趙 靜， 黃偉芬， 張貴平， 管春磊， 張 相， 姚 志

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094）

1 引言

隨著載人航天任務(wù)向深空擴(kuò)展，開展月面科學(xué)探測(cè)、進(jìn)行月球地質(zhì)考察、獲取高質(zhì)量月球樣品，是載人登月航天員重要任務(wù)之一。 各國(guó)在進(jìn)行載人登月任務(wù)和計(jì)劃時(shí)，都非常重視航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練。 阿波羅登月計(jì)劃開始時(shí)，就已經(jīng)設(shè)計(jì)了一系列航天員地質(zhì)訓(xùn)練課程，對(duì)航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練提出了明確的要求［1］。

2015 年，ESA 開發(fā)了航天員行星模擬地質(zhì)學(xué)和天體生物學(xué)訓(xùn)練（Planetary ANalogue Geological and Astrobiological Exercise for Astronauts，PAN?GAEA）課程、訓(xùn)練流程及訓(xùn)練工具，成功實(shí)施了4期航天員地質(zhì)學(xué)和天體生物學(xué)訓(xùn)練，建立了相對(duì)完善的訓(xùn)練體系［2］。

隨著載人登月任務(wù)的開展，中國(guó)航天員也將面臨著月面地質(zhì)勘探、科考等任務(wù)，需要進(jìn)行相關(guān)地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練。 本文綜述了NASA、ESA 和中國(guó)航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練進(jìn)展，以及國(guó)內(nèi)地質(zhì)學(xué)教育主要課程和方法，結(jié)合中國(guó)航天員訓(xùn)練實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)中國(guó)航天員未來(lái)的地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練進(jìn)行展望。

2 NASA 航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練

NASA 航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練目的是為了支持航天員月面出艙活動(dòng)和從空間站觀察地球。 自阿波羅登月任務(wù)開始，持續(xù)到航天飛機(jī)計(jì)劃，并在空間站任務(wù)中仍然是重要的訓(xùn)練科目［3］。 隨著2022年7 月開始的新一批航天員訓(xùn)練以及為阿爾忒彌斯計(jì)劃登月任務(wù)準(zhǔn)備，航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練成為實(shí)現(xiàn)登月任務(wù)科考研究順利實(shí)施的前提。

2.1 阿波羅登月任務(wù)航天員地質(zhì)訓(xùn)練

20 世紀(jì)60 年代阿波羅（Apollo）登月計(jì)劃開始時(shí)，每位NASA 航天員都要進(jìn)行250 ～300 h 教室學(xué)習(xí)和至少16 次野外實(shí)地考察，從而為每項(xiàng)月球地質(zhì)考察任務(wù)做好充分準(zhǔn)備［4］。 在J 任務(wù)（A?pollo 15～17）期間，對(duì)每個(gè)進(jìn)入乘組的航天員訓(xùn)練超過(guò)1000 h，地質(zhì)考察訓(xùn)練對(duì)乘組特別是那些沒有地質(zhì)學(xué)背景的航天員尤為重要［5］。 作為J 任務(wù)的第一次（Apollo 15 任務(wù)）前幾個(gè)月里，任務(wù)乘組共進(jìn)行了18 次地質(zhì)實(shí)地考察［6］。

阿波羅計(jì)劃制定的培訓(xùn)課程包括基礎(chǔ)培訓(xùn)和面向任務(wù)的訓(xùn)練，訓(xùn)練形式包括課堂授課（約翰遜航天中心授課）和野外考察（美國(guó)、墨西哥和冰島等），提供給不同級(jí)別的航天員訓(xùn)練。 野外考察包括入門級(jí)野外練習(xí)（步驟I）、引導(dǎo)式野外練習(xí)（步驟II）以及個(gè)人（自主）野外演練（步驟III）［1］。

在早期航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練時(shí)，存在的問(wèn)題主要為課堂授課和野外考察之間脫節(jié)，如負(fù)責(zé)野外考察訓(xùn)練的教員通常不知道航天員在課堂授課時(shí)學(xué)習(xí)的科目和內(nèi)容，反之亦然，課堂教學(xué)內(nèi)容并不總是與野外活動(dòng)完全呼應(yīng)；2 種形式的訓(xùn)練提供的教材和講義深淺程度、術(shù)語(yǔ)等有不一致的情況［2，7］。 在后期訓(xùn)練時(shí)，所有教員團(tuán)隊(duì)對(duì)教學(xué)策略達(dá)成共識(shí)，每項(xiàng)活動(dòng)都必須采用“知識(shí)遷移”或“以問(wèn)題為導(dǎo)向”的方法。 課堂授課教員通過(guò)演示、解釋說(shuō)明，向?qū)W員傳授地質(zhì)場(chǎng)地或概念相關(guān)的知識(shí)；野外授課教員提出科學(xué)問(wèn)題、數(shù)據(jù)和建議，允許學(xué)員設(shè)計(jì)自己的假設(shè)并解釋現(xiàn)場(chǎng)觀察的結(jié)果。 盡管這兩種方法都可以使用，但根據(jù)野外考察的目的及其復(fù)雜性，大多數(shù)航天員發(fā)現(xiàn)第二種方法更有效、更具吸引力，能夠使他們通過(guò)積極參與來(lái)牢固掌握知識(shí)［2］。 此外，這一過(guò)程不僅是掌握知識(shí)的有效方法，而且還學(xué)習(xí)了野外科學(xué)探索基本技能。

1967 年，Apollo 第六期地質(zhì)訓(xùn)練得到了進(jìn)一步的改進(jìn)，有幾位參加訓(xùn)練的航天員具有很強(qiáng)的科學(xué)背景，并為訓(xùn)練提供了重要的資源。 在這一輪地質(zhì)訓(xùn)練中，重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到確保航天員作為野外地質(zhì)勘查者的操作效能上，專注于盡可能在短時(shí)間內(nèi)獲得大量有價(jià)值信息、優(yōu)質(zhì)的樣本和正確的記錄［2］。 此外，在進(jìn)行了一定量的觀察和自主野外考察后，在培訓(xùn)中加入更多的任務(wù)操作。 完成了基礎(chǔ)訓(xùn)練之后，訓(xùn)練進(jìn)入任務(wù)導(dǎo)向階段，該階段是專門為Apollo 號(hào)的每一名航天員和已選定的著陸地點(diǎn)而設(shè)計(jì)。 在J 任務(wù)期間，策略完全轉(zhuǎn)向了T3（Train，Trust，Turn，Loose），以乘組為主進(jìn)行地質(zhì)探索，地面僅提供支持和建議，而不是完全指導(dǎo)該任務(wù)，實(shí)踐證明J 任務(wù)在提供新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方面是最具成效的［1?2］。 同時(shí)，在訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)模擬任務(wù)控制和遠(yuǎn)程系統(tǒng)對(duì)航天員進(jìn)行支持，使得支持人員能夠參與進(jìn)來(lái)，形成遠(yuǎn)程支持團(tuán)隊(duì)。

2.2 近期地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練進(jìn)展

目前美國(guó)航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練對(duì)象包括預(yù)備航天員訓(xùn)練以及為阿爾忒彌斯計(jì)劃準(zhǔn)備的任務(wù)乘組訓(xùn)練。

訓(xùn)練分為3 個(gè)階段。 第一階段在2 年候選期間進(jìn)行，所有航天員候選人參加培訓(xùn)。 這一階段的培訓(xùn)計(jì)劃是基于2009 年、2013 年和2017 年訓(xùn)練課程，為期4 周，包括課堂和現(xiàn) 場(chǎng)培訓(xùn)［3，8?9］。課堂培訓(xùn)模塊包括地球科學(xué)基礎(chǔ)（構(gòu)造學(xué)、結(jié)構(gòu)地質(zhì)學(xué)、遙感、地貌學(xué)和火山活動(dòng)）、地球系統(tǒng)（土地覆蓋和土地利用、大氣層和氣候科學(xué)）以及行星科學(xué)和任務(wù)（月球、火星、小天體及天體生物學(xué)）。 實(shí)地訓(xùn)練包括加爾維斯頓灣探險(xiǎn)（2017年）、新墨西哥州里約熱內(nèi)盧大裂谷（2018 年）、亞利桑那州流星隕石坑和火山目的地（2019 年）［8］訓(xùn)練。 第二階段為中級(jí)訓(xùn)練，在航天員完成最初訓(xùn)練到被分配到一個(gè)任務(wù)的期間，訓(xùn)練內(nèi)容包括國(guó)際空間站地球觀測(cè)任務(wù)的準(zhǔn)備訓(xùn)練，行星任務(wù)的模擬訓(xùn)練以及參與其他實(shí)地科學(xué)探險(xiǎn)。 這些訓(xùn)練讓航天員有機(jī)會(huì)復(fù)習(xí)在第一階段學(xué)到的知識(shí)，在類似于未來(lái)太空飛行任務(wù)條件下進(jìn)行科學(xué)研究。 作為第二階段訓(xùn)練實(shí)例，2021 年8 月，NASA資助2 名航天員參與訪問(wèn)冰島高地科學(xué)研究（圖1）［3］。 第三階段是飛行任務(wù)訓(xùn)練，主要針對(duì)執(zhí)行任務(wù)乘組實(shí)施。 航天員將他們的地球科學(xué)和艙外技能訓(xùn)練與類似飛行的硬件和科學(xué)儀器模擬相結(jié)合，在類似的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行綜合訓(xùn)練［8?9］。

圖1 航天員Jasmin Moghbeli 在冰島高地進(jìn)行地質(zhì)采樣［3］Fig.1 Astronaut Jasmin Moghbeli conduct geological sampling in the highlands of Iceland［3］

從發(fā)展趨勢(shì)上看，隨著美國(guó)重返月球阿爾忒彌斯任務(wù)啟動(dòng)，NASA 將更加重視在月球模擬地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地地質(zhì)訓(xùn)練。 阿爾特彌斯III 團(tuán)隊(duì)報(bào)告特別建議：專門開發(fā)針對(duì)阿爾忒彌斯任務(wù)的航天員地質(zhì)訓(xùn)練，以期最大化航天員在獨(dú)特的月球環(huán)境中進(jìn)行野外工作的價(jià)值［6］。

3 ESA 航天員行星模擬地質(zhì)學(xué)和天體生物學(xué)訓(xùn)練

2015 年，ESA 創(chuàng)建了PANGAEA 課程。 課程體系和訓(xùn)練實(shí)施利用ADDIE（Analysis，Design，Develop，Implement，Evaluate）模型的5 個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)，建立了較完善的課程體系及訓(xùn)練流程［2］。 開發(fā)了電子野外手冊(cè)系統(tǒng)（ESA Electronic Field?Book， EFB），為學(xué)員、教員和遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)之間提供了野外數(shù)據(jù)收集和信息共享的協(xié)調(diào)中心，提高了訓(xùn)練效率［4］。 PANGAEA 課程分為理論課程、實(shí)踐練習(xí)、野外勘探，三者在課程結(jié)構(gòu)中相互關(guān)聯(lián)，從理論到實(shí)踐是連貫的過(guò)程。

3.1 理論課程

理論課程共分6 類［2］：

1）地球和行星地質(zhì)學(xué)。 主要為普通地質(zhì)學(xué)和行星地質(zhì)學(xué)的概述和介紹，重點(diǎn)是地球、火星和月球，并介紹隕石、小行星和彗星。

2）地球和火星的沉積地質(zhì)。 包括侵蝕和沉積過(guò)程、沉積巖和火星表面地質(zhì)等。

3）月球地質(zhì)和撞擊坑。 關(guān)注月球地質(zhì)演化和撞擊坑形成過(guò)程和產(chǎn)物、揮發(fā)物和原地資源。

4）地球和行星體的火山作用。 涵蓋火成巖，包括地球、月球和火星上的火山活動(dòng)。

5）侵入巖、地殼演化和月球高地。 涵蓋地球和月球地殼的演化，包括巖漿海洋、地幔演化、侵入巖以及月球高地。

6）天體生物學(xué)和行星保護(hù)。 包括關(guān)于生命特征、行星保護(hù)和污染、火山環(huán)境中的生命以及生命和礦物演化的課程。

3.2 實(shí)踐練習(xí)

實(shí)踐練習(xí)主要培養(yǎng)航天員地質(zhì)觀察基本技能，在室內(nèi)進(jìn)行，在野外強(qiáng)化。

1）巖石樣本識(shí)別［4］。 培訓(xùn)學(xué)員辨別手工標(biāo)本中的巖石樣本。 通過(guò)直接觀察、使用地質(zhì)手鏡以及與EFB 系統(tǒng)相連的便攜式顯微鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)容是如何區(qū)分分層和葉理、巖石結(jié)構(gòu)、巖石成分（碎屑、晶體、化石等）以及其他物理特征，并使用巖石識(shí)別流程圖識(shí)別觀察結(jié)果。

2）語(yǔ)音描述和繪圖。 學(xué)習(xí)通過(guò)交互分析地球、月球、火星和小行星／彗星的圖像來(lái)觀察和描述地質(zhì)景觀和露出地面的巖層。 首先航天員用自己的語(yǔ)言描述觀察結(jié)果，然后與教員討論，由教員指導(dǎo)使用正確的術(shù)語(yǔ)準(zhǔn)確有效表述，這些訓(xùn)練經(jīng)常與地質(zhì)繪圖練習(xí)相結(jié)合［2］。

3）軌道圖像和地質(zhì)圖識(shí)別和判讀。 主要介紹衛(wèi)星圖像中不同地形和特征的地質(zhì)判讀。 首先進(jìn)行軌道圖像判讀主要因素（照明條件、色調(diào)／顏色、對(duì)比度／陰影、空間布局）的理論授課，接著用地球、火星和月球的實(shí)際圖像練習(xí)判讀技能，此外還包括地質(zhì)地圖的介紹［2，10］。

4）圍繞任務(wù)設(shè)計(jì)的練習(xí)。 航天員與科學(xué)家和工程師一起討論著陸地點(diǎn)，并設(shè)計(jì)月球和火星上的地質(zhì)勘探路線，從而將地質(zhì)圖和軌道圖像知識(shí)付諸實(shí)踐，學(xué)會(huì)在實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)和操作限制之間取得平衡。 練習(xí)過(guò)程包括： ①使用衛(wèi)星圖像獲得該地區(qū)的總體視圖，并制定關(guān)于地質(zhì)組成（光譜）和景觀特征的假設(shè)； ②地面全景圖可用于觀察和預(yù)評(píng)估潛在的、有意義的露出地面的巖層；③對(duì)有意義的露出地面的巖層進(jìn)行更深入的評(píng)估，以確定具有重要性的科學(xué)區(qū)域； ④巖石的特寫視圖，包括使用顯微鏡用于確認(rèn)或辯駁通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)得出的假設(shè)［2，4］。

3.3 野外實(shí)踐課程

1）地質(zhì)采樣練習(xí)［2，4，10］。 主要是采樣工具的使用和技術(shù)的練習(xí)。 培訓(xùn)航天員使用正確的采樣方法和采樣操作，以及天體生物學(xué)采樣時(shí)防止樣本污染的程序，以確保采集到高質(zhì)量樣本。 學(xué)員還用EFB 來(lái)練習(xí)，以熟悉如何使用電子系統(tǒng)正確記錄采樣程序。

2）地域地質(zhì)概況考察練習(xí)［2，4，11］。 當(dāng)?shù)貙＜液徒虇T指導(dǎo)航天員進(jìn)行勘查現(xiàn)場(chǎng)周圍區(qū)域野外考察。 航天員練習(xí)觀察標(biāo)本和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從中推斷出該地區(qū)地質(zhì)歷史，并通過(guò)地質(zhì)圖證實(shí)觀察。 在過(guò)程中，讓航天員自己假設(shè)問(wèn)題，通過(guò)觀察和收集信息解釋問(wèn)題。 這些野外考察區(qū)域一般選在不同區(qū)域，以顯示出有所不同但具有可比性的地質(zhì)特征。

3）引導(dǎo)式地質(zhì)勘查練習(xí)［2，4，12?14］。 一般采用穿越法地質(zhì)勘查方法，在教員引導(dǎo)下進(jìn)行。 在勘查過(guò)程中，每位教員所帶航天員不超過(guò)2 人，以確保訓(xùn)練效果。 教員引導(dǎo)航天員選擇正確的露出地面的巖層和樣本，遵循預(yù)先規(guī)劃路線采集樣本，并獲得恰當(dāng)?shù)挠跋裼涗?，通過(guò)無(wú)線通訊向地面支持團(tuán)隊(duì)提供描述和觀察結(jié)果，練習(xí)清晰溝通和地質(zhì)描述技術(shù)。 在訓(xùn)練過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)靈活的彈性執(zhí)行（Flexecution）能力訓(xùn)練。

4）自主式地質(zhì)勘查練習(xí)［2，4，10?13］。 目的是讓航天員完全沉浸在野外地質(zhì)勘查過(guò)程中。 教員團(tuán)隊(duì)向乘組提出一組科學(xué)問(wèn)題，讓他們?cè)诳辈閺奈吹竭^(guò)的區(qū)域時(shí)解決。 航天員參訓(xùn)小組負(fù)責(zé)完成不同站點(diǎn)之間路線規(guī)劃，在有限的時(shí)間內(nèi)，識(shí)別、收集和記錄樣品。 教員團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)程跟蹤，在不干擾航天員活動(dòng)情況下進(jìn)行觀察，記錄行為和觀察結(jié)果。 航天員通過(guò)無(wú)線通訊與地面小組進(jìn)行溝通，對(duì)每個(gè)樣本和一般環(huán)境進(jìn)行口頭描述，并通過(guò)EFB 分享記錄信息。 地面團(tuán)隊(duì)根據(jù)收到的信息向野外小組提供建議，并與他們合作回答所提出的科學(xué)問(wèn)題。

在自主地質(zhì)勘查練習(xí)期間，進(jìn)一步強(qiáng)化了彈性執(zhí)行能力訓(xùn)練，航天員活動(dòng)仍受安全和操作的限制，但航天員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，對(duì)計(jì)劃任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，重新確定科學(xué)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)和處理意料之外的發(fā)現(xiàn)，航天員具有最終決策權(quán)，地面人員以咨詢角色存在，這與阿波羅J 任務(wù)期間的T3 訓(xùn)練策略類似。

5）分析和反饋。 在引導(dǎo)式勘查和自主勘查后，教員團(tuán)隊(duì)和航天員共同分析收集的樣本和信息。 根據(jù)所提出的科學(xué)問(wèn)題分析每個(gè)標(biāo)本的意義，地面團(tuán)隊(duì)討論乘組的觀測(cè)和地質(zhì)描述。隨后，教員團(tuán)隊(duì)將對(duì)整個(gè)活動(dòng)進(jìn)行虛擬或真實(shí)的推演，為乘組和地面團(tuán)隊(duì)提供建設(shè)性反饋。

進(jìn)行野外實(shí)踐和勘查訓(xùn)練的地點(diǎn)包括：擁有二疊紀(jì)－三疊紀(jì)巖層的意大利布萊特巴赫地質(zhì)公園，德國(guó)萊斯隕石坑地質(zhì)公園，具有復(fù)雜火山巖的西班牙蘭薩羅特島地質(zhì)公園，以及有很多斜長(zhǎng)巖的挪威羅浮敦群島地質(zhì)公園等。

ESA 自2016 年開始運(yùn)行PANGAEA 系統(tǒng)，參與者包括ESA、NASA 及Roscosmos 航天員，以及任務(wù)設(shè)計(jì)師、操作人員和工程師等，目前已成功實(shí)施4 期［15?16］，圖2、圖3 為具體訓(xùn)練場(chǎng)景［11?12］。 此外，ESA 組織的航天員洞穴訓(xùn)練也包括部分地質(zhì)學(xué)探險(xiǎn)、勘查和測(cè)繪等內(nèi)容［17］。 2016 年7 月，中國(guó)第二批航天員葉光富參加了ESA 組織的撒丁島洞穴訓(xùn)練，與其他國(guó)家5 名航天員一起在洞穴內(nèi)完成了6 天6 夜訓(xùn)練任務(wù)，圖4 為撒丁島洞穴訓(xùn)練場(chǎng)景。

圖2 PANGAEA 訓(xùn)練期間的實(shí)踐練習(xí)Fig.2 Practical exercises during PANGAEA training

圖3 2022 年西班牙蘭薩羅特島布蘭卡火山口地質(zhì)學(xué)野外實(shí)踐Fig.3 Geological field practice on the Blanca Crater of the island of Lanzarote， Spain，2022

圖4 2016 年中國(guó)航天員葉光富參加撒丁島洞穴訓(xùn)練Fig.4 Astronaut YE Guangfu participated in Sar?dinian cave training，2016

從發(fā)展趨勢(shì)上看，ESA 不僅將航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練作為必要訓(xùn)練科目，而且還在不斷豐富優(yōu)化訓(xùn)練課程體系，進(jìn)行與其他訓(xùn)練形式相結(jié)合的訓(xùn)練實(shí)踐探索，建立開放型航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，積極開展航天員訓(xùn)練國(guó)際合作。

4 國(guó)內(nèi)地質(zhì)學(xué)培訓(xùn)

4.1 中國(guó)航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練

中國(guó)航天員入選后至執(zhí)行飛行任務(wù)，訓(xùn)練包括基礎(chǔ)訓(xùn)練階段、航天專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練階段、飛行程序與任務(wù)模擬訓(xùn)練階段、強(qiáng)化訓(xùn)練與任務(wù)準(zhǔn)備階段。 在基礎(chǔ)訓(xùn)練階段，安排了與飛行相關(guān)的地理基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，并進(jìn)行了考核。 在后期訓(xùn)練階段，則結(jié)合救生與生存訓(xùn)練，安排了叢林、沙漠等地質(zhì)地貌實(shí)地觀察訓(xùn)練，并以講座形式進(jìn)行了月球地貌、天體生物學(xué)等拓展知識(shí)培訓(xùn)。

4.2 地質(zhì)學(xué)學(xué)歷教育主要課程

航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練需借鑒部分地質(zhì)學(xué)學(xué)歷教育課程設(shè)置。 以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)學(xué)專業(yè)本科教育為例，開設(shè)的課程包括學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課、實(shí)踐教學(xué)3 大類［18］。 學(xué)科基礎(chǔ)課包括地球科學(xué)概論、結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)、古生物學(xué)、地史學(xué)、晶體光學(xué)、巖石學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等；專業(yè)核心課包括遙感地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、區(qū)域大地構(gòu)造學(xué)、礦床學(xué)基礎(chǔ)、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查學(xué)等；實(shí)踐課分為地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、教學(xué)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)3 個(gè)階段。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）開設(shè)行星地質(zhì)與比較行星學(xué)二級(jí)學(xué)科，課程包括行星地質(zhì)學(xué)、行星科學(xué)導(dǎo)論、行星遙感、行星地貌地理、天體化學(xué)、天體生物學(xué)、比較行星學(xué)等。 行星地質(zhì)學(xué)是從天文學(xué)和地質(zhì)學(xué)中發(fā)展形成，借鑒傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)的方法和手段研究太陽(yáng)系中行星、衛(wèi)星、小行星、彗星和行星環(huán)等固態(tài)天體的形成和演化過(guò)程的交叉學(xué)科，根據(jù)研究對(duì)象和方向不同，可分為行星固體圈科學(xué)、行星環(huán)境科學(xué)、行星資源學(xué)、天體生物學(xué)［19］。 對(duì)地球野外極端地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行勘查、采集巖石，利用比較行星學(xué)的方法開展礦物學(xué)、生物學(xué)等分析工作，是研究行星學(xué)地質(zhì)的重要方法之一［20］。

4.3 地質(zhì)野外科考訓(xùn)練方法

以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)專業(yè)本科教育為例，實(shí)習(xí)地點(diǎn)一般選取典型自然地貌作為基地，包括北戴河實(shí)習(xí)基地、周口店實(shí)習(xí)基地等。 地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和教學(xué)實(shí)習(xí)涉及基礎(chǔ)地質(zhì)知識(shí)、技能和方法，如通過(guò)大比例尺地質(zhì)填圖訓(xùn)練，初步了解地質(zhì)調(diào)查的一般步驟，基本掌握野外地質(zhì)調(diào)查的基本內(nèi)容和方法，學(xué)會(huì)編寫地質(zhì)報(bào)告［21］。 專業(yè)實(shí)習(xí)通過(guò)實(shí)踐使學(xué)生掌握地質(zhì)工作的基本思路和方法，具備獨(dú)立解決一般地質(zhì)問(wèn)題的能力。

以貴州地質(zhì)學(xué)院野外教學(xué)實(shí)習(xí)為例，野外教學(xué)實(shí)習(xí)分為4 個(gè)階段，包括出隊(duì)及踏勘階段、測(cè)制地層剖面階段、地質(zhì)填圖階段、報(bào)告編寫及成績(jī)?cè)u(píng)定階段［22］。 在出隊(duì)及踏勘階段進(jìn)行出隊(duì)、準(zhǔn)備、踏勘、參觀剖面，要求學(xué)生初步掌握了解實(shí)習(xí)區(qū)地形、地貌特征、出露地層層序、巖石特征、古生物分布、地層接觸關(guān)系及地質(zhì)時(shí)代，為下一階段測(cè)制地質(zhì)剖面打下基礎(chǔ)。 測(cè)制地層剖面階段包括室內(nèi)教學(xué)和野外實(shí)踐教學(xué)，室內(nèi)教學(xué)包括實(shí)習(xí)剖面的方法、厚度計(jì)算、實(shí)測(cè)剖面圖及地層柱狀圖編制，巖性描述；野外實(shí)踐教學(xué)包括測(cè)制勘查地區(qū)寒武系中上統(tǒng)、奧陶系剖面、志留系剖面、泥盆系、石炭系剖面、奧陶系湄潭組上段短剖面。 填圖階段主要是對(duì)勘查地區(qū)構(gòu)造格局有總體認(rèn)識(shí)，按要求編制提交真實(shí)、準(zhǔn)確、整潔、美觀的地質(zhì)圖及構(gòu)造綱要圖。 地質(zhì)報(bào)告要求用簡(jiǎn)練文字及相應(yīng)的圖件集中反映野外地質(zhì)測(cè)量成果，揭示測(cè)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律，實(shí)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)定按野外實(shí)際工作能力、報(bào)告編寫、圖件繪制的內(nèi)容及質(zhì)量，根據(jù)實(shí)習(xí)考核項(xiàng)目辦法及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也有不少單位開發(fā)了地質(zhì)野外訓(xùn)練信息系統(tǒng)，提高了地質(zhì)野外實(shí)踐訓(xùn)練效率，例如浙江大學(xué)開發(fā)了基于Android 和Web 的野外地質(zhì)數(shù)據(jù)共享及可視化系統(tǒng)［23］，西南石油大學(xué)開發(fā)了虛擬野外地質(zhì)實(shí)習(xí)系統(tǒng)［24］等。

5 載人登月任務(wù)中國(guó)航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練思考

5.1 訓(xùn)練必要性

航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練屬于月面科考訓(xùn)練的必要科目，原因如下：

1）航天員熟悉及適應(yīng)月球地形、地貌環(huán)境的需要。 月球是一個(gè)無(wú)大氣、無(wú)水體、無(wú)生命活動(dòng)且冷熱環(huán)境劇烈變化的死寂世界，無(wú)明顯地標(biāo)特征，具有高地（月陸）、月海和撞擊坑等復(fù)雜地貌，表面形貌特征復(fù)雜。 航天員在月球表面活動(dòng)，面臨著完成操作任務(wù)的運(yùn)動(dòng)感知能力下降、方向感不明顯、1／6 重力行走和活動(dòng)方式適應(yīng)、孤獨(dú)寂寞以及與地面通訊交流延遲等困難和挑戰(zhàn)［25?26］。 選取和月球地貌相似的隕石坑、盆地、地質(zhì)公園等場(chǎng)地進(jìn)行野外地質(zhì)實(shí)踐，能夠幫助航天員熟悉和適應(yīng)月球地形及地貌環(huán)境，提高航天員在月球活動(dòng)時(shí)的方位感知能力。

2）掌握月球地質(zhì)科考技能的需要。 對(duì)地球野外極端地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行踏勘、采集巖石，利用比較行星學(xué)的方法開展礦物學(xué)、生物學(xué)等分析工作，是研究行星學(xué)地質(zhì)的重要方法之一。 在地球上地質(zhì)特征和作業(yè)條件相似的地方進(jìn)行訓(xùn)練，將有助于航天員識(shí)別相關(guān)特征，掌握月球巖石判別方法、采樣工具使用、采樣點(diǎn)選取、采樣操作、樣品封存等完成月球科考任務(wù)必備技能。

3）天地協(xié)同、深度科考的需要。 與空間站飛行任務(wù)僅按正確的程序就能實(shí)現(xiàn)實(shí)／試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不同，登月任務(wù)中觀察和識(shí)別有意義的巖石巖層、靈活溝通和應(yīng)用的能力更為關(guān)鍵，而固定的程序?qū)O大地限制可能的發(fā)現(xiàn)。 航天員月面活動(dòng)時(shí)間短、成本高，在通信延遲的情況下，航天員可能會(huì)直接或借助遙控探測(cè)器勘探復(fù)雜月球地質(zhì)環(huán)境，回答具體科學(xué)問(wèn)題，為地面研究提供盡可能多的有價(jià)值信息。 航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練，能夠使他們掌握正確的地質(zhì)學(xué)術(shù)語(yǔ)，進(jìn)行準(zhǔn)確有效描述，實(shí)現(xiàn)航天員乘組之間、航天員與地面支持團(tuán)隊(duì)之間的有效溝通和更深入的科考。

5.2 訓(xùn)練復(fù)雜性及設(shè)計(jì)要求

NASA 和ESA 進(jìn)行多年的地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練，目前尚處于不斷實(shí)踐優(yōu)化的過(guò)程，充分說(shuō)明了航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練的復(fù)雜性。 主要表現(xiàn)為：理論培訓(xùn)課程涉及面廣且大部分為天文地質(zhì)科學(xué)研究前沿，需要針對(duì)具體登月任務(wù)背景及要求開發(fā)系列培訓(xùn)內(nèi)容；地質(zhì)實(shí)踐技能種類多且專業(yè)化程度高，航天員在短時(shí)間內(nèi)需要掌握巖石識(shí)別、地質(zhì)語(yǔ)言描述、繪圖、軌道圖像和地質(zhì)圖識(shí)別和判讀、地質(zhì)采樣、地質(zhì)勘查等，對(duì)于沒有專業(yè)背景的航天員來(lái)說(shuō)訓(xùn)練難度極高；航天員執(zhí)行空間站飛行任務(wù)的訓(xùn)練要求其按照規(guī)定程序執(zhí)行，但登月地質(zhì)科考要求航天員具有更強(qiáng)的彈性執(zhí)行能力，在完成基本操作后，還要能夠根據(jù)自己的觀察判斷進(jìn)行深度科考。

航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練的復(fù)雜性，要求相應(yīng)的訓(xùn)練設(shè)計(jì)必須充分論證、科學(xué)可行，才能實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練目標(biāo)。 在進(jìn)行訓(xùn)練設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮如下要求：

1）成立航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練專業(yè)教學(xué)小組。小組成員應(yīng)包括地質(zhì)學(xué)理論專家、地質(zhì)學(xué)科考專家以及專職教員，統(tǒng)一編寫訓(xùn)練手冊(cè)及講義，開發(fā)多媒體訓(xùn)練課件等，確保野外訓(xùn)練與理論授課教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略的統(tǒng)一性，地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練與任務(wù)要求的統(tǒng)一性。 專職教員為教學(xué)小組的溝通中樞，為保證其勝任，專職教員需培訓(xùn)先行，提前參加相關(guān)地質(zhì)學(xué)培訓(xùn)或具備一定的地質(zhì)學(xué)學(xué)歷背景。

2）訓(xùn)練設(shè)計(jì)流程上進(jìn)一步強(qiáng)化執(zhí)行和評(píng)估。在ADDIE 模型5 步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步強(qiáng)化執(zhí)行和評(píng)估，包括分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、執(zhí)行1（試訓(xùn)）、評(píng)估（1）、執(zhí)行2（訓(xùn)練）、評(píng)估（2），共7 步：①通過(guò)任務(wù)分析，確定訓(xùn)練任務(wù)；②設(shè)計(jì)訓(xùn)練課程目標(biāo)，明確訓(xùn)練具體內(nèi)容；③依據(jù)課程計(jì)劃，編制訓(xùn)練手冊(cè)、講義，開發(fā)多媒體影像資料、課件或電子手冊(cè)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)等；④實(shí)施教員試訓(xùn)；⑤根據(jù)教員試訓(xùn)，對(duì)訓(xùn)練設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)，形成正式訓(xùn)練方案；⑥實(shí)施訓(xùn)練；⑦根據(jù)參訓(xùn)航天員反饋，進(jìn)行訓(xùn)練評(píng)估，形成訓(xùn)練總結(jié)，為后續(xù)訓(xùn)練提供經(jīng)驗(yàn)及改進(jìn)建議。

3）主要訓(xùn)練設(shè)計(jì)策略。 課程設(shè)計(jì)要考慮到面向沒有地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練基礎(chǔ)或者經(jīng)驗(yàn)有限的航天員進(jìn)行，課程訓(xùn)練目標(biāo)要緊扣航天員執(zhí)行任務(wù)和月面科考能力培養(yǎng)；航天員需要適當(dāng)了解培訓(xùn)行星地質(zhì)學(xué)和比較行星學(xué)基本概念和知識(shí)，并掌握地球地質(zhì)勘查知識(shí)和實(shí)踐技能。 需要更有針對(duì)性的月球地質(zhì)學(xué)培訓(xùn)，使航天員詳細(xì)掌握月球月貌分類及特征、月球地質(zhì)成分及分布、月球地質(zhì)勘探方法和手段；訓(xùn)練實(shí)施設(shè)計(jì)上，要充分考慮航天員訓(xùn)練時(shí)間的有限性，提高訓(xùn)練效率，重視理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐的連貫性和有機(jī)結(jié)合，將知識(shí)從理論學(xué)習(xí)快速轉(zhuǎn)化為實(shí)際技能和經(jīng)驗(yàn)。

5.3 實(shí)施要求

1）理論培訓(xùn)。 一般集中授課，聘請(qǐng)地質(zhì)學(xué)理論專家以確保航天員掌握正確的地質(zhì)學(xué)基本概念及最新研究進(jìn)展。 在實(shí)施過(guò)程中可穿插安排航天員到地質(zhì)博物館等現(xiàn)場(chǎng)見學(xué)，更直觀理解地質(zhì)學(xué)基本概念。 在理論培訓(xùn)后期，需要專職教員結(jié)合航天員登月任務(wù)要求、訓(xùn)練目標(biāo)進(jìn)行綜合復(fù)習(xí)指導(dǎo)，進(jìn)一步使理論內(nèi)化為航天員執(zhí)行任務(wù)的知識(shí)能力。

2）實(shí)踐練習(xí)。 應(yīng)緊接著理論培訓(xùn)后實(shí)施，也可視情在理論培訓(xùn)期間穿插進(jìn)行，可在教室、地質(zhì)博物館、野外地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練基地等，由地質(zhì)科考實(shí)踐專家講解巖石樣本識(shí)別、語(yǔ)音描述和繪圖、軌道圖像和地質(zhì)圖識(shí)別及判讀等方法和技能，航天員具體操作練習(xí)，掌握地質(zhì)考察實(shí)踐基本技能。

3）野外地質(zhì)實(shí)踐。 可依托地質(zhì)學(xué)野外訓(xùn)練基地進(jìn)行，選擇與月球地質(zhì)、地貌相似性較高的隕石坑、地質(zhì)公園等地實(shí)施。 首先，進(jìn)行初步野外練習(xí)，在教員講解下進(jìn)行基本地質(zhì)地貌認(rèn)知、野外地質(zhì)考察工具使用、分析和描述觀察結(jié)果；然后，實(shí)施一般野外練習(xí)，專業(yè)教員設(shè)計(jì)基本地質(zhì)考察問(wèn)題，航天員在教員引導(dǎo)下實(shí)踐解決具體問(wèn)題；最后，實(shí)施野外科考練習(xí)，由航天員自主完成一定的野外科考任務(wù)，可以專門安排獨(dú)立的科考任務(wù)，也可依托國(guó)內(nèi)大型地質(zhì)學(xué)科考項(xiàng)目實(shí)施。 過(guò)程中注重航天員靈活執(zhí)行任務(wù)訓(xùn)練，允許航天員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，提出優(yōu)化方案，調(diào)整科考任務(wù)優(yōu)先級(jí)。 每次進(jìn)行野外練習(xí)后，教員均要組織討論和反饋，并針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行推演，總結(jié)提高認(rèn)識(shí)和實(shí)踐能力。

4）任務(wù)模擬野外地質(zhì)訓(xùn)練。 選擇與任務(wù)登月著陸地點(diǎn)相近的地貌特征，可選擇多個(gè)不同地點(diǎn)實(shí)施，航天員按照任務(wù)設(shè)計(jì)的地質(zhì)考察路線，使用任務(wù)配置的工具，實(shí)施地質(zhì)考察和采樣，期間由地面支持團(tuán)隊(duì)模擬對(duì)航天員進(jìn)行支持和信息交互。 在完成基本科考任務(wù)的情況下，鼓勵(lì)航天員進(jìn)行靈活探索、多方位觀察，給出科學(xué)描述和科考結(jié)果。

6 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了NASA、ESA 和中國(guó)航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練進(jìn)展，以及國(guó)內(nèi)地質(zhì)學(xué)教育主要課程和方法，分析和探討航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練的必要性、訓(xùn)練設(shè)計(jì)要求、訓(xùn)練實(shí)施要求等，以期為中國(guó)載人登月任務(wù)航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練提供參考。

根據(jù)我國(guó)載人登月任務(wù)研制計(jì)劃，未來(lái)必將系統(tǒng)開展航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練。 圍繞登月任務(wù)規(guī)劃，充分借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)，論證設(shè)計(jì)出中國(guó)航天員地質(zhì)學(xué)訓(xùn)練方案，給出明確的訓(xùn)練科目和內(nèi)容、訓(xùn)練流程、訓(xùn)練實(shí)施方法等。 待基本訓(xùn)練方案確定后，可及早安排航天員地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)、地質(zhì)勘察基本技能培訓(xùn)。 考慮到工程研制和航天員訓(xùn)練并行的基本特點(diǎn)和約束，訓(xùn)練方案設(shè)計(jì)有一個(gè)細(xì)化迭代的過(guò)程。 待具體月球科考任務(wù)進(jìn)一步明確，后續(xù)需進(jìn)一步細(xì)化訓(xùn)練方案設(shè)計(jì)和試訓(xùn)驗(yàn)證，實(shí)施野外地質(zhì)實(shí)踐及任務(wù)模擬野外地質(zhì)訓(xùn)練，使航天員最終達(dá)到登月任務(wù)能力要求。