「太陽經緯儀」在國小
天文科學教育上的應用
鄭宏文
國立聾北教育大學自然科學教育學系 畫、前言 九年一貫課程國民小學自然與生活 科技領域五年級上學期的第一個單元，在 探討「太陽的觀測 J' 並學習太陽運行的規 律變 t 。現行各種版本教科書的教學內 容，則有立體天空模型與竿影教具教學兩 種模式，以求提高其學習太陽規律運行概 念之成效。但是，太陽規律運行概念牽涉 到複雜的「日地關條 J' 需要立體幾何推理 能力才能充分理解 o 依據學者的研究，空 間能力是影響學生在「太陽的觀測」單元 學習成效的主要因素(楊天德， 2009) 。許 民陽、鄧國雄、卓秀娟、李崑山和殷炯盛(1
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)認為國小各年級學童在大空間的認 知方面有辨識的困難，甚至高年級還難以 達成大空間或三度空間內較抽象的空間概 念應用。蘇偉昭(2003)指出天象觀測是屬 於三度空間，應該回歸三度空間的方式來 教學，三度空間的教材設計的方式，無法 使生活在三度空間的人們以自然的理解方 式來學習。 更重要地，雖然藉由太陽觀測可以使 學童獲得紮實的學習經驗，但是，在教學 的實務經驗上，卻會發現不論在太陽運行 規律的「日週期」、或者是「年週期」的變 化現象，學童所欲獲得之「完整的觀測經 驗 J' 不但受限於觀測當天的氣候條件、雲 量多寡，且所需之觀測時間亦是曠日廢 時，實務面上確實有無法達成的困窘。 本文提出了一種嶄新的「太陽經緯 儀」教具(鄭宏文，2010;
Cher嗨， 2010) ，在 建構概念上類似於坊間使用於星座辨識教 學的「星座盤」原理，且操作方式簡單、 易學、有趣，突破了如上述關於時間、空 間、與氣候...等等外在條件，加諸於太陽 觀測教學實務面上的種種限制。不但足以 提供教師、學童、乃至於天文愛好者學習 使用、除具備記錄太陽位置之基本太陽觀 測功能之外，還可用以模擬地球上在任何 觀測地點、於任何季節、與任何時間所觀 測到的太陽運行軌跡，使用者可進一步藉 此進行實驗並觀察、歸納、與理解太陽軌 跡的運行規則、或以直接在陽光下驗證觀 測結果是否服膺所謂的「日地關你」。期待 本「太陽經緯儀」的發明及應用，能夠有 助於提升觀測太陽單元的教學暨學習成 效、並填補竿影教具、立體天空模型兩種 教學的不足之處。膩、日地開係與太陽軌跡
因為萬有引力，使地球以一欄圓形軌 道環繞著太陽周而復始地進行著公轉，然 而，與此同時，地球本體也繞著自身的地 軸自西向東進行自轉。自轉一周直到下一 次太陽再次地通過中天的時間，我們俗稱 為一天，有時也稱之為一個「太陽日」。而 地球繞日公轉一周的時間，我們則通稱為 一年。但因為地球在繞著太陽公轉的過程 中，自轉軸傾斜了約 23.5 度，也造成世界 各地日照角度與日照時間的年週期變忱。 所以地球的南、北兩極就會有整整半年的 時間持續面對著太陽，而另外半年的時間 則一直不見天日。至於地球上的其他地 區，則隨著所在地點的緯度高低，而使日 照角度與日照時間(也就是白晝長度)有所 差異。一般而言，氣候寒暖的程度依該地 區所受的日照角度與日照時間所決定。舉 例而吉，若該地區所受的日照角度愈重宜 地面、且接受日照的時間愈長，則該地區 的氣候就會愈趨於嚴熱。相反地，若該地 區所受的太陽日照角度愈是傾斜、且接受 日照的時間愈是短暫，則該地區的氣候就 會愈趨嚴寒。 由於天空上的太陽漸漸地自東向西 移動，形成了一條運動軌跡，在地球上不 同緯度地區的觀察者們所看到的同一條太 陽軌跡，在觀察者各自所在地區之天空上 的位置，其高、低仰角當然不會一樣，所 以也就造成了不同地區的觀察者們所觀察 到的日照角度與日照時間上的差異。換句 「太陽經緯儀」在國小天文科學教育上的應用 變他的規律，就能夠充分地暸解上述於地 球上不同地區、不同季節、與不同時間， 各種與太陽有關的在地生活經驗。 這三大規律其實非常簡單:第一、觀 察者所在地區的緯度愈高，太陽的照射角 度則愈為傾斜。第二、地球相對於太陽自 轉的平均速度為 24 小時 360 度(相當於每 小時的度)。第三、太陽位置因為春夏秋 冬季節交替的年週期變他，使得太陽的南 北位置偏移週期性變他，其振幅為地球的 自轉軸傾斜角 23.5 度，週期長度則為 365.25 天。所以令人們真正廠覺複雜難懂 的，其實只是在於透過立體空間的幾何推 演，將這三條簡單的原則進行概念串連的 那個過程，而並非這三條簡單的原則本身 令人難以理解。 所以為了提升觀測太陽單元的教學 暨學習成效，可以仿效傳統上使用星座盤 輔助星座辨識課程的概念，設計一種全新 的「太陽羅盤 J' 讓學習者可以依照其所在 地區的緯度，進行緯度調整。再來依照觀 察太陽的日期、時間，調整這一個所謂的 「太陽羅盤」的日期與時間，就可以依照 這一個「太陽羅盤」的指示，來進行太陽 觀測的學習活動。想一想，這樣的操作流 程，不是與我們透過「星座盤」學習認識 星空與星座辨識時非常地相類似嗎?本文 就將這一個所謂的「太陽羅盤 J' 命名為「太 陽經緯儀」。參、日地開係與太陽軌跡
科學教育月刊 第 342 期 中箏民國一 00年九月 可以稱之為「太陽羅盤」﹒用以讓學習者模 擬、預測、觀測、並記錄太陽的位置與軌 跡。其外型則如圖 1 (a)所示。為了讓使用 者在進行太陽觀測暨其教學活動時，更方 便地實施操作與記錄太陽位置的相關數 值，使用者可以選擇搭配透明指日管、一 個遁明半球罩、及一個代表太陽的還明圓 球形強力磁鐵，詳見圖 1 (b)及國 I(c) 。其 原理則是將日地關條濃縮在轉軸結構之 中。主要有三個轉軸，分別職司 (I)觀測地 點的緯度調整、 (2)觀測日期的調整、與 (3) 觀測時間的調整﹒在這樣的機構設計之 下，使用者便可以此太陽經緯儀，輕易地 預測並模擬在地球上的任何一個觀測地 點、任何日期、時間下的太陽位置暨其.
行軌跡。
肆、太陽經緯儀的構道
茲將本研究所提出之太陽經錯儀的相關操 作暨所有零件的相關功能整合於衰 1•
圖 1 、 (a) 太陽經輩輩做的外型﹒ (b) 透明扮自管用以指示太陽在天球上的位置。 (c) 透明半球軍代表天球、太陽磁鐵除了代表太陽之外，還可以用來操控太陽經緯 4能以棋微地球上任何觀測地點、任意觀測日期、與任意觀測時間，太陽在天球 上的軌跡﹒ 表 1 、太陽經結做的相關操作暨所有零件的相關功能整合 名稱|
功能Iftj.
緝度尺規 日期刻度史規 依使用者所在之觀測地區，調聽當地的 緯度數值。 依使用者觀測太陽的日期，調整太陽方 位的赤緯角度。F
「太陽經給做」在國小天文科學教育土的應用 太陽時 指日準心 透明措日管 太陽磁 透明半球罩 高度角刻度足 規 方位角刻度足 規 依使用者觀測太陽當地的視太陽時，調 整時鐘指針的指示刻度。 使用者可直接在陽光之下進行驗謹，利 用指日準心直接找到太陽的位置。 用以指示太陽在天球上的位置座標。其 內有一顆強力磁鐵，使用者亦可以直接 經由遁明指日管操作與調整緯度、日 期、與時間等刻度，以節省操作程序及 操作時間。 以團球形磁鐵代表太陽在天球上的‘ 動軌跡。使用者可以隔著遁明半球 直接遞過太陽磁鐵模擬不同觀測地 點、日期、時間的太陽位置，直接由半 球罩上記錄太陽位置之方位角/高度角 座醉。 遁明半球罩除 7 有代表「天球」概念的 象徵性意義之外，同時也提供高度角、 方位角尺規，讓使用者記錄太陽位置座 標。另外，使用者也可以直接將太陽運 行的軌跡記錄於半球罩之上，成為一種 記錄工具。 半球罩上的高度角刻度尺規，可提供使 用者將太陽的位置，轉換成為「高度 角一方位角」數值，以提供書面記錄數 據之所需。 基座上的方位角刻度，你乃搭配透明半 球罩上的仰角刻度足規，可以提供使用 者將太陽的位置，轉換成為「仰角一方 位角」數值，以提供書面記錯數據之所 需。
科學教育月刊 第 342 期 中華民國 -00年九月
伍、如何以太陽經緝幢樓揖預測京
蹋的軌鷗
似於星座盤的使用經驗，太喝體 的使用油程中，也必須依捧觀測日期與 觀測時間調整太簡鐘韓儀零組件的相對 角度。但是星座盤卻會因為使用地點的不 同，而有使用上面的限制﹒學倒而宮，由 於北半球與南半球的星空相異，所以南、 北半球的星座盤也就無法互用。另外，雖 然、美國的阿拉斯加與畫灣一樣問處於 jt 半 球，但是緯度差異過大‘星座盤上代表地 平面的外軍則必須進行相對應的圖樣修 正，亦無法直接過用﹒所以，太陽經 在設計了韓度調整的功能之後，就可以= 使用者超越地場上的使用限制，可以輕易 地預測並棋攝在地球上的任何一個觀測地 、任何日期、時間下的太陽位置暨其 行軌跡，詳見國 2 0 國 2 、 (a) :依照使用者所在觀湖地點之緯度﹒調整緯度制度(以全北地區為制，緯度為北 25 度) 0(b)
:依照日期胡安「抬回車心J 所指的「日期制度尺規」﹒(c)
:依照觀串串}進行的太陽峙，胡盤「太陽時鐘」的指針方向﹒(d)
:蓋上「透明半球罩」﹒ :串串動.fJ:ft罩，使 r 透明指日管」的正中央對準「太陽高度角尺規」﹒ {η: 讀取太 fl 位置的高度角與方位角數值﹒陸、如何以太陽經緯借記錄現在的 太陽位置 太陽經緯儷在觀測太陽單元的教 活動中不但可以用來預測、模擬一年中不 同季節、或一天之中不同時問的太陽軌 跡，同時也具備觀測太陽學習活動中，作 為一個完整的「太陽位置記錄器」的功能。 由於太陽經緯儀的特殊機構設計，其本身 就是一套將「太陽赤緯角/太陽時角」座 「太陽經緯儀」在圓小夭文科學教育上的應用 標，自然轉換成為學童容易理解的「太陽 高度角/太陽方位角」地平座標系統的「座 標轉換器 f 使用者不需要知道這兩套座標 系統相互轉換的矩陣及其數學理論，只要 直接依循操作建議進行揖作，就可以用太 陽經縛儀將太陽位置的座標，以「太陽高 度角/太陽方位角」的地平座標模式，在象 徵天球的透明半球罩上進行觀測記餘，詳 見圖 3 所示。 圖 3 、 (a) :調整「持自準心」的方向對準太陽。
(b)
:將太陽光影投射於準心正中央。(c)
:蓋上透明半球罩，以鉛筆尖端輕點在半球單土。(d)
:使鉛筆尖端的影子拍在準心中央。(e)
:轉動半球罩，使其上的太陽高度角尺規落在鉛筆尖端。 (叮:由半球軍高度角尺規讀取太陽高度角刻度。由基座上方位角尺規績取方位角。科學教育月刊 第 342 期 中攀民國一 00 年九月
藥、如何展示地球上其他觀測地點
的太陽軌跡
本研究所提出的太陽經緯儀，最強大 的功能，在於它不但具備了模擬太陽軌跡 的功能，同時也非常適合用以進行天文教 學活動的實地展示。使用者不但可以用太 陽經韓儷來模擬地球上任何一個地點、任 何季節、與任何時間所觀測到的太陽軌 跡，更可以太陽經緯儷作為天文科學教師 向學生展示太陽軌跡的教學模型。觀測地 點以北極為例，其所在緯度為北緯 90 度。 觀測日期則設定為北半球的夏至。如何以 太陽經緯儀預測、模援、並展示觀測者 於北半球的夏至這一天，在北極所觀測到 的太陽軌跡呢?茲將操作方式整理於圖 4 所示。 圍 4 、 (a) 取出「透明指日管」。 (b) 將「透明指日管」裝入「拾日準心」之中。 (c) 調整日期剝皮(例如，夏豆: 6 月 22 日)。 (d) 調整觀測地點的緯度(制妒，北種:北緯 90 度)。 (e) 調整觀測時間(例如，下午時間:21
:00) 。 (叮蓋上「通明半球草」。 (g) 在「透明半球草」上標明正北方向﹒ (11) 在「透明半球草」上標示太陽位置與時間。 (i) 依序在「透明半球罩 J 土棵示其他時間的太陽位置(制如，觀 ~II 地點為北桂， 觀現'J a 期為夏至 6 月 21 日，天球土的太陽進行軌跡則如右圍所示)。蝴、結論 本文提出了嶄新的「太陽經緯儀」教 具，在建構概念上類似於坊間用於星座辨識 教學的「星座盤 J' 且操作方式易學、簡單、 而有趣，突破了太陽觀測關於時間、空間、 與氣候...等等外在條件，加諸於太陽觀測教 學實務上的實際限制。不但足以提供教師、 學童、乃至於天文愛好者學習使用、除具備 記錄太陽位置之基本太陽觀測功能之外，還 可用以模擬地球上在任何觀測地點、於任何 季節、與任何時間所觀測到的太陽運行軌 跡，使用者可進一步藉此觀察以歸納、理解 太陽軌跡的運行規則、或是以實驗直接驗證 觀測結果是否服膺所謂的「日地關條 J 0 期 待本「太陽經緯儀」的發明及應用，能夠有 助於提升觀測太陽單元的教學暨學習成 效，提供教師一套方便有效的教學教材，俾 能於天文科學教育的紮根上有所貢獻。 「太陽經緯儀」在國小天文科學教育上的應用
參考文獻
許民陽、鄧國雄、卓娟秀、李崑山、殷炯 盛(1994
)。國小學童對方向及位 置兩空間概念認知發展的研究。薑 北市立師範學院學報，000 ( 025 )
,
91-120 。 楊天德( 2009) 。以空間建構教學進行「太 陽的觀測」單元教學之成效研究。 臺北市立教育大學自然科學系碩 士班碩士論文，未出版，台北市。蘇偉昭(
