Stellarium在時間系統教學中的應用

程綿綿 楊娜 李春燕 任思衡

[摘 要] 時間系統規定了時間測量的參考標準，是很多大學專業課程甚至中小學課程必須講解的內容。針對時間系統部分教學內容抽象、不易理解的問題，闡述時間有關的基本概念，介紹常用的時間系統及其相關關系。在此基礎上，提出Stellarium在時間系統教學中的一種應用方法，通過三維動態的方式模擬恒星時與真太陽時的基本過程，闡述兩種時間系統的基本原理，整個過程直觀形象，便于學生理解。該方法可以推廣應用到多門課程的實際教學中。

[關鍵詞] Stellarium;時間系統;恒星時;太陽時

[基金項目] 2020年度航天工程大學士官學校預研基金項目“基于Stellarium的天文測量模擬系統研究與實現”

[作者簡介] 程綿綿（1990—），男，安徽安慶人，博士，航天工程大學士官學校講師，主要從事測繪導航研究。

[中圖分類號] G642 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）30-0132-04 ? ?[收稿日期] 2021-03-22

一、引言

自然界中的一切事物包括人類社會都是在一定的時間和空間中生存、發展和消亡的，時間是最基本的物理量之一，它反映物質運動的順序性和連續性。人們在日常生活及科學研究中都離不開時間，因此從中小學的自然和地理課程到大學的地球概論、衛星導航系統、天文測量技術等課程均需要講解時間有關的知識。同時，時間又是一個抽象的概念，現階段大學課堂上關于時間系統的教學大多以幻燈片動畫講解為主，這種方法不夠形象具體，不易學生理解。因此，如何把抽象的時間概念講解得具體化，是授課教師需要研究的問題。

Stellarium是一款虛擬天文館軟件，該軟件可以根據觀測者設置的觀測時間和地點，自動計算天空中太陽、月球、行星和恒星等天體的位置，并將其顯示出來，同時該軟件還可以繪制天球及天球上基本的點線圈，便于人們理解天文知識和進行相關科學研究，目前已在教學中進行了一定的應用[1-5]。本文在闡述時間有關的基本概念及常用的時間系統基礎上，介紹了Stellarium在時間系統教學中的一種應用，通過三維動態的方式闡述恒星時和真太陽時的基本原理，便于學生理解。

二、時間的基本概念及常用的時間系統

大學課程中，關于時間系統的教學主要講解時間的概念、常用的時間系統及換算、時間歷法及時間的傳遞等內容，其中時間的基本概念及常用的時間系統是其他教學內容的基礎，下面對這兩項教學內容進行闡述。

（一）時間的基本概念

從科學角度講，時間的概念要從“時刻”和“時間間隔”兩方面進行理解[6] （P24-27），其中“時刻”是指某一事件發生的瞬間，而“時間間隔”表示兩個時刻之間的歷程，可以理解成“時間段”的含義，用于描述事物運動在時間上的連續狀況。對于“時間”概念的理解，除了需要理解“時間”概念本身，還需要理解“時間基準”“守時系統”“授時”等基本概念。

時間的計量需要有一個標準的公共尺度，稱為時間基準。時間是建立在物質運動和變化的基礎上的，物質的運動與變化又是在時間和空間中進行的。如果脫離了物質，脫離了物質的運動和變化，時間和空間都將是毫無意義的，因此時間的計量必須以物質的運動為依據，各種具體的時間計量系統都建立在對某一特定物質運動測量的基礎之上。一般來說，任何一個可觀測的周期性運動，如果滿足均勻性、連續性和可測性都可以作為時間基準。目前，國際時間計量工作中主要選用地球自轉、地球公轉和電子原子的諧波震蕩三種物質運動作為時間基準，從而得到不同的時間系統。

守時系統是用來建立和維持時間的頻率基準，確定任一時刻的時間的系統。日常生活中，最常見的守時系統就是時鐘，利用時鐘可以連續向用戶提供任一時刻所對應的時間。同時，由于任何一臺時鐘都存在一定的誤差，所以需要通過一定的方式與標準時間進行比對，求出比對時刻時鐘與標準時間的鐘差，對時鐘加以修正，以便獲得較為準確的時間。如何獲取正確的標準的時間，這就涉及授時的概念。

確定與保持某種時間基準，并通過一定方式把代表這種基準的時間信息傳送出去供用戶使用的相關工作稱為授時。在古代，就有“鼓樓定更擊鼓、鐘樓撞鐘報時”這樣一項工作，其本質也是授時。現代，隨著科學技術的發展進步，授時的規模和質量不斷提高，授時系統可以通過電視、電話、網絡、無線電、專用長波和短波電臺和衛星等設施向用戶傳遞準確的時間信息和頻率信息。不同的方法具有不同的傳遞精度，以滿足不同用戶的需要。目前國際上有許多單位和機構在測定和維持各種時間系統，并通過各種方式將有關的時間和頻率信息播發給用戶，這些工作稱為時間服務。較為著名的有國際計量局的時間部（提供國際原子時和協調世界時）、美國海軍天文臺。我國的時間服務是由位于西安市臨潼區的中國科學院國家授時中心提供。

（二）常用的時間系統

如上所述，時間的計量需要有時間基準，同時采用不同的時間基準可以得到不同的時間系統。現階段，常用的時間基準及得到的時間系統如圖1所示。

1.以地球自轉為基準。選擇不同的參考點可以得到不同的時間系統，如以春分點為參考點可以得到恒星時，以真實太陽為參考點得到真太陽時，以平太陽為參考點得到平太陽時。

2.以地球公轉為基準。以地球公轉為基準的時間系統為歷書時系統。

3.以電子、原子的諧波震蕩為基準。以原子內部不同能級間躍遷輻射的頻率為基準所建立的時間系統為原子時系統。

在上述時間系統基礎上，通過設置一定的規則條件又可以得到其他的時間系統，如將平太陽時劃分時區后可以得到世界時，將世界時的時刻與原子時的秒長折中協調可以得到協調世界時。而我國使用的標準時間—北京時間，是協調世界時基礎上提前8小時的時間。除此之外，還有全球定位系統時間（Global Positioning System Time）等。