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2012.01.15 發刊
 
 

再見2011 走向新年新開始

 
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簡單.易學觀測太陽教具「太陽經緯儀」
「太陽經緯儀」如何輔助五年級「太陽的觀測」教學活動?
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           文•圖/國立臺北教育大學自然科學教育學系 鄭宏文教授

  國小五年級上學期的第一個單元就是太陽的觀測,本文介紹使用簡便的觀測工具,讓我們可以準確模擬並觀測地球上任何日期、時間、任意地點上的太陽方位及其軌跡,順利且高效率的完成康軒版國小自然「太陽的觀測」單元的教學活動。
 
一、前言

  九年一貫課程國小自然與生活科技領域康軒版五年級上學期的第一個單元「太陽的觀測」探討、學習太陽運行的規律變化。雖然藉由實地的觀測可以使學生獲得扎實的學習經驗,但是在教學實務上卻有無法達成的困難,不但受限於觀測日的氣候條件、雲量多寡,而且太陽運行規律的「日週期」、或「年週期」的變化現象所需的觀測時間亦太過冗長耗時,其困難阻礙學生獲得完整觀測經驗,形成國小天文科學教育在實施上的困境。

  本文提出嶄新的「太陽經緯儀」教具,在使用概念上類似於「星座盤」,其操作簡單,突破了上述限制。足可提供教師、學生與天文愛好者學習使用。

  「太陽經緯儀」除具備記錄即時的太陽位置等基本觀測功能之外,還可用來模擬地球上在任何地點、任何季節、日期與任何時間所觀測到的太陽軌跡,使用者可藉此進行進一步的模擬實驗,並觀察、歸納與理解太陽軌跡的運行規律,從而檢驗所謂的「日地關係」。

  「太陽經緯儀」與地球科學在傳統教學中所經常使用的「三球儀」不同,它並非從外太空的觀點,而是從地面上不同地點的「觀測者本位」所見的角度出發,直接指示出太陽在真實三維立體幾何中的空間位置。

  如果由目前臺灣地區國小學生們所普遍反應關於天體觀測的學習心得可知,教學模式若強烈的倚賴於「抽象的空間思考能力」,將會造成學生在理解天文現象上的困擾。期待「太陽經緯儀」的發明及應用,能夠有助於提升國小「太陽的觀測」單元教學暨學習成效。

二、 太陽經緯儀的原理與操作

  太陽經緯儀可以讓使用者輕易的模擬出地球上任意地點、任何日期和時間的太陽軌跡,並準確的指示出太陽的方位,故取其意涵而命名為「易暘指」, 其隱喻則為中國遠古神話的「KUSO版本」:因為追不到太陽而瀕臨渴死的巨人「夸父」,臨死之前「太陽公公」給了他這個「太陽經緯儀」,並且告訴他:「Easy!Sun Tracker (追日人,追日用不著那麼辛苦!)」。

  本文簡單的描述太陽經緯儀的操作流程,並以康軒版國小自然與生活科技五年級上學期「太陽的觀測」單元的學習內容為例,說明太陽經緯儀在太陽觀測單元中的課程應用,以利有志於天文科學教育的國小教師,得藉以引起學生的學習興趣、使教學活動更加生動精采、提升國小五年級上學期「太陽的觀測」單元教學成效。

▲圖一 「太陽經緯儀」:先依觀測日期與時間,調整太陽時鐘及日期尺規,再依觀測所在地點調整緯度,就可以準確預測地球上南、北半球任意緯度觀測地點,在一年中任何日期、時間的太陽位置。其中的透明半球罩除了可作為測量太陽高度角與方位角的尺規,更可作為太陽的軌跡記錄器。而透明半球罩上黃色的球形磁鐵,則代表太陽的位置。

  太陽經緯儀(圖一)的主要原理,是以特殊設計的構造及樞紐將太陽的運行規則,轉換成為人們所熟悉的「太陽高度角、太陽方位角」概念,除了讓使用者可藉此快速掌握太陽軌跡等天體運行規律之外、亦可透過「太陽高度角、太陽方位角」等所謂的「地平座標系統(圖二)」來清楚描述太陽的準確位置。

▲圖二 「地平座標系統」:常用的天體位置記錄方式,係以「高度角、方位角」的座標進行描述。太陽的位置亦可以方位角(0~360 度)與高度角(0~90度)記錄。

  太陽經緯儀的「底座平面」代表的是觀測者所在的「地平面」,其上附有「東、
西、南、北」等四個地理方位,還有從0∼360度的方位角刻度。觀測者則假設位於太陽經緯儀的正中央(如圖一所示),最後「指日準心」所指的方向就是太陽所在的位置。太陽經緯儀上所覆蓋著的透明半球罩,用以代表觀測者所在當地的天空。這個透明半球罩除了可以提供觀測者用以記錄即時的太陽位置之外,亦附有一個所謂的「太陽高度角尺規」(圖三),以提供觀測者測量太陽位置的高度角與方位角等實驗資料。圖一所示透明半球罩上透明黃色的球形磁鐵,則是被用來象徵天空中的太陽位置,教學者可以利用這一顆代表太陽的球形磁鐵,拖曳並模擬天空中的太陽軌跡,以方便教學演示過程的進行。

▲圖三 太陽經緯儀中透明半球罩上的「太陽高度角尺規」。

  使用者須要先選擇一個豔陽高照的白天,依東、西、南、北等地理方位,水平的擺放太陽經緯儀,再依據觀測地點調整緯度指針的角度(圖四)。

▲圖四 依據觀測地點調整太陽經緯儀的緯度指針。

  舉例來說, 臺北市為北緯25度、臺中市北緯24度、北迴歸線的北緯23.5度則通過嘉義地區、而臺南市則為北緯23度、屏東縣則為北緯22 度左右。另外,為了方便使用者使用太陽經緯儀來模擬地球上南、北半球不同地點的太陽軌跡, 太陽經緯儀在「緯度刻盤」上,以藍色顯示北半球緯度,而紅色則顯示為南半球,以利使用者辨識及區別。

   接下來使用者必須依據觀測日期,進行相對應的日期調整(圖五)。讀者可見「日期
尺規」分為「上半年」與「下半年」兩個部分,代表一年之中不同日期的「太陽赤緯角度」,是筆者依據實際的「日地關係」相關資料所得。而「春、夏、秋、冬」等四個季節則分別以「蘋果綠、粉紅、落葉色、淺鐵灰」等四種顏色以彰顯該季節的屬性。舉例來說: 春天欣欣向榮且綠意盎然,所以用「蘋果綠」來表示春天,以顯示其相關的「太陽年規律變化」現象。另外,夏天的氣候炎熱,所以用「粉紅色」來表示; 秋天常見落葉紛紛,所以用「落葉色」來表示;而冬天氣候嚴寒,大地因萬物蟄伏而隱藏了生機,故以「淺鐵灰色」來表示。

▲圖五 依據觀測日期調整太陽經緯儀的日期指向。

   很顯然日期刻度的標示方式直接反映出太陽軌跡的變化規則,所以直接應用在理解天體運行規律時,便可以獲得極佳的學習成效。「日期刻度尺規」是從最北端的「夏至」,通過「春分點」與「秋分點」後, 到達最南端的「冬至」,日期刻度標示方式,是將每個月切割成三個次刻度,刻度間隔以十天為單位。使用者可依循自己想要調整的日期,將「指日準心」調整至適當的位置。詳細的日期尺規辨識原則見圖六。

▲圖六 太陽經緯儀日期刻度的標示原則。

   依序調整好觀測地點的緯度與觀測的日期之後,使用者可轉動太陽經緯儀上的時間轉軸,直到太陽光準確的投影在指日準心的中央(圖七),便可以讀取「太陽時鐘」(圖八)上所指示時間刻度,並獲得所謂的「視太陽時」。同時也可直接以馬克筆在透明半球罩上記錄太陽的位置(圖九),將不同時間的太陽位置進行連線後就是該天的太陽軌跡。或者使用者也可以用筆尖指在太陽影子的正中央,使筆尖的影子投射在指日準心的十字中心點,再從透明半球罩上的尺規來讀取太陽所在位置的「高度角」、「方位角」等資料(圖十∼圖十二)。

▲圖七 轉動太陽經緯儀的時間轉軸,直到太陽光準確地投影在指日準心的中央。 ▲圖八 讀取太陽時鐘上所顯示的「視太陽時」。
▲圖九 以「透明半球罩」上的尺規, 讀取太陽的「高度角」和「方位角」等數據資料。 ▲圖十 以太陽經緯儀驗證太陽位置的時候,必須先調整觀測日期、該地點的緯度,並旋轉時間軸直到太陽的影子投影在「指日準心」的正中央。此時可使用筆尖輕點透明半球罩,使筆尖的影子剛好指在準心的十字中央。
▲圖十一 此時轉動透明半球罩,使筆尖指在其上的「高度角尺規」之上,使用者可讀取尺規上所指示的「太陽高度角」數據,並將其記錄下來。 ▲圖十二 在完成太陽高度角的測量與記錄之後,再將這條半球罩上的尺規往下延伸,所指出太陽經緯儀底座「方位角尺規」的刻度讀值,就是當時太陽所在位置的「太陽方位角」,將其一併記錄下來。

三、 「太陽的觀測」單元的教學應用

  太陽經緯儀亦可輔助國小五年級上學期「太陽的觀測」單元的教學活動。這裡舉出三個教學活動為其基本範例,其他的相關應用與深入研究則留待後續文章中另行討論。以下這三個範例亦常見於例行教學活動中,分別是:1.記錄太陽的位置、2.太陽高度角的年變化折線圖與3.太陽的四季運行軌跡,來說明太陽經緯儀的相關操作及其於太陽觀測教學方面之應用。

1. 記錄太陽的位置: 「想一想,怎樣記錄一天中太陽在天空移動的路徑?選擇一個
晴朗的天氣,到戶外空曠的地方,每隔一小時記錄一次太陽的位置吧!」

  太陽觀測與即時記錄的方式已於圖七∼九中說明,使用者可依相關說明進行操作即可。但相信「每隔一小時記錄一次太陽的位置」不論是對學生或教師而言,都是一個非常沉重的負擔。如果使用本文介紹的太陽經緯儀進行教學,則可以使用其「太陽未來位置」的「模擬」功能,縮短觀測時間、提升教學成效。假設觀測日期為9月15日,觀測地點為臺北市(北緯25度),觀測時間為08:00∼16:00。

   首先, 使用者先將太陽經緯儀依地理方位水平擺置於桌面上,將太陽經緯儀的緯度調整為「北緯25度」,再依圖五與圖六調整太陽經緯儀的日期、如圖八所示將太陽時鐘調整為08:00,蓋上透明半球罩,測量並記錄太陽經緯儀所預測此時的太陽高度角、方位角資料。依序調整太陽時鐘為09:00、10:00、11:00等時間,並一一測量其所對應的太陽位置,即可完成這個部分的教學目標。

2. 不同季節的太陽位置之太陽高度角年變化折線圖:「每一天的日出和日落時刻,太
陽的位置都會有一點改變,利用地面景物當參考體,相隔一段日期比較一次,就能看出太陽位置的變化了。小東每月20日中午12時觀測太陽高度角並記錄於紀錄表中,並以此繪出太陽高度角的年變化折線圖。」

  相信不是每位國小教師或學生都有時間,真正以一整年的時間來完成這一個實驗主題。大部分的實際情況其實就連上述的第一個實驗而言,想要在同一天內,進行每一小時一次的太陽觀測,都有很大的困難,更別提這個實驗所須觀測者以一年中每個月的20日,固定於中午12時進行太陽高度角的觀測,這個遙不可期的教學目標更不可能順利達成。

  使用太陽經緯儀的「太陽軌跡模擬」功能則得以讓教師在數十分鐘之內,於課堂內完成這一個原本需要一整年才能完成的實驗。實驗的進行步驟是:先將太陽經緯儀依地理方位水平擺置於桌面上,將太陽經緯儀的緯度調整為「北緯25度」,再依圖八所示將太陽時鐘調整為12:00,如圖五與圖六調整太陽經緯儀的日期。首先將日期調整為1月20日,蓋上透明半球罩,依據「指日準心」在透明半球罩上所指出的太陽位置,測量並記錄太陽經緯儀所預測的太陽高度角、方位角資料。接下來依序將太陽經緯儀的日期調整為2月20日、3月20日、4月20日等日期,測量並記錄太陽高度角、方位角資
料,就可以完成這一個部分的教學目標。

  太陽經緯儀所擁有這樣簡便的「太陽軌跡模擬」功能,不但縮短了教師的教學時間、提高了學生的學習效率,而且藉由這樣的實驗操作,學生們透過探索模式所進行的主動式學習,不但可以與生活經驗充分結合,動手操作的過程亦提升學生的學習興趣。

3. 不同季節的太陽位置之太陽四季運行軌跡:「有人根據嘉義地區長期觀測記錄,畫出太陽的四季軌跡運行圖。」

  其實不同緯度觀測地點所看到的太陽軌跡並不相同,雖然這裡所舉的範例是在嘉義地區進行長期觀測記錄,並試圖畫出太陽的四季軌跡運行圖,但是,如果將觀測地點改在其他地區,那麼其結果將會有何種變化呢?繪製一年中不同日期、時間的太陽軌跡,方法、步驟已於上一段文字中詳細描述過了, 但是「更換觀測地點」的時候,是否太陽經緯儀也能夠順利的進行太陽軌跡或位置的模擬與預測工作呢?

  由於太陽經緯儀的緯度調整功能,可以提供使用者用以研究地球上任何不同緯度觀測地點的太陽軌跡變化,所以可先行查詢所在當地的緯度資料。以嘉義地區來說,由於北迴歸線通過此地區,所以就將太陽經緯儀的緯度調整為北緯23.5度。

  再來,由圖五、圖六上的日期刻度尺規可以得知,春分與秋分點的實際位置是相互重合的,若以臺灣觀測者的角度來說,夏至時的太陽位置最偏北,而冬至時的太陽位置則最偏南。所以使用者先將太陽經緯儀的日期調至3月21日的「春分」位置,再將「太陽時鐘」(圖八)的時間調整至08:00,並以馬克筆將太陽位置直接記錄在透明半球罩上。接下來依序將「太陽時鐘」的時間調整至09:00∼16:00,間隔一小時記太陽的位置,最後再將其連線,就可以完成3月21日「春分」那一天的太陽軌跡模擬工作(圖十三)。至於「夏至」、「秋分」與「冬至」當日的太陽軌跡,其作法則完全相似。

▲圖十三 如何以太陽經緯儀模擬不同季節、不同日期的太陽軌跡:
可依所在當地的緯度進行調整,再由日期刻度尺規調整觀測日期,然後將「太陽時鐘」的時間依序由08:00調整至16:00,並以每小時的間隔以馬克筆在透明半球罩上記錄太陽的位置。最後再將其連線,就可以完成該日的太陽軌跡模擬工作。

註一: 本文所介紹的「太陽經緯儀」係由筆者所發明,除已取得美國與臺灣的發明專利之外,亦榮獲2011年瑞士日內瓦國際發明展的教具類金牌獎。
註二: 鄭宏文(2010),專利名稱「準單軸太陽軌跡追蹤經緯儀」,中華民國(99)智專一(一)證字第09971483720號,專利案新型第M387330號專利。

<本文摘自 康軒【國小自然通訊第29期】>

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