天文观测与计算

一、课程介绍

1.课程描述：

天文观测与计算课程是一门综合性的天文学入门课程。本课程内容包括天文学基础知识的介绍，初级天文观测技能的培训，和利用课程中的观测数据开展的天文学计算这三个部分。我们将引导学生在如今更加先进的观测设备支持下，重温古代天文学家的量天之路，再次见证人类运用自身智慧勘破宇宙规律的无畏与执着。学生将亲身实践获得第一手的天文观测数据，并运用学习到的数学天文学理论知识，计算包括行星轨道，恒星距离和星云寿命等天文学数据，来了解看上去遥不可及的星体。这种理论加实践的综合性学习，在锻炼学生们的科研能力的同时，也充分激发学生们的求知欲与好奇心，最终达到让学生“实践科学方法，体会数理思想，感悟宇宙奥妙”的课程主旨。

 The Astronomy Observation and Computation course is a comprehensive introductory course to astronomy. The course includes three parts: an introduction to basic astronomy knowledge, training in basic astronomical observation skills, and astronomy computations using observation data from the course. We will guide students in retracing the ancient astronomers' path to measuring the heavens with more advanced observation equipment available today and witness once again the fearless and persistent use of human intelligence to decipher the laws of the universe. Students will gain first-hand experience with astronomical observation data and use their learned knowledge of mathematical astronomy theory to compute astronomical data such as planetary orbits, stellar distances, and nebulae lifespans, to understand the seemingly unattainable celestial bodies. This comprehensive learning approach combining theory and practice, not only enhances students' scientific research capabilities but also fully stimulates their curiosity and desire for knowledge, ultimately achieving the course's objective of allowing students to "practice scientific methods, experience mathematical ideas, and understand the mysteries of the universe".

2.设计思路：

从古至今，天文学一直是基础科学发展的源动力之一。在天文学研究中，人类认知最前沿的问题与自然科学最基础的理论紧密联系在一起。当前，我国的航天事业取得跨越式发展，基础科学理论研究也越来越受重视，因此开设一门带有理论与实践性质的天文学入门通识课是非常有必要的。

在天文学基础知识部分中，我们将介绍宇宙、星系和恒星的形成与演化规律和人类对宇宙的认识过程，以后者为重点。以数学为语言，阐述包括古希腊天文学家的宇宙观，开普勒何三角量星，牛顿的万有引力定律，爱因斯坦的质能方程，哈勃定律等等与天文学有关的伟大发现。旨在激发同学们的好奇心并充实其数学工具与天文学基础。

在天文观测技能的培训中，我们将引导学生学习和使用比较先进的反射式高倍大口径天文望远镜和自动化赤道仪等辅助设备，分组选择观测和拍摄目标，包括：

1. 猎户星云(M42)、猴头星云（NGC 2174），玫瑰星云（NGC 2237）等有代表性的星系团和星云，直观的见证恒星的诞生、演化与消亡；

2.太阳，包括日冕曾、太阳黑子和日珥，更深刻认识人类的光热之源；

3.太阳系行星，要根据观测时间选择目标，重点记录其天球坐标，为下一步计算轨道位置做准备；

4.月球，欣赏月球表面环形山；

5.中国天宫空间站，要在空间站凌日或者凌月时才能进行；

在一系列观测拍摄过程中，展现宇宙的壮美雄奇，也为接下来的计算部分做好铺垫。

在天文数据计算部分中，我们将前两部分的学习综合统一起来。利用天文学中比较有效的数理方法和相关天文软件，处理和计算实际观测中得到的照片和数据：

1.通过观测到的星云角距和历史数据对比，计算星云出现的时间，并根据拍摄精度，尝试用视差法计算恒星距离；

2.通过与太阳球形的对比，计算太阳喷发的日珥的高度；

3.通过火星的赤经坐标，做球面坐标变换得到黄经坐标，查询一火星年前的火星黄经坐标，用开普勒三角量星法，计算火星的位置，通过描点得到火星部分椭圆轨道；

4.通过测量月球表面环形山的直径与月球直径比值，计算环形山的大小；

5.通过记录的天宫空间站的时间和转角，计算相对地心的角速度，进而计算空间站的高度；

在计算过程中，注意向学生展示数学和理性在天文学研究中的作用，并引导学生以之从思维和眼界两方面来修炼自身。

3. 课程与其他课程的关系：

先修课程：高等数学。

后置课程：数学、天文与物理，后续计划开设的通识课，介绍从理性文明开端的古希腊几何天文开始，到21世纪最新的数学天文物理成就。

二、课程目标

本课程要从以下三个方面达到对学生的培养目标：

（1）激发对天文学的兴趣，掌握基本的天文学知识和观测技能，树立正确的宇宙观；

（2）认识数学对天文学发展和人类进步的影响，锻炼运用数学思维解决问题的能力，体会数学的趣味和魅力；

（3）了解我国在天文与航天事业上的巨大进步，培养民族自豪感和使命感。现代中国在天文与航天领域取得了许多瞩目成就，比如神舟载人、嫦娥探月、天宫巡天、祝融探火，天眼寻音等等。本课程天文部分除了介绍天文方面的理论知识，也会通过理论联系实际，在学习中使学生更加深刻的认识到祖国科技的不断进步和国力的日益强大。

三、学习要求

天文观测与计算课程是一门涉及数理方法、天文学理论和实践观测技能的综合性课程，要求学生掌握一定的数理基础和天文常识，而且要有一定的创新意识和兴趣，做到理论实践相结合。学生应做到：

（1）按时上课,上课认真听讲，积极参与课堂讨论，完成作业和实践任务。

（2）以3-5人小组为单位，针对天文观测领域的相关技术方法，能够做到深入探究，知其然并知其所以然。

（3）在理论学习与实践观测的基础上，课程结束前完成小组报告并分享交流。

四、教学进度

五、主要参考书

 [1] 项武义，张海潮，姚珩，《千古之谜与几何天文物理两千年》，高等教育出版社2010.2, (ISBN: 9787040144192)。

[2] Giles Sparrow（著），孙媛媛（译），《天文星座观测：全天88星座漫游指南》，人民邮电出版社 2017.10，(ISBN: 9787115457448)。

[3] 高翔，张若军，范中平，《数学——宇宙的语言》，中国海洋大学出版社2019.10（ISBN：9787567023109）。

六、成绩评定

（一）考核方式E  ：A.闭卷考试 B.开卷考试 C.论文 D.考查 E.其他

（二）成绩综合评分体系：

附：评分标准

（1）课堂学习讨论和实际观测表现

（2）课堂作业

（3）小组报告

七、学术诚信

学习成果不能造假，如考试作弊、盗取他人学习成果、一份报告用于不同的课程等，均属造假行为。他人的想法、说法和意见如不注明出处按盗用论处。本课程如有发现上述不良行为，将按学校有关规定取消本课程的学习成绩。