利用Stellarium模擬觀察月相的嘗試

周紅星

（金華市教育局教研室, 浙江 金華 321017）

利用Stellarium模擬觀察月相的嘗試

周紅星

（金華市教育局教研室, 浙江 金華 321017）

在地理必修I教材（湘教版P9）第一單元有“觀察月相”的實(shí)踐活動(dòng)：“要求學(xué)生從農(nóng)歷初一開始，連續(xù)觀察一個(gè)月內(nèi)月球的形狀和它在天空中位置的變化。并要求逐日記錄月球在天空中的方位、地平高度和亮面突出方向的變化”。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，很少有學(xué)生或?qū)W校能夠完整地完成觀察的任務(wù)，究其原因，其一，從教學(xué)的角度，一個(gè)月時(shí)間地球運(yùn)動(dòng)的教學(xué)任務(wù)已經(jīng)結(jié)束，實(shí)踐活動(dòng)與教學(xué)內(nèi)容不能做到同步；其二，從學(xué)生的角度，堅(jiān)持一個(gè)月時(shí)間需要付出較多的時(shí)間和精力；其三，從環(huán)境的角度，現(xiàn)在大部分高中學(xué)校都向城市集聚，城市夜晚光污染和大氣污染比較嚴(yán)重，大大影響了觀察星空的效果。我嘗試著借助Stellarium（天文虛擬館）軟件模擬月相觀察，實(shí)現(xiàn)了時(shí)空跨越，讓一個(gè)月的觀察活動(dòng)在一天內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)，能夠發(fā)揮較好的效果。

一、模擬觀察月相活動(dòng)的準(zhǔn)備

1. Stellarium軟件操作技術(shù)的準(zhǔn)備

學(xué)生對(duì)Stellarium的相關(guān)功能有初步的了解是模擬觀察活動(dòng)能否順利完成的基本條件。活動(dòng)前可以利用教師演示講解和學(xué)生實(shí)踐操作相結(jié)合的方式，把與月相觀察密切相關(guān)的幾個(gè)按鈕功能介紹給學(xué)生。Stellarium相關(guān)的功能鍵主要分布在界面的左側(cè)和底端，主要功能介紹如下：

2.適當(dāng)?shù)脑虑蛑R(shí)儲(chǔ)備

有很多關(guān)于月球的知識(shí)，在高中地理教學(xué)中并不作要求，卻是學(xué)生感興趣的知識(shí)。給予學(xué)生適當(dāng)?shù)闹R(shí)儲(chǔ)備可以大大提高活動(dòng)的效果。

(1)有關(guān)月球的基本知識(shí)

活動(dòng)前教師通過文本的形式把有關(guān)月球的知識(shí)分發(fā)給學(xué)生，主要包括月球的體積、質(zhì)量，月球運(yùn)動(dòng)的方向、周期，月地之間的距離等。

(2)月相變化的基本原理

運(yùn)用圖示的方式幫助學(xué)生理解日、月、地三者之間的位置關(guān)系，下圖為教師繪制的示意圖：①月球面對(duì)著太陽(yáng)的這一面是亮的，背對(duì)著太陽(yáng)的這一面是黑的；②月球繞著地球公轉(zhuǎn)時(shí)，從地球上看到月球被照亮的不同部分，所以月球的形狀在不斷地發(fā)生變化；③圖中數(shù)字表示的是地球上的地方時(shí)（根據(jù)地球與太陽(yáng)的位置關(guān)系得出），如12表示正午，0表示午夜，依據(jù)示意圖很容易得出：在地球上能夠看到新月的時(shí)間是6點(diǎn)到18點(diǎn)，能夠看到上弦月的時(shí)間是12點(diǎn)到0點(diǎn)，能夠看到滿月的時(shí)間是18點(diǎn)到第二天6點(diǎn)，能夠看到下弦月的時(shí)間是0點(diǎn)到12點(diǎn)。

月相的形成原理示意圖

(3)月食發(fā)生的基本原理

月食是特殊的天文現(xiàn)象，同樣用示意圖的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生理解月食的形成原理。如下圖，當(dāng)月球進(jìn)入地球的本影時(shí)，月食就發(fā)生了。通過讀圖還可以得出月食過程中月面先虧損于東緣，而復(fù)圓于西緣等基本知識(shí)。

月食的形成原理示意圖

(4)提供月球探索的例子

通過文本和圖片的形式為學(xué)生提供世界各國(guó)探索月球的例子，激發(fā)學(xué)生探究的欲望和興趣。如1969年7月16日美國(guó)“阿波羅”登月活動(dòng)的介紹；2013年12月14日，搭載中國(guó)首輛月球車“玉兔號(hào)”的月球探測(cè)器“嫦娥三號(hào)”在月球上成功降落等。

(5)提供月球有關(guān)的詩(shī)詞

優(yōu)美的詩(shī)詞能夠激發(fā)學(xué)生探究的樂趣。探究活動(dòng)中教師適當(dāng)收集一些描寫月亮的古詩(shī)詞，可以增加活動(dòng)的文化品位，如白居易的《暮江吟》“可憐九月初三夜，露似珍珠月似弓”，歐陽(yáng)修的《生查子·元夕》“月上柳梢頭，人約黃昏后”等。

二、以任務(wù)單的形式實(shí)施模擬觀察活動(dòng)

針對(duì)本次活動(dòng)，教師設(shè)計(jì)了四項(xiàng)觀察任務(wù)，并以任務(wù)單的形式呈現(xiàn)。任務(wù)單主要由觀察內(nèi)容、探究思考和知識(shí)拓展等三個(gè)部分組成，附錄了一些記錄數(shù)據(jù)的表格。任務(wù)單要求明確，操作簡(jiǎn)便，這樣學(xué)生在老師的指導(dǎo)下通過Stellarium軟件觀察月相就可以避免隨意性和無序性，提高觀察活動(dòng)的有效性。

（一）任務(wù)單一：觀察月球的表面形態(tài)

【觀察內(nèi)容1】通過Stellarium軟件在屏幕上找到月球，移動(dòng)鼠標(biāo)滾輪，放大月球圖像，找到月球表面的隕石坑、環(huán)形山、月海等景觀，并用截屏的方式記錄月球的表面形態(tài)（如下圖）。

通過Stellarium軟件截屏的月球形態(tài)

【探究思考】（1）用自己的語言描述隕石坑、環(huán)形山、月海等形態(tài)的主要特點(diǎn)，并想一想這些月表形態(tài)是怎樣形成的？（2）為什么我們只能看到月球的同一面？上網(wǎng)查找月球另一面的圖片，比較兩張圖片中月陸和月海分布的差異。

【知識(shí)拓展】月面上存在著明暗對(duì)比明顯的兩類區(qū)域，亮區(qū)是高地，暗區(qū)是凹陷地形。高地主要是富鋁斜長(zhǎng)巖，反照率較大；低地是灰黑的玄武巖，灰暗、平坦的低地形區(qū)看上去似水域，被人們稱為洋、海、湖等。月球海陸分布的大勢(shì)是“陸多海少”，面積最大的是風(fēng)暴洋，其次是雨海和靜海。月坑是地質(zhì)年代中隕星斷續(xù)沖擊的產(chǎn)物。

（二）任務(wù)單二：觀察月相和月球地平高度隨時(shí)間的變化

【觀察內(nèi)容2】月球地平高度的變化。打開Stellarium軟件頁(yè)面，選擇觀察的時(shí)間，找到月球后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊月球，在界面左上角會(huì)詳細(xì)呈現(xiàn)月球的赤經(jīng)、赤緯、方位角和高度角，根據(jù)學(xué)生觀察的需要在記錄單上詳細(xì)記錄月球在天空中的方位和地平的高度。下圖為2013年9月10日20點(diǎn)的頁(yè)面，需要記錄的數(shù)據(jù)能夠直接在頁(yè)面上獲得，如果用截屏的方式記錄則更為直觀。

1．同一日期不同時(shí)刻月球的地平高度。通過“加速時(shí)間流逝”按鈕，一天的時(shí)間流逝可以加速到1～2分鐘內(nèi)完成。為了便于觀察，可以選擇滿月、上弦月（或下弦月）兩天作為觀察的日期，可以用表格的形式記錄每個(gè)小時(shí)月球的地平高度，也可以用截屏的方式記錄。用圖片的方式記錄能夠比較直觀地反映出月球地平高度的變化特點(diǎn)。

2．不同日期同一時(shí)刻月球的地平高度。連續(xù)記錄一個(gè)月同一時(shí)刻（如20點(diǎn)）月球的地平高度，同樣可以用表格的形式，也可以用錄屏的方式記錄，并根據(jù)記錄結(jié)果歸納月球地平高度的變化特點(diǎn)。

【觀察內(nèi)容3】連續(xù)一個(gè)月月球的圓缺變化狀況。移動(dòng)鼠標(biāo)，放大月球圖片，根據(jù)“選擇時(shí)間”按鈕，連續(xù)一個(gè)月，日期不同，時(shí)刻相同（如每天晚上8點(diǎn)），并用截屏的方式保留每天的照片（下圖為2013年9月部分日期月相變化的截屏圖片），并對(duì)照片進(jìn)行比對(duì)，然后歸納月球圓缺變化的特點(diǎn)。

9月10日（初三）

9月13日（初九）

9月15日（農(nóng)歷十一）

9月18日（農(nóng)歷十四）

9月23日（農(nóng)歷十九）

【探究思考】（1）描述不同日期月相的分布特點(diǎn)，以及不同日期亮面突出方向的變化；（2）詳細(xì)記錄月球圓缺變化的周期；（3）歸納月球地平高度隨時(shí)間的變化特點(diǎn)。

（三）任務(wù)單三：觀察月食發(fā)生的全過程

【觀察內(nèi)容4】通過網(wǎng)絡(luò)查找“百年月食表”，選擇三個(gè)時(shí)間進(jìn)行觀察：（1）已經(jīng)發(fā)生的月食，讓已經(jīng)消逝的天文現(xiàn)象得以重現(xiàn)，如選擇2006．9．8凌晨2:05的月食；（2）即將發(fā)生的月食，為不久以后的實(shí)地觀察做好鋪墊，如選擇2014．10．8下午17:14的月食；（3）幾十年后才會(huì)發(fā)生的月食，暢想一下美好的未來，感受科學(xué)的神奇力量，如選擇2025．9．8凌晨00:26的月食（如右圖）。通過模擬觀察，學(xué)生們?cè)谶@里穿越了時(shí)空隧道，感受了自然界神奇的力量。選擇其中最典型的月食發(fā)生觀察，用錄屏軟件進(jìn)行記錄月食發(fā)生的全過程。

2025年9月8日月食景觀

【探究思考】在觀察的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生根據(jù)對(duì)月食的理解，用繪制示意圖的形式向其他同學(xué)介紹月食發(fā)生的原理。

三、模擬觀察月相活動(dòng)的反思

1.讓模擬活動(dòng)與實(shí)地觀察相結(jié)合

用Stellarium軟件觀察月相，可以跨越時(shí)空實(shí)現(xiàn)全方位觀察，讓空間思維活動(dòng)形象化、生動(dòng)化，可以激發(fā)學(xué)生探究的欲望和探究的興趣，同時(shí)可以避免天氣、環(huán)境污染等因素對(duì)觀察活動(dòng)的制約，有著很大的優(yōu)越性。但是學(xué)生的實(shí)地戶外觀察星空活動(dòng)卻會(huì)有意想不到的效果，清新的空氣、習(xí)習(xí)的涼風(fēng)、皎潔的月光一定能夠激發(fā)學(xué)生更多的遐想和思考，那是Stellarium軟件永遠(yuǎn)都無法達(dá)到的效果。在實(shí)際探究活動(dòng)中，月球的方位、月相的變化、星空的閃爍、星座的位置都變得那么真實(shí)。因此在模擬活動(dòng)結(jié)束后讓學(xué)生感受真實(shí)的星空一定是必不可少的。

2.讓獨(dú)立觀察與小組合作相結(jié)合

觀察活動(dòng)除了有個(gè)人獨(dú)立操作的時(shí)間，還必需安排小組合作交流的時(shí)間，這樣學(xué)生探究的成果才能讓更多的學(xué)生得到分享，也有利于激發(fā)更多的同學(xué)提出觀察活動(dòng)中以及學(xué)習(xí)中遇到的疑惑，如：在月球上能夠看到地球從月平面上冉冉升起嗎？為什么插在月球上的美國(guó)國(guó)旗會(huì)迎風(fēng)招展？為什么宇航員留在月球上的腳印會(huì)那么清晰？小組合作可以發(fā)揮更多同學(xué)的優(yōu)勢(shì)，讓觀察活動(dòng)的作用發(fā)揮到更大。

3.讓動(dòng)態(tài)演示和靜態(tài)圖像相結(jié)合

借助Stellarium軟件使月相觀察變得簡(jiǎn)單而直觀，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生用動(dòng)態(tài)的思維來理解靜態(tài)的地理圖象。不過在觀察活動(dòng)中，僅僅用動(dòng)態(tài)的圖像來理解月相的變化過程其實(shí)是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的思維過程，如果在觀察的基礎(chǔ)上讓學(xué)生畫出靜態(tài)的示意圖來表示月球的運(yùn)動(dòng)特征，就實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的深加工，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展，提升了學(xué)生的空間思維能力，例如學(xué)生借助Stellarium軟件理解了月球的運(yùn)動(dòng)特征和能夠繪制簡(jiǎn)圖來描述月球的運(yùn)動(dòng)特征就屬于兩種不同的思維層次。