自制太陽周日視運動儀，助力地理實踐力養(yǎng)成

孫 瑞

（浙江省瑞安中學, 浙江 溫州 325200）

一、引言

新教材非常注重鍛煉和培養(yǎng)學生的地理實踐力，在教科書的活動題中精心設(shè)計了實驗模擬、實地觀測等實踐活動。例如湘教版選擇性必修1《自然地理基礎(chǔ)》第一章第一節(jié)“地球的自轉(zhuǎn)”設(shè)計了太陽日與恒星日模擬實驗、晝夜交替模擬實驗和觀日影估算經(jīng)度三個實踐活動，在湘教版選擇性必修1《自然地理基礎(chǔ)》第一章第二節(jié)“地球的公轉(zhuǎn)”設(shè)計了簡易測量學校太陽高度實踐、晝夜長短變化模擬實驗兩個活動?；蛟S考慮到實驗器材不完善，對學生來說理解難度較大、綜合性較強的太陽周日視運動，教材并未設(shè)計觀測實踐活動。筆者自制太陽周日視運動儀嘗試填補這塊空白，通過儀器學生可以直觀感知太陽在天球的位置，測出各時太陽高度及方位具體數(shù)值，提高學生的方位感，增進學生對太陽周日視運動的認識，強化學生的地理實踐力。

地球運動一直是學習難點，其中一個重要原因是學生缺乏觀測實踐，空間思維較弱。由于空間思維偏弱，學生很難準確地在腦中構(gòu)建三維天球模型。由于傳統(tǒng)教學方式停留在用“二維”的黑板描畫“三維”的運動，學生難以對太陽周日視運動形成“三維”立體的理解，也不能達到新課程對落實地理實踐力的要求?；谏鲜隹紤]，筆者自制太陽周日視運動儀，學生通過使用該儀器進行觀測可以加深方位的認識、提高學生對太陽運動的“三維”空間的認知、鍛煉學生的天體觀測能力，最終深度培養(yǎng)學生的地理實踐力。

二、設(shè)計原則

1.科學性

教具是驗證原理、獲取知識的重要工具，教具設(shè)計必須科學嚴謹，必須符合新課標的要求和日常教學的需求。教具并非玩具，應重點突出科學性而非趣味性。教具原理必須有充分的科學依據(jù)，能夠反映真實客觀規(guī)律。比如，太陽高度一般是相對于水平地面的高度角，考慮觀測地可能存在一定坡度，所以觀測者需要對儀器進行調(diào)平，使水平泡位于中央，確保測量在一個水平面上進行。

2.經(jīng)濟性、實用性

應盡量選取簡單易得的材料或可循環(huán)利用的材料以降低成本，同時顧及教具的耐用性、直觀性。教具結(jié)構(gòu)應當簡單，使用應當便利，呈現(xiàn)結(jié)果應當直觀。

3.創(chuàng)新性

設(shè)計者在設(shè)計思路、使用工具或選取材料等方面進行跨學科思考，打破學科邊界，繼承前人經(jīng)驗，融合現(xiàn)代科技，才能制做出具有創(chuàng)新性的教具。筆者自制的太陽周日視運動儀運用了地理學科知識和物理學科知識，利用地平式日晷的基本原理，借鑒古人智慧，融合現(xiàn)代傳感器技術(shù)，提高教具的創(chuàng)新性與精確性。

三、儀器制作

1.器材

主要器材有：①水平臺、②方位圓板、③白板筆、④帶指針的亞克力天球、⑤太陽方位角度測量儀（見圖1）。

圖1 器材示意圖（1）

太陽方位角度測量儀由精度可調(diào)節(jié)光敏傳感器、旋轉(zhuǎn)底座、角度測量尺等組成（見圖2）。

圖2 器材示意圖（2）

精度可調(diào)節(jié)光敏傳感器構(gòu)成：光敏電阻（檢測有無太陽光）、旋轉(zhuǎn)變阻器（調(diào)節(jié)電阻大小，控制儀器精度）、蜂鳴報警器、帶孔筆桿（選用黑色帶孔筆桿，確保光線垂直進入，排除光線散射反射干擾）、電池、導線等（見圖3）。

圖3 器材示意圖（3）

精度可調(diào)節(jié)光敏傳感器的工作原理與操作方法如下。

（1）太陽光通過筆桿上端的小孔，垂直照射到筆桿底端光敏電阻。

（2）光敏電阻：接受光照后，電阻阻值變小，讓電流通過。光照越強，電阻越小，通過電流越大。

（3）蜂鳴報警器：電流達到閾值后發(fā)出蜂鳴警報。

（4）旋轉(zhuǎn)變阻器：通過旋鈕調(diào)節(jié)電阻大小，調(diào)節(jié)電路電流大小，提高儀器靈敏度，確保只在太陽光垂直進入筆桿的方位，電流剛好達到蜂鳴器警報閾值。

2.使用步驟

步驟一：水平臺放置于觀測點后，調(diào)節(jié)水平，微調(diào)螺絲，使得水平泡剛好位于中央。

步驟二：將方位圓板放置在水平臺上，使用指南針調(diào)節(jié)方位，使圓板0度刻標指向正北，180度刻標指向正南（見圖4）。

圖4 方位調(diào)節(jié)示意圖

步驟三：將太陽方位角度測量儀放置于方位圓板中央，左右調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)底座，上下調(diào)節(jié)角度測量尺，調(diào)節(jié)變阻器，當蜂鳴器僅在一個方位達到閾值發(fā)出警報聲時，進行讀數(shù)（見圖5）。在角度測量尺上讀出太陽高度角，在方位圓板上讀出太陽方位角，將數(shù)據(jù)填入觀測記錄表（見表1）。

表1 觀測記錄表

步驟四：放置亞克力天球，使天球自帶的指南針正南方對準方位圓板180度刻標（見圖6）。

圖6 天球放置示意圖

步驟五：在天球筆桿小孔正對處描點，連接描點，得到太陽周日視運動曲線（見圖7）。

圖7 描點連線示意圖

四、實操應用

學生于2022年3月9日中午至傍晚，在校園使用該儀器進行太陽周日視運動觀測，并記錄下12個點位信息，制作觀測記錄數(shù)據(jù)表（見表2）。

表2 觀測記錄數(shù)據(jù)表

12個點位的觀測時間主要在下午，太陽下午視運動曲線用實線表示；因上午未做觀測，依據(jù)太陽下午視運動曲線用對稱法繪制虛線（見圖8）。

圖8 繪圖示意圖

五、觀測結(jié)果分析

通過對本次觀測結(jié)果的分析，學生驗證了2個教科書上已呈現(xiàn)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了1個新規(guī)律，生成了3個與已有知識相矛盾的疑惑，引發(fā)學生繼續(xù)思考、深入探究，最終解決疑惑得出真實規(guī)律。學生在“認知矛盾—思考探索—困惑解決”過程中深度提升地理實踐力（見圖9）。

圖9 結(jié)果分析圖

1.教科書規(guī)律

(1)驗證一：正午太陽高度角計算規(guī)律

查資料可知，3月9日太陽直射點在南緯4.5度左右，瑞安（北緯27.78度，東經(jīng)120.62度）的正午太陽高度角根據(jù)計算公式（H=90度-|當?shù)鼐暥取乐鄙潼c緯度|）計算得H為57.72度。實測結(jié)果正午太陽高度約為57.6度，與計算結(jié)果相差0.12度，正午太陽高度角公式計算結(jié)果與觀測結(jié)果大致吻合。

(2)驗證二：日落方位規(guī)律

該日太陽直射點位于南半球，瑞安日落方位為西偏南。觀察太陽視運動曲線可知，3月9日瑞安太陽日落方向為269度，即西偏南1度（見圖10），日落方位規(guī)律與觀測結(jié)果符合。

圖10 日落方位示意圖

2.新規(guī)律

發(fā)現(xiàn)：太陽方位變化速度與高度角變化速度規(guī)律。研究太陽周日視運動曲線，發(fā)現(xiàn)觀測序號1、2、3、6、7、10、12位于曲線上或離曲線距離近，具備計算價值。計算觀測序號1～3可知，11時50分至12時04分太陽高度變化平均速度為每分鐘0.126度，太陽方位角變化平均速度為每分鐘0.643度；計算觀測序號6～12可知，15時20分至17時31分太陽高度變化平均速度為每分鐘0.2382度，太陽方位角變化平均速度為每分鐘0.1679度。綜上所述，中午太陽高度變化較慢，太陽方位變化較快；下午太陽高度減小較快，太陽方位變化較慢。

3.新疑惑

(1)疑惑一：到達地面的太陽輻射強度是否在不斷變化

學生：“為什么每次測量前都要扭動變阻器去調(diào)整電阻大小，這是否說明太陽輻射的強度在不斷變化？”

教師：“這問題涉及到大氣的削弱作用與物質(zhì)組成變化，你可以調(diào)用相關(guān)知識再想想看?！?/p>

學生：“大氣中物質(zhì)組成隨時間變化，同時太陽光到達地面穿過的路徑長度每時每刻在改變，比如太陽高度越大，通過大氣距離越短，被大氣削弱越少，能量越集中，到達地面太陽輻射的則越強，反之則越弱，所以太陽輻射強度一天是會不斷變化?！?/p>

(2)疑惑二：3月9日瑞安正午的真實時刻是北京時間幾點

學生：“通過分析觀測點2、3，從11點55分到12點04分太陽高度角從56度變到57.6度，瑞安經(jīng)度為東經(jīng)120.62度，與北京時間（東經(jīng)120度地方時）有著0.62度的經(jīng)度差，根據(jù)地方時計算規(guī)律，太陽高度最大值應該出現(xiàn)在11點57分31.2秒左右，11點55分更接近11點57分31.2秒，為什么太陽高度反而12點04分更大呢？是不是說瑞安的正午應該在北京時間11點57分31.2秒之后，那3月9日瑞安正午的真實時刻是北京時間幾點?！?/p>

教師引導：“眾所周知，地球自轉(zhuǎn)一周為一日，而在實際情況中，地球自轉(zhuǎn)一周并非是二十四小時整，二十四小時只是一個平均數(shù)，因為地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓的，所以太陽和地球的引力是不斷變化的，從而引起自轉(zhuǎn)一周時間的不同。但是這種不同是有規(guī)律的，所以我們除了消除與北京時間的時差，也必須將這部分誤差消除，才能得出真正準確的真太陽時。那么3月9日瑞安正午的真實時刻是北京時間幾點呢？”

學生：“消除的方法是參照真太陽時時差補償表，進行時差修正，根據(jù)數(shù)據(jù)的正負進行加減。通過計算得出2022年3月9日瑞安在北京時間大約12時08分9.2秒左右達到太陽高度角最大值，即真正的正午太陽高度。同時我通過查閱虛擬天文館發(fā)現(xiàn)，12點08分0秒的太陽高度比12點07分57秒和12點08分15秒大（見表3）?！?/p>

表3 太陽高度部分時段日變化表

(3)疑惑三：瑞安正午太陽高度實際值為什么比計算值偏小

學生：“借助虛擬天文館可知12點08分0秒左右正午太陽高度達到最大，為什么虛擬天文館顯示最大的太陽高度為57度29分20.3秒（即57.52度），比算出來的正午太陽高度角H（57.72度）要??？”

教師：“我們在做計算時，為了掌握正午太陽高度角總體規(guī)律，所以將地球的形狀當做正球體來處理，但地球形狀實際是赤道稍鼓兩極略扁，因此會有些差異。那如果考慮地球的真正形狀，你覺得瑞安正午太陽高度會怎么變化？”

學生：“我畫了兩者的對比圖（見圖11），假設(shè)地球是正球體，得到瑞安此時的正午高度角是圖中的∠1；如果考慮赤道稍鼓兩極略扁，得到的正午太陽高度角是∠2，∠2小于∠1，所以瑞安實際正午高度角確實會小于算出來的結(jié)果?！?/p>

圖11 正午太陽高度對比圖

六、總結(jié)

通過自制的太陽周日視運動儀，學生觀察記錄了太陽高度和方位，在觀測過程中學生自主動手、主動思考、積極解惑，保證了學生學習主體地位。分析觀測結(jié)果時，學生既獲得驗證所學規(guī)律的快樂，又有發(fā)現(xiàn)新規(guī)律的成就感。學生在面對已知規(guī)律與實測數(shù)據(jù)產(chǎn)生矛盾時，生成新疑惑，并自發(fā)思考探索，在“認知矛盾—思考探索—解決困惑”中提升地理實踐力。