Stellarium在“地球概論”課程教學中的輔助應用

肖鋒軍 常菊

[摘 要]地球概論是高等師范院校地理科學專業的一門專業基礎課，也是學生們公認的較難課程之一。近年來很多院校該課程的教學課時和實驗課都存在壓縮情況，由此造成教學效果很難達到理想效果。根據近幾年的教學實踐，發現在傳統教學基礎上，天文軟件Stellarium在天球坐標、天體周日運動、晝夜長度和太陽高度及地球的宇宙環境等教學中都可以發揮很好的輔助作用。

[關鍵詞]天球坐標;Stellarium;輔助教學方法

[基金項目]2019—2020年度陜西師范大學中央高?；究蒲袠I務費專項基金項目“風成沙波紋三維形態動態監測方法”（GK201903077）

[作者簡介]肖鋒軍（1984—），男，陜西西安人，博士，陜西師范大學地理科學與旅游學院講師，主要從事自然地理學研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）33-0285-02[收稿日期] 2020-03-31

一、引言

地球概論的核心是闡述地球整體的基本知識和理論，如天球坐標系、地球運動、時間的形成、四季和五帶等，是學習和研究自然地理學后續課程的基礎，也是中學地理的重要組成部分。由于地球概論的教學內容具有“空間性、抽象性、運動性”的特點，許多學生不能置身于這種情境中，學習起來很困難，這就要求學生具有豐富的空間想象。但是，目前的課時量、教學手段和條件很難滿足要求。因此，在傳統教學的基礎上，配合圖像、視頻和動畫演示再結合天文軟件輔助教學，幫助學生理解教學內容并且促進學生自覺學習將顯著提升教學效果。

Stellarium是一款功能強大的天文軟件，可作為很好的教學工具，學生們可以在識別星座和天體及其他操作中增強對教學內容的理解。目前該軟件已經用于四季星空、太陽周日運動、太陽高度和月相等中學地理教學[1-3]。該軟件支持多個星空文化以及中文界面，比如西方文化和中國傳統星空文化，可以同時顯示天體的中國傳統名稱和西方名稱。同時，該軟件開發了電腦桌面版和手機版，且可以免費獲取。手機版相對簡單，主要用于戶外識別星座和天體。本文主要以電腦桌面版為教學工具對課程中一些教學內容的輔助方法和注意事項展開說明。

二、輔助教學方法

1.天球坐標。天球坐標是地球概論課程的第一章，也是該課程的最難部分。同時，還對后續章節中的四季星空變化規律、天體周日運動、行星會合運動和晝夜長短計算等產生很大影響。天球坐標包括地平坐標系、第一赤道坐標系（時角坐標系）、第二赤道坐標系和黃道坐標系。從坐標系的概念出發，四個坐標系都非常簡單，只要能夠記住每個坐標系的圈點系統即基圈、始圈和終圈以及原點、終點和度量方向即可。但是，天球坐標屬于球面坐標，而且各天球坐標系之間既有聯系又有區別，這給學習帶來干擾。例如：地平坐標系和第一赤道坐標系通常是不一樣的，但當地平坐標系的地平圈和天赤道重合時，即觀測者位于兩極時，天體的赤緯和高度相等，時角和方位相等。第二赤道坐標系和黃道坐標系的原點都是春分點，但是它們的基圈一個是天赤道而另一個是黃道，所以天體在兩個坐標系的經緯度都不同。另外，我們的日常生活中基本上不接觸天球坐標系統。因此，很多學生在學習了這章教學內容后通常是似懂非懂，即使一些學生在學習過程中已經掌握，但在一段時間之后就基本忘記了。

依據筆者近幾年的教學實踐，天球坐標章節先通過傳統課堂講解、動畫演示和天球儀教具演示達到理解基本理論的要求，然后再結合天文軟件Stellarium將理論和實踐相結合。在Stellarium軟件中，先顯示地平坐標系和赤道坐標系網格、方位點、二分二至點、子午圈、天赤道等信息，再結合選中天體的四個坐標系的經緯度來理解坐標系統。更進一步，通過調整地理坐標以及時間流逝功能，加深理解地平坐標系的高度和方位因地而異，時角坐標系的時角不僅因地而異而且還隨時間增長，而第二赤道坐標系的赤緯和赤經以及黃道坐標系的黃緯和黃經則固定不變。借助時間流逝功能，驗證天體中天時刻要按照其赤經的次序而定，且中天恒星的赤經就是當時的恒星時。需要注意的是，該軟件中默認地平坐標系方位的原點為北點，需要在設置中修改為方位起算點為南點。手機版中無法修改，但是因為北點到南點是180°，所以只需在軟件中天體方位數據的基礎上加上180°即可。

2.天體周日運動。它是地球自轉的后果之一，也是最直接反映。通常條件下，天赤道和地平圈并不重合，兩者之間有一個傾角，這導致天體周日運動在地平上的軌跡是一段傾斜的弧，而且不同天體的周日運動規律也有差異，這都給理解天體周日運動帶來困難。恒星的赤緯固定，因此其周日圈固定，每顆恒星都有不變的出沒方位和中天高度。

在Stellarium中，首先把赤道坐標系的網格顯示出來，再開啟時間流逝，就會發現天體的周日圈就是它們的赤緯圈（和天赤道平行），都以仰極為繞轉中心，而一地的仰極高度等于當地的地理緯度。還會發現不同恒星的周日圈和地平圈的關系也有不同，一些恒星的周日圈全部位于地平以上，即恒顯星，所有恒顯星所占的區域稱為恒顯星區;一些恒星的周日圈始終處于地平以下，即恒隱星，而且恒隱星區的范圍和恒顯星區相等;兩者之間的恒星的周日圈則被地平圈分為兩個部分，即出沒星。調整地理緯度，還會發現仰極高度發生變化，且三個星區的范圍也隨之變化。

在Stellarium中，借助時間流逝功能，記錄同一恒星每天的中天時間，會發現恒星中天時刻逐日提前4分鐘。這是因為我們通常所說的一日是太陽日，它比恒星周日運動的周期長約4分鐘，這也造成星空的季節變化;記錄月亮每天的中天時間，就會發現月亮中天時刻逐日推遲約50分鐘，這是因為太陰日比太陽日長約50分鐘。還可以使用將時間增加或減少一個太陽日或太陰日的快捷鍵，更加便捷地觀察不同周期下的星空變化規律。

3.晝夜長短和太陽高度。太陽除了參與整個天球的周日運動外，還有它們自身的巡天運動，因而它的赤緯是一個變值，造成太陽的周日圈和地平圈的關系逐日變化，即太陽早上升起地平和傍晚落下地平的方位、晝夜的長短和正午太陽高度都隨之變化。

在Stellarium中，改變軟件的時間，將太陽的高度盡可能調整為零，記錄相應太陽每日的赤緯、方位角和時間，由此可以幫助理解公轉運動給太陽赤緯帶來的影響，以及借助太陽在東西方地平的時間差近似計算白天時間長短的變化。對于太陽高度特別是正午太陽高度規律的理解，可以改變軟件的時間將太陽的方位角盡可能調整為零，記錄太陽每日的赤緯、高度和時間，并將正午太陽高度和教材中計算公式的結果對比，借此理解地理緯度和太陽赤緯對正午太陽高度的影響。同時對比不同地理經度每天太陽中天時刻的時間，借此輔助理順真太陽日長度以及區時、法定時間和地理經度的關系。

4.月相和朔望月。月相指月亮的視形狀發生周期性的圓缺變化，本質上是地球上看到的自身不發光的月亮在太陽照射下其亮半球和暗半球的不同比例的反映，該比例主要受太陽和月亮的黃經差控制。月相的基本概念比較簡單，借助動畫演示以及日常月相的觀測就基本可以掌握。但是，月相的周期即朔望月不是整數天，其長度為29.5306日，或29日2時44分3秒。因此，還必須和歷法的知識相結合才能深入理解月相規律。

首先從日歷中找到農歷的初一，并將該日陽歷的日期輸入到Stellarium中，再依次調整小時、分鐘和秒使太陽和月亮的黃經盡可能相等（黃經差等于0°），該時刻就可近似作為一個朔望月周期中新月的真正時刻;其次開啟時間流逝功能，使太陽和月亮的黃經差分別為45°、90°、180°、225°、270°、315°和再次等于0°，并記錄對應的月相和時間，驗證月相和黃經差以及月出月落的聯系;最后比較兩次新月的時刻，驗證朔望月周期和農歷初一的設置方法。需要注意，在Stellarium中，只有把月亮的圖像放大后才能看清楚月相，而不能像實際中肉眼可以直接看到月相。同時，太陽系中其他行星也有相位變化。

Stellarium還可用于地球概論其他內容的輔助教學。如可以查看太陽系行星及其衛星、識別星座和主要亮星，可以觀測星云和星系等深空天體，還可以演示一些比較難觀測的天象，如流星雨和日月食。

三、結語

本文介紹了天文軟件Stellarium輔助地球概論課程中幾個重難點教學的方法和注意事項。同時，隨著對該軟件的逐漸熟練使用，充分利用該軟件中地理坐標可調、時間流逝和精確控制等優勢，將對更多的教學內容起到輔助作用。最重要的一點，可以增強學生的學習積極性，從而提升學習效果。

參考文獻

[1]賀志康.巧用虛擬天文館軟件Stellarium演示太陽周日視運動軌跡[J].地理教學，2013，（20）：58-59.

[2]周紅星.利用Stellarium模擬觀察月相的嘗試[J].地理教學， 2014，（10）：52-54.

[3]孫超，張翠.巧用Stellarium天文軟件學習“地球的運動”[J].中學地理教學，2017，（2）：43-45.

The Auxiliary Application of Stellarium in the Teaching of Introduction to Earth Course

XIAO Feng-jun， CHANG Ju

（College of Geography and Tourism， Shaanxi Normal University， Xi'an， Shaanxi 710119， China）

Abstract： The Introduction to Earth is a professional basic course of geography in normal universities， which is also one of the most difficult courses for students. In recent years， the teaching hours and experiment classes of this course in many colleges and universities have been compressed， which makes it difficult for the teaching effect to achieve the desired effect. According to the teaching practice， it is found that on the basis of traditional teaching， Stellarium， an astronomy software， can play a very good auxiliary role in the teaching of celestial coordinates， diurnal motion of celestial bodies， the length of day and night， the height of the sun and the cosmic environment of earth.

Key words： celestial coordinate system; Stellarium; auxiliary teaching method