В представленной статье мы предлагаем разработку авторского спецкурса «Фундаментальная проблема астрофизики: поиск внеземных цивилизаций», читаемого студентам-физикам Ярославского государственного педагогического университета им. К.Д. Ушинского

Идея курса

 

            К началу XXI века космическое пространство стало значительным фактором научного, общественного, коммерческого использования.  По оценкам ООН, в первые десятилетия XXI века космическое пространство станет одним из крупнейших и высокодоходных участков мирового рынка. В 1996 г. доходы глобальной космической индустрии составили около 77 миллиардов долларов при росте 5% годовых, и в ней было  занято около 800 000 человек.

С другой стороны, в последнее время в результате техногенной деятельности человека со всей остротой встала проблема влияния загрязнения околоземного космического пространства (ОПО) на процессы, происходящие в биосфере в целом.

В связи с этим появилась потребность расширения понятия окружающей среды, которая до сих пор определялась как ближайшая среда обитания и производственной деятельности человека – водный и воздушный бассейны, почва, недра, а также создаваемая самим человеком техногенная среда.

В учении о биосфере В.И.Вернадского, являющемся общей мировоззренческой основой  всего естествознания XX века, биосферно-космической картиной  мира, биосфера Земли рассматривается как единая глобальная экосистема. Естественно, окружающей средой для такой экосистемы является околоземное космическое пространство (ОКП).

Сегодня земная цивилизация находится  на пороге перехода  биосферы в новое состояние – ноосферу,  когда её развитие будет определяться  не столько естественными стохастическим процессами, сколько направляющей деятельностью человека.

Непосредственно наблюдать результаты такого перехода возможно в околоземном космическом пространстве, где в последнее десятилетие XX  века отчётливо проявились последствия антропогенной деятельности. Вне зависимости от конкретных путей развития человечества и его космических исследований  расширение масштабов техногенной деятельности в космосе уже требует решения  проблем загрязнения околоземного пространства. С тем, чтобы комплексно решать вопросы охраны непосредственно природной среды.

Проблема изучения процессов естественной и техногенной природы в ОКП, их воздействие на само околоземное пространство и биосферу превратилась сегодня в одну из фундаментальных проблем как для наук, изучающих Вселенную, так и сугубо «земных» наук, объединённых экологией околоземного космического пространства.

Предметом данного курса  является физическое состояние ОКП и процессы происходящие в нём под действием различных факторов: 1) Физическое состояние ОКП тесно связано с воздействием на него Солнца (Природа физического механизма воздействия солнечной активности на Землю в целом до сих пор не раскрыта, поскольку попадающее в нижние слои атмосферы видимое излучение, как и полный поток солнечного излучения, изменяется всего лишь на доли процента, тогда как параметры ОКП и состояние биосферы оказываются подверженными значительным изменениям. Необходимо найти механизм воздействия солнечной активности на ОКП и биосферу Земли с тем, чтобы научиться управлять таким воздействием); 2) Немаловажную роль на процессы в ОКП и биосфере  играют космические лучи высоких энергий, приходящие из галактической среды; 3) Взаимодействие ОКП с межпланетной пылью, веществом комет, метеорами, мини-кометами оказывает как прямое, так и опосредованное влияние на состояние ОКП и биосферы. Кардинальным образом изменить состояние ОКП и биосферы может взаимодействие их с космическими телами крупных размеров, что может оказаться катастрофическим для человеческой цивилизации; 4) Процессы, возникающие в ОКП в результате техногенных воздействий различных видов, нарушающих его равновесие. К ним можно отнести различные виды техногенных излучений, искусственные космические объекты и техногенный мусор, остатки ракетного топлива, взрывы ядерных зарядов.

Актуальной является проблема об устойчивости ОКП под влиянием естественных и техногенных воздействий, связанных с наличием в ОКП обратных связей, способных компенсировать эти воздействия и вернуть его в состояние динамического равновесия. Биосфера имеет информационную ёмкость, на 20 порядков, превосходящую информационную ёмкость окружающей среды, и примерно на такую же величину большее количество обратных связей, обусловленных наличием биоты.  Следовательно, для необратимого выхода ОКП из состояния равновесия  требуется значительно меньшая энергия воздействия на него. Отсюда следует необходимость  определения и дальнейшего контроля уровней воздействия на ОКП, превышение которых может необратимо вывести его из состояния динамического равновесия и изменить ход процессов в биосфере. (Энергия техногенных воздействий в ОКП в настоящее время имеет мощность, на два порядка  меньшую мощности естественных воздействий, однако её рост проходит практически по экспоненциальному закону. При таком законе возрастания техногенные воздействия уже в этом веке могут превзойти естественные, что в значительной мере может сказаться на условии равновесия ОКП. Критическое значение энергетического загрязнения ОКП может составить величину всего ~1% от значения солнечной постоянной. В таком случае действие принципа Ле Шателье-Брауна в ОКП может оказаться нарушенным, и ОКП, выйдя из состояния   динамического равновесия, уже в него не вернётся. ОКП с новыми параметрами может иметь совершенной иные свойства, что неизвестно каким образом скажется на земной природе.

Изучение данного спецкурса проводится на основе тесной связи с проблемой поиска внеземных цивилизаций во Вселенной. Проблема поиска жизни во Вселенной вызывает особый интерес у учащихся. При большом объёме публикаций сравнительно редко появляются научные издания,  и до сих пор отсутствуют  учебные пособия, способствующие творческому росту молодых исследователей – будущих специалисты в данном направлении научной работы. В спецкурсе сделан обзор: становления науки о поиске жизни в космосе; прошлого и будущего земной цивилизации; возможных направлений поиска  внеземных цивилизаций в пространстве – времени и последствий контакта; предпринята попытка объяснения  феномена «неизвестных летающих объектов» на основе физической природы подобных явлений и особенностей психики отдельного индивида и психологического состояния общества. Используемая система задач и лабораторных работ  иллюстрирует современное состояние проблемы о  влиянии космоса на человечество и человечества на космос.

    В педагогическом университете курс астрономии и астрофизики завершает общее естественнонаучное  образование студентов, в этом курсе особое место принадлежит межпредметным связям, обобщениям и систематизации знаний.

Будущим учителям физики, многим из которых предстоит преподавать астрономию (астрофизику в школе (в системе дополнительного образования)  прежде всего необходимы фундаментальные астрономические знания и глубокое изучение астрономии с астрофизикой. Поэтому в курсе астрономии основное внимание уделяется физической сущности астрономических явлений. Учителям должны быть известны основные принципы и результаты астрономических исследований, возможности современных методов и технических средств, включая сеть INTERNET, они должны видеть общность и тесную связь между проявлениями законов природы на Земле и в космосе.

В настоящей программе учитываются межпредметные связи, поскольку курс астрономии излагается студентам после изучения ими (или, по крайней мере, параллельно) курса общей физики, в котором подробно рассматривается действие многих физических приборов, применяемых в астрофизике (узкополосные светофильтры, фотоумножители, поляриметры, различные счетчики и регистрирующие устройства, включая приборы с зарядовой связью).

Параллельно курсу астрономии студенты изучают электрорадиотехнику. Поэтому отпадает необходимость в описании радиотехнической аппаратуры, применяемой в астрономии. Отмечается только особенность работы радиотелескопов и радиоинтерферометров.

С другой стороны, показывается применение законов механики в астрономии и их проверка по движению естественных и искусственных небесных тел, хотя законы механики изучаются в курсе общей физики и классической механики.

В программе также обращается на необходимость основательного изучения школьного курса астрономии и решения соответствующих задач из школьных учебников и сборников задач.

Значение астрономии как науки возрастает, проблема подготовки квалифицированных учителей, преподающих астрономию, для работы в новых условиях, является одной из важнейших задач педвуза, тем более что профессия учителя со специальной астрономической подготовкой, дополненная одним или несколькими сопутствующими учебными предметами – перспективна в системе дополнительного образования.

Эффективность методов, путей, средств профессиональной работы определяется условиями работы кафедры, материально-технической оснащенностью кабинета астрономии и учебной астрономической обсерватории.

Повышение уровня общетеоретической подготовки студентов происходит, в частности, посредством обогащения научно-теоретического содержания курса астрономии и астрофизики на лекциях, практических занятиях, при проведении лабораторных работ (приложение Б). Большое значение в учебной программе придается систематическому отражению достижений науки, техники в астрономии и космонавтике. Проведение занятий в планетарии, использование его аппаратуры, приближение демонстраций к явлениям природы значительно повышает интерес студентов к астрономии.

В комплексе подготовки будущих учителей к преподаванию астрономии (отдельных разделов) в школе особое внимание уделяется работе с телескопами, теодолитами, биноклями, астрофотокамерами, высотомерами, пассажными инструментами и оборудованием отечественных и зарубежных астрономических обсерваторий через сеть INTERNET (ориентация в пространстве-времени с помощью систем GPS и ГЛОНАСС). Умение пользоваться приборами позволяет учителю существенно оживить преподавание астрономии и астрофизики, заинтересовать обучаемых самим предметом, организовать внеклассную работу в школе. Вся работа с инструментами проводится в рамках вечерних наблюдений.

Компьютеризация образовательных учреждений требует широкого применения электронно-вычислительной техники в учебном процессе. Рабочей программой предусмотрено использование лаборатории астрономии и астрономической обсерватории, оснащенных программируемыми калькуляторами и классом IBM PC AT.

Формированию глубокого интереса к астрономии и астрофизике способствует выполнение курсовых и дипломных (квалификационных) работ, подготовка докладов и сообщений к знаменательным датам астрономии, астрофизики, космонавтики, написание рефератов, проведение самостоятельных научных исследований, результаты которых могут быть доложены на научных студенческих конференциях и опубликованы в различных изданиях (приложение).  Значение имеет привлекательность тем и названий работ. Интересный материал и иллюстрации обогащают и лекционный материал преподавателя.

В курсе астрономии и астрофизики предусмотрено использование факультативных занятий в научных кружках и проблемных группах для развития познавательной активности студентов. Это, прежде всего, астровторники, проводимые на астрономической обсерватории ЯГПУ. Детальное обсуждение наиболее интересных вопросов современной астрофизики, космонавтики, вопросов истории, экологии, связи астрономии с искусством, т.е. тех вопросов, которые в программе отражены слабо или совсем отсутствуют (но являющимися актуальными именно для конкретных даты и места), предполагает знакомство с новыми публикациями, работу с новым астрономическим оборудованием, проведение оригинальных астронаблюдений. На астровторниках практически применяются полученные навыки по изготовлению и ремонту астрономического оборудования, что приносит определенную пользу и вузу.

Для наглядности работы будущих учителей с учащимися предусмотрен выпуск и обновление (ежемесячно) "Астрономического календаря"  в лаборатории астрономии.

Использование совокупности указанных факторов в учебно-воспитательном процессе способствует воспитанию у студентов готовности к творческой работе в качестве учителя астрономии в средней школе.

Успех всякого обучения во многом обусловлен эффективностью форм и методов контроля над усвоением необходимых знаний и приобретением навыков и умений. Методы контроля должны способствовать  овладению методами познания как общенаучного, так и специального, выработке дисциплины мышления, что при изучении астрономии крайне необходимо. В разработанном курсе астрономии предусмотрены и традиционные контрольные мероприятия (различные формы экзаменов, зачеты, коллоквиумы, контрольные работы) и, определенные новыми методами обучения, - разнообразные формы компьютерного контроля.

Все формы и методы педагогического контроля решают стратегическую задачу - повышение качества обучения в вузе (повышение  качества профессиональной подготовки специалиста). Однако при этом решаются и некоторые конкретные тактические задачи: а) проверка знаний, умений, навыков, которые приобретает студент; б) приучение студента к регулярной систематической работе; в) своевременное выявление и оперативное устранение  пробелов в организации учебного процесса; г) развитие творческого сотрудничества преподавателя и студента.

В качестве оценочных средств на протяжении семестра используются контрольные работы студентов, творческая работа, итоговое испытание. Итоговое испытание является аналогом устного экзамена. Его главное отличие состоит в том, что оценка за итоговое испытание составляет часть общей оценки за работу студента в течение семестра.

 

Цели  курса

-- Познакомить студентов-физиков с творческими  методами  решения профессиональных задач, связанных: с обучением и воспитанием учащихся с учётом специфики преподаваемого предмета в основной и средней общеобразовательной школе; с использованием разнообразных приемов, методов и средства обучения; с реализацией разнообразных образовательных программ; с обеспечением уровня подготовки учащихся, соответствующего требованиям государственного образовательного стандарта.

-- Показать возможность объединения  большого числа областей знания, изучающих состояние системы «околоземное космическое пространство – биосфера» в фундаментальную единую науку.

 

Содержание разделов

 

№ лекции	Раздел, тема учебн. курса, содержание  лекций	Кол. часов
1	Введение	1
2	Влияние Космоса на земную цивилизацию	2
3	Влияние земной цивилизации на Космос	2
4	Становление науки о поиске жизни в Космосе	2
5	Модели перехода от неживой материи к биологической активности и земной цивилизации	2
6	Космическое будущее земной цивилизации	2
7	Методы поиска внесолнечных планет	2
8	Методы оценки числа внеземных цивилизаций  в Метагалактике	2
9	Направления поисков внеземных цивилизаций	2
10	Способы связи с внеземными цивилизациями	2
11	Что даст человечеству контакт с внеземной цивилизацией	2
12	О НЛО, уфологии, астрологии и «состоявшихся» визитах  инопланетян.	2
13	Перспективы развития науки о поиске космической жизни	1

                    

 

Задания для самостоятельной работы студентов:

 

Разделы и темы		Перечень домашних заданий, вопросов	Сроки	Кол.
рабочей программы		для контроля самостоятельной	выполнения	Часов
		работы студентов
1	Введение	Выбор темы исследования. Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя	4
2	Влияние Космоса на земную цивилизацию	Подготовка рефератов по истории астрономии. Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя	4
3	Влияние земной цивилизации на Космос	Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя	4
4	Становление науки о поиске жизни в Космосе	Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя	4
5	Модели перехода от неживой материи к биологической активности и земной цивилизации	Прорешать поисково – исследовательские задачи	1 неделя	4
6	Космическое будущее земной цивилизации	Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя	4
7	Методы поиска внесолнечных планет	Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя	4
8	Методы оценки числа внеземных цивилизаций  в Метагалактике	Решение поисково – исследовательских задач. Формула Дрейка - критический анализ.	1 неделя	4
9	Направления поисков внеземных цивилизаций	Составить  компьютерную программу  по одной из тем небесной  механики. Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя	4
10	Способы связи с внеземными цивилизациями	Решение поисково – исследовательских задач «Космический стог» - анализ проблемы.	1 неделя	4
11	Что даст человечеству контакт с внеземной цивилизацией	Спроектировать полет к небесному телу. Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя	4
12	Об НЛО, уфологии, астрологии и «состоявшихся» визитах  инопланетян.	Исследовать физические основы «аномальных» явлений. Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя	4
13	Перспективы развития науки о поиске космической жизни	Решение поисково – исследовательских задач	1 неделя.	4
14	Исследование методов поиска внеземных цивилизаций	Решение поисково – исследовательских задач. Радиопоиск и оптический канал связи	1 неделя	4
15	Исследование проблемы межзвездных перелетов	Решение поисково – исследовательских задач. Формула Циолковского.	1 неделя	3
16	Исследование моделей эволюции Вселенной	Решение поисково  –  исследовательских задач Солнечная система. Галактика. Метагалактика.	1 неделя	3
17	Исследование шкалы масштабов и шкалы времени во Вселенной	Решение поисково  –  исследовательских задач Система «Гея».	1 неделя	3
18	Исследование особенностей физических постоянных	Решение поисково  –  исследовательских задач. Безразмерные константы 4-х фундаментальных взаимодействий	1 неделя	3
19	Исследование антропного Принципа	Решение поисково  –  исследовательских задач Ансамбль миров.	1 неделя	3
20	Исследование эволюции космических цивилизаций	Решение поисково  –  исследовательских задач. Экспансия в Космос.	1 неделя	3
21	Исследование парадокса Ферми	Решение поисково  –  исследовательских задач Почему не наблюдаем сигналы ВЦ?	1 неделя	3
22	Исследование космического субъекта Лефевра	Решение поисково  –  исследовательских задач Золотое отношение.	1 неделя	3
23	Исследование астросоциологического парадокса	Решение поисково  –  исследовательских задач Слабая форма АС-парадокса.	1 неделя	3
24	Исследование каталога SETI-объектов	Решение поисково  –  исследовательских задач Точки Лагранжа. Радиотелескопы.	1 неделя	3
25	Исследование новых классов астрономических объектов и их связи с ВЦ	Определение орбиты визуально-двойной звезды в системе “MAPLE-13”. Решение поисково  –  исследовательских задач. Космология и SETI. Быстрый барстер и черные дыры. Зеркальное вещество и топологические туннели.	1 неделя	3
26	Педагогика SETI	Решение поисково  –  исследовательских задач Организация SETI  в России. Новая картина мира.	1 неделя	3
27	Экскурсия в планетарий - Исследование методических возможностей Центра им. В.В.Терешковой	Решение поисково  –  исследовательских задач Черные дыры, темная материя, темная энергия.	1 неделя	3

Основная литература

1. Перов Н.И., Тихомирова Е.Н. Фундаментальная проблема астрофизики – поиск 

     внеземных цивилизаций. Ярославль: Изд-во ЯГПУ, 2012. Электронный ресурс.

2. Перов Н.И., Смирнова Л.В. Задания к лабораторным работам и практическим

    занятиям по    астрономии.  Ярославль: Изд-во ЯГПУ, 2012. Электронный ресурс.

2. Кононович Э.В.,  Мороз В.И.  Общий курс астрономии. М.: УРСС,      2004. 544 с.

4. Левитан Е.П. Астрономия-11. М.: Просвещение, 2005.

 

Дополнительная

5. Земля и Вселенная. Журнал за  2002-2012 г.

6. Астрономический вестник РАН. 2002-2012.

7. Письма в Астрономический журнал РАН. 2010-2012.

8. ICARUS. 2010-2012.

9. Инновационная деятельность в астрономии, астрономическом образовании и просвещении: межвузовский сборник научных и научно-методических трудов. Сост. Н.И. Перов. – Ярославль: Изд-во ЯГПУ им. К.Д.Ушинского, 2010. – 212 с.

10. Перов Н.И. и др.  Теоретические методы локализации в пространстве-времени неоткрытых небесных тел. Коллективная монография.  – Ярославль: Изд-во ЯГПУ им. К.Д. Ушинского, 2011. – 200 с.

11. Гиндилис Л.М. SETI: Поиск внеземного разума. М.: Изд-во физико-математической литературы, 2004. – 648 с.

12. Муртазов А.К. Физические основы экологии околоземного пространства / Изд-во Рязанского гос. ун-та. Рязань, 2008. – 272 с.

13. Перов Н.И. Проблема поиска внеземных цивилизаций в Метагалактике. Изд-во Ярославского гос. пед. ун-та. Ярославль, - 1998. 83 с.

14. Радзиевский В.В., Перов Н.И.  Фундаментальная проблема астрофизики / Ярославский педагогический вестник. Ярославль. ЯГПУ. 2002. № 1. С. 142 – 148.

 

Интернет-ресурсы

(Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы):

 

Портал «Гуманитарное образование» http://www.humanities.edu.ru/

Федеральный портал «Российское образование» http://www.edu.ru/

Федеральное хранилище «Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов» http://school-collection.edu.ru/ 

1. http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/lib/aptree.html - Астрономическая картина дня.

2. http://exoplanet.eu/ - энциклопедия внесолнечных планет.

3. http://www.cfa.harvard.edu/iau/MPEph/MPEph.html - данные о малых телах Солнечной системы.

4. http://www.nasa.gov/topics/solarsystem/index.html - исследования Солнечной системы с помощью космических аппаратов.

5. http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Lists_of_minor_planets_by_number – Список малых планет.

6. http://ssd.jpl.nasa.gov/dat/ELEMENTS.COMET - орбитальные параметры известных комет.

7. http://adsabs.harvard.edu/abstract_service.html - база данных публикаций по астрономии и астрофизике с высоким индексом цитируемости .

8. http://astronomiya.com/ - новости астрономии на русском языке.

9. http://nineplanets.org/ - данные о крупных телах Солнечной системы.

10.   http://www4.cadc-ccda.hia-iha.nrc-cnrc.gc.ca/meetings/ - информация  о планируемых астрономических и астрофизических конференциях в мире (включая научно-методические секции).

6.        Материально-техническое обеспечение  курса

Оборудованные компьютерные классы, интерактивные доски, библиотечные фонды на бумажных и электронных носителях, аудио и видео материалы

 

Для проведения лекционных занятий необходима аудитория, оснащённая доской, проекционной техникой и экраном.

Для проведения практических  занятий необходимы лаборатория астрономии –астрофизики  и астрономическая (астрофизическая) обсерватория, оснащённые следующими техническими устройствами:

1.     Телескоп (D=250 мм).

2.     Телескоп АЗТ-9.

3.     Телескоп «МИЦАР» (3 шт.)

4.     Телескоп «АЛЬКОР» (2 шт.)

5.     Труба зенит-командир (ТЗК). (3 шт.)

6.     Бинокулярная морская труба (БМТ).

7.     Теодолит. (3 шт.).

8.     Школьный телескоп-рефрактор. (2 шт.)

9.     Хронограф.

10.  Звёздные атласы – 20 экз.

11.  Подвижные карты звёздного неба – 20 экз.

12.  Астрономический календарь на текущий год.

13.  Астрономический ежегодник РАН на текущий год

14.  Модель небесной сферы (4 шт.).

15.  Глобус звёздного неба (3 шт.)

16.  Глобус Земли.

17.  Глобус Луны. (4 шт.)

18.  Глобус Марса. (2 шт.).

19.  Модель Солнечной системы (2 шт.).

20.  Теллурий (2 шт.).

21.  Видеокамера.

22.  Кинопроектор «РАДУГА»

23.  Микрокалькуляторы (10 шт.).

24.  Компьютер (Pentium-4), ноутбук “VAIO”, сеть  ИНТЕРНЕТ.

25.  Электронный планетарий “REDSHIFT-5”

26.  Программы для ЭВМ.

 

Кроме технических устройств необходимы дидактические материалы на соответствующих носителях (плёнках, дисках, кассетах) и расходные материалы (чистые диски, кассеты, бумага и краска для принтера).

 

Примерная тематика рефератов, курсовых и поисково-исследовательских работ по спецкурсу «Фундаментальная проблема астрофизики: поиск внеземных цивилизаций» для студентов–физиков (ожидается получение оригинальных – научно-значимых – результатов, которые могут быть представлены на Российские и Международные конкурсы научных работ, научные конференции и опубликованы в ведущих астрономических изданиях, включая издания Российской  академии наук)

 

1.     Теоретические методы локализации неоткрытых  планет в Солнечной системе.

2.     Поиск неоткрытых астероидов и комет, сближающихся с Землёй на опасные расстояния.

3.     Теоретические методы оценки  числа планет вблизи звёзд.

4.     Теоретические методы открытий спутников внесолнечных планет.

5.     Теоретические методы открытий колец вблизи внесолнечных планет.

6.     Теоретические методы открытий малых тел вблизи спутников внесолнечных планет.

7.     Теоретические методы локализации радиационных поясов внесолнечных планет.

8.     Поиск изотермических траекторий  планет в окрестностях двойных звёзд и разработка элементов научной программы для космических миссий при поиске жизни земного типа.

9.     Исследование распределения массы Галактики.

10.  Определение параметров пояса Гулда.

11.  Исследование  распределений ближайших к Солнцу звёзд по различным параметрам.

12.  Поиск неизвестных космических объектов по данным обработки обзорных фотоснимков звёздного неба.

13.  Физика «аномальных» явлений.

14.  Методы поиска внеземных цивилизаций земного типа.