Stellarium在时间系统教学中的应用

程绵绵 杨娜 李春燕 任思衡

[摘 要] 时间系统规定了时间测量的参考标准，是很多大学专业课程甚至中小学课程必须讲解的内容。针对时间系统部分教学内容抽象、不易理解的问题，阐述时间有关的基本概念，介绍常用的时间系统及其相关关系。在此基础上，提出Stellarium在时间系统教学中的一种应用方法，通过三维动态的方式模拟恒星时与真太阳时的基本过程，阐述两种时间系统的基本原理，整个过程直观形象，便于学生理解。该方法可以推广应用到多门课程的实际教学中。

[关键词] Stellarium;时间系统;恒星时;太阳时

[基金项目] 2020年度航天工程大学士官学校预研基金项目“基于Stellarium的天文测量模拟系统研究与实现”

[作者简介] 程绵绵（1990—），男，安徽安庆人，博士，航天工程大学士官学校讲师，主要从事测绘导航研究。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）30-0132-04    [收稿日期] 2021-03-22

一、引言

自然界中的一切事物包括人类社会都是在一定的时间和空间中生存、发展和消亡的，时间是最基本的物理量之一，它反映物质运动的顺序性和连续性。人们在日常生活及科学研究中都离不开时间，因此从中小学的自然和地理课程到大学的地球概论、卫星导航系统、天文测量技术等课程均需要讲解时间有关的知识。同时，时间又是一个抽象的概念，现阶段大学课堂上关于时间系统的教学大多以幻灯片动画讲解为主，这种方法不够形象具体，不易学生理解。因此，如何把抽象的时间概念讲解得具体化，是授课教师需要研究的问题。

Stellarium是一款虚拟天文馆软件，该软件可以根据观测者设置的观测时间和地点，自动计算天空中太阳、月球、行星和恒星等天体的位置，并将其显示出来，同时该软件还可以绘制天球及天球上基本的点线圈，便于人们理解天文知识和进行相关科学研究，目前已在教学中进行了一定的应用[1-5]。本文在阐述时间有关的基本概念及常用的时间系统基础上，介绍了Stellarium在时间系统教学中的一种应用，通过三维动态的方式阐述恒星时和真太阳时的基本原理，便于学生理解。

二、时间的基本概念及常用的时间系统

大学课程中，关于时间系统的教学主要讲解时间的概念、常用的时间系统及换算、时间历法及时间的传递等内容，其中时间的基本概念及常用的时间系统是其他教学内容的基础，下面对这两项教学内容进行阐述。

（一）时间的基本概念

从科学角度讲，时间的概念要从“时刻”和“时间间隔”两方面进行理解[6] （P24-27），其中“时刻”是指某一事件发生的瞬间，而“时间间隔”表示两个时刻之间的历程，可以理解成“时间段”的含义，用于描述事物运动在时间上的连续状况。对于“时间”概念的理解，除了需要理解“时间”概念本身，还需要理解“时间基准”“守时系统”“授时”等基本概念。

时间的计量需要有一个标准的公共尺度，称为时间基准。时间是建立在物质运动和变化的基础上的，物质的运动与变化又是在时间和空间中进行的。如果脱离了物质，脱离了物质的运动和变化，时间和空间都将是毫无意义的，因此时间的计量必须以物质的运动为依据，各种具体的时间计量系统都建立在对某一特定物质运动测量的基础之上。一般来说，任何一个可观测的周期性运动，如果满足均匀性、连续性和可测性都可以作为时间基准。目前，国际时间计量工作中主要选用地球自转、地球公转和电子原子的谐波震荡三种物质运动作为时间基准，从而得到不同的时间系统。

守时系统是用来建立和维持时间的频率基准，确定任一时刻的时间的系统。日常生活中，最常见的守时系统就是时钟，利用时钟可以连续向用户提供任一时刻所对应的时间。同时，由于任何一台时钟都存在一定的误差，所以需要通过一定的方式与标准时间进行比对，求出比对时刻时钟与标准时间的钟差，对时钟加以修正，以便获得较为准确的时间。如何获取正确的标准的时间，这就涉及授时的概念。

确定与保持某种时间基准，并通过一定方式把代表这种基准的时间信息传送出去供用户使用的相关工作称为授时。在古代，就有“鼓樓定更击鼓、钟楼撞钟报时”这样一项工作，其本质也是授时。现代，随着科学技术的发展进步，授时的规模和质量不断提高，授时系统可以通过电视、电话、网络、无线电、专用长波和短波电台和卫星等设施向用户传递准确的时间信息和频率信息。不同的方法具有不同的传递精度，以满足不同用户的需要。目前国际上有许多单位和机构在测定和维持各种时间系统，并通过各种方式将有关的时间和频率信息播发给用户，这些工作称为时间服务。较为著名的有国际计量局的时间部（提供国际原子时和协调世界时）、美国海军天文台。我国的时间服务是由位于西安市临潼区的中国科学院国家授时中心提供。

（二）常用的时间系统

如上所述，时间的计量需要有时间基准，同时采用不同的时间基准可以得到不同的时间系统。现阶段，常用的时间基准及得到的时间系统如图1所示。

1.以地球自转为基准。选择不同的参考点可以得到不同的时间系统，如以春分点为参考点可以得到恒星时，以真实太阳为参考点得到真太阳时，以平太阳为参考点得到平太阳时。

2.以地球公转为基准。以地球公转为基准的时间系统为历书时系统。

3.以电子、原子的谐波震荡为基准。以原子内部不同能级间跃迁辐射的频率为基准所建立的时间系统为原子时系统。

在上述时间系统基础上，通过设置一定的规则条件又可以得到其他的时间系统，如将平太阳时划分时区后可以得到世界时，将世界时的时刻与原子时的秒长折中协调可以得到协调世界时。而我国使用的标准时间—北京时间，是协调世界时基础上提前8小时的时间。除此之外，还有全球定位系统时间（Global Positioning System Time）等。