《地球概論》課程中“天球坐標(biāo)”的教學(xué)探究

張紅俠

[摘要] 《地球概論》是地理科學(xué)專業(yè)的先行基礎(chǔ)課，天球坐標(biāo)是學(xué)習(xí)地球概論課程的基礎(chǔ)，內(nèi)容抽象，規(guī)律復(fù)雜。文章首先對有關(guān)天球坐標(biāo)的教學(xué)研究進(jìn)行綜述；然后分三個層次對天球坐標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法展開分析；最后對采用的教學(xué)方法總結(jié)并討論。

[關(guān)鍵詞] 地球概論天球坐標(biāo)教學(xué)

中圖分類號: K90-0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

基金項(xiàng)目：院教改項(xiàng)目“地理專業(yè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺構(gòu)建研究——以地球概論為例”階段成果（10jyjx02012）。

《地球概論》課程是我國高等師范院校地理專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，它是研究行星地球的整體知識和一般規(guī)律的科學(xué)，主要闡述關(guān)于地球整體的基本理論和基礎(chǔ)知識，是學(xué)習(xí)和研究地理專業(yè)課程的基礎(chǔ)，起著為其他課程開路的作用，也是地理專業(yè)開設(shè)的所有課程中唯一涉及天文知識的課程[1]。同時，課程中對于天文知識的講述幾乎都建立在天球坐標(biāo)的基礎(chǔ)上。因此可以說“天球坐標(biāo)”是學(xué)習(xí)《地球概論》的基礎(chǔ)。而如何讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)快速、熟練地掌握“天球坐標(biāo)”相關(guān)知識，就成為任課教師需要認(rèn)真研究的問題。

“天球坐標(biāo)”研究綜述及教學(xué)對象分析

有關(guān)“天球坐標(biāo)”的研究，歷年來不同的學(xué)者從不同的角度展開并得出了合理的結(jié)論。如曹健（1999）在《天球坐標(biāo)的教學(xué)問題》[2]一文中認(rèn)為：“天球坐標(biāo)”集中教學(xué)比較好，在教學(xué)過程中注意球面坐標(biāo)的模式化和理清各坐標(biāo)的聯(lián)系；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合直觀教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，加深學(xué)生學(xué)習(xí)印象和掌握程度。李桂仙（2000）在《“天球坐標(biāo)系”教學(xué)探微》[3]一文中認(rèn)為：對于“天球坐標(biāo)”的教學(xué)，要找準(zhǔn)地理坐標(biāo)與其的銜接點(diǎn)，建立易于掌握的普適坐標(biāo)系模式，清楚地給出基本點(diǎn)和大圓的系統(tǒng)，從而使學(xué)生加深學(xué)習(xí)。楊柯金（2003）在《天球坐標(biāo)系的難點(diǎn)解析》[4]一文中認(rèn)為：通過對天球坐標(biāo)系的兩個難點(diǎn)“認(rèn)識天球坐標(biāo)系”和“掌握天球坐標(biāo)系間的聯(lián)系”的分析，把抽象虛幻的天球坐標(biāo)系變得具體真實(shí)，以求達(dá)到學(xué)用結(jié)合的目的。縱觀這些研究，有幾點(diǎn)共性：一是均從宏觀上把握怎么安排教學(xué)，這樣有利于學(xué)生對該部分知識的整體把握，但同時缺失了對具體知識的分解消化。二是對于教學(xué)方法的分析以文字?jǐn)⑹鰹橹?，體現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)和詳細(xì)，但缺失了圖表表示的直觀性。筆者在實(shí)際教學(xué)中觀察到大一新生對《地球概論》課程的學(xué)習(xí)，在知識的全面把握方面尚欠鍛煉，而用圖表表示教學(xué)內(nèi)容容易接受，理解較快。以下將自己對“天球坐標(biāo)”具體知識的講解進(jìn)行表述和圖示，以期對同行教學(xué)和地理及相近專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)提供借鑒。在此先說明筆者選用的教材為金祖孟、陳自悟教授編著的《地球概論》第三版。

“天球坐標(biāo)”內(nèi)容簡介及講解方法

“天球坐標(biāo)”的教學(xué)內(nèi)容可從如下層次展開：1.什么是天球？什么是天球坐標(biāo)？2.如何掌握“天球坐標(biāo)”？3.它有什么作用和地理意義？這三個問題是逐層遞進(jìn)的，首先給出定義，其次怎么去掌握，然后學(xué)習(xí)它能干什么，充分體現(xiàn)了地理教學(xué)從理論到應(yīng)用的培養(yǎng)目標(biāo)。針對這三個問題，筆者在講課過程中是如下展開的：

1.天球和天球坐標(biāo)。對這部分內(nèi)容采用類比法講解，輔以簡圖示意。地球和地理坐標(biāo)是大一新生熟悉的內(nèi)容，地球是實(shí)際存在的星體，它的形狀近似球形；地理坐標(biāo)是為了進(jìn)行地球上事物的定位而人為規(guī)定的方法。由此可以放大思維，人們?yōu)榱颂接懹钪嬷刑祗w的知識提出了天球和天球坐標(biāo)。天球是地球的無限延伸，是以地心或觀測者為球心以任意長為半徑的假想球體。天球坐標(biāo)就是為了探討宇宙中天體知識而人為規(guī)定的方法。講課過程中采用的圖示如下：

2.怎樣掌握天球坐標(biāo)。對這部分內(nèi)容采用類比和圖表歸納法講解。天球坐標(biāo)是一種方法，符合球面坐標(biāo)的基本規(guī)定，有基本大圓（簡稱基圈）、輔助大圓（簡稱輔圈）、原點(diǎn)和縱橫坐標(biāo)。只不過天球坐標(biāo)針對宇宙中的天體，涉及到它們的定位、運(yùn)動、計時等不同問題，因而有不同表現(xiàn)的天球坐標(biāo)。地理坐標(biāo)的基圈、輔圈、原點(diǎn)及坐標(biāo)名稱是固定的，天球坐標(biāo)可選擇的基圈有三個——地平圈、天赤道和黃道，分別對應(yīng)各自的輔圈，由此衍生的天球坐標(biāo)有四種（下文解釋），對應(yīng)的原點(diǎn)和坐標(biāo)名稱就有四種。一般講到這里，筆者會列出一個表格，通過對比讓學(xué)生先建立總體概念。如下所示：

教材中為了能闡述清楚“天球坐標(biāo)”這部分內(nèi)容，分為三個層次進(jìn)行，一是“天球上的圓和點(diǎn)”，二是“球面坐標(biāo)系概說”，三是四種天球坐標(biāo)詳述。針對“天球上的圓和點(diǎn)”，教材除進(jìn)行文字?jǐn)⑹鐾猓€給出了如下圖示[5]：

圖示使抽象的內(nèi)容學(xué)習(xí)具有一定的直觀性，但筆者認(rèn)為尚缺乏知識之間的聯(lián)系性。因此在教材圖示的基礎(chǔ)上，對該部分內(nèi)容采取了如下變通表示：

圖3要表達(dá)的基本信息為：虛線方框內(nèi)為三個基本大圓；隸書字體為大圓兩個極點(diǎn)；雙向箭頭表示交點(diǎn)，單向箭頭表示對其的遠(yuǎn)距點(diǎn)。至此，“天球上的圓和點(diǎn)”內(nèi)容已了然：圓指的是地平圈、天赤道和黃道，點(diǎn)指的是各自極點(diǎn)、兩者交點(diǎn)和對其遠(yuǎn)距點(diǎn)。該部分內(nèi)容一定要掌握好，因?yàn)樗抢斫夂罄m(xù)天球坐標(biāo)其他內(nèi)容的基礎(chǔ)。

關(guān)于“球面坐標(biāo)系概說”部分，教材中的講述很清楚，筆者只是在此基礎(chǔ)上提煉出“三個圈三個點(diǎn)、圈定坐標(biāo)類、點(diǎn)定坐標(biāo)值”的總結(jié)。三個圈指基圈、始圈（原點(diǎn)所在的半個輔圈）和終圈（天體所在的半個輔圈），三個點(diǎn)指極點(diǎn)、原點(diǎn)（視基圈而定）和介點(diǎn)（終圈與基圈的交點(diǎn)）；基圈決定坐標(biāo)種類；原點(diǎn)到介點(diǎn)的距離為橫坐標(biāo)值，介點(diǎn)到天體的距離為縱坐標(biāo)值。結(jié)合教材的文字和圖示（參見圖4），學(xué)生對該部分內(nèi)容的理解還是比較牢靠的。

通過上述兩步的鋪墊，學(xué)生對天球上的圓和點(diǎn)以及球面坐標(biāo)系概說的總體掌握已有一定基礎(chǔ)。關(guān)于各種天球坐標(biāo)詳述，筆者講解的思路為先總體闡述天球坐標(biāo)名稱來源和原點(diǎn)選取，然后逐一按要點(diǎn)進(jìn)行講解。天球坐標(biāo)名稱來源是以基圈定名，所以會有地平坐標(biāo)系、黃道坐標(biāo)系；因?yàn)樘斐嗟朗沁B接紐帶（參見圖3），以它命名的天球坐標(biāo)有兩個，分別是第一赤道坐標(biāo)系和第二赤道坐標(biāo)系。原點(diǎn)的選取講究“求同存異”，求同指同選“春分點(diǎn)”，存異指分選“南點(diǎn)”和“上點(diǎn)”（參見圖3）。至于始圈和終圈按球面坐標(biāo)系概述里的規(guī)定，對教材中的命名逐一解釋?？v橫坐標(biāo)的名稱也有規(guī)律可循。至此，四種天球坐標(biāo)名稱、分組和坐標(biāo)要點(diǎn)列表如下：

內(nèi)容進(jìn)行到這里，已經(jīng)打下了天球上的圓和點(diǎn)、天球坐標(biāo)概述及四種天球坐標(biāo)的基本要點(diǎn)的知識基礎(chǔ)。然后按照教材編排順序逐一進(jìn)行天球坐標(biāo)其他內(nèi)容的講述。比如說坐標(biāo)值方向的選取、確定天體不同坐標(biāo)值以及天球坐標(biāo)間關(guān)系表達(dá)式等。由于天球坐標(biāo)基礎(chǔ)知識類比講解到位，圖表示意直觀明確，學(xué)生掌握牢靠，其他內(nèi)容的學(xué)習(xí)困難就不太大，達(dá)到了有限學(xué)時盡快盡好掌握的教學(xué)目標(biāo)。

3.天球坐標(biāo)的作用及地理意義。四種天球坐標(biāo)各有其用，教材是通過文字描述的，在講課過程中筆者依然主要采用圖表加以說明。如下所示：

總結(jié)及討論

通過表3可發(fā)現(xiàn)，地球上許多地理現(xiàn)象的產(chǎn)生，如熱量條帶、晝夜長短、計時系統(tǒng)和四季更替等都是由于太陽與其之間的聯(lián)系。由此有人總結(jié)出“地上現(xiàn)象，天上原因”。對于這些地理現(xiàn)象如果要從數(shù)理推導(dǎo)的角度加以精確化和證明，天球坐標(biāo)就是很好的選擇。因此，《地球概論》是地理專業(yè)后續(xù)課程的基礎(chǔ)，而天球坐標(biāo)是學(xué)習(xí)《地球概論》的基礎(chǔ)。但正如金祖孟、陳自悟先生在《地球概論》教材中強(qiáng)調(diào)“對初學(xué)者來說，天球坐標(biāo)顯得頭緒紛繁、難以接受。這需要有一定的耐心?！苯處熢谥v課過程中除了按教材講解知識外，更需要研究教材、分析學(xué)生、鉆研教法，理清知識間的層次和聯(lián)系，爭取在有限的課時內(nèi)讓學(xué)生盡快盡好地掌握。筆者在本文中提到的分析學(xué)生實(shí)際，采用類比法、圖表結(jié)合法等分步講解天球和天球坐標(biāo)及其作用和地理意義不失為一次認(rèn)真的教學(xué)探究，并且在實(shí)際教學(xué)中獲得了良好的效果。當(dāng)然其中仍有需要改進(jìn)和提高的地方，歡迎同行和廣大師生指正。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙捷.高師地球概論課程改革探析［J］.陰山學(xué)刊,2011,25(2):96-99．

[2]曹健.天球坐標(biāo)的教學(xué)問題［J］.蘇州教育學(xué)院學(xué)報,1999,(4):78-79.

[3]李桂仙.“天球坐標(biāo)系”教學(xué)探微［J］.玉溪師范學(xué)院學(xué)報,2000,16(S1):84-87.

[4]楊柯金.天球坐標(biāo)系的難點(diǎn)解析［J］.南陽師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,2(9):97-99.

[5]金祖孟,陳自悟.地球概論(第三版)［M］.高等教育出版社,1997,10-11.

作者單位：商洛學(xué)院城鄉(xiāng)發(fā)展與管理工程系陜西商洛