测绘专业开设天文学的必要性及其具体课程内容

　　一、引言

　　天文学与测绘有着天然不可分割的联系，人们通常所说的“测天绘地”一定程度上体现了两者的关系，因此，天文学相关课程(如大地天文学、实用天文测量学等)一直是测绘专业课程体系中的重要组成部分之一。1998年，大地测量、工程测量、摄影测量与遥感、地图学等测绘类本科专业合并成为测绘工程一个本科专业，随后各高校针对测绘工程专业的课程设置进行了大量研究，并结合各校特点制定相应的培养方案。然而，除武汉大学和同济大学等少数学校外，大多数学校测绘工程专业的培养方案没有设置天文学相关课程。天文学课程之所以被忽视主要是因为GPS技术的兴起，有一种观点认为，GPS技术出现后天文测量失去了在测绘中的基础作用并逐渐萎缩，故没有必要再开设天文学方面的课程。另外，天文学课程的师资缺乏也是一个重要因素。针对这一现状，本文将分别从素质教育和专业需求两个方面论述开设天文学课程的必要性，并结合笔者所在单位的教学实践对测绘工程专业天文学课程的设置和课程内容进行探讨，旨在为优化测绘工程专业的课程体系提供参考。

　　二、开设天文学课程的必要性

　　1．天文普及教育是素质教育的重要内容

　　作为自然科学的基础学科之一，天文学具有悠久的历史，几乎贯穿人类的整个发展过程，可谓人类文明进步的一面镜子。天文学不仅古老，同时又极具生命力。天文学的研究课题始终都是每个时代科学发展的最前沿，促进着物理学、化学、地球科学等其他学科不断进步。天文学从其萌芽开始就与人类的生产生活息息相关。“日出而作，日入而息”，远古时期人类就根据天文现象安排生活作息，并编制历法、确定节候来指导生产劳动。进入太空时代的今天，天文学与我们的关系更加密切，从日常生活中的时间服务、空间位置确定，到国家战略性的空间计划都离不开天文学的支持。天文学还包含了丰富的哲学道理，揭示了自然界固有的辩证法。许多哲学概念都能在天文学中找到例证，如“运动”与“静止”、“空间”与“时间”、“宏观”与“微观”等。人类通过天文学去不断地认识宇宙，才能正确了解人类自身在宇宙中的位置及与自然界的关系，才能真正意识到人的伟大和渺小，才能真正懂得“天”、“地”、“人”之间和谐关系的重要性。

　　学习天文学是提高大学生科学素养的一个重要环节。掌握基础的天文学常识，可增加学生对谣言、迷信和伪科学的辨别能力，同时也可促使他们思考人类自身在宇宙中的地位，树立正确的宇宙观。了解天文学的基本概念和新的发现，不仅可以激发学生对科学的探索精神，也有助于培养他们科学、理性的思维。因此，发达国家对大学生的天文普及教育都极为重视，把天文教育作为国民义务教育的重要组成部分。我国的天文教育与发达国家相比虽有较大差距，但是近年来越来越受到教育界的重视，许多高校纷纷开设天文学选修课，并作为素质教育的重要内容。

　　2．天文学是测绘学科的专业基础

　　测绘技术的产生源于古埃及农田水利建设的需求，而测绘技术的基础则是天文学。古埃及人通过观测北极星来确定方向，古希腊人通过观测日影长度来测定地球的形状和大小。测绘学的概念定义为研究地球和其他实体与地理空间分布有关的信息的采集、量测、分析、显示、管理和利用的科学和技术。地理空间分布信息需要测绘基准体系的支撑，传统测绘基准体系中平面控制网的建立主要依靠天文测量，其起算点的经纬度和起算边的方位角均是通过观测恒星天体来确定的。1980国家大地坐标系统就是在20世纪80年代完成的全国一、二等天文大地网基础上建立的，天文技术在传统测绘中的重要基础作用由此可见一斑。

　　随着GPS、GLONASS等全球导航卫星系统的出现，传统测绘中的天文观测逐渐被GNSS技术所取代。天文学似乎失去了在测绘中的重要作用，导致有人认为测绘工程专业课程体系中没有必要再开设天文学课程，这种观点显然是有误导性的。以GNSS为代表的空间大地测量技术给测绘学科带来革命性变化，虽然传统天文观测技术的应用范围逐渐缩小，但是天文学对于测绘学科的基础性作用并没有削弱。主要表现在:

　　1)天文学为GNSS等空间大地测量技术提供了必要的基础知识。空间大地测量技术的主要特征之一是选择自然天体或人造天体作为观测目标或观测平台，这些技术所依赖的时空基准，以及所涉及天体的基本特性和运动规律均来自于天文学的研究成果。在空间大地测量时代，随着观测精度的大幅提高，必须借助更加严密的理论和分析方法处理相关观测结果。比如，在研究激光测月及地月系动力学机制的问题中，没有对地月系统复杂空间运动的深入研究，很难发挥高精度观测结果的效果。在这类问题的研究中，天体力学的知识就非常重要。

　　2)现代测绘基准体系的建立和维持仍需天文学的支持。在惯性框架的实现与维持上，恒星星表本身就起基础性作用。而地球参考框架的实现及其与惯性框架的转换关系，涉及岁差章动模型，以及地球自转参数的确定。这些问题无一不与天文学密切有关。

　　3)天文学与测绘学科的交叉更加紧密。天文学和测绘学之间本就有许多共同的研究课题，如大地测量学所研究的地球自转和地球形状也属于天文学的研究范畴;作为高精度空间大地测量技术之一的甚长基线干涉测量(VLBI)同样也是一种重要的天文学观测手段。空间技术扩展了人类的探索范围，也拓展了测绘学的内涵。测绘学的研究对象已不再局限于地球，月球探测、行星探测等深空探测项目逐渐成为研究热点和重点，从而产生许多新的交叉研究领域，如最近新兴的脉冲星导航就属于天文学和大地测量学的交叉研究领域。

　　“上知天文、下知地理”这一俗语常用来形容知识渊博，说明高素质人才应当具备一定的天文知识。天文不仅与日常生活息息相关，更与测绘科学关系密切。因此，作为培养厚基础、宽口径、高素质、强能力的高级测绘科技人才而设置的测绘工程专业，开设天文学课程非常有必要，对于提高学生的科学素养，增强对专业知识的理解和促进学科间的交叉有着重要意义。

　　三、课程内容与课程设置探讨

　　天文学是研究天体和天体系统的各种属性和规律的一门自然科学，其内容十分广泛，主要包括天体测量、天体力学和天体物理学3个分支。测绘工程专业开设天文学课程不可能也没必要包括天文学的所有内容，而应该结合专业特点和需求合理设置课程内容，这里仅结合武汉大学测绘学院多年开设天文学课程的经验对天文学课程的设置和教学内容进行探讨。

　　1．课程内容

　　由前一节的讨论可知，测绘工程专业天文学课程应具有通识课程和专业基础课程的双重特性。

　　作为通识课程，天文学课程应达到天文知识普及教育、天文科学方法与精神教育两个教学目标。天文知识普及教育主要让学生了解天文学科知识的轮廓和基本的天文常识，客观认识与人类生存发展密切相关的时间和宇宙空间，天文科学方法和精神教育则是通过介绍天文学的研究方法和手段帮助学生形成科学的、理性的思维方式。作为专业基础课程，天文学课程应系统地介绍与测绘学相关的天文学概念和理论，为后续的专业课程学习奠定基础。根据上述要求，天文学课程应包括以下3个方面的内容:

　　1)天文学概况和天文常识。这一类属于通识课程内容，用于普及天文知识和拓宽知识面，使学生了解天文学基本轮廓和发展状况，对各种常见天文现象有科学的认识。主要内容包括:天文学的基本概念和研究内容、天文学的发展历史和研究成果、宇宙概念及星空的划分、天体的运动及解释、时间系统、常用历法、地球和月球的基本特性和相关天文现象解释、太阳和太阳系其他天体概况等。

　　2)天文观测与天文测量。这一部分主要介绍天文学研究的方法和手段，以及所需的一些基础知识，具有素质教育和专业基础教育的双重性质。内容涉及天球的相关概念，球面三角基础知识，天球坐标系及其转换，天文望远镜，天体辐射及观测(天体光度测量、光谱测量等)，实用天文测量(时间比对、天文经纬度测量和方位角测量)，以及现代主要空间探测技术等。

　　3)天体力学的基本理论。这一部分属于较高层次的学习内容，目的是使学生了解天体运动的基本规律，掌握研究天体运动的基本理论与方法，为后续相关专业课程的学习奠定基础。基本内容应包括:天体力学的基本概念和研究内容、二体问题基本原理、轨道根数、星历计算、轨道计算、摄动理论、N体问题、天体的形状和自转理论、天体力学的相关应用等。

　　2．课程设置建议

　　20世纪90年代之前，我国测绘专业开设的天文学相关课程主要是“大地天文学”和“实用天文测量学”，而且是作为主干专业课开设的。空间技术兴起后，天文观测技术在测绘生产实践中逐渐被GPS技术所取代，这些课程已经不再适合当前测绘教育的需求。根据前面对天文学课程的教学目标和课程内容的讨论，建议测绘工程专业课程体系中设置1～2门天文学相关课程作为通识教育课或专业基础课。

　　为了使学生能够更好地掌握天文学的基本原理，理解天文学与测绘学的关系，天文学课程最好在学习了高等数学、大学物理和测绘学概论等课程之后开设。天文学课程的后续相关课程则有GPS原理及应用、空间大地测量学和卫星重力学等。因此，天文学课程的最佳开设时间是本科二年级。课程的学分设为3～5分，总学时数54～90学时，其中作为通识教育内容的天文学概况和天文常识部分学时数应不少于24学时，第二部分的天文观测与天文测量学时数不少于12学时，第三部分内容的学时数可视实际情况设置在18～54学时之间。

　　目前，武汉大学测绘学院的天文学课程设置了“普通天文学”和“天体力学”两门专业基础选修课，分别在二年级第一学期和第二学期开设。“普通天文学”课程为2学分36学时，主要包括天球坐标和时间系统、天体的辐射和天文观测、地球和月球、行星和卫星的运动、太阳系小天体和太阳系起源、太阳等内容。“天体力学”课程为3学分54学时，系统介绍了天体运动的基本理论与方法，以及天体力学在测绘中的应用等内容。这两门课程已经开设了近10年，取得了良好效果。由于天文学的内容极为广泛，各学校应根据自己的专业特色设置课程，适当选择课程内容，合理安排课程学分和学时数。

　　四、结束语

　　GNSS等空间观测技术的发展并没有削弱天文学在测绘中的重要作用，反而促进了天文学与测绘学的学科交叉。因此，测绘工程专业天文学课程不仅不能取消，而应该受到更多的重视。开设天文学课程既是当代素质教育的要求，也符合测绘工程专业“厚基础，宽口径，高素质，强能力”的培养目标。

　　当前我国测绘工程专业天文学教育不管从天文教育理念、师资队伍、教材建设，还是天文教学的硬件条件方面都存在许多问题，如从事天文学教学的师资不足，讲授的天文学知识偏少甚至没有，缺少适合测绘工程专业的天文学教材，难以开展天文实习等。武汉大学测绘学院一直在测绘工程专业天文学教学方面进行探索，成立了天文学课程组，编写了测绘工程专业使用的普通天文学教材。可是这些努力还远远不够，只有各高校的测绘工程专业改变思想，重视天文学课程，让更多的测绘教育工作者参与进来，才能有效改善测绘工程专业天文学教育的现状。

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