高校天文實驗室建設研究

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摘要：在深入推進“雙一流”建設的背景下，該文從高校天文實驗室建設的趨勢和國內現狀出發，分析了當前國內高校天文實驗室建設中的不足。在實驗室的軟硬件建設、教學內容、創新人才培養、實驗技術隊伍等方面提出建議和對策，以期為我國高校建設一流天文實驗室提供新的方式和思路，促進天文實驗室的建設和發展。

關鍵詞：雙一流;天文學;高校實驗室;建設

2022年1月26日，教育部、財政部、國家發展改革委發布了《關于深入推進世界一流大學和一流學科建設的若干意見》文件，標志著新一輪“雙一流”建設正式啟動，從2015年“統籌推進階段”開始邁入了“深入推進”的新階段[1]。新一輪建設以“十四五”期間國家戰略急需領域作為指引，加大基礎學科的學科布局，著力解決“雙一流”建設中創新人才不足問題[1]。實驗室作為面向科學前沿、推動學科建設發展的重要載體，是一流學科的重要支撐，也是創新人才培養的重要場所[2]。天文學是一門基于觀測的基礎學科,先進的天文探測技術、天文儀器技術以及天文學的研究成果，廣泛應用于導航、定位、航天、深空探測等領域，對我國經濟建設和國家安全都有重要的意義[3]。隨著一批地面和空間天文重大科學裝置的建設并陸續投入使用，天文學人才的需求變得旺盛，對高校天文學人才的培養也提出了新的要求。加強高校天文實驗室的建設，對培養科學創新人才，推進一流學科建設至關重要。

1高校天文實驗室建設的趨勢及國內現狀

天文學作為一門十分古老的學科，它研究宇宙空間中的各種天體。一直以來，人們通過觀測的方法測量天體的位置，研究探索其結構及運動和演化的規律。中國是世界上天文學發展最早的國家之一，曾經在天文觀測和研究中取得不少世界領先的成就，但在近代陷于停滯，落后于西方[4]，20世紀50年代南京大學天文系成立后，我國高校天文學科才開始逐步迎來發展。早期高校天文實驗室大多基于機房和數據的運行模式，側重于天文理論的研究，天文技術方法作為支撐天文學發展的技術基礎在高校中較少涉及，天文儀器設備十分匱乏。進入21世紀后，隨著信息技術、工業技術等快速發展，天文技術研究方法包括光學紅外技術、射電天文技術、空間天文技術等，作為實驗室建設的技術支撐，發展得十分迅速，大量的關鍵技術取得了突破，天文觀測工具和手段不斷擴展豐富。觀測手段的迅速發展和全波段研究的開拓成了當代天文學發展的一個顯著特點[3]。國內高校天文實驗室開始建設并擁有了一些大型的天文觀測設備，隨著這些天文儀器設備的完善，使得學生有了更多的實踐動手操作機會，逐漸涉及了大量前沿科學技術內容。高校天文實驗室的建設由此逐步朝著綜合型實驗室的方向發展。然而，目前國內建設有天文實驗室尤其擁有天文臺的高校還是屈指可數的。南京大學在校內南雍山建有左滌江天文臺，擁有一臺口徑65cm反射望遠鏡，主要用于本科教學、天文實驗教學以及早期的科研訓練，同時作為江蘇省天文學會科普宣傳基地；在校外建有位于南京紫金山的塔式太陽望遠鏡和位于云南澄江撫仙湖的太陽觀測基地。山東大學威海校區瑪珈山頂上建有山東大學威海天文臺，擁有一臺科研用口徑1m的赤道式望遠鏡，它是目前國內高校中建成的口徑最大、技術水平先進的光學天文望遠鏡；除此之外，還有多臺用于本科生及研究生的實驗教學的天文儀器設備。北京師范大學建設有天文教學綜合實驗室，擁有較為完善的校內天文實驗設備，并與中國科學院天文研究單位共建了多個校外天文教學科研基地[5]。西華師范大學與中國科學院天文研究單位在校外青海德令哈觀測站共同建設了天文臺，是中國西部高校第一個實測天文臺。天文學作為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》重點發展的六大基礎學科之一，當前已發展為集觀測、理論研究、實驗室模擬和數值模擬“四位一體”的學科，和其他學科有廣泛的交叉性[6]。歐美發達國家高校十分重視天文學發展，美國主要的大學幾乎都有天文系或天文專業[6]，而我國目前成立天文系（院）的高校僅有20余所，開設天文相關課程的高校比例遠遠低于歐美大學。但隨著國家不斷加大基礎研究投入以及深入推進“一流”學科的建設，天文學成為國內高校提高學生綜合科學素養，培養創新人才關注的重點，越來越多的高校開設了天文學課程，成立天文系，建立天文實驗室。近5年就有上海交通大學、清華大學、華中科技大學、廣州大學、貴州師范大學等多所高校陸續成立了天文學系（院），天文實驗室的建設也將成為這些高校建設的重點。實驗室是高校教學科研的重要場所，加強高校實驗室的建設是助力深入推進“雙一流”建設的重要方式。然而，實驗室的建設是一項極為復雜的系統工程，不僅涉及學科專業發展、設備硬件建設，還涉及到制度、隊伍建設等軟件建設[7]。國內高校天文學實驗室在長期的建設過程中由于天文學科的小、人員規模的少、儀器設備的缺乏，存在著許多的問題與不足。

2高校天文學實驗室建設存在的問題與不足

2.1實驗室軟硬件建設不足

實驗室軟硬件建設是保障實驗室運行的基礎。部分開設了天文學課程的高校由于天文實驗室建設不夠系統和完備，造成無法有效地進行實驗教學和科研。與此同時，伴隨著科學技術快速發展及天文熱點事件的頻發，激起了普通大眾對天文學的濃厚興趣，高校天文學實驗室除了承擔日常教學、科研任務外，還逐漸承擔起科普傳播的任務，原有的軟硬件設施及環境也需要進一步提升。此外，大型科學儀器設備建設是提升實驗室硬實力的強力武器，也是培養高層次人才有效的工具，高校天文實驗室在大型科學裝置投入建設上明顯不足。天文學高影響力的學術產出建立在一流的觀測設備獲取的第一手數據[8]，加強高校主導建設世界一流的大型天文觀測設備，也是深入推進“雙一流”高校和學科建設重要舉措。

2.2實驗室教學內容及質量有待提升

實驗教學是培養學生綜合素質和創新能力不可替代的環節[9]。天文學的飛速發展使得傳統實驗教學內容要隨著科學技術前沿的發展而不斷更新[4]，以保持實驗內容的先進性和實用性，激發學生對天文學的興趣，從而使學生能夠應對未來的挑戰。當前，部分高校天文實驗教學設備嚴重缺乏或者設備陳舊與老化，實驗技術和方法不能與時俱進，甚至還在沿用數十年前的實驗課程內容，教學內容不夠豐富，內容也逐漸跟不上天文學的快速發展，難以與國家的發展需求相適應。此外，隨著天文學科的學生不斷增多，教學用設備跟不上以及實驗教師配比不足，天文實驗教學特別是天文觀測過程中還嚴重受到天氣和環境的影響，導致實驗教學內容和質量都存在一定欠缺。

2.3實驗室創新人才培養與建設有待提高

“一流學科”的建設發展，離不開創新人才。現代天文學在國內起步較晚，國內高校天文人才隊伍相對其他學科規模較小，分布不平衡，高校獲得過國家自然科學基金天文學科資助的只占全國高校數量的4.3%。此外，全國的天文研究隊伍人才中還有近2/3集中在中國科學院少數天文臺單位。因此，高校天文研究人才的儲備嚴重不足[6]。實驗室作為學生對所學理論知識的實踐應用場所，是創新人才的培養基地[9]，高等院校（尤其是知名高校）在天文實驗室建設上的缺失導致天文學科在創新人才培養方面落后。另外，高校天文實驗室傳統設備和教學內容不足以支撐創新人才的培養，更難以激發學生的創新熱情。當前如何有效利用實驗室大型科學儀器設備引導教師科研項目創新，激發學生的興趣，對未來創新型人才培養十分關鍵。

2.4實驗室制度及實驗技術隊伍建設需進一步加強

高校實驗技術隊伍在培養創新人才、推動學科持續發展、促進高校科研實力提升等方面發揮著重要作用[10]。當前，國內高校從事天文實驗技術人員極少，遠未達到教育部2007年頒發的相關文件規定的比例[11]。高校天文學的發展長時間側重理論研究，實驗技術隊伍的建設工作沒有得到應有的重視。實驗室相關的管理制度相對不夠完善和系統，導致高校天文實驗室建設緩慢，存在著實驗技術隊伍人數不足、崗位匹配度不高、缺乏考評激勵機制、職稱晉升難度大、實驗技術隊伍地位低薪資低等諸多問題。在深入推進高校“雙一流”建設下，加強實驗室的制度建設以及打造一流實驗技術隊伍，是高校人才培養、教學科研及學科建設的強力支撐[10]。

3高校天文實驗室建設的思考與建議

針對當前高校天文學實驗室建設中存在的問題與不足，建議采取相應措施做好以下幾個方面。

3.1增加經費投入，加強實驗室軟硬件建設

在推動“雙一流”建設下，中央預算內投資對中央高校學科建設相關基礎設施給予支持，并鼓勵地方政府和有關主管部門應通過多種方式，對世界一流大學和一流學科建設加大資金、政策、資源支持力度[12]。在此契機下，高校天文實驗室的建設應加大經費投入，完善更新實驗室教學科研設備，改善實驗室環境，創造科普傳播條件，加強信息化和智能化的建設，大力推動高校主導的天文大型科學儀器設備的研制，積極探索校企共建天文學實驗室模式，從而打造先進和實用的一流實驗室條件，為教學、科研、社會服務提供穩定的基礎保障。

3.2豐富實驗教學內容，提升教學質量

隨著天文學細分專業越來越多，自主開發符合專業特點的教學實驗，完善實驗教學體系，提升教學質量，是實驗室教學內容建設的一個大方向。積極引導推動教師將科研成果轉化為實驗教學內容，培養學生獨立思考與研究的意識。從地面設備研制到空間科學設備的研究合作上，探索將天文學最新研究的成果以及新技術新方法融入實驗教學內容中。在實驗教學內容中不斷引入如人工智能、大數據、云計算等新型信息技術內容，促進學生了解相關技術的原理和應用。此外，加強天文學虛擬仿真實驗項目的建設，虛擬仿真實驗教學能夠不受時空和各項條件限制，通過網絡的方式實現精準教學，激發學生對新現象、新事物、新概念的學習積極性，提高學生自主學習能力，促進教學質量的提升。

3.3開發創新實驗，大力培養創新人才

天文技術方法是高技術發展的創新源頭之一[14]，高校實驗室作為學生創新能力培養的主場地，開發設計天文相關創新實驗，不僅能讓學生了解到望遠鏡研制最前沿的關鍵技術，還能培養學生的創新意識，是培養創新人才的一個直接有效的方式。對此，筆者學院教學中心建設成立了天文實踐創新實驗室，結合當前最新天文研究成果以及天文技術，開發設計了自適應光學模擬實驗、引進設計了引力波探測模擬實驗、自行搭建了光譜儀設計實訓平臺等，這些實驗能讓學生動手操作后再自行思考設計，不僅能加強動手與獨立思考的能力，還能極大地激發學生的創新思維。

3.4注重科學管理，加強實驗技術隊伍建設

高校天文實驗室在當前“雙一流”建設背景下，要充分認識到實驗技術隊伍建設的重要性，適時轉變觀念，加強實驗技術人員的引進特別是高水平實驗技術人才引進。合理制定符合實驗技術人員的崗位職責，設立專項獎勵激勵實驗技術人員的積極性，構建實驗技術人員培訓和再學習的機制，把實驗技術隊伍看成是教學科研的支撐隊伍，而不是無足輕重的輔助人員[15]。實驗室大型天文高端科學儀器設備十分昂貴，在設備項目建設上，要重視項目團隊的建設，引進專職的實驗工程人員，建立完善的項目管理制度，確保項目建設進展順利。天文實驗室通常離主辦公教學樓較遠，探索建立規范完善的實驗室運行管理模式尤為重要。在一流學科建設支持下，應加大人力、物力、財力等各方面制度的支持與配合，合理設置實驗管理、教學、科研崗，職責劃分明確清晰，建立健全管理規章制度，加強信息化管理水平。合理安排教師夜間觀測教學任務，保障教學質量和教師的身心健康。建立健全的實驗室安全管理架構和責任體系，加強師生安全教育和培訓，保障實驗室安全平穩運行。

4結語

近幾年，諸多天文學研究成果在全球引起了轟動，2017年諾貝爾物理學獎授予了LIGO激光干涉引力波探測項目的相關科學家，2019年諾貝爾物理學獎授予了物理宇宙學的理論發現以及首個圍繞類太陽恒星的太陽系外行星的發現，這些成果無疑是理論和實驗的完美融合。在當前深入推進“雙一流”高校建設的背景下，高校天文實驗室的建設不僅關系到今后的教學科研環境，更是促進創新人才培養的重要因素。國內高校天文學實驗室的建設要緊盯學科發展的趨勢，加大經費投入力度，朝著國際一流實驗室的方向前進。

作者:陳亮 彭志欣 何秋會 單位:南京大學天文與空間科學學院