新高考制度下高等師范院校天球坐標(biāo)系的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計*

李小燕，李九彬，金 莉

（1.陜西理工大學(xué)人文學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.西南大學(xué)附屬中學(xué)，重慶 400715；3.陜西省漢中中學(xué)，陜西 漢中 723000）

0 引 言

2014年9 月，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深化考試招生制度改革的實施意見》（國發(fā)〔2014〕35號），這是恢復(fù)高考以來最為全面和系統(tǒng)的一次考試招生制度改革.隨后滬、浙啟動高考綜合改革試點，2017年在全國范圍內(nèi)全面推進(jìn)，今已初步建成具有中國特色的現(xiàn)代考試招生制度.新高考打破了以往文理科的刻板搭配，學(xué)生可依據(jù)自己興趣和未來職業(yè)方向選擇科目組合，地理也不再是文科生的專屬，致力于天文學(xué)、航空航天以及測繪測量等領(lǐng)域的中學(xué)生也開始選擇地理科目.高中地理新課標(biāo)還增加了天文學(xué)基礎(chǔ)選修課程，并作為9個選修內(nèi)容的第一個模塊.這些均對高中地理教師天文學(xué)教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，以前僅在太陽的視運動、日出日落方位等內(nèi)容有所涉及的天球坐標(biāo)系教學(xué)，已然不能滿足選考制度下的新時代中學(xué)生學(xué)習(xí)和未來發(fā)展需求.此外，高中地理新課標(biāo)選擇性必修課程中的資源、環(huán)境與國家安全和地理信息技術(shù)應(yīng)用、海洋地理以及地理野外實習(xí)等也會涉及天球坐標(biāo)系[1]，因此，高中地理教師需結(jié)合新教材、新高考改革需要和學(xué)生未來發(fā)展需求，重視天球坐標(biāo)的教學(xué)工作；相應(yīng)地，高等師范院校（以下簡稱高師）地球概論任課教師更需重新定位和認(rèn)識天球坐標(biāo)的功能和地位[2]，促進(jìn)地理師范生學(xué)好天球坐標(biāo)系，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)搭好支架，為未來教師生涯做好支撐，為中學(xué)生地理學(xué)習(xí)和職業(yè)生涯規(guī)劃做好指引.

天球坐標(biāo)系作為天體定位和運動表達(dá)的主要工具，是高師地球概論課程的教學(xué)難點和基礎(chǔ)教育的盲區(qū)，更是中學(xué)地理教師望而卻步的內(nèi)容，更有天球坐標(biāo)在基礎(chǔ)教育無用的說法.由于教學(xué)難度大和存在認(rèn)知偏差[3]，相關(guān)研究并不是很多，先有劉世楷[4]對天球坐標(biāo)概算法及其應(yīng)用進(jìn)行研究，隨后，曹健[5]、張紅俠[6]、白絮飛等[7]以及吳得卿等[3]運用不同方法，進(jìn)行過天球坐標(biāo)系教學(xué)設(shè)計嘗試，一定程度上促進(jìn)了高師天球坐標(biāo)系教學(xué)提升，并對中學(xué)地理教師、地理師范生及天文愛好者天球坐標(biāo)系的學(xué)習(xí)起到了積極作用.前人研究多集中于如何安排教學(xué)內(nèi)容和講解順序，且重點關(guān)注地平、第一赤道、第二赤道和黃道坐標(biāo)系4種類型.然而，隨著科技手段的不斷進(jìn)步，人類探索宇宙的步伐已經(jīng)開始向太陽系以外的銀河系乃至河外星系拓展，不同天球坐標(biāo)系也應(yīng)運而生，大大提高了定位精度和實用性，并開始應(yīng)用于人民生產(chǎn)、生活以及國防建設(shè)，也成為地理基礎(chǔ)教育和高師地理教育乃至科普內(nèi)容中不可回避的重要內(nèi)容.因此，有必要基于基礎(chǔ)教育的迫切需要，更加重視天球坐標(biāo)系創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計，聯(lián)系生活實踐，提升天球坐標(biāo)系的學(xué)習(xí)效果，提高地理師范生畢業(yè)達(dá)成度和基礎(chǔ)教育適應(yīng)度，服務(wù)基礎(chǔ)教育市場需要，還可為高師教育同行提供教改靶向和交流案例，為中學(xué)地理老師和天文愛好者提供學(xué)習(xí)參考資料.

1 背景分析

1.1 課程分析

地球概論作為高師地理專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是該專業(yè)唯一涉及天文學(xué)內(nèi)容的主修課程，主要講述地球天文學(xué)及行星地球整體性特征的基本理論和方法[8].自1978年金祖孟教授在華東師范大學(xué)創(chuàng)立該課程并出版同名教材以來，一直被作為必修課程，絕大多數(shù)高校將該課程安排在大學(xué)第一學(xué)期，也有如：華東師范大學(xué)、湖南師范大學(xué)以及福建師范大學(xué)安排在第二學(xué)期及第三學(xué)期.不管高師地理培養(yǎng)方案如何調(diào)整變化，該課程的課時量一直＞36課時，也有西南大學(xué)、安徽師范大學(xué)以及陜西師范大學(xué)等將課時增加到≥52課時，其中，天球坐標(biāo)系的學(xué)時安排均在4～6課時不等，有的甚至達(dá)到8課時，足見其重要性和教學(xué)難度.因該課程內(nèi)容對應(yīng)于高中地理必修內(nèi)容——宇宙中的地球，是高中生地理學(xué)的啟蒙內(nèi)容，對學(xué)科興趣的激發(fā)和專業(yè)認(rèn)知起到至關(guān)重要的作用.因此，地球概論課程在高師地理學(xué)習(xí)和高中地理教學(xué)中，都是不可或缺且尤為重要的.

1.2 教材分析

天球坐標(biāo)系作為宇宙天體定位和觀測的主要工具，具有立體性、抽象性和復(fù)雜性等特點，成為課程教學(xué)難點.金祖孟和陳自悟版《地球概論》[2]教材中，天球坐標(biāo)被放在全書第2節(jié)，通過地理坐標(biāo)系、天球等知識的鋪墊，進(jìn)行天球坐標(biāo)統(tǒng)的講授和學(xué)習(xí)，并重點講解了地平、第一赤道、第二赤道和黃道坐標(biāo)系4種常用天球坐標(biāo)系統(tǒng)，最后對不同坐標(biāo)系的區(qū)別和聯(lián)系進(jìn)行闡述；余明版《地球概論》[9]教材將該內(nèi)容作為全書第3節(jié)，觀測天體的主要工具和數(shù)據(jù)處理，也是基于天球知識進(jìn)行學(xué)習(xí).不同教材編排順序均體現(xiàn)了天球坐標(biāo)系的基礎(chǔ)性.

1.3 課標(biāo)分析

不同高師對該內(nèi)容的教學(xué)要求略有差異.由于課時差異、認(rèn)知偏差和教與學(xué)難度較大等原因，部分高師要求，了解4種天球坐標(biāo)系及相互聯(lián)系，僅用“了解”來描述，全然未提及應(yīng)用.也有高師要求在學(xué)習(xí)地理坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)天球和4種天球坐標(biāo)系，并在掌握4種天球坐標(biāo)系概念的基礎(chǔ)上，區(qū)別各種坐標(biāo)系及其用途.課時充足的高校教學(xué)要求明顯提高，但對不同天球坐標(biāo)系的應(yīng)用也僅用“會區(qū)別”來表述.足見以往高師地球概論教學(xué)中，多對天球坐標(biāo)系的應(yīng)用要求不高.結(jié)合目前基礎(chǔ)教育改革需要、國家立德樹人發(fā)展需求和未來教師培養(yǎng)使命，本文提出了掌握地平坐標(biāo)系、第一赤道坐標(biāo)系、第二赤道坐標(biāo)系、黃道坐標(biāo)系和銀道坐標(biāo)系5種坐標(biāo)系的概念和內(nèi)涵，能夠進(jìn)行不同坐標(biāo)系之間的相互換算，清楚不同坐標(biāo)系的主要應(yīng)用領(lǐng)域，激發(fā)地理師范生宇宙探索精神，培養(yǎng)多維度空間思維能力和地理綜合素養(yǎng)，樹立正確的人宇協(xié)調(diào)觀的單元教學(xué)目標(biāo).

1.4 學(xué)情分析

新高考制度實施之前，多數(shù)高師院校地理專業(yè)理科招生，或文理兼招.受傳統(tǒng)文理分科影響，理科生雖具有一定的空間概念，但基于多維度的坐標(biāo)系統(tǒng)空間轉(zhuǎn)換對其來說難度依然較大；文科生地理基礎(chǔ)較好，但其空間和邏輯思維相對較弱，很難建立多維度立體空間概念.因此，教學(xué)中需要根據(jù)生源的地理基礎(chǔ)、空間思維能力乃至性別等進(jìn)行內(nèi)容組織與教學(xué)安排.加之多數(shù)學(xué)生和家長對地理學(xué)科認(rèn)知不準(zhǔn)，入學(xué)后存在調(diào)整專業(yè)的可能，所以教學(xué)還需兼顧興趣培養(yǎng)和專業(yè)教育.此外，要學(xué)好本節(jié)內(nèi)容，還需學(xué)生掌握地理坐標(biāo)和天球的概念等前置知識.新高考制度全面實行之后，學(xué)生地理基礎(chǔ)、從教意愿、專業(yè)認(rèn)可度等均會有大幅改善和提高.同時，隨著天文探索的不斷進(jìn)步和學(xué)科交融的不斷深入，未來中學(xué)生對天文學(xué)的關(guān)注、愛好和需求必將大幅提升，天球坐標(biāo)作為天體定位和運動表達(dá)的基本方法，自然成為地理基礎(chǔ)教育階段的重要內(nèi)容.

2 教學(xué)設(shè)計

課堂需要解決的基本問題是不同天體如何準(zhǔn)確定位和運動表達(dá).所用的教學(xué)方法和理論主要有支架教學(xué)法和降維處理法.支架式教學(xué)理論主要是教師通過有效搭建知識支架，幫助學(xué)生建構(gòu)起已有知識與新知識之間的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生完成知識推演，提升學(xué)習(xí)效率.首先，結(jié)合支架1和2得出球面坐標(biāo)模型和天球模型（圖1），并將其作為支架3；其次，通過強(qiáng)化天球坐標(biāo)系的橫縱向知識銜接和應(yīng)用拓展，巧妙滲透思政元素，完成第二赤道坐標(biāo)系的學(xué)習(xí)；最后，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，利用知識正向遷移理論和對比學(xué)習(xí)法，完成其他坐標(biāo)系的合作討論和學(xué)習(xí).

圖1 天球坐標(biāo)系教學(xué)設(shè)計思路

3 教學(xué)過程

3.1 巧妙搭建知識支架

通過對復(fù)雜的宇宙環(huán)境進(jìn)行降維處理，使學(xué)生深刻認(rèn)識天球，并掌握天赤道、白道、黃道以及銀道等重要軌道平面，完成重要圓圈系統(tǒng)的極點、交點以及遠(yuǎn)距點等的學(xué)習(xí)，能準(zhǔn)確地說出黃赤交角、黃白交角以及各重要軌道之間的夾角情況；借助地理坐標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)建球面坐標(biāo)模型（圖2）；最終完成將運動的、多維度的、多尺度的和復(fù)雜的宇宙空間降維并簡化成幾何模型，幫助學(xué)生理解并提高教學(xué)效果.

圖2 復(fù)雜的宇宙環(huán)境與簡化模型（a）宇宙環(huán)境；（b）球面坐標(biāo)模型

3.2 靈活運用知識遷移

由于第二赤道坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)有著極強(qiáng)的相似性，相對其他4個天球坐標(biāo)系，更容易理解和掌握，所以，結(jié)合已經(jīng)構(gòu)建的知識支架，對照球面坐標(biāo)模型和地理坐標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生完成第二赤道坐標(biāo)系的學(xué)習(xí)；進(jìn)而運用知識遷移，通過自主學(xué)習(xí)和小組討論，對比完成第一赤道坐標(biāo)系、黃道坐標(biāo)系、銀道坐標(biāo)系以及地平坐標(biāo)系的學(xué)習(xí)，并完成表1填寫.雖然不同坐標(biāo)系的基圈、輔圈以及坐標(biāo)原點不同，但其緯度度量方法均從基圈向上（+）、下（-）2個方向度量，范圍為0°～90°.經(jīng)度也存在 2種度量方向，一種類似于地理坐標(biāo)中西經(jīng)的度量方式，關(guān)注地球自轉(zhuǎn)；另一種向東度量，與地球公轉(zhuǎn)聯(lián)系緊密，也據(jù)此將天球坐標(biāo)系分為左旋（東旋）和右旋（西旋）2種模型.

表1 天球坐標(biāo)系特點及應(yīng)用領(lǐng)域

地平坐標(biāo)系和第一赤道坐標(biāo)系的始圈都是因地而異的子午圈，即與測站或觀測者的地理位置有關(guān)，加之天體的周日視運動，導(dǎo)致除赤緯外其他3個坐標(biāo)值均因時因地而異，即地平坐標(biāo)系具有直觀性和地方性的典型特點；第二赤道坐標(biāo)系、黃道坐標(biāo)系和銀道坐標(biāo)系由于基圈、始圈以及坐標(biāo)原點相對固定（忽略春分點西移），其坐標(biāo)值均是固定不變的，即該3種坐標(biāo)系具有穩(wěn)定性和通用性[5]的特點.由于不同天球坐標(biāo)系之間存在相互聯(lián)系的點或面，所以坐標(biāo)系之間可以相互轉(zhuǎn)換.始圈保持不變，以東、西2點為軸心，讓地平圈沿子午圈轉(zhuǎn)動當(dāng)?shù)赜嗑暤慕嵌?，就能使上點取代南點，完成第一赤道坐標(biāo)系與地平坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換；第一赤道坐標(biāo)系和第二赤道坐標(biāo)系由于共用天赤道作為基圈，其轉(zhuǎn)化更為便捷，只需沿天赤道旋轉(zhuǎn)，讓春分點取代上點即可完成轉(zhuǎn)換，但時角和赤經(jīng)的度量方向則相反；以春、秋分點為軸，沿著二至圈讓天赤道旋轉(zhuǎn)23°26′與黃道重合，即可完成第二赤道坐標(biāo)系與黃道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化.

3.3 全面建立知識銜接

天球坐標(biāo)系作為天體定位的主要工具，對月相觀測、太陽周日運動表達(dá)、歷法和時間的推算等該課程后續(xù)內(nèi)容的教學(xué)有著重要的支撐作用，同時，對高師階段地圖學(xué)、測量學(xué)以及遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)等其他課程的教學(xué)意義重大，通過教學(xué)中加強(qiáng)知識的橫縱向聯(lián)系，幫助學(xué)生突破課程和學(xué)科界限，構(gòu)建起大學(xué)科知識體系，也利于地理師范生綜合思維能力培養(yǎng).

基礎(chǔ)教育中的日出日落方位和高度變化、正午太陽高度及變化、不同區(qū)域北極星仰角等均要用到地平坐標(biāo)系；第一赤道坐標(biāo)系對時區(qū)與區(qū)時、地方時等的度量以及晝夜長短和不同區(qū)域的星空范圍的學(xué)習(xí)至關(guān)重要；第二赤道坐標(biāo)系和黃道坐標(biāo)系更多地關(guān)注地球的周年運動、太陽的回歸運動以及四季變化和星空觀測，同時還對太陽系行星運行觀測及研究具有重要作用；銀道坐標(biāo)系主要用于銀河系觀測和研究的輔助工具.通過教學(xué)中縱向知識銜接，打通學(xué)段壁壘，將高師教育與基礎(chǔ)教育有效連接，讓地理師范生在高師學(xué)習(xí)期間就接觸和了解基礎(chǔ)教育市場需要及變化，精準(zhǔn)培養(yǎng)師范生，提高畢業(yè)達(dá)成度和基礎(chǔ)教育教學(xué)適應(yīng)性.

3.4 系統(tǒng)提升拓展應(yīng)用

3.4.1 地平坐標(biāo)系

地平坐標(biāo)系表示觀測者在特定時刻所見天體在天空中的方位和距離地面的高度.由于該坐標(biāo)系因時因地而異，即在同一時刻不同地點，同一天體有不同的高度和方位；在同一地點不同的時刻，天體高度和方位隨周日運動發(fā)生改變.所以，多用于表示太陽、月球及其他近距離天體在天球上的位置及其運動情況.如觀測太陽周日運動變化，以赤道上某點春分日太陽活動為例，其太陽高度和方位為日出（0°，270°）—正午（90°，0°）—日落（0°，90°）.由于存在地球的公轉(zhuǎn)，所以正午太陽高度存在規(guī)律的季節(jié)變化，并決定著不同區(qū)域的熱量獲取.此外，地平坐標(biāo)系還用于大地測量、天文航海與航空和人造地球衛(wèi)星觀測等領(lǐng)域.教學(xué)中可結(jié)合我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)成功組網(wǎng)、天問一號火星探測器的成功著陸以及天宮空間站的正式開建等天文時事，培養(yǎng)學(xué)生的宇宙探索精神、文化自信和國家信息安全意識.

3.4.2 第一赤道坐標(biāo)系

第一赤道坐標(biāo)系是測時工具，主要用于時間度量，可推導(dǎo)不同緯度晝夜長短.赤緯是天體相對于天赤道的方向和角距離，天體周日運動始終平行于天赤道，所以赤緯始終不變；但天體的時角卻因時刻和經(jīng)度而不同，同一地點不同時刻，午圈平面不動，但由于地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的天球周日視運動，使天體的時角每小時增加15°，如赤道某地春分日當(dāng)天，日出、正午和日落時刻的太陽赤緯為0，時角依次為18、0和6時.不同觀測點，具有不同的午圈和上點，導(dǎo)致同一天體的時角不同，這也是引起不同緯度太陽日長短差異的主要原因.該坐標(biāo)系對時間的計算和歷法意義重大，在地球自轉(zhuǎn)周期、太陽日長短變化和晨昏蒙影等學(xué)習(xí)中頻繁使用.

3.4.3 第二赤道坐標(biāo)系

第二赤道坐標(biāo)系主要用于編制各類星表、觀測恒星和星云等遙遠(yuǎn)天體，也在天體物理學(xué)和天體測量中意義重大.春分點（忽略春分點西移）作為固定的坐標(biāo)原點，與其他恒星因地球自轉(zhuǎn)做周日運動，春分點與恒星天體之間就沒有相對運動，因此，恒星的赤經(jīng)也不因時間和地點而變化.由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)，導(dǎo)致太陽在天球上視運動的赤經(jīng)和赤緯為春分日（0°，0°）—夏至日（23°26′，90°00′）—秋分日（0°，180°）—冬至日（-23°26′，270°00′）—春分日（0°，0°）.此外，還可根據(jù)星表中不同恒星的赤緯和赤經(jīng)準(zhǔn)確定位.

3.4.4 黃道坐標(biāo)系

黃道坐標(biāo)系主要用于太陽系內(nèi)天體觀測、定位和運動表達(dá).太陽系八大行星運動具有共面性特點，但并不是完全處于同一平面.可根據(jù)不同行星黃緯變化準(zhǔn)確掌握行星運動情況，水星、金星、火星、木星、土星、天王星和海王星黃緯極值分別為7.0°、3.4°、1.9°、1.3°、2.5°、0.8°和 1.8°，即天王星與地球軌道平面最為接近，水星偏差最大.同時，由于黃白夾角（5°9′）的存在，導(dǎo)致月球也在黃道面附近繞轉(zhuǎn)和運動，即月球及行星均在黃道帶附近進(jìn)行穿行活動，這也是為何能夠觀測到日食、月食、行星凌日和多星連珠等天文奇觀的主要原因.太陽周年回歸運動中黃經(jīng)黃緯年變化情況為春分日（0°，0°）—夏至日（0°，90°）—秋分日（0°，180°）—冬至日（0°，270°）—春分日（0°，0°），即太陽視運動在黃道上.

3.4.5 銀道坐標(biāo)系

銀道坐標(biāo)系主要用于銀河系天體觀測[10]，以太陽為坐標(biāo)原點，銀道面為基圈，銀經(jīng)（?）的起點是太陽到銀河中心方向，表示銀河系天體相對于太陽的方向和角距離，銀緯（b）則表示天體相對于銀道面的方向和角距離（圖3），即天體距離銀道面的高度.銀河系成員絕大部分對稱分布在銀道面兩側(cè).銀河系本身也像地球一樣有著自轉(zhuǎn)軸，隨著銀河系一起自轉(zhuǎn)的絕大部分天體，坐標(biāo)位置相對固定；不隨銀河系自轉(zhuǎn)的天體，銀道坐標(biāo)會持續(xù)改變；系外天體不隨銀河系自轉(zhuǎn)，其銀經(jīng)、銀緯以銀河系的自轉(zhuǎn)周期2億2千萬年（不考慮星系自身運動）為周期發(fā)生變化.根據(jù)銀緯的大小判斷天體距離銀道面的高度，進(jìn)而在夜空中更容易定位和尋找，如北銀極赤緯+27°7′，赤經(jīng) 12 h 51 m，在后發(fā)座靠近牧夫座的大角星附近.銀道面和天赤道有123°的夾角，因此，夜空中的銀河?xùn)|北-西南向橫貫天穹.

圖3 銀道坐標(biāo)系模型

除此5種主要的天球坐標(biāo)系以外，還有超星系坐標(biāo)系，其赤道校準(zhǔn)在超星系平面上，主要用于河外星系的天體定位，隨著科技的發(fā)展和人類探索宇宙的不斷深入，其他類型的天球坐標(biāo)系統(tǒng)還會應(yīng)運而生.此外，關(guān)于天體定位，我國戰(zhàn)國時的石氏《星經(jīng)》就有“黃道規(guī)牽牛初直斗二十度，去極二十五度”等的記載，即古人用“入宿度”和“去極度”[11]進(jìn)行天體定位；唐代前后的“三垣二十八宿”實際上也發(fā)揮著天球坐標(biāo)的積極作用；元代郭守敬創(chuàng)造并制作了簡儀用于測定天體的赤道坐標(biāo)[12]；此外，古人還利用星座、星官、星表和星圖等進(jìn)行相對粗略的天體定位和測量，這些都是我國古人的智慧和在天體定位方面的各種嘗試和發(fā)明，通過這些古代文明和傳統(tǒng)文化堅定學(xué)生的民族自信和文化自信.

4 結(jié)束語

通過對復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行分解的支架理論和知識遷移理論，結(jié)合多維度空間降維處理方法，有效降低了天球坐標(biāo)系的學(xué)習(xí)難度，消除了地理師范生學(xué)習(xí)天球坐標(biāo)系的恐懼和障礙；在強(qiáng)化知識銜接、拓展知識應(yīng)用以及滲透思政的教育理念下，初步提高了地理師范生對5個天球坐標(biāo)系的準(zhǔn)確認(rèn)知，并重點結(jié)合新高考制度下，基礎(chǔ)教育市場需要，著重就天球坐標(biāo)系的應(yīng)用進(jìn)行闡述，利于激發(fā)學(xué)生的航空航天興趣和學(xué)習(xí)積極性.天球坐標(biāo)系作為整個地球概論課程教學(xué)提升的突破口，是提升地球概論課程教學(xué)深度和內(nèi)涵的主要抓手，因此，高度重視高師天球坐標(biāo)系教學(xué)工作，既是促進(jìn)地球概論教學(xué)創(chuàng)新和改革嘗試的必然選擇，更是高師地理教育進(jìn)行精準(zhǔn)化人才培養(yǎng)供給側(cè)調(diào)整的迫切需求.