自制太陽周日視運(yùn)動(dòng)儀，助力地理實(shí)踐力養(yǎng)成

孫 瑞

（浙江省瑞安中學(xué), 浙江 溫州 325200）

一、引言

新教材非常注重鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的地理實(shí)踐力，在教科書的活動(dòng)題中精心設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)?zāi)M、實(shí)地觀測(cè)等實(shí)踐活動(dòng)。例如湘教版選擇性必修1《自然地理基礎(chǔ)》第一章第一節(jié)“地球的自轉(zhuǎn)”設(shè)計(jì)了太陽日與恒星日模擬實(shí)驗(yàn)、晝夜交替模擬實(shí)驗(yàn)和觀日影估算經(jīng)度三個(gè)實(shí)踐活動(dòng)，在湘教版選擇性必修1《自然地理基礎(chǔ)》第一章第二節(jié)“地球的公轉(zhuǎn)”設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易測(cè)量學(xué)校太陽高度實(shí)踐、晝夜長(zhǎng)短變化模擬實(shí)驗(yàn)兩個(gè)活動(dòng)。或許考慮到實(shí)驗(yàn)器材不完善，對(duì)學(xué)生來說理解難度較大、綜合性較強(qiáng)的太陽周日視運(yùn)動(dòng)，教材并未設(shè)計(jì)觀測(cè)實(shí)踐活動(dòng)。筆者自制太陽周日視運(yùn)動(dòng)儀嘗試填補(bǔ)這塊空白，通過儀器學(xué)生可以直觀感知太陽在天球的位置，測(cè)出各時(shí)太陽高度及方位具體數(shù)值，提高學(xué)生的方位感，增進(jìn)學(xué)生對(duì)太陽周日視運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的地理實(shí)踐力。

地球運(yùn)動(dòng)一直是學(xué)習(xí)難點(diǎn)，其中一個(gè)重要原因是學(xué)生缺乏觀測(cè)實(shí)踐，空間思維較弱。由于空間思維偏弱，學(xué)生很難準(zhǔn)確地在腦中構(gòu)建三維天球模型。由于傳統(tǒng)教學(xué)方式停留在用“二維”的黑板描畫“三維”的運(yùn)動(dòng)，學(xué)生難以對(duì)太陽周日視運(yùn)動(dòng)形成“三維”立體的理解，也不能達(dá)到新課程對(duì)落實(shí)地理實(shí)踐力的要求。基于上述考慮，筆者自制太陽周日視運(yùn)動(dòng)儀，學(xué)生通過使用該儀器進(jìn)行觀測(cè)可以加深方位的認(rèn)識(shí)、提高學(xué)生對(duì)太陽運(yùn)動(dòng)的“三維”空間的認(rèn)知、鍛煉學(xué)生的天體觀測(cè)能力，最終深度培養(yǎng)學(xué)生的地理實(shí)踐力。

二、設(shè)計(jì)原則

1.科學(xué)性

教具是驗(yàn)證原理、獲取知識(shí)的重要工具，教具設(shè)計(jì)必須科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，必須符合新課標(biāo)的要求和日常教學(xué)的需求。教具并非玩具，應(yīng)重點(diǎn)突出科學(xué)性而非趣味性。教具原理必須有充分的科學(xué)依據(jù)，能夠反映真實(shí)客觀規(guī)律。比如，太陽高度一般是相對(duì)于水平地面的高度角，考慮觀測(cè)地可能存在一定坡度，所以觀測(cè)者需要對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)平，使水平泡位于中央，確保測(cè)量在一個(gè)水平面上進(jìn)行。

2.經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性

應(yīng)盡量選取簡(jiǎn)單易得的材料或可循環(huán)利用的材料以降低成本，同時(shí)顧及教具的耐用性、直觀性。教具結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單，使用應(yīng)當(dāng)便利，呈現(xiàn)結(jié)果應(yīng)當(dāng)直觀。

3.創(chuàng)新性

設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)思路、使用工具或選取材料等方面進(jìn)行跨學(xué)科思考，打破學(xué)科邊界，繼承前人經(jīng)驗(yàn)，融合現(xiàn)代科技，才能制做出具有創(chuàng)新性的教具。筆者自制的太陽周日視運(yùn)動(dòng)儀運(yùn)用了地理學(xué)科知識(shí)和物理學(xué)科知識(shí)，利用地平式日晷的基本原理，借鑒古人智慧，融合現(xiàn)代傳感器技術(shù)，提高教具的創(chuàng)新性與精確性。

三、儀器制作

1.器材

主要器材有：①水平臺(tái)、②方位圓板、③白板筆、④帶指針的亞克力天球、⑤太陽方位角度測(cè)量?jī)x（見圖1）。

圖1 器材示意圖（1）

太陽方位角度測(cè)量?jī)x由精度可調(diào)節(jié)光敏傳感器、旋轉(zhuǎn)底座、角度測(cè)量尺等組成（見圖2）。

圖2 器材示意圖（2）

精度可調(diào)節(jié)光敏傳感器構(gòu)成：光敏電阻（檢測(cè)有無太陽光）、旋轉(zhuǎn)變阻器（調(diào)節(jié)電阻大小，控制儀器精度）、蜂鳴報(bào)警器、帶孔筆桿（選用黑色帶孔筆桿，確保光線垂直進(jìn)入，排除光線散射反射干擾）、電池、導(dǎo)線等（見圖3）。

圖3 器材示意圖（3）

精度可調(diào)節(jié)光敏傳感器的工作原理與操作方法如下。

（1）太陽光通過筆桿上端的小孔，垂直照射到筆桿底端光敏電阻。

（2）光敏電阻：接受光照后，電阻阻值變小，讓電流通過。光照越強(qiáng)，電阻越小，通過電流越大。

（3）蜂鳴報(bào)警器：電流達(dá)到閾值后發(fā)出蜂鳴警報(bào)。

（4）旋轉(zhuǎn)變阻器：通過旋鈕調(diào)節(jié)電阻大小，調(diào)節(jié)電路電流大小，提高儀器靈敏度，確保只在太陽光垂直進(jìn)入筆桿的方位，電流剛好達(dá)到蜂鳴器警報(bào)閾值。

2.使用步驟

步驟一：水平臺(tái)放置于觀測(cè)點(diǎn)后，調(diào)節(jié)水平，微調(diào)螺絲，使得水平泡剛好位于中央。

步驟二：將方位圓板放置在水平臺(tái)上，使用指南針調(diào)節(jié)方位，使圓板0度刻標(biāo)指向正北，180度刻標(biāo)指向正南（見圖4）。

圖4 方位調(diào)節(jié)示意圖

步驟三：將太陽方位角度測(cè)量?jī)x放置于方位圓板中央，左右調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)底座，上下調(diào)節(jié)角度測(cè)量尺，調(diào)節(jié)變阻器，當(dāng)蜂鳴器僅在一個(gè)方位達(dá)到閾值發(fā)出警報(bào)聲時(shí)，進(jìn)行讀數(shù)（見圖5）。在角度測(cè)量尺上讀出太陽高度角，在方位圓板上讀出太陽方位角，將數(shù)據(jù)填入觀測(cè)記錄表（見表1）。

表1 觀測(cè)記錄表

步驟四：放置亞克力天球，使天球自帶的指南針正南方對(duì)準(zhǔn)方位圓板180度刻標(biāo)（見圖6）。

圖6 天球放置示意圖

步驟五：在天球筆桿小孔正對(duì)處描點(diǎn)，連接描點(diǎn)，得到太陽周日視運(yùn)動(dòng)曲線（見圖7）。

圖7 描點(diǎn)連線示意圖

四、實(shí)操應(yīng)用

學(xué)生于2022年3月9日中午至傍晚，在校園使用該儀器進(jìn)行太陽周日視運(yùn)動(dòng)觀測(cè)，并記錄下12個(gè)點(diǎn)位信息，制作觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)表（見表2）。

表2 觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)表

12個(gè)點(diǎn)位的觀測(cè)時(shí)間主要在下午，太陽下午視運(yùn)動(dòng)曲線用實(shí)線表示；因上午未做觀測(cè)，依據(jù)太陽下午視運(yùn)動(dòng)曲線用對(duì)稱法繪制虛線（見圖8）。

圖8 繪圖示意圖

五、觀測(cè)結(jié)果分析

通過對(duì)本次觀測(cè)結(jié)果的分析，學(xué)生驗(yàn)證了2個(gè)教科書上已呈現(xiàn)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了1個(gè)新規(guī)律，生成了3個(gè)與已有知識(shí)相矛盾的疑惑，引發(fā)學(xué)生繼續(xù)思考、深入探究，最終解決疑惑得出真實(shí)規(guī)律。學(xué)生在“認(rèn)知矛盾—思考探索—困惑解決”過程中深度提升地理實(shí)踐力（見圖9）。

圖9 結(jié)果分析圖

1.教科書規(guī)律

(1)驗(yàn)證一：正午太陽高度角計(jì)算規(guī)律

查資料可知，3月9日太陽直射點(diǎn)在南緯4.5度左右，瑞安（北緯27.78度，東經(jīng)120.62度）的正午太陽高度角根據(jù)計(jì)算公式（H=90度-|當(dāng)?shù)鼐暥取乐鄙潼c(diǎn)緯度|）計(jì)算得H為57.72度。實(shí)測(cè)結(jié)果正午太陽高度約為57.6度，與計(jì)算結(jié)果相差0.12度，正午太陽高度角公式計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果大致吻合。

(2)驗(yàn)證二：日落方位規(guī)律

該日太陽直射點(diǎn)位于南半球，瑞安日落方位為西偏南。觀察太陽視運(yùn)動(dòng)曲線可知，3月9日瑞安太陽日落方向?yàn)?69度，即西偏南1度（見圖10），日落方位規(guī)律與觀測(cè)結(jié)果符合。

圖10 日落方位示意圖

2.新規(guī)律

發(fā)現(xiàn)：太陽方位變化速度與高度角變化速度規(guī)律。研究太陽周日視運(yùn)動(dòng)曲線，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)序號(hào)1、2、3、6、7、10、12位于曲線上或離曲線距離近，具備計(jì)算價(jià)值。計(jì)算觀測(cè)序號(hào)1～3可知，11時(shí)50分至12時(shí)04分太陽高度變化平均速度為每分鐘0.126度，太陽方位角變化平均速度為每分鐘0.643度；計(jì)算觀測(cè)序號(hào)6～12可知，15時(shí)20分至17時(shí)31分太陽高度變化平均速度為每分鐘0.2382度，太陽方位角變化平均速度為每分鐘0.1679度。綜上所述，中午太陽高度變化較慢，太陽方位變化較快；下午太陽高度減小較快，太陽方位變化較慢。

3.新疑惑

(1)疑惑一：到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度是否在不斷變化

學(xué)生：“為什么每次測(cè)量前都要扭動(dòng)變阻器去調(diào)整電阻大小，這是否說明太陽輻射的強(qiáng)度在不斷變化？”

教師：“這問題涉及到大氣的削弱作用與物質(zhì)組成變化，你可以調(diào)用相關(guān)知識(shí)再想想看。”

學(xué)生：“大氣中物質(zhì)組成隨時(shí)間變化，同時(shí)太陽光到達(dá)地面穿過的路徑長(zhǎng)度每時(shí)每刻在改變，比如太陽高度越大，通過大氣距離越短，被大氣削弱越少，能量越集中，到達(dá)地面太陽輻射的則越強(qiáng)，反之則越弱，所以太陽輻射強(qiáng)度一天是會(huì)不斷變化。”

(2)疑惑二：3月9日瑞安正午的真實(shí)時(shí)刻是北京時(shí)間幾點(diǎn)

學(xué)生：“通過分析觀測(cè)點(diǎn)2、3，從11點(diǎn)55分到12點(diǎn)04分太陽高度角從56度變到57.6度，瑞安經(jīng)度為東經(jīng)120.62度，與北京時(shí)間（東經(jīng)120度地方時(shí)）有著0.62度的經(jīng)度差，根據(jù)地方時(shí)計(jì)算規(guī)律，太陽高度最大值應(yīng)該出現(xiàn)在11點(diǎn)57分31.2秒左右，11點(diǎn)55分更接近11點(diǎn)57分31.2秒，為什么太陽高度反而12點(diǎn)04分更大呢？是不是說瑞安的正午應(yīng)該在北京時(shí)間11點(diǎn)57分31.2秒之后，那3月9日瑞安正午的真實(shí)時(shí)刻是北京時(shí)間幾點(diǎn)。”

教師引導(dǎo)：“眾所周知，地球自轉(zhuǎn)一周為一日，而在實(shí)際情況中，地球自轉(zhuǎn)一周并非是二十四小時(shí)整，二十四小時(shí)只是一個(gè)平均數(shù)，因?yàn)榈厍驀@太陽公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓的，所以太陽和地球的引力是不斷變化的，從而引起自轉(zhuǎn)一周時(shí)間的不同。但是這種不同是有規(guī)律的，所以我們除了消除與北京時(shí)間的時(shí)差，也必須將這部分誤差消除，才能得出真正準(zhǔn)確的真太陽時(shí)。那么3月9日瑞安正午的真實(shí)時(shí)刻是北京時(shí)間幾點(diǎn)呢？”

學(xué)生：“消除的方法是參照真太陽時(shí)時(shí)差補(bǔ)償表，進(jìn)行時(shí)差修正，根據(jù)數(shù)據(jù)的正負(fù)進(jìn)行加減。通過計(jì)算得出2022年3月9日瑞安在北京時(shí)間大約12時(shí)08分9.2秒左右達(dá)到太陽高度角最大值，即真正的正午太陽高度。同時(shí)我通過查閱虛擬天文館發(fā)現(xiàn)，12點(diǎn)08分0秒的太陽高度比12點(diǎn)07分57秒和12點(diǎn)08分15秒大（見表3）。”

表3 太陽高度部分時(shí)段日變化表

(3)疑惑三：瑞安正午太陽高度實(shí)際值為什么比計(jì)算值偏小

學(xué)生：“借助虛擬天文館可知12點(diǎn)08分0秒左右正午太陽高度達(dá)到最大，為什么虛擬天文館顯示最大的太陽高度為57度29分20.3秒（即57.52度），比算出來的正午太陽高度角H（57.72度）要小？”

教師：“我們?cè)谧鲇?jì)算時(shí)，為了掌握正午太陽高度角總體規(guī)律，所以將地球的形狀當(dāng)做正球體來處理，但地球形狀實(shí)際是赤道稍鼓兩極略扁，因此會(huì)有些差異。那如果考慮地球的真正形狀，你覺得瑞安正午太陽高度會(huì)怎么變化？”

學(xué)生：“我畫了兩者的對(duì)比圖（見圖11），假設(shè)地球是正球體，得到瑞安此時(shí)的正午高度角是圖中的∠1；如果考慮赤道稍鼓兩極略扁，得到的正午太陽高度角是∠2，∠2小于∠1，所以瑞安實(shí)際正午高度角確實(shí)會(huì)小于算出來的結(jié)果。”

圖11 正午太陽高度對(duì)比圖

六、總結(jié)

通過自制的太陽周日視運(yùn)動(dòng)儀，學(xué)生觀察記錄了太陽高度和方位，在觀測(cè)過程中學(xué)生自主動(dòng)手、主動(dòng)思考、積極解惑，保證了學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位。分析觀測(cè)結(jié)果時(shí)，學(xué)生既獲得驗(yàn)證所學(xué)規(guī)律的快樂，又有發(fā)現(xiàn)新規(guī)律的成就感。學(xué)生在面對(duì)已知規(guī)律與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生矛盾時(shí)，生成新疑惑，并自發(fā)思考探索，在“認(rèn)知矛盾—思考探索—解決困惑”中提升地理實(shí)踐力。