衛(wèi)星星歷的可視化表達(dá)與衛(wèi)星軌道的設(shè)計

文/華南師范大學(xué)附屬中學(xué)

讀懂衛(wèi)星星歷并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行衛(wèi)星軌道的設(shè)計是多學(xué)科融合的一個課題。本課通過地理、物理、數(shù)學(xué)三個學(xué)科老師接龍授課的形式很好地解決了這個跨學(xué)科的問題，并通過WWT軟件將真實(shí)的衛(wèi)星星歷進(jìn)行可視化表達(dá),展示W(wǎng)WT在STEM教學(xué)中的優(yōu)勢。

一、WWT在STEM教學(xué)中的作用

萬維望遠(yuǎn)鏡(Worldwide Telescope，簡稱WWT)是2008年5月微軟研究院推出的一款基于科學(xué)大數(shù)據(jù)背景下的免費(fèi)天文教學(xué)與科普軟件。WWT應(yīng)用在STEM教學(xué)中有以下幾大優(yōu)勢。

1.自由探索功能

WWT 是一個運(yùn)行科學(xué)數(shù)據(jù)的全波段的互聯(lián)網(wǎng)望遠(yuǎn)鏡。只要能上網(wǎng)就可以通過WWT 訪問和使用世界各大天文臺海量數(shù)據(jù)資源，如哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)，斯隆數(shù)字化巡天(SDSS)數(shù)據(jù)，錢德拉X 射線天文臺數(shù)據(jù)等等。

2.漫游創(chuàng)作功能

用戶可以選擇主題進(jìn)行漫游的制作，可以漫游太陽系、可以漫游某顆行星，或者漫游星座等。WWT 還提供社區(qū)交流，用戶可以將自己滿意的漫游上傳與人分享，還可以下載國內(nèi)外天文愛好者制作的漫游進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3.科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)功能

WWT有強(qiáng)大的計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，在軟件相應(yīng)地方填入數(shù)據(jù)，便能自動生成大圓航線、橢圓軌道、經(jīng)緯網(wǎng)等。也能結(jié)合EXCEL，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來。我校實(shí)踐了的有：1999年地震數(shù)據(jù)、好奇號火星探測器運(yùn)行軌跡、全球四大定位系統(tǒng)衛(wèi)星軌道等的可視化呈現(xiàn)。結(jié)合天文大數(shù)據(jù)，廣州大學(xué)王洪光教授利用WWT實(shí)現(xiàn)了脈沖星在宇宙中分布的可視化呈現(xiàn)，華中師大喬翠蘭教授也帶領(lǐng)學(xué)生利用WWT重繪了赫羅圖。

二、基于WWT平臺下的STEM教學(xué)接龍課之緣起

衛(wèi)星星歷，又稱為兩行軌道數(shù)據(jù)，是用于描述太空飛行體位置和速度的表達(dá)式——兩行式軌道數(shù)據(jù)系統(tǒng)。衛(wèi)星、航天器或飛行體一旦進(jìn)入太空，即被列入NORAD(北美空防司令部)衛(wèi)星星歷編號目錄。列入NORAD衛(wèi)星星歷編號目錄的太空飛行體將被終生跟蹤。衛(wèi)星星歷以開普勒定律的6個軌道參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系確定飛行體的時間、坐標(biāo)、方位、速度等各項(xiàng)參數(shù)，具有極高的精度。

衛(wèi)星星歷可以在公開的數(shù)據(jù)庫中查到。利用WWT強(qiáng)大的計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，簡單的幾步操作就可以自動識別衛(wèi)星星歷，即實(shí)現(xiàn)可視化的表達(dá)，并且能演示其實(shí)時的動態(tài)變化。

但讀懂衛(wèi)星星歷需要有地理科學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。只有對衛(wèi)星星歷充分認(rèn)知的前提下才能實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主探究，設(shè)計出屬于自己的衛(wèi)星軌道。故本課設(shè)計上嘗試三個學(xué)科(地理、物理、數(shù)學(xué))老師接龍上課，充分發(fā)揮每位老師的專業(yè)特長，使之成為合力。

三、教學(xué)設(shè)計

1.教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：了解衛(wèi)星星歷，理解其中的科學(xué)原理；了解GPS的定位原理。

過程與方法：通過小組合作和對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的收集，制作GPS衛(wèi)星星座圖；利用WWT探索軌道參數(shù)對衛(wèi)星軌道形態(tài)的影響；利用WWT設(shè)計出屬于自己的衛(wèi)星軌道。

情感態(tài)度與價值觀：體驗(yàn)科學(xué)的制作過程、感覺枯燥數(shù)據(jù)華麗變身之美。

科學(xué)素養(yǎng)方面，理解升交點(diǎn)、歷法(地理科學(xué))在星歷中的體現(xiàn)；萬有引力和向心力對衛(wèi)星軌道的高度及周期的影響(物理學(xué))。技術(shù)素養(yǎng)方面，用WWT作為工具實(shí)現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)和可視化表達(dá)。數(shù)學(xué)素養(yǎng)方面，將橢圓參數(shù)在軌道設(shè)計中的應(yīng)用；最優(yōu)定位構(gòu)型及其分類理論在軌道傾角和衛(wèi)星星座布局上的應(yīng)用；理解聯(lián)立方程在精確定位中的作用。

2.學(xué)情分析

本課為我校校本選修——《基于WWT的宇宙漫游制作》的其中一節(jié)課，選修學(xué)生以高一學(xué)生為主。學(xué)生對本課涉及的經(jīng)緯網(wǎng)、歷法、萬有引力、向心力、橢圓、方程組等必備知識有一定的了解，但由于學(xué)科跨度大，國家課程中鮮見將其有機(jī)的融合并靈活應(yīng)用，所以理解上存在一定的難度。本課程打通了三大學(xué)科，并且能將真實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)，這也是學(xué)生興趣之所在。

3.教學(xué)過程及學(xué)科分工

活動一：認(rèn)識衛(wèi)星星歷。讓學(xué)生通過對比，分析WWT解讀的是衛(wèi)星星歷的哪些內(nèi)容。

活動二：軌道參數(shù)的改變對軌道形態(tài)的影響。讓學(xué)生改變升交點(diǎn)經(jīng)度、軌道傾角的參數(shù)，觀察軌道形態(tài)的變化；改變半長軸、偏心率的參數(shù)，觀察軌道形態(tài)的變化。

活動三：制作GPS衛(wèi)星星座圖。讓學(xué)生小組合作上網(wǎng)收集GPS的衛(wèi)星星歷，分工制作軌道圖層，最后疊加成完整的GPS衛(wèi)星星座圖。

拓展活動：GPS軌道高度的設(shè)定及其定位原理。教師講解GPS衛(wèi)星軌道的高度的設(shè)定與其飛行周期的關(guān)系，展示GPS四星定位原理。