非天文专业《天体力学》课程建设与教学方法研究

1、    非天文专业天体力学课程建设与教学方法研究    汪海洪+罗佳+钟波+邹贤才摘要：卫星技术的广泛应用使得天体力学成为一些非天文专业的重要基础课程。本文从教学目标、教学内容与教材、教学方法手段等方面介绍了武汉大学测绘学院对该课程进行的一些实践探索，为非天文专业开设类似课程提供一定参考。关键词：天体力学；课程建设；教学方法：g642.0 文献标志码：a ：1674-9324（2014）05-0058-02一、引言天体力学是应用力学规律研究天体的运动和形状的一门学科，是天文学的一个分支，同时又与数学和物理学的关系密切。天体力学诞生于1687年，但作为学科

2、名称是拉普拉斯于1798年首次提出的1。天体力学的基本理论虽然源于对自然天体的研究，但同样适用于人造天体。随着卫星技术的广泛应用，现代天体力学与航天科学、大地测量学和地球物理学等学科相互交叉，形成了一些共同的研究领域。因此，天体力学不仅是天文学专业必修的专业基础课，也是其他相关专业的重要选修课。天体力学涉及的内容广泛，理论性强，公式复杂，对于非天文专业的学生而言，天体力学是一门难度较大的课程。由于教学对象和教学目标不同，非天文专业开设的天体力学课程不可能照搬天文学专业的课程体系，而必须结合自身专业特点和需求进行课程体系建设。本文以武汉大学测绘学院天体力学课程为例，从教学目标、教学内容与教材、教

3、学方法和考核等方面对非天文专业天体力学课程建设进行探讨，以供同行参考。二、教学目标武汉大学测绘学院开设天体力学课程主要针对测绘工程和地球物理两个本科专业。目前，全球卫星导航技术、遥感技术和卫星重力等现代卫星技术广泛用于测绘、地球物理领域的生产实践和科学研究，掌握基本的天体力学理论对于理解和掌握后续的专业课程具有重要作用。因此，天体力学是一门重要的专业基础课，一般在二年级下学期开设。通过本课程的教学，应达到以下目标：（1）使学生了解天体运动的基本规律，掌握天体运动的基本理论，为gps原理及应用、卫星大地测量学、卫星重力学等后续专业课的学习奠定基础；（2）使学生了解天体力学的研究方法，通过一些理论

4、公式的推导和天体运动规律的分析，增强学生科学理性的逻辑思维能力；（3）指导学生将天体力学基本理论应用于实际天体，利用案例介绍天体力学在本专业中的应用，培养学生独立分析与解决问题的能力。三、教学内容与教材人造天体的出现与电子计算机的广泛应用，极大扩展了天体力学的内容和应用范围，但是非天文专业天体力学课程不可能也没必要涉及天体力学的所有内容。结合专业特点和需求，选择的教学内容以经典天体力学的核心内容为主，即二体问题和摄动理论。考虑到非天文专业大学生的实际，教学内容侧重于基本概念和基础理论，并辅以所需的数学和物理学基础知识。表1列出了具体教学内容和课时安排。第1章绪论对课程进行概述，简要介绍天体力学

5、的研究内容和发展历史。第23章是针对非天文专业学生缺乏相应基础而安排的数学、物理和天文学方面的基础知识。第46章是经典天体力学的主要内容，也是课程学习的重点。第7章是多体问题，重点介绍三体问题。第8章主要以地球为例介绍天体的形状与自转理论。教学内容由浅到深、由易到难逐渐递进，便于学生理解吸收。国内天体力学的教材较少，而且由于出版时间较早现已经没有再版，如天体力学引论2、天体力学基础3。近年来，也鲜有天体力学方面的书籍出版。时间最近的天体力学书籍是2008年出版的现代天体力学导论4，但是该书专业性较强，主要介绍现代天体力学的内容和代表性研究成果，不适合作为非天文学专业本科生的教材。为了满足课程教

6、学的需要，课程组在2006年就结合国内外资料编写了天体力学讲义，内容覆盖了所需的基础知识和天体力学基本理论，并添加在本专业的一些实际应用案例。经过多年的不断更新和完善，讲义基本具备了出版教材的条件。四、教学方法与手段1.合理利用计算机技术辅助教学。信息技术的发展及在教育教学领域的应用，导致了教学方法和手段的深刻变革，目前多媒体教学已成为课堂教学的主流方式。天体力学涉及不少抽象的天文学概念和复杂的空间关系，同时也有较多的公式，因此采用板书和多媒体相结合的方式更利于学生对课程内容的理解。对于一些重要公式的推导采用板书形式，这样容易引导学生的思路，增加与学生的互动。对于抽象的概念和理论，采用图片、动

7、画和视频等多媒体资料进行讲解，不仅可以激发学生的学习兴趣，也有利于他们更好地理解和掌握。例如，第二章中的天球坐标系就涉及到天球上的许多点、线、面的概念，以及地平坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系等多种天球坐标系的定义，采用传统方法讲授这些知识需要较多课时。而使用多媒体教学方式，只需几幅图片和一个动画就可以将这些坐标系的定义及相互关系形象直观地展现出来，极大提高了教学效率。另外，还可以编写一些程序或运用专业仿真软件（如stk卫星工具箱5）对某些教学内容进行演示，增进学生的感性认识，如天体的运行轨道模拟、摄动力对轨道的影响等内容。2.理论联系实际，注重培养知识运用能力。天体力学课程是一门公式多、理论性

8、强、逻辑严密的理论课。但是如果过多地讲授理论和公式推导，学生听课会觉得枯燥无味，学习兴趣下降，导致教学效果不佳。授课过程中应注重理论知识与实际应用的联系，特别是增加与本专业相关的一些应用或者是当前的热点问题。例如，讲授卫星轨道的相关知识时可以介绍嫦娥探月卫星轨道设计等实际问题，讲授轨道摄动问题时可以介绍卫星轨道摄动在确定地球重力场方面的应用。还可以采用案例教学法对一些公式较多的知识点进行教学，例如天体星历的计算，给定某实际天体运行轨道的轨道根数，让学生编程计算该天体在任意时刻的位置。通过介绍应用案例或者让学生自己动手解决实际问题，能激发学生的学习兴趣，增强对知识的理解。3.利用灵活多样的考核方

9、式保障课程教学质量和学生的学习效果。课程考核是实现教学目标和检验学生学习效果的一种手段，是课程教学的一个重要环节。为了避免传统期末考试“一考定成绩”的诸多弊端，本课程采用多元的考核方式，课程成绩由平时成绩和期末考试成绩两部分组成，分别占总成绩的45%和55%。平时考核可采取考勤、作业、课堂演讲与讨论、编程实验等多种形式，对于全面了解学生的学习状况和教师的授课效果非常有效，同时也可减小学生对考试的畏惧心理，避免考前突击行为。期末考试可采用开卷、半开卷和闭卷三种形式。开卷考试以应用题为主，题目覆盖课程的主要知识点，但又不能在学生携带的参考资料中找到完整的考题答案，以考察学生运用所学知识分析问题、解

10、决问题的能力。半开卷形式则允许学生考试时将自己觉得重要的公式和理论抄写在一张纸上带进考场，这种方式有利于使学生理解知识点之间的联系，全面系统地复习、归纳和总结知识体系。闭卷形式虽然要求学生不准携带任何资料进入考场，但是为了避免学生对理论和公式死记硬背，试卷中会给出可能用到的重要公式，从而引导学生在学习过程中着重对知识点的理解、分析和运用。五、结语天体力学课程专业性较强，开设该课程的多为天文学专业。非天文专业开设天体力学，无论是教学内容还是教学方法，都没有经验可以借鉴。我院开设该课程已近十年，在课程建设方面进行了一系列教改实践，并取得了良好效果。学生学习该课程后掌握了本专业所需的基本知识，有的学生因此喜欢上天文专业并考取了该专业的研究生。本文在多年的教学实践基础上，在教学内容、教学方法和教学手段、考核方式等方面总结了教学经验，为非天文类的其他相关专业开设天体力学课程提供了参考。参考文献：1易照华.天文动力学和天体力学j.云南天文台台刊，2002，（3）：1-8.2易照华.天体力学引论m.北京：科学出版社，1978.3易照华.天体力学