Stellaruim软件在高中地理教学中融合应用的实践探索

殷 鹏

现代网络信息技术快速发展并应用于各个领域，网络信息技术资源极为丰富。地理学科跨自然和人文两个领域，涵盖内容广、空间范围大，既有地貌、植被、土壤、城市等实体景象，同时也有宇宙、地球运动、大气等相对比较抽象的内容，对于这些抽象的知识，学生学习时理解难度较大，而天文、气象、水文等相关领域有不少专业软件，开发探索这些与地理学科相关的软件，在教学中灵活运用，往往会取得更好的教学效果。

Stellaruim是一款免费开源的虚拟星象仪软件，相当于一个虚拟的天文馆。它可以实时模拟并显示观测者所在地太阳、月球、行星和恒星等天体的位置及运动，其效果与通过肉眼、双筒望远镜或小型望远镜看到的非常相似。同时，Stellaruim还可以绘制星座，虚拟流星雨、日食和月食等天文现象。它已成为众多天文爱好者观测星空的辅助工具软件。在教学中，教师可以借助它引导学生了解星空、探索宇宙，培养学生的天文兴趣爱好，提升地理素养。经过一段时间的使用和研究，在熟练了解它的功能后，笔者发现这款软件可以很好地与地理教学融合，尤其是自然地理模块的地球运动部分。现将Stellarium的基本功能和在教学中的融合应用归纳如下。

一、Stellaruim软件的主要界面和功能

在网页上搜索“Stellaruim”，可通过安全网站下载该软件。安装完成后，打开界面就可以看到白天或夜晚的天空景象。用鼠标拖动或键盘操作可以选取观察的方向和角度，通过鼠标滑轮的滚动可以放大或缩小当前天幕。在进行教学应用前，还需要了解软件的各种功能，将鼠标移动到左下角就可以调出功能菜单，了解每一个图标的功能(如图1、图2所示)，可以更好地熟悉并应用Stellaruim，实现最佳观测效果。

图1 Stellaruim左侧功能菜单

1.左侧功能菜单介绍

所在地点：设置观察地，选择不同观察地点。

日期/时间：设置时间和日期，选择不同观察时间，特定的时间观察特殊天文现象。

星空及显示：设置天空、深空天体显示的天体类型、亮度、标示，选择不同的地景。

搜索：在已知天体的名称或编号的前提下，在星空中搜索定位该星体。

设定：对程序界面、显示信息、工具、脚本、插件等加以设定。

天文计算：对天体坐标位置、星历表、事件、高度角、图表等进行计算。

图2 Stellaruim底端功能菜单

2.底端功能菜单介绍

星座连线：将星座内的主要亮星连接起来的线。

星座标示：显示全天88个星座的名称。

星座图绘：便于星座识记，提供根据星座的形状绘出的图案。

赤道坐标网格：以赤道经纬坐标表示天球上任一天体的位置。

地平坐标网格：以地平经纬坐标表示天球上任一天体的位置。

地面：打开后显示设置的地面景观(草地、海平面、雪景、月球表面等)，关闭后可看到整个星空。

基点：显示当地的东、西、南、北四个方位点。

大气层：打开后显示在地表看到的真实视野，关闭后可以看到大气层上界观测到的星空。

深空天体：打开后可以观测到更多深空星体。

行星标签：显示行星的名称。

赤道仪/水平仪切换：切换赤道仪和地平仪观星的角度。

将已选物体置中：点击后，选中的星体自动位于屏幕正中。

夜间模式：相当于红外线模式。

目镜视图：打开后以目镜模式观察星体。

人造卫星标记：打开后可以观察到人造卫星的运动轨迹。

Stellaruim默认的观测地点是法国巴黎。在观察天空之前，首先根据需要设置观察地的地理位置。你可以打开地点设置窗口，输入观测地的经纬度，或者在全球地图上直接点击自己所在的位置，点击“set as default(设为默认值)”按钮保存设置。这样，观测者的Stellaruim星空界面就和抬头看到的星空一致了。Stellaruim提供的地点列表很详细，甚至可以覆盖到世界上绝大多数的城市级单位。

二、Stellaruim在教学中的运用

在高中地理教学中，尤其是师生普遍感觉难度较大的地球运动部分，在教学时利用Stellaruim可以将天体运动、天文现象等抽象的问题，或者时间跨度较大的太阳视运动变化、正午太阳高度的变化、月相变化等现象虚拟出来，给学生以直观的感受，从而探讨和计算更深层次的地理问题。

1.天体及天体系统

夜晚星空或白天，在去掉“大气层”的状态下，可以清晰地分辨不同类型的天体。用鼠标任意点击不同星等的星体时，会显示星体的类型、星等、距离、速度及天球坐标等数据信息。

在学习《宇宙中的地球》这一节时，可以引导学生利用该软件自主寻找恒星、星云、行星、卫星、流星等天体。放大星云时，会看到该星云的图片。太阳系的八大行星及卫星都可以点击放大看到实际的星球面貌。观察人造卫星时，打开“人造卫星标识”，加快时间流逝速度，便可以很清楚地看到一定数量的人造卫星的运动。

课外天文兴趣小组在观空过程中可打开“深空天体”功能，查找并了解双星、脉动变星、星团、星系、电离氢区、疏散星团、银河等相关数据(如图3、图4所示)。也可以在“搜索”界面，通过条件的筛选选择要观察的星体，了解与其相关的知识。

图3 爆发变星数据资料

图4 疏散星团数据资料

2.地方时的计算

Stellaruim默认地点为法国巴黎，左下角时间显示为计算机所在地的时间，UTC(世界协调时间)即为国际标准时间，UTC+8表示当地时间与国际标准时间相差8小时。“各地都有自己的地方时，经度不同的地点地方时也不同”，学生在学习这部分内容时，对同一时刻不同地点地方时理解有差异，难以形成空间想象。因此，在进行“地方时计算”教学时，可以借助软件的演示辅助学生理解。具体操作是：先打开“日期时间”设置，调出地太阳高度最高时的界面，即当地的正午地方时，比较最高点显示时间与北京时间的差值，对比两地间的经度差，进行地方时东加西减的计算；之后静止时间，打开“地点”设置，选择其他地区，观察界面中太阳的位置，理解同一时刻各地地方时存在的差异(如图5所示)。

图5 北京和东京地方时及太阳方位对比图

3.某地正午太阳高度的年变化

在“正午太阳高度的变化”部分的常规教学中，教师往往借助绘图、图表、视频等方式引导学生理解什么是正午太阳高度及其变化。联系实际，学生能感受到的只是当天的正午太阳高度，无法直观地体会其随时间变化的高低变化。在教学中教师可以借助Stellaruim软件的演示，让学生体会其在任一地点一年内的变化。具体操作是：将“地点”设置成当地，加速时间流逝速度到正午12点太阳高度最大处，将时间停止；打开“时间”设置，选择春秋分、夏至、冬至等不同时间点，即可比较正午太阳高度的年变化规律(如图6所示)。

图6 不同时期正午太阳高度的变化图

4.同一时刻不同纬度正午太阳高度的差异

不同纬度的空间跨度较大，在之前的课堂教学中，教师大多通过绘图比较角度大小来帮助学生理解正午太阳高度的差异，学生感受到的仅是数字角度的大小，脱离生活实际。运用Stellaruim软件，可以让学生自己选择日期和不同纬度的地点，通过操作演示对比不同地点正午太阳高度的大小和某一时间关于直射点的对称分布状态。具体操作是：选定日期(如3月21日)，打开“地点”设置，选取同一经线上不同纬度的地点，可以比较同一时刻不同纬度正午太阳高度的差异；切换日期，让学生总结太阳高度的空间分布规律—由直射点向两端递减(如图7所示)。

图7 正午太阳高度随纬度变化图

5.日出日落的方位

日出日落的方位判断是学生地球运动部分学习的难点，教师大多通过手绘太阳视运动轨迹图或者借助观察生活帮助学生了解太阳的东升西落方位。这样，学生仅可以观察某一时期的太阳升落方位，但无法了解全年的日出日落情况。同时，生活在北半球的学生对南半球的日出日落情况也相对陌生。在课堂教学之前，学生可以通过小组合作，选取不同的时间和地点，通过演示理解不同半球太阳的视运动情况及日出日落的方位。具体操作是：打开“时间”设置调至春秋分、夏至日、冬至日或任意时间点，可以从图8中直接观察出夏至日太阳升起方位在东北、落下方位在西北，同理，冬至日东南日出、西南日落。然后更换地点为南半球，观察日出日落的方位。注意，南半球正午太阳在北方，观测太阳的视运动时，顺应观察习惯，调整面向北方的界面。

图8 不同日期日出日落方位对比图

6.两极地区极昼时太阳视运动轨迹

两极地区地处偏远，学生的区域知识储备欠缺，尤其是极昼时期的太阳视运动轨迹更是学生难以想象和教师难以讲解的难点，如果借助Stellaruim的演示就可以很好地解决这个问题。具体操作是：打开“地点”设置，点击北极或南极地区；打开“时间”设置，选择该地区的极昼时间段，调节时间流逝速度，可以观察极昼地区太阳的视运动轨迹，关注太阳高度的最高点和最低点，结合当地地方时，理解极昼地区太阳高度的变化及最高、最低点的方位。操作时可以用水平视角(如图9所示)拖动屏幕调整观察方向，也可以选择鱼眼视角(如图10所示)观察太阳视运动轨迹。

图9 北地群岛80°N水平视角观察图

图10 北极点鱼眼视角观察图

7.北极星的仰角与当地地理纬度的关系

教学中经常会用到“北极星的仰角等于当地地理纬度”的知识点，在学习这个内容时，可带领学生绘图理解，此外，还可以通过Stellaruim的“天文计算”界面来进一步验证。具体操作是：打开“天文计算”按钮，调至“高度角”界面，选中要观测的北极星。此时界面上出现当地(北京39°54′N)观测到的一天之中的北极星的高度角变化，由于地轴指向与北极星的位置稍有偏差，高度角变化为一条曲线，其平均值39.8°N(如图11所示)即为当地的地理纬度。其他星体的高度角也可用同法算出。

图11 天文计算界面图

8.月相的变化

通过Stellaruim的“时间”设置功能可以加速时间流逝，通过演示能够帮助学生观察一个月之内月面的变化、月亮升落的时间及夜晚天空见月的时段。

(1)月相的变化

在星空中找到并放大月面，暂停时间流逝。打开“日期时间”设置，提前或推后日期，就可以观察到月面的变化(如图12所示)，放大后每天月亮的位置会发生变化，因此，当月亮移动出界面时，可以用“将已选物体置中”重新选中当天的月面使其居中。

(2)月亮升落

选择相同观察方向和角度的页面，选定月亮并将其置中。打开“日期时间”设置，调整日期提前或推后，观察月亮相对于地平线的位置变化(如图13所示)。如果出现找不到月亮的情况，即月亮在地平线下，此时关闭“地面”按钮即可观察到月亮的位置。查询当天月亮升落的时刻时，只需要将时间进行加减即可。

图12 月相变化图

图13 月亮相对于地平线的位置变化图

9.日食月食

天文现象的观察是提高学生地理学习兴趣的极好途径。教师应适时引导地理课外小组的学生了解日食月食的成因并对天文现象进行观察和记录。之后学生可以通过Stellaruim的演示来验证观察到的日食和月食过程。观察日食或月食的前提是知道日食或月食发生的时间，我国可观测到的最近一次的日食发生在2009年7月22日。利用Stellaruim观察日食时，首先设置观测地点，可以打开“地点”设置成最佳的观测地点(图14所示为武汉)。然后设置“时间”，查找日食发生的时间为2009年7月22日8:00～11:00，可以设置从8点开始观测。放大图像到合适的观测距离，关闭“大气层”，观察日、地、月三者的位置。适当加快时间可流逝的速度，到9:25左右显示日全食景观，继续加快时间可观察至日食结束(如图14所示)。

图14 日全食过程图

下一次日食预计发生于2034年3月20日，最佳观测地点为西藏北部山区的无人区，如果掌握了Stellaruim应用，就可以实时观测日全食的过程了。用同样的方法，也可以观测月食初亏、食既、食甚、生光、复圆的过程。

此外，Stellaruim软件还可以处理南北半球太阳视运动比较、昼夜长短的计算和比较等方面的问题。Stellaruim的“地点”和“时间”设置功能可以解决很多由于时间和空间跨度大造成的学习难点，适用于地理教学。同时Google Earth、气象雷达、OWeather等网络技术软件也有很多能服务于地理学科教学的内容，挖掘好其中适合教学的点也会在教学中有较好的表现。