殷 鵬

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)快速發(fā)展并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)資源極為豐富。地理學(xué)科跨自然和人文兩個(gè)領(lǐng)域，涵蓋內(nèi)容廣、空間范圍大，既有地貌、植被、土壤、城市等實(shí)體景象，同時(shí)也有宇宙、地球運(yùn)動(dòng)、大氣等相對(duì)比較抽象的內(nèi)容，對(duì)于這些抽象的知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)理解難度較大，而天文、氣象、水文等相關(guān)領(lǐng)域有不少專(zhuān)業(yè)軟件，開(kāi)發(fā)探索這些與地理學(xué)科相關(guān)的軟件，在教學(xué)中靈活運(yùn)用，往往會(huì)取得更好的教學(xué)效果。

Stellaruim是一款免費(fèi)開(kāi)源的虛擬星象儀軟件，相當(dāng)于一個(gè)虛擬的天文館。它可以實(shí)時(shí)模擬并顯示觀測(cè)者所在地太陽(yáng)、月球、行星和恒星等天體的位置及運(yùn)動(dòng)，其效果與通過(guò)肉眼、雙筒望遠(yuǎn)鏡或小型望遠(yuǎn)鏡看到的非常相似。同時(shí)，Stellaruim還可以繪制星座，虛擬流星雨、日食和月食等天文現(xiàn)象。它已成為眾多天文愛(ài)好者觀測(cè)星空的輔助工具軟件。在教學(xué)中，教師可以借助它引導(dǎo)學(xué)生了解星空、探索宇宙，培養(yǎng)學(xué)生的天文興趣愛(ài)好，提升地理素養(yǎng)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用和研究，在熟練了解它的功能后，筆者發(fā)現(xiàn)這款軟件可以很好地與地理教學(xué)融合，尤其是自然地理模塊的地球運(yùn)動(dòng)部分?，F(xiàn)將Stellarium的基本功能和在教學(xué)中的融合應(yīng)用歸納如下。

一、Stellaruim軟件的主要界面和功能

在網(wǎng)頁(yè)上搜索“Stellaruim”，可通過(guò)安全網(wǎng)站下載該軟件。安裝完成后，打開(kāi)界面就可以看到白天或夜晚的天空景象。用鼠標(biāo)拖動(dòng)或鍵盤(pán)操作可以選取觀察的方向和角度，通過(guò)鼠標(biāo)滑輪的滾動(dòng)可以放大或縮小當(dāng)前天幕。在進(jìn)行教學(xué)應(yīng)用前，還需要了解軟件的各種功能，將鼠標(biāo)移動(dòng)到左下角就可以調(diào)出功能菜單，了解每一個(gè)圖標(biāo)的功能(如圖1、圖2所示)，可以更好地熟悉并應(yīng)用Stellaruim，實(shí)現(xiàn)最佳觀測(cè)效果。

圖1 Stellaruim左側(cè)功能菜單

1.左側(cè)功能菜單介紹

所在地點(diǎn)：設(shè)置觀察地，選擇不同觀察地點(diǎn)。

日期/時(shí)間：設(shè)置時(shí)間和日期，選擇不同觀察時(shí)間，特定的時(shí)間觀察特殊天文現(xiàn)象。

星空及顯示：設(shè)置天空、深空天體顯示的天體類(lèi)型、亮度、標(biāo)示，選擇不同的地景。

搜索：在已知天體的名稱(chēng)或編號(hào)的前提下，在星空中搜索定位該星體。

設(shè)定：對(duì)程序界面、顯示信息、工具、腳本、插件等加以設(shè)定。

天文計(jì)算：對(duì)天體坐標(biāo)位置、星歷表、事件、高度角、圖表等進(jìn)行計(jì)算。

圖2 Stellaruim底端功能菜單

2.底端功能菜單介紹

星座連線：將星座內(nèi)的主要亮星連接起來(lái)的線。

星座標(biāo)示：顯示全天88個(gè)星座的名稱(chēng)。

星座圖繪：便于星座識(shí)記，提供根據(jù)星座的形狀繪出的圖案。

赤道坐標(biāo)網(wǎng)格：以赤道經(jīng)緯坐標(biāo)表示天球上任一天體的位置。

地平坐標(biāo)網(wǎng)格：以地平經(jīng)緯坐標(biāo)表示天球上任一天體的位置。

地面：打開(kāi)后顯示設(shè)置的地面景觀(草地、海平面、雪景、月球表面等)，關(guān)閉后可看到整個(gè)星空。

基點(diǎn)：顯示當(dāng)?shù)氐臇|、西、南、北四個(gè)方位點(diǎn)。

大氣層：打開(kāi)后顯示在地表看到的真實(shí)視野，關(guān)閉后可以看到大氣層上界觀測(cè)到的星空。

深空天體：打開(kāi)后可以觀測(cè)到更多深空星體。

行星標(biāo)簽：顯示行星的名稱(chēng)。

赤道儀/水平儀切換：切換赤道儀和地平儀觀星的角度。

將已選物體置中：點(diǎn)擊后，選中的星體自動(dòng)位于屏幕正中。

夜間模式：相當(dāng)于紅外線模式。

目鏡視圖：打開(kāi)后以目鏡模式觀察星體。

人造衛(wèi)星標(biāo)記：打開(kāi)后可以觀察到人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡。

Stellaruim默認(rèn)的觀測(cè)地點(diǎn)是法國(guó)巴黎。在觀察天空之前，首先根據(jù)需要設(shè)置觀察地的地理位置。你可以打開(kāi)地點(diǎn)設(shè)置窗口，輸入觀測(cè)地的經(jīng)緯度，或者在全球地圖上直接點(diǎn)擊自己所在的位置，點(diǎn)擊“set as default(設(shè)為默認(rèn)值)”按鈕保存設(shè)置。這樣，觀測(cè)者的Stellaruim星空界面就和抬頭看到的星空一致了。Stellaruim提供的地點(diǎn)列表很詳細(xì)，甚至可以覆蓋到世界上絕大多數(shù)的城市級(jí)單位。

二、Stellaruim在教學(xué)中的運(yùn)用

在高中地理教學(xué)中，尤其是師生普遍感覺(jué)難度較大的地球運(yùn)動(dòng)部分，在教學(xué)時(shí)利用Stellaruim可以將天體運(yùn)動(dòng)、天文現(xiàn)象等抽象的問(wèn)題，或者時(shí)間跨度較大的太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)變化、正午太陽(yáng)高度的變化、月相變化等現(xiàn)象虛擬出來(lái)，給學(xué)生以直觀的感受，從而探討和計(jì)算更深層次的地理問(wèn)題。

1.天體及天體系統(tǒng)

夜晚星空或白天，在去掉“大氣層”的狀態(tài)下，可以清晰地分辨不同類(lèi)型的天體。用鼠標(biāo)任意點(diǎn)擊不同星等的星體時(shí)，會(huì)顯示星體的類(lèi)型、星等、距離、速度及天球坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息。

在學(xué)習(xí)《宇宙中的地球》這一節(jié)時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生利用該軟件自主尋找恒星、星云、行星、衛(wèi)星、流星等天體。放大星云時(shí)，會(huì)看到該星云的圖片。太陽(yáng)系的八大行星及衛(wèi)星都可以點(diǎn)擊放大看到實(shí)際的星球面貌。觀察人造衛(wèi)星時(shí)，打開(kāi)“人造衛(wèi)星標(biāo)識(shí)”，加快時(shí)間流逝速度，便可以很清楚地看到一定數(shù)量的人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。

課外天文興趣小組在觀空過(guò)程中可打開(kāi)“深空天體”功能，查找并了解雙星、脈動(dòng)變星、星團(tuán)、星系、電離氫區(qū)、疏散星團(tuán)、銀河等相關(guān)數(shù)據(jù)(如圖3、圖4所示)。也可以在“搜索”界面，通過(guò)條件的篩選選擇要觀察的星體，了解與其相關(guān)的知識(shí)。

圖3 爆發(fā)變星數(shù)據(jù)資料

圖4 疏散星團(tuán)數(shù)據(jù)資料

2.地方時(shí)的計(jì)算

Stellaruim默認(rèn)地點(diǎn)為法國(guó)巴黎，左下角時(shí)間顯示為計(jì)算機(jī)所在地的時(shí)間，UTC(世界協(xié)調(diào)時(shí)間)即為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，UTC+8表示當(dāng)?shù)貢r(shí)間與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相差8小時(shí)?！案鞯囟加凶约旱牡胤綍r(shí)，經(jīng)度不同的地點(diǎn)地方時(shí)也不同”，學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)，對(duì)同一時(shí)刻不同地點(diǎn)地方時(shí)理解有差異，難以形成空間想象。因此，在進(jìn)行“地方時(shí)計(jì)算”教學(xué)時(shí)，可以借助軟件的演示輔助學(xué)生理解。具體操作是：先打開(kāi)“日期時(shí)間”設(shè)置，調(diào)出地太陽(yáng)高度最高時(shí)的界面，即當(dāng)?shù)氐恼绲胤綍r(shí)，比較最高點(diǎn)顯示時(shí)間與北京時(shí)間的差值，對(duì)比兩地間的經(jīng)度差，進(jìn)行地方時(shí)東加西減的計(jì)算；之后靜止時(shí)間，打開(kāi)“地點(diǎn)”設(shè)置，選擇其他地區(qū)，觀察界面中太陽(yáng)的位置，理解同一時(shí)刻各地地方時(shí)存在的差異(如圖5所示)。

圖5 北京和東京地方時(shí)及太陽(yáng)方位對(duì)比圖

3.某地正午太陽(yáng)高度的年變化

在“正午太陽(yáng)高度的變化”部分的常規(guī)教學(xué)中，教師往往借助繪圖、圖表、視頻等方式引導(dǎo)學(xué)生理解什么是正午太陽(yáng)高度及其變化。聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生能感受到的只是當(dāng)天的正午太陽(yáng)高度，無(wú)法直觀地體會(huì)其隨時(shí)間變化的高低變化。在教學(xué)中教師可以借助Stellaruim軟件的演示，讓學(xué)生體會(huì)其在任一地點(diǎn)一年內(nèi)的變化。具體操作是：將“地點(diǎn)”設(shè)置成當(dāng)?shù)兀铀贂r(shí)間流逝速度到正午12點(diǎn)太陽(yáng)高度最大處，將時(shí)間停止；打開(kāi)“時(shí)間”設(shè)置，選擇春秋分、夏至、冬至等不同時(shí)間點(diǎn)，即可比較正午太陽(yáng)高度的年變化規(guī)律(如圖6所示)。

圖6 不同時(shí)期正午太陽(yáng)高度的變化圖

4.同一時(shí)刻不同緯度正午太陽(yáng)高度的差異

不同緯度的空間跨度較大，在之前的課堂教學(xué)中，教師大多通過(guò)繪圖比較角度大小來(lái)幫助學(xué)生理解正午太陽(yáng)高度的差異，學(xué)生感受到的僅是數(shù)字角度的大小，脫離生活實(shí)際。運(yùn)用Stellaruim軟件，可以讓學(xué)生自己選擇日期和不同緯度的地點(diǎn)，通過(guò)操作演示對(duì)比不同地點(diǎn)正午太陽(yáng)高度的大小和某一時(shí)間關(guān)于直射點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)分布狀態(tài)。具體操作是：選定日期(如3月21日)，打開(kāi)“地點(diǎn)”設(shè)置，選取同一經(jīng)線上不同緯度的地點(diǎn)，可以比較同一時(shí)刻不同緯度正午太陽(yáng)高度的差異；切換日期，讓學(xué)生總結(jié)太陽(yáng)高度的空間分布規(guī)律—由直射點(diǎn)向兩端遞減(如圖7所示)。

圖7 正午太陽(yáng)高度隨緯度變化圖

5.日出日落的方位

日出日落的方位判斷是學(xué)生地球運(yùn)動(dòng)部分學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，教師大多通過(guò)手繪太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡圖或者借助觀察生活幫助學(xué)生了解太陽(yáng)的東升西落方位。這樣，學(xué)生僅可以觀察某一時(shí)期的太陽(yáng)升落方位，但無(wú)法了解全年的日出日落情況。同時(shí)，生活在北半球的學(xué)生對(duì)南半球的日出日落情況也相對(duì)陌生。在課堂教學(xué)之前，學(xué)生可以通過(guò)小組合作，選取不同的時(shí)間和地點(diǎn)，通過(guò)演示理解不同半球太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)情況及日出日落的方位。具體操作是：打開(kāi)“時(shí)間”設(shè)置調(diào)至春秋分、夏至日、冬至日或任意時(shí)間點(diǎn)，可以從圖8中直接觀察出夏至日太陽(yáng)升起方位在東北、落下方位在西北，同理，冬至日東南日出、西南日落。然后更換地點(diǎn)為南半球，觀察日出日落的方位。注意，南半球正午太陽(yáng)在北方，觀測(cè)太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)時(shí)，順應(yīng)觀察習(xí)慣，調(diào)整面向北方的界面。

圖8 不同日期日出日落方位對(duì)比圖

6.兩極地區(qū)極晝時(shí)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡

兩極地區(qū)地處偏遠(yuǎn)，學(xué)生的區(qū)域知識(shí)儲(chǔ)備欠缺，尤其是極晝時(shí)期的太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡更是學(xué)生難以想象和教師難以講解的難點(diǎn)，如果借助Stellaruim的演示就可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。具體操作是：打開(kāi)“地點(diǎn)”設(shè)置，點(diǎn)擊北極或南極地區(qū)；打開(kāi)“時(shí)間”設(shè)置，選擇該地區(qū)的極晝時(shí)間段，調(diào)節(jié)時(shí)間流逝速度，可以觀察極晝地區(qū)太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)軌跡，關(guān)注太陽(yáng)高度的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐胤綍r(shí)，理解極晝地區(qū)太陽(yáng)高度的變化及最高、最低點(diǎn)的方位。操作時(shí)可以用水平視角(如圖9所示)拖動(dòng)屏幕調(diào)整觀察方向，也可以選擇魚(yú)眼視角(如圖10所示)觀察太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖9 北地群島80°N水平視角觀察圖

圖10 北極點(diǎn)魚(yú)眼視角觀察圖

7.北極星的仰角與當(dāng)?shù)氐乩砭暥鹊年P(guān)系

教學(xué)中經(jīng)常會(huì)用到“北極星的仰角等于當(dāng)?shù)氐乩砭暥取钡闹R(shí)點(diǎn)，在學(xué)習(xí)這個(gè)內(nèi)容時(shí)，可帶領(lǐng)學(xué)生繪圖理解，此外，還可以通過(guò)Stellaruim的“天文計(jì)算”界面來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。具體操作是：打開(kāi)“天文計(jì)算”按鈕，調(diào)至“高度角”界面，選中要觀測(cè)的北極星。此時(shí)界面上出現(xiàn)當(dāng)?shù)?北京39°54′N(xiāo))觀測(cè)到的一天之中的北極星的高度角變化，由于地軸指向與北極星的位置稍有偏差，高度角變化為一條曲線，其平均值39.8°N(如圖11所示)即為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?。其他星體的高度角也可用同法算出。

圖11 天文計(jì)算界面圖

8.月相的變化

通過(guò)Stellaruim的“時(shí)間”設(shè)置功能可以加速時(shí)間流逝，通過(guò)演示能夠幫助學(xué)生觀察一個(gè)月之內(nèi)月面的變化、月亮升落的時(shí)間及夜晚天空見(jiàn)月的時(shí)段。

(1)月相的變化

在星空中找到并放大月面，暫停時(shí)間流逝。打開(kāi)“日期時(shí)間”設(shè)置，提前或推后日期，就可以觀察到月面的變化(如圖12所示)，放大后每天月亮的位置會(huì)發(fā)生變化，因此，當(dāng)月亮移動(dòng)出界面時(shí)，可以用“將已選物體置中”重新選中當(dāng)天的月面使其居中。

(2)月亮升落

選擇相同觀察方向和角度的頁(yè)面，選定月亮并將其置中。打開(kāi)“日期時(shí)間”設(shè)置，調(diào)整日期提前或推后，觀察月亮相對(duì)于地平線的位置變化(如圖13所示)。如果出現(xiàn)找不到月亮的情況，即月亮在地平線下，此時(shí)關(guān)閉“地面”按鈕即可觀察到月亮的位置。查詢(xún)當(dāng)天月亮升落的時(shí)刻時(shí)，只需要將時(shí)間進(jìn)行加減即可。

圖12 月相變化圖

圖13 月亮相對(duì)于地平線的位置變化圖

9.日食月食

天文現(xiàn)象的觀察是提高學(xué)生地理學(xué)習(xí)興趣的極好途徑。教師應(yīng)適時(shí)引導(dǎo)地理課外小組的學(xué)生了解日食月食的成因并對(duì)天文現(xiàn)象進(jìn)行觀察和記錄。之后學(xué)生可以通過(guò)Stellaruim的演示來(lái)驗(yàn)證觀察到的日食和月食過(guò)程。觀察日食或月食的前提是知道日食或月食發(fā)生的時(shí)間，我國(guó)可觀測(cè)到的最近一次的日食發(fā)生在2009年7月22日。利用Stellaruim觀察日食時(shí)，首先設(shè)置觀測(cè)地點(diǎn)，可以打開(kāi)“地點(diǎn)”設(shè)置成最佳的觀測(cè)地點(diǎn)(圖14所示為武漢)。然后設(shè)置“時(shí)間”，查找日食發(fā)生的時(shí)間為2009年7月22日8:00～11:00，可以設(shè)置從8點(diǎn)開(kāi)始觀測(cè)。放大圖像到合適的觀測(cè)距離，關(guān)閉“大氣層”，觀察日、地、月三者的位置。適當(dāng)加快時(shí)間可流逝的速度，到9:25左右顯示日全食景觀，繼續(xù)加快時(shí)間可觀察至日食結(jié)束(如圖14所示)。

圖14 日全食過(guò)程圖

下一次日食預(yù)計(jì)發(fā)生于2034年3月20日，最佳觀測(cè)地點(diǎn)為西藏北部山區(qū)的無(wú)人區(qū)，如果掌握了Stellaruim應(yīng)用，就可以實(shí)時(shí)觀測(cè)日全食的過(guò)程了。用同樣的方法，也可以觀測(cè)月食初虧、食既、食甚、生光、復(fù)圓的過(guò)程。

此外，Stellaruim軟件還可以處理南北半球太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)比較、晝夜長(zhǎng)短的計(jì)算和比較等方面的問(wèn)題。Stellaruim的“地點(diǎn)”和“時(shí)間”設(shè)置功能可以解決很多由于時(shí)間和空間跨度大造成的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，適用于地理教學(xué)。同時(shí)Google Earth、氣象雷達(dá)、OWeather等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)軟件也有很多能服務(wù)于地理學(xué)科教學(xué)的內(nèi)容，挖掘好其中適合教學(xué)的點(diǎn)也會(huì)在教學(xué)中有較好的表現(xiàn)。