基于Google Earth的真實地理問題探析

鐘華 黃海波

摘 要：本文以摩天輪與太陽軌跡試題為案例，采用Google Earth軟件作為主要的探究性學習工具，并輔以其他信息技術手段。將學生分組，依次開展“研究材料和題干”“檢索地物信息”“模擬太陽軌跡”和“數學驗證”等探究任務，最后得出科學的結論，并對案例試題的錯誤進行糾正。

關鍵詞：Google Earth;真實地理問題;太陽軌跡;地理空間思維

一、試題研討激發探究靈感

近期在地理群中有教師提供了一道關于摩天輪與太陽運動軌跡關系的試題。筆者對該題答案存疑，于是產生了圍繞該題瑕疵設計學生地理探究活動的想法，旨在引導學生利用谷歌地球和相關知識對太陽視運動規律進行深度思考和實踐探究。

1.真題再現，展示試題情境

甲市（45°31′N，73°35′W）采用西五區區時，每年4—10月實行夏令時，即將鐘表撥快一小時。該市某河濱公園的摩天輪為該公園的標志性景觀，也是城市攝影愛好者的創作素材。圖1左圖示意該河濱公園布局，右圖為該摩天輪景觀圖。據此完成（1）～（2）題。

（1）當在觀景橋上拍攝到太陽處于摩天輪中心位置時，當地時間可能接近

A.3月21日6時 ? ? ? ? B.4月21日6時30分

C.3月21日7時 D.4月21日7時30分

（2）采用延時攝影可以拍攝太陽運動軌跡，一年中在該觀景橋上某一固定點拍攝太陽運動軌跡與摩天輪相切的次數及時間間隔分別是

A.2次間隔相等? ? ? ? ? ? B.2次間隔不等

C.4次間隔相等? ? ? ? ? ? D.4次間隔不等

參考答案：（1）D? ? ? （2）D

2.大膽質疑，發現問題癥結

首先，學生完成試題，發現知識盲點和試題疑點;然后，學生開展小組討論，對試題的科學性提出質疑;最后將問題聚焦到以下兩點。

（1）地方時6時太陽是否位于正東方位。第1題，學生一致排除了春分日（A和C），部分學生認為全年中任何一天的地方時6時太陽都應位于正東方向（摩天輪中心），B和D均不是6時，故質疑試題出現錯誤。若試題無科學性錯誤，那么，太陽位于正東方向時未必是地方時6時。

（2）觀測距離遠近與太陽視運動軌跡關系。根據生活常識和透視原理，不難理解“近大遠小”的基本規律，即離得近的物體，看起來就大，離得遠的物體看起來就小。第2小題中材料和題干沒有給出確切的摩天輪尺寸大小，也未告知觀測者與摩天輪的距離。觀測者距離摩天輪越遠，摩天輪在視野中的輪廓則越小。學生認為由于距離這一變量的存在使得摩天輪與太陽軌跡的相切關系并不明確，故從已知信息無法判斷是2次相切還是4次相切，甚至還有學生認為觀景橋離摩天輪太近了，應該是0次。

3.縝密思考，提出探究方案

基于上述兩大問題，學生在教師的引導下開展探究活動，在尋求事實真相的同時，也鍛煉學生分析問題、架構方案、解決問題的能力，特別是培養學生地理實踐力和使用地理信息技術獲取信息的能力。依照興趣自愿原則，班級部分學生自行組織成A、B、C、D 4個小組，每組約4人，分別完成“研究材料和題干”“檢索地物信息”“模擬太陽軌跡”和“數學驗證”等探究過程。

二、探究活動任務設計與實踐

1.A組學生研究材料和題干，獲取有效信息

A組4名同學進行充分討論，在合作中完成對材料和題干內容的梳理和解讀，把可能存在的“瓶頸點”加以解析，解析成果向全班同學報告分享。成果內容如下。

（1）時間問題。根據甲市經緯度坐標信息可知，甲市在北美洲，且位于西五區中央經線（75°W）以東1°25′，即甲市地方時比西五區區時早5分40秒，兩者相差不大，因此，甲市的地方時可以近似用西五區區時表示。夏令時是部分國家基于能源節約等方面的考慮，人為將鐘表撥快1小時，引導民眾早睡早起，充分利用自然光照以節省照明開支。材料表明甲市在4—10月使用夏令時，則第1題B選項“4月21日6時30分”應為西五區夏令時，對應的真實區時為5時30分，同理D選項的真實區時應為6時30分。

（2）太陽視運動軌跡。地面觀察太陽在天上的運動稱為太陽視運動，分為周日視運動和周年視運動。第2小題題干中的“太陽運動軌跡”為太陽周日視運動，即一天內太陽在天空中的位置軌跡，呈圓弧形，圓弧的大小因緯度和季節而變化。A組學生通過操作“太陽視運動互動模擬器”Flash軟件（圖2），模擬不同地點和日期的太陽周日運動，以充分了解其形態和空間位置。根據該Flash軟件的模擬結果，學生畫出甲市二分二至日太陽視運動圖（圖3），圖3顯示：夏至日的太陽運動軌跡最偏北，冬至日最偏南，二分日時兩端正好連接東與西，一年中的任意時刻，太陽總位于夏至日與冬至日的太陽視運動軌跡線之間。

（3）空間問題。根據圖1左側圖可知，人們在觀景橋上觀察并拍攝摩天輪時的視線朝東，并且面向摩天輪中心的方向為正東。人站在觀景橋上觀察摩天輪中心時有一定的仰角。根據透視原理，人眼看物體總是遵循“近大遠小”的規律，摩天輪的外緣能否與太陽運動軌跡相切與摩天輪在人眼中的大小有關，此大小為視野度。摩天輪自身大小無法改變，故摩天輪的視野度主要受觀測者與摩天輪之間的距離所影響。夏至日與冬至日的太陽運動軌跡在天空中的視野度也是固定的，為23.5°×2=47°，因此摩天輪外緣與太陽運動軌跡的相切次數取決于觀測者與摩天輪的距離。那么，在觀景橋上的觀測者眼中，摩天輪會不會由于過近而導致其外緣無法與太陽運動軌跡相切呢？該問題需進一步探究。

2.B組學生檢索地物信息

依據材料表述，加之圖1右圖為景觀實拍，甲市河濱公園的摩天輪應為真實存在的事物，不妨利用網絡和地理信息技術將其搜尋出來。Google Earth 軟件（以下稱GE）在近十幾年來被地理教師廣泛應用于地理教學全過程中，該軟件也的確在表達真實地理環境方面具有突出優勢，因此，B組學生檢索地物信息采用的是GE和百度地圖兩種平臺。

首先運行GE，點擊頂部菜單欄中的“視圖”，再在下拉選項中勾選“網格”，以加載經緯網格。依照材料提供的甲市經緯度坐標（45°31′N，73°35′W），將地球視圖挪移、縮放至對應區域，并在工具欄添加地標（圖4）以備后續研究。此時，根據GE所加載的地名信息可以確認甲市為加拿大蒙特利爾市。繼續尋找摩天輪的位置，打開百度地圖，搜索“蒙特利爾摩天輪”，對照百度地圖的摩天輪位置，在GE中用人眼目視的方法檢索到河邊的摩天輪。目視檢索的過程可鍛煉學生對遙感圖像的地物識別能力，學生需要在不斷的識別→否定→再識別中找到目標地物。

成功找到摩天輪后，在GE中添加地標。GE針對全球大多數主要城市均建有3D建筑模型，且3D建筑模型是通過實地傾斜攝影數據嚴格按照實際尺寸構建的虛擬三維模型。點擊工具欄中的“標尺”，然后用鼠標在地物間點擊測量，經測量得知觀景橋長度約為67米（圖5），觀景橋西端至摩天輪底部約為120米，摩天輪直徑約為60米。再通過各種方法交叉驗證上述數據的準確性，如網格搜索摩特利爾摩天輪的信息，得到其直徑確實為60米;用百度地圖測量觀景橋長度等。

3.C組學生模擬太陽軌跡

一年中太陽視運動軌跡到底與摩天輪有怎樣的位置關系？學生很難親自去實地一探究竟，更何況觀察時間長達一年，而使用GE則既可輕松實現高還原度的模擬，又可隨意調整時間。以下為學生GE模擬過程：①勾選GE左側圖層中的“3D建筑模型”。②GE界面放大至觀景橋，進入“平面視圖”，模擬人在地面觀測的視角。③鼠標點擊拖動界面右上角的“方向轉盤”以改變視線朝向，朝向以正對摩天輪中心（正東）為宜。④顯示不同日期和時間的太陽光照。點擊工具欄中的光照圖標，進入明確的時間與太陽方位對應模式。⑤選擇正確的時區。在時間軸框右上方找到并點擊“小扳手”按鈕進入時間設置，在“具體時區”欄中選擇本題對應的時區，即“EDT-東部夏令時”或“EST-東部標準時間-北美”，分別對應本題所涉及的西五區夏令時和西五區真實區時，建議選擇EST。⑥點擊時間軸上的和按鈕，放大或縮小時間條，同時拖拉“時間標”位置，時間的變化伴隨著界面中太陽位置的移動，非常直觀地展示太陽升起后的方位變化。⑦視角和界面固定的情況下，在橋東端、橋中間、橋西端三個地方分別模擬春分、夏至、冬至日的太陽視運動，并截圖保存相關界面。學生仔細觀察其運動軌跡與摩天輪外緣的關系，初步判斷一年中不同日期的太陽軌跡與摩天輪的位置關系。⑧將保存的界面截圖用Photoshop軟件堆棧疊加，得到橋東端、橋中間和橋西端的二分二至日太陽軌跡（圖6和圖7）。

另外，C組學生還需驗證“地方時6時太陽是否位于正東”的問題，選取一年中3—9月每月22日作為時間點，用GE模擬，因北半球冬半年早上6時還未日出，故9月到次年3月用Stellarium軟件進行模擬。根據GE模擬，得出初步結論：①人在橋上的位置影響了摩天輪在人眼中視野度的大小，人越靠近摩天輪（橋的東端），則摩天輪越大，反之越小。在觀景橋的東端（離摩天輪53米），夏至日太陽軌跡與摩天輪并不相切而是相交，只有在3月初和10月初太陽軌跡才和摩天輪相切于南側邊緣，故全年相切次數為2次，間隔不等。橋中間和橋西端的觀測結果與橋東端不同，因此，本題答案存在爭議。②蒙特利爾地方時6時太陽一般不位于正東，只有春秋分的6時太陽才在正東方向。

4.D組學生用數學計算輔助檢驗

觀景橋上不同的位置觀察摩天輪有不同的視野度，將該視野度與47°（夏至日到冬至日的太陽軌跡間隔）進行比較可確定一年中的太陽軌跡與摩天輪相切（以下簡稱相切）次數，因此D組學生采用幾何計算的方法輔助檢驗。過程如下：設摩天輪直徑為AB（AB=60m），O為摩天輪中心，OB=30m，C為觀景橋上觀測者位置（53m≤OC≤120m），且OC⊥OB，OC平分∠ACB（圖8）。根據三角函數關系可知，①當觀測者站在橋西端時，OC=120m，tanα=[OBOC] =[30120]，α≈14°，則摩天輪的視野度2α=28°<47°。這表明夏至日與冬至日的太陽軌跡均與摩天輪相離，太陽往返兩者間共有4次相切，間隔不等。②當觀測者站在橋東端時，OC=53m，tanα=30/53，α≈29.5°，則2α=59°。顯然夏至日太陽軌跡與摩天輪相交，冬至日與摩天輪相離，全年有2次相切，間隔不等。③當觀測者站在橋中間時，必然有某個位置能看到夏至日相切，即α=23.5°，根據公式可反推OC的值。tan23.5°=30/OC，OC≈69，表明站在離摩天輪69米的橋上觀測夏至日的太陽軌跡與摩天輪相切，冬至日并不相切，故一年中相切次數為3，間隔不等。顯然D組學生的數學檢驗是對C組學生模擬結果的驗證和補充，由此證實C組模擬結果是正確的。

三、糾錯分析

第1小題，甲市緯度為北半球中緯度，要使太陽位于摩天輪中心，則該日太陽在東偏北方升起后一小段時間運行到正東方位，而3月21日日出即在正東方位，故排除A和C。B和D的夏令時轉換成真實的區時分別是4月21日5時30分和6時30分，到底哪個才是正確答案？可以確定的是，4月21日日出時間早于當地時間6時，對于日出時間與日出后太陽到達正東所需的時間，材料和題干既無告知，亦無法通過題目信息進行計算，故學生只能憑感覺猜測答案，答案存在爭議。

改正方案：既然無法確定時刻，那么將第1題選項改成不同的日期。更改后的選項為：A.3月21日6時;B.4月21日7時30分;C.9月23日8時;D.10月23日8時30分。正確答案為B。

第2小題，經過學生的充分討論與分析，一致認為第2小題的答案存在巨大爭議。根據上述研究過程可知，一年中太陽軌跡與摩天輪的相切次數因觀測者與摩天輪的距離不同而變化：當距離遠時（相距70～120米），夏至日太陽軌跡與摩天輪相離（圖9），全年有4次相切，分別是夏至前、夏至后、春分前和秋分后;當距離為69米時，夏至日太陽軌跡與摩天輪相切（圖10），全年有3次相切，分別是夏至日、春分附近和秋分附近;當距離近時（相距53～68米），夏至日太陽軌跡與摩天輪相交（圖11），全年有2次相切，分別是春分前和秋分后。

改正方案：為避免答案出現爭議，可將具體情境確定為上述三種情況之一。改正后的題干和選項如下：每天（為期一年）在該觀景橋上某一固定點拍攝太陽運動軌跡，若夏至日太陽軌跡與摩天輪相切，則全年相切的次數是：A.1次;B.2次;C.3次;D.4次。正確答案為C。

四、總結

經過此次探究性學習，學生深刻認識到地理空間是三維空間，各種地理事物的大小、遠近和運動增強了地理空間的復雜性，摩天輪在人眼中的大小與人在橋上的位置緊密關聯。

新課標要求教師充分利用地理信息技術，營造直觀、實時、生動的地理教學環境[1]。基于地理信息技術在直觀形象和數據精準方面的卓越表現，它已成為地理課堂和教學研究的得力工具[2-3]。Google Earth軟件在中學地理教學的課堂應用中已有大量教師開展研究[4]。而本文則將GE軟件作為探究性學習的主要工具，輔之以其他信息技術手段，通過學生分組完成任務的方式，層層遞進，得出更為科學的結論，并對案例試題的錯誤進行糾正。過程遠比結果更重要，上述摩天輪太陽軌跡問題的探究過程可鍛煉學生分析問題的能力，激發他們的質疑精神和批判性思維，培養地理實踐力和使用地理信息技術獲取信息的技巧。當學生對其他地理問題產生質疑和興趣時，此次探究過程必將為其提供有益的參考借鑒。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 胡順石，潘婷，譚子芳.現代信息技術在構建靈動地理課堂中的應用[J].中學地理教學參考（下半月），2019（07）：55-57.

[3] 蔡明.應用地理信息技術探究疫情相關地理問題的課程設計[J].地理教學， 2020（08）：22-26.

[4] 黃海波，羅瑛.谷歌地球屏幕覆蓋圖層制作方法與地理教學應用[J]. 地理教學， 2017（18）：47-50.