高師地球概論天球坐標(biāo)教學(xué)淺析

趙捷　張慶輝　程莉

摘要：天球坐標(biāo)知識是地球概論課程中的基礎(chǔ)知識，是了解宇宙環(huán)境和地球運(yùn)動及地理意義及時(shí)間計(jì)算的最基本知識內(nèi)容，可以說，天球坐標(biāo)知識的學(xué)習(xí)是地球概論教學(xué)的一個(gè)突破口，它為后續(xù)的知識學(xué)習(xí)起到了良好的奠基作用。同時(shí)也可以很好地解釋其他關(guān)于天文知識的內(nèi)容。比如地球上的“正午太陽高度計(jì)算、晝夜長短變化規(guī)律”需要用到時(shí)角和赤緯，“地球運(yùn)動”規(guī)律及意義需要用到黃道、地平高度，視太陽日長短變化需要用到時(shí)角、赤經(jīng)及黃經(jīng)，有關(guān)時(shí)間計(jì)算需要用到時(shí)角坐標(biāo)系，地理信息系統(tǒng)專業(yè)中的全球定位內(nèi)容需要用到天球坐標(biāo)知識內(nèi)容等。

關(guān)鍵詞：天球坐標(biāo)；教學(xué)；坐標(biāo)系

中圖分類號：G633.91

一、天球坐標(biāo)知識內(nèi)容概述

1.球面坐標(biāo)系的總體特征

天球坐標(biāo)系是球面坐標(biāo)系的一種，它的建立需要有橫軸、縱軸、原點(diǎn)、橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。球面座標(biāo)系都有一個(gè)基本的大圓，稱為基圈；通過基圈的兩級，垂直于基圈的所有大圓稱為輔圈；通過原點(diǎn)的輔圈，叫做始圈；終圈與基圈的交點(diǎn)，叫做介點(diǎn)；以基圈、始圈和終圈為球面三角形建立了球面坐標(biāo)系的-般模式。球面上任一點(diǎn)相對于基圈的方向與角距離，用緯度表示，是點(diǎn)的縱坐標(biāo)；球面上任一點(diǎn)所在的輔圈平面相對于始圈平面的方向和角距離，用經(jīng)度表示，是點(diǎn)的橫坐標(biāo)。三個(gè)圈指基圈、始圈和終圈，三個(gè)點(diǎn)指極點(diǎn)、原點(diǎn)和介點(diǎn)。

2.球面坐標(biāo)系的類型

地平坐標(biāo)系主要是天體的高度和方位，它們因時(shí)因地而不同；第一赤道坐標(biāo)系是赤緯和時(shí)角，赤緯是恒定不變的，但是天體的時(shí)角卻因時(shí)刻和經(jīng)度而不同；第二赤道坐標(biāo)系是赤緯和赤經(jīng)，主要用于表示天體在天球上相對不變的位置，用于編制星表；黃道坐標(biāo)系是黃緯和黃經(jīng)，是用來表示日月行星的位置及其運(yùn)動。

3.各種坐標(biāo)系的區(qū)別和聯(lián)系

（1）區(qū)別：地平、赤道、黃道坐標(biāo)系有不同的基圈；第一赤道坐標(biāo)系和第二赤道坐標(biāo)系有不同的原點(diǎn)和始圈；天球坐標(biāo)系中的緯度有高度、赤緯和黃緯；天球坐標(biāo)系中的經(jīng)度有方位、時(shí)角、赤經(jīng)和黃經(jīng)。

（2）聯(lián)系：地平坐標(biāo)系和第一赤道坐標(biāo)系中有相同的始圈。二者的聯(lián)系即仰極高度=天頂赤緯=當(dāng)?shù)鼐暥?；第一、第二赤道坐?biāo)系有相同的基圈，因而有相同的緯度（赤緯）；二者的聯(lián)系與當(dāng)時(shí)的恒星時(shí)有關(guān)，即當(dāng)時(shí)恒星時(shí)=天體赤經(jīng)+天體當(dāng)時(shí)時(shí)角；第二赤道坐標(biāo)系和黃道坐標(biāo)有共同的原點(diǎn)。

二、天球坐標(biāo)教學(xué)中常出現(xiàn)的問題

1.球面要素種類繁多，容易混淆

三個(gè)基本大圓：地平圈，天赤道，黃道；大圓的極點(diǎn)：天頂和天底；天北極和天南極；黃北極和黃南極。大圓的交點(diǎn)：東點(diǎn)和西點(diǎn)；春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)。 這些基本的圓、點(diǎn)構(gòu)成了球面坐標(biāo)的要素，而且同一圓圈在不同的坐標(biāo)系中稱呼不同，因此容易造成知識之間的混淆。

2.建立空間概念、培養(yǎng)空間思維能力較為困難

由于天球坐標(biāo)是球面坐標(biāo)，因此需要學(xué)生建立良好的空間概念，處于不同的地點(diǎn)，能夠馬上建立起對應(yīng)地點(diǎn)的天球坐標(biāo)圖。天球上各點(diǎn)與地球上相應(yīng)各點(diǎn)的關(guān)系，包括空間位置關(guān)系和地面位置關(guān)系。四種坐標(biāo)知識必須掌握牢固，才能做到空間思維的相互轉(zhuǎn)換。

3.教學(xué)內(nèi)容抽象，難以理解

天球坐標(biāo)系的建立就是為了方便、準(zhǔn)確的描述日月星辰等天體在天球上的位置和運(yùn)動，同時(shí)也可以定義地面各點(diǎn)的方向和位置。由于天球坐標(biāo)系需要在頭腦中建立良好的空間位置和運(yùn)動圖形，因此要將各種坐標(biāo)系融會貫通，教學(xué)內(nèi)容非常抽象，是地球概論教學(xué)中的難點(diǎn)。

三、天球坐標(biāo)教學(xué)建議

1.建立球面坐標(biāo)系的統(tǒng)一模式，聯(lián)系講解

教學(xué)中，可以運(yùn)用天球儀，地球上的任一點(diǎn)的地平圈根據(jù)定義指出，地球上的赤道面無限延伸與天球相割而成的大圓就是天赤道；地球上的子午面無限延伸與天球相割而成的大圓就是天球上的子午圈。

2.各種天球坐標(biāo)對比分析，及時(shí)繪圖練習(xí)

各種天球坐標(biāo)之間既有聯(lián)系，也有區(qū)別。教學(xué)過程中，講解每個(gè)坐標(biāo)系的時(shí)候，都會從球面坐標(biāo)系開始，基本的點(diǎn)、線、面及對應(yīng)的緯度和經(jīng)度。講解時(shí)，根據(jù)地平圈的定義首先繪制點(diǎn)M的地平圈，然后找出赤道，繪出天赤道及黃道，四種坐標(biāo)既可以融合在一起，也可以各自獨(dú)立，通過反復(fù)的繪圖練習(xí)，可以起到熟練掌握坐標(biāo)知識的作用。

3.加強(qiáng)直觀教學(xué)，利用實(shí)驗(yàn)動態(tài)演示，培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力

天球坐標(biāo)這部分內(nèi)容具有抽象、立體的特點(diǎn)，在教學(xué)中應(yīng)以直觀教學(xué)為主。首先在課堂上利用教學(xué)課件動態(tài)演示，使學(xué)生對天球坐標(biāo)有了初步的空間認(rèn)識；然后在黑板上逐一繪制講解，指出各種天球坐標(biāo)系的要點(diǎn)及其聯(lián)系；最后再分小組利用天球儀和天球坐標(biāo)模型作實(shí)物演示，經(jīng)過反復(fù)強(qiáng)化，加深理解。

4.與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性

天球坐標(biāo)的課堂教學(xué)還要結(jié)合實(shí)際觀測進(jìn)行，如實(shí)地講解當(dāng)?shù)鼐暥热绾螠y定，某一天體當(dāng)時(shí)的高度與方位，實(shí)地觀測一下當(dāng)?shù)氐牡仄饺?、天頂?shù)?，尋找天北極，再結(jié)合識星活動，讓學(xué)生在天空中尋找四季星空的典型星座，進(jìn)一步加強(qiáng)對天球坐標(biāo)的認(rèn)識，可以使學(xué)生牢固地掌握天球坐標(biāo)知識，同時(shí)也可以極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，為后續(xù)知識的講解鋪平道路。

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基金項(xiàng)目：包頭師范學(xué)院2012年《地球概論》優(yōu)秀課程；

包頭師范學(xué)院2013年《自然地理學(xué)》教學(xué)團(tuán)隊(duì)

作者簡介：趙 捷（1970-）女，內(nèi)蒙古集寧人，碩士，副教授，研究方向：土地利用，課程與教學(xué)論endprint