Stellarium在時間系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

程綿綿 楊娜 李春燕 任思衡

[摘 要] 時間系統(tǒng)規(guī)定了時間測量的參考標(biāo)準(zhǔn)，是很多大學(xué)專業(yè)課程甚至中小學(xué)課程必須講解的內(nèi)容。針對時間系統(tǒng)部分教學(xué)內(nèi)容抽象、不易理解的問題，闡述時間有關(guān)的基本概念，介紹常用的時間系統(tǒng)及其相關(guān)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出Stellarium在時間系統(tǒng)教學(xué)中的一種應(yīng)用方法，通過三維動態(tài)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(tǒng)的基本原理，整個過程直觀形象，便于學(xué)生理解。該方法可以推廣應(yīng)用到多門課程的實際教學(xué)中。

[關(guān)鍵詞] Stellarium;時間系統(tǒng);恒星時;太陽時

[基金項目] 2020年度航天工程大學(xué)士官學(xué)校預(yù)研基金項目“基于Stellarium的天文測量模擬系統(tǒng)研究與實現(xiàn)”

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

[中圖分類號] G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)展和消亡的，時間是最基本的物理量之一，它反映物質(zhì)運動的順序性和連續(xù)性。人們在日常生活及科學(xué)研究中都離不開時間，因此從中小學(xué)的自然和地理課程到大學(xué)的地球概論、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、天文測量技術(shù)等課程均需要講解時間有關(guān)的知識。同時，時間又是一個抽象的概念，現(xiàn)階段大學(xué)課堂上關(guān)于時間系統(tǒng)的教學(xué)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(xué)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(jù)觀測者設(shè)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(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究，目前已在教學(xué)中進(jìn)行了一定的應(yīng)用[1-5]。本文在闡述時間有關(guān)的基本概念及常用的時間系統(tǒng)基礎(chǔ)上，介紹了Stellarium在時間系統(tǒng)教學(xué)中的一種應(yīng)用，通過三維動態(tài)的方式闡述恒星時和真太陽時的基本原理，便于學(xué)生理解。

二、時間的基本概念及常用的時間系統(tǒng)

大學(xué)課程中，關(guān)于時間系統(tǒng)的教學(xué)主要講解時間的概念、常用的時間系統(tǒng)及換算、時間歷法及時間的傳遞等內(nèi)容，其中時間的基本概念及常用的時間系統(tǒng)是其他教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)，下面對這兩項教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行闡述。

（一）時間的基本概念

從科學(xué)角度講，時間的概念要從“時刻”和“時間間隔”兩方面進(jìn)行理解[6] （P24-27），其中“時刻”是指某一事件發(fā)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(xù)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(zhǔn)”“守時系統(tǒng)”“授時”等基本概念。

時間的計量需要有一個標(biāo)準(zhǔn)的公共尺度，稱為時間基準(zhǔn)。時間是建立在物質(zhì)運動和變化的基礎(chǔ)上的，物質(zhì)的運動與變化又是在時間和空間中進(jìn)行的。如果脫離了物質(zhì)，脫離了物質(zhì)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(zhì)的運動為依據(jù)，各種具體的時間計量系統(tǒng)都建立在對某一特定物質(zhì)運動測量的基礎(chǔ)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(xù)性和可測性都可以作為時間基準(zhǔn)。目前，國際時間計量工作中主要選用地球自轉(zhuǎn)、地球公轉(zhuǎn)和電子原子的諧波震蕩三種物質(zhì)運動作為時間基準(zhǔn)，從而得到不同的時間系統(tǒng)。

守時系統(tǒng)是用來建立和維持時間的頻率基準(zhǔn)，確定任一時刻的時間的系統(tǒng)。日常生活中，最常見的守時系統(tǒng)就是時鐘，利用時鐘可以連續(xù)向用戶提供任一時刻所對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行比對，求出比對時刻時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時間的鐘差，對時鐘加以修正，以便獲得較為準(zhǔn)確的時間。如何獲取正確的標(biāo)準(zhǔn)的時間，這就涉及授時的概念。

確定與保持某種時間基準(zhǔn)，并通過一定方式把代表這種基準(zhǔn)的時間信息傳送出去供用戶使用的相關(guān)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(zhì)也是授時?，F(xiàn)代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，授時的規(guī)模和質(zhì)量不斷提高，授時系統(tǒng)可以通過電視、電話、網(wǎng)絡(luò)、無線電、專用長波和短波電臺和衛(wèi)星等設(shè)施向用戶傳遞準(zhǔn)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(gòu)在測定和維持各種時間系統(tǒng)，并通過各種方式將有關(guān)的時間和頻率信息播發(fā)給用戶，這些工作稱為時間服務(wù)。較為著名的有國際計量局的時間部（提供國際原子時和協(xié)調(diào)世界時）、美國海軍天文臺。我國的時間服務(wù)是由位于西安市臨潼區(qū)的中國科學(xué)院國家授時中心提供。

（二）常用的時間系統(tǒng)

如上所述，時間的計量需要有時間基準(zhǔn)，同時采用不同的時間基準(zhǔn)可以得到不同的時間系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，常用的時間基準(zhǔn)及得到的時間系統(tǒng)如圖1所示。

1.以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)。選擇不同的參考點可以得到不同的時間系統(tǒng)，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(zhuǎn)為基準(zhǔn)。以地球公轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的時間系統(tǒng)為歷書時系統(tǒng)。

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

在上述時間系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過設(shè)置一定的規(guī)則條件又可以得到其他的時間系統(tǒng)，如將平太陽時劃分時區(qū)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(xié)調(diào)可以得到協(xié)調(diào)世界時。而我國使用的標(biāo)準(zhǔn)時間—北京時間，是協(xié)調(diào)世界時基礎(chǔ)上提前8小時的時間。除此之外，還有全球定位系統(tǒng)時間（Global Positioning System Time）等。