠共享。由于天文研究队伍总体规模偏小，我国科学院和教育部系统的分立使得天文学教育在人才和设备上存在浪费的现象。为了改善这一局面，中科院国家天文台与北京大学共同组建北京联合天体物理中心，与南京大学等组建华东天文与天体物理中心等，发挥各自在研究力量、人才培养、观测仪器及实验设备上的特色和优势，探索重点高校与科学院联合培养高层次天文研究人才的新模式，取得了较好的成绩，但相互合作和交叉的层次还不够深入。高校天文系和科学院天文台合作办学和科研应该成为今后天文教育改革的一个重要方向。在高校内部，从人才培养的角度来讲，统一协调天文学科课程、教材和教学资源建设（如建立高校天文教学网络资源共享库等）也是十分必要的。(5) 加强天文实习，培养学生的创新精神和动手能力。传统的教学和学习方式主要训练了学生的逻辑思维能力，观察和探索的能力需要通过早期科研训练获得。天文实习是天文教育的一个重要方面。本科生的理论基础不够，较难进入教师的理论研究课题，然而本科生从天文观测和资料处理进入科学研究比较容易。各高校天文教学单位应当建设好天文观测基地和数据分析与处理实验室，保证必需的天文实习内容和学时，在有条件的情况下锻炼学生自主观测研究的能力。(6) 改革和更新教学内容。天文学的飞速发展使得教学内容的更新速度越来越快，教学实践与教材内容的差距越来越大。目前，天文教学普遍缺乏优秀教材。近年来通过组织部分专家编写天文教材，收到了一定的成效。但由于天文学科总体规模偏小，教师人数少且科研任务重，教材问题长期以来未能得到根本解决。今后可以适当考虑直接采用国外优秀教材进行教学，更多地出版多媒体教材、推广网络教学，鼓励教师编写和修订精品教材等手段提高教材和教学质量。

光现象的论点可以从光的方式上出发：光的方式有直射、反射、折射。透过空气的尘埃小分子时，光线不能直射只能反射。望着水里的鱼时，由于光线不能直射穿过水分子、在水里不断的折射。眼睛会出现视觉差，看到的鱼并不是所看到的位置上。所以捕鱼的时候都会把叉在鱼头的上方插进去，这样能比较准确地捕到鱼。可以多从生活中找取论据。

由上式可知，像的大小h跟物体的大小H、物体到小孔的距离L1、像到小孔的距离L2有关。 ①研究像的大小跟物体到小孔的距离的关系 方法：不改变物体（蜡烛）大小，不改变光屏（像）到小孔的距离L2，减小物体到小孔的距离L1。 结果：像的大小h增大。 结论：像的大小跟物体到小孔的距离有关。 在物体大小和光屏（像）到小孔的距离一定时，物体到小孔的距离越小，像越大。 ②研究像的大小跟光屏（像）到小孔的距离的关系 方法：不改变物体（蜡烛）大小，不改变物体到小孔的距离L1，增大光屏（像）到小孔的距离L2。 结果：像的大小h增大。 结论：像的大小跟光屏（像）到小孔的距离有关。在物体大小和物体到小孔的距离一定时，光屏（像）到小孔的距离越大，像越大。 ③研究像的大小跟物体大小的关系 方法：不改变物体到小孔的距离L1，不改变光屏（像）到小孔的距离L2。 换用另一支已点燃的长蜡烛。 结果：像的大小h增大。 结论：像的大小跟物体的大小有关。在物、像到小孔的距离一定时，物体越大，像越大。