Stellarium在“地球概论”课程教学中的辅助应用

肖锋军 常菊

[摘 要]地球概论是高等师范院校地理科学专业的一门专业基础课，也是学生们公认的较难课程之一。近年来很多院校该课程的教学课时和实验课都存在压缩情况，由此造成教学效果很难达到理想效果。根据近几年的教学实践，发现在传统教学基础上，天文软件Stellarium在天球坐标、天体周日运动、昼夜长度和太阳高度及地球的宇宙环境等教学中都可以发挥很好的辅助作用。

[关键词]天球坐标;Stellarium;辅助教学方法

[基金项目]2019—2020年度陕西师范大学中央高校基本科研业务费专项基金项目“风成沙波纹三维形态动态监测方法”（GK201903077）

[作者简介]肖锋军（1984—），男，陕西西安人，博士，陕西师范大学地理科学与旅游学院讲师，主要从事自然地理学研究。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）33-0285-02[收稿日期] 2020-03-31

一、引言

地球概論的核心是阐述地球整体的基本知识和理论，如天球坐标系、地球运动、时间的形成、四季和五带等，是学习和研究自然地理学后续课程的基础，也是中学地理的重要组成部分。由于地球概论的教学内容具有“空间性、抽象性、运动性”的特点，许多学生不能置身于这种情境中，学习起来很困难，这就要求学生具有丰富的空间想象。但是，目前的课时量、教学手段和条件很难满足要求。因此，在传统教学的基础上，配合图像、视频和动画演示再结合天文软件辅助教学，帮助学生理解教学内容并且促进学生自觉学习将显著提升教学效果。

Stellarium是一款功能强大的天文软件，可作为很好的教学工具，学生们可以在识别星座和天体及其他操作中增强对教学内容的理解。目前该软件已经用于四季星空、太阳周日运动、太阳高度和月相等中学地理教学[1-3]。该软件支持多个星空文化以及中文界面，比如西方文化和中国传统星空文化，可以同时显示天体的中国传统名称和西方名称。同时，该软件开发了电脑桌面版和手机版，且可以免费获取。手机版相对简单，主要用于户外识别星座和天体。本文主要以电脑桌面版为教学工具对课程中一些教学内容的辅助方法和注意事项展开说明。

二、辅助教学方法

1.天球坐标。天球坐标是地球概论课程的第一章，也是该课程的最难部分。同时，还对后续章节中的四季星空变化规律、天体周日运动、行星会合运动和昼夜长短计算等产生很大影响。天球坐标包括地平坐标系、第一赤道坐标系（时角坐标系）、第二赤道坐标系和黄道坐标系。从坐标系的概念出发，四个坐标系都非常简单，只要能够记住每个坐标系的圈点系统即基圈、始圈和终圈以及原点、终点和度量方向即可。但是，天球坐标属于球面坐标，而且各天球坐标系之间既有联系又有区别，这给学习带来干扰。例如：地平坐标系和第一赤道坐标系通常是不一样的，但当地平坐标系的地平圈和天赤道重合时，即观测者位于两极时，天体的赤纬和高度相等，时角和方位相等。第二赤道坐标系和黄道坐标系的原点都是春分点，但是它们的基圈一个是天赤道而另一个是黄道，所以天体在两个坐标系的经纬度都不同。另外，我们的日常生活中基本上不接触天球坐标系统。因此，很多学生在学习了这章教学内容后通常是似懂非懂，即使一些学生在学习过程中已经掌握，但在一段时间之后就基本忘记了。

依据笔者近几年的教学实践，天球坐标章节先通过传统课堂讲解、动画演示和天球仪教具演示达到理解基本理论的要求，然后再结合天文软件Stellarium将理论和实践相结合。在Stellarium软件中，先显示地平坐标系和赤道坐标系网格、方位点、二分二至点、子午圈、天赤道等信息，再结合选中天体的四个坐标系的经纬度来理解坐标系统。更进一步，通过调整地理坐标以及时间流逝功能，加深理解地平坐标系的高度和方位因地而异，时角坐标系的时角不仅因地而异而且还随时间增长，而第二赤道坐标系的赤纬和赤经以及黄道坐标系的黄纬和黄经则固定不变。借助时间流逝功能，验证天体中天时刻要按照其赤经的次序而定，且中天恒星的赤经就是当时的恒星时。需要注意的是，该软件中默认地平坐标系方位的原点为北点，需要在设置中修改为方位起算点为南点。手机版中无法修改，但是因为北点到南点是180°，所以只需在软件中天体方位数据的基础上加上180°即可。

2.天体周日运动。它是地球自转的后果之一，也是最直接反映。通常条件下，天赤道和地平圈并不重合，两者之间有一个倾角，这导致天体周日运动在地平上的轨迹是一段倾斜的弧，而且不同天体的周日运动规律也有差异，这都给理解天体周日运动带来困难。恒星的赤纬固定，因此其周日圈固定，每颗恒星都有不变的出没方位和中天高度。

在Stellarium中，首先把赤道坐标系的网格显示出来，再开启时间流逝，就会发现天体的周日圈就是它们的赤纬圈（和天赤道平行），都以仰极为绕转中心，而一地的仰极高度等于当地的地理纬度。还会发现不同恒星的周日圈和地平圈的关系也有不同，一些恒星的周日圈全部位于地平以上，即恒显星，所有恒显星所占的区域称为恒显星区;一些恒星的周日圈始终处于地平以下，即恒隐星，而且恒隐星区的范围和恒显星区相等;两者之间的恒星的周日圈则被地平圈分为两个部分，即出没星。调整地理纬度，还会发现仰极高度发生变化，且三个星区的范围也随之变化。

在Stellarium中，借助时间流逝功能，记录同一恒星每天的中天时间，会发现恒星中天时刻逐日提前4分钟。这是因为我们通常所说的一日是太阳日，它比恒星周日运动的周期长约4分钟，这也造成星空的季节变化;记录月亮每天的中天时间，就会发现月亮中天时刻逐日推迟约50分钟，这是因为太阴日比太阳日长约50分钟。还可以使用将时间增加或减少一个太阳日或太阴日的快捷键，更加便捷地观察不同周期下的星空变化规律。

3.昼夜长短和太阳高度。太阳除了参与整个天球的周日运动外，还有它们自身的巡天运动，因而它的赤纬是一个变值，造成太阳的周日圈和地平圈的关系逐日变化，即太阳早上升起地平和傍晚落下地平的方位、昼夜的长短和正午太阳高度都随之变化。

在Stellarium中，改变软件的时间，将太阳的高度尽可能调整为零，记录相应太阳每日的赤纬、方位角和时间，由此可以帮助理解公转运动给太阳赤纬带来的影响，以及借助太阳在东西方地平的时间差近似计算白天时间长短的变化。对于太阳高度特别是正午太阳高度规律的理解，可以改变软件的时间将太阳的方位角尽可能调整为零，记录太阳每日的赤纬、高度和时间，并将正午太阳高度和教材中计算公式的结果对比，借此理解地理纬度和太阳赤纬对正午太阳高度的影响。同时对比不同地理经度每天太阳中天时刻的时间，借此辅助理顺真太阳日长度以及区时、法定时间和地理经度的关系。

4.月相和朔望月。月相指月亮的视形状发生周期性的圆缺变化，本质上是地球上看到的自身不发光的月亮在太阳照射下其亮半球和暗半球的不同比例的反映，该比例主要受太阳和月亮的黄经差控制。月相的基本概念比较简单，借助动画演示以及日常月相的观测就基本可以掌握。但是，月相的周期即朔望月不是整數天，其长度为29.5306日，或29日2时44分3秒。因此，还必须和历法的知识相结合才能深入理解月相规律。

首先从日历中找到农历的初一，并将该日阳历的日期输入到Stellarium中，再依次调整小时、分钟和秒使太阳和月亮的黄经尽可能相等（黄经差等于0°），该时刻就可近似作为一个朔望月周期中新月的真正时刻;其次开启时间流逝功能，使太阳和月亮的黄经差分别为45°、90°、180°、225°、270°、315°和再次等于0°，并记录对应的月相和时间，验证月相和黄经差以及月出月落的联系;最后比较两次新月的时刻，验证朔望月周期和农历初一的设置方法。需要注意，在Stellarium中，只有把月亮的图像放大后才能看清楚月相，而不能像实际中肉眼可以直接看到月相。同时，太阳系中其他行星也有相位变化。

Stellarium还可用于地球概论其他内容的辅助教学。如可以查看太阳系行星及其卫星、识别星座和主要亮星，可以观测星云和星系等深空天体，还可以演示一些比较难观测的天象，如流星雨和日月食。

三、结语

本文介绍了天文软件Stellarium辅助地球概论课程中几个重难点教学的方法和注意事项。同时，随着对该软件的逐渐熟练使用，充分利用该软件中地理坐标可调、时间流逝和精确控制等优势，将对更多的教学内容起到辅助作用。最重要的一点，可以增强学生的学习积极性，从而提升学习效果。

参考文献

[1]贺志康.巧用虚拟天文馆软件Stellarium演示太阳周日视运动轨迹[J].地理教学，2013，（20）：58-59.

[2]周红星.利用Stellarium模拟观察月相的尝试[J].地理教学， 2014，（10）：52-54.

[3]孙超，张翠.巧用Stellarium天文软件学习“地球的运动”[J].中学地理教学，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