董愛軍 杜昆 支啟軍 王曉雅 李俊

摘? ?要：太陽作為地球生命活動的能量來源，具備很多動力學(xué)特征，其中太陽的“較差自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象能夠利用視頻分析工具在課堂教學(xué)中直觀展示。文章以SDO為數(shù)據(jù)來源，Tracker為視頻分析工具，“STEM”為診斷性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究了“較差自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的教學(xué)。這些教學(xué)手段可以激發(fā)學(xué)生的天文興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐探索能力。

關(guān)鍵詞：太陽較差自轉(zhuǎn);Tracker;STEM

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）6-0070-3

太陽和行星一樣存在自轉(zhuǎn)，但它是一個(gè)氣體球，不像剛體那樣具有相同的自轉(zhuǎn)周期。觀測表明，太陽的自轉(zhuǎn)周期由赤道向兩極逐漸增大，在南北緯30°的地方，自轉(zhuǎn)周期為26.2日;兩極自轉(zhuǎn)周期約為37日。太陽自轉(zhuǎn)速度隨緯度變化的現(xiàn)象叫作太陽的較差自轉(zhuǎn)。

1? ? 教學(xué)方法與過程

太陽表面的緯向“較差自轉(zhuǎn)”速度可以通過兩類方法來計(jì)算，一類是通過觀測不同譜線在太陽邊緣不同緯度上的多普勒頻移來計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果會受到太陽表面速度場和散射光的影響;另一類是通過跟蹤日面不同緯度上示蹤物（例如太陽耀斑、黑子、日冕等）的移動來確定自轉(zhuǎn)速度[1]。

考慮到學(xué)生掌握的數(shù)學(xué)和物理知識的局限，這里采用分析示蹤物的移動的方法，先通過SDO（Solar Dynamics Observatory）采集2020年11月份30天的太陽圖像;然后導(dǎo)入Tracker視頻分析軟件對太陽上的耀斑進(jìn)行追蹤，并利用三角函數(shù)的性質(zhì)計(jì)算不同緯度耀斑的自轉(zhuǎn)速度;最后參照“STEM”模式做出診斷性評價(jià)，形成一個(gè)完整的教學(xué)閉環(huán)，該教學(xué)過程如圖1所示。

2? ? 太陽圖像獲取

2.1? ? SDO介紹

“較差自轉(zhuǎn)”教學(xué)的難點(diǎn)之一是太陽的觀測圖像不易獲取，在地球上觀測會受到天氣因素的影響而無法連續(xù)進(jìn)行。而SDO可通過多波段的成像儀對太陽大氣進(jìn)行高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的觀測，它共搭載了三個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器：太陽大氣成像儀（AIA）、極紫外成像儀（EVE）和日球?qū)哟艌鲇^測儀（HMI），分別用來觀測太陽表面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁場活動的變化，以確定太陽活動和太陽表面磁場活動有關(guān)的太陽內(nèi)部的能量來源與物理機(jī)制。這三臺儀器每天從不同的角度觀測太陽的特征以及動態(tài)圖片，并向大眾開放獲?。╤ttps：//sdo.gsfc.nasa.gov/data/）。網(wǎng)頁上有三種不同特點(diǎn)的太陽圖像，分別是AIA系列、HMI磁圖和HMI強(qiáng)度圖。其中，AIA 193 （對應(yīng)波長為193）系列能夠展現(xiàn)出明顯的日冕拋射現(xiàn)象、太陽的耀斑，以及對外輻射很弱的冠狀洞的黑暗區(qū)域。其中，太陽耀斑是一種發(fā)生在太陽大氣局部區(qū)域的最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，太陽在短時(shí)間內(nèi)釋放的大量能量引起局部區(qū)域瞬時(shí)加熱，向外發(fā)射各種電磁輻射，并伴隨粒子輻射的突增。在AIA 193 圖像系列中，太陽耀斑非常明顯，很容易被Tracker示蹤，所以我們下載此系列的太陽圖像作為“較差自轉(zhuǎn)”的教學(xué)素材。

2.2? ? 太陽圖像下載與整理

為了在圖像文件導(dǎo)入Tracker后形成連續(xù)的太陽自轉(zhuǎn)視頻，下載的太陽圖片應(yīng)該為同一尺寸標(biāo)準(zhǔn)。本次下載的是2020年11月1日到30日的太陽圖，尺寸為512×512像素。注意要將所有的圖片保存到同一個(gè)文件夾sun下，并按日期編號。

3? ? 數(shù)據(jù)處理

3.1? ? Tracker的使用

教師在課前應(yīng)把Tracker安裝包和sun文件夾打包發(fā)給學(xué)生。教師首先向?qū)W生介紹Tracker軟件——它是一款運(yùn)動軌跡追蹤軟件，能追蹤物體的運(yùn)動并進(jìn)行分析處理。接著，向?qū)W生示范Tracker的使用方法和步驟：首先，在Tracker軟件里選擇文件夾sun，打開202011_01的圖片，Tracker會自動加載全部圖像，并形成動態(tài)的視頻;然后，設(shè)置太陽的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，用定標(biāo)桿定義太陽的直徑為100，幀間隔時(shí)間設(shè)置為1 s，1 s在這里代表1天;接著，對每一個(gè)耀斑創(chuàng)建質(zhì)點(diǎn)，進(jìn)行太陽耀斑的追蹤，左側(cè)得到太陽耀斑在太陽圖像上的蹤跡，右側(cè)得到耀斑的（t，x）圖像，如圖2所示。

3.2? ? 緯度的計(jì)算

在Tracker中確定好坐標(biāo)軸，用不同顏色的圈描繪出不同緯度的太陽耀斑的軌跡，鼠標(biāo)點(diǎn)擊追蹤點(diǎn)，可獲得追蹤點(diǎn)的坐標(biāo)值（x，y）。圖片是二維的，但是球體上的位置是三維的。課堂上需要分析太陽的自轉(zhuǎn)周期和緯度的關(guān)系，而通過二維的坐標(biāo)值得到相應(yīng)的緯度值，需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。

此時(shí)需要讓學(xué)生試著動手完成緯度的計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生的思維與數(shù)學(xué)計(jì)算能力。根據(jù)耀斑的縱坐標(biāo)，結(jié)合緯度轉(zhuǎn)換圖（圖3），可以計(jì)算出耀斑在太陽上的緯度值：θ=arcsin（），再利用公式θ=θ· 把弧度變?yōu)榻嵌取?/p>

3.3? ? 自轉(zhuǎn)速度、自轉(zhuǎn)周期的計(jì)算

由于太陽的自轉(zhuǎn)是有規(guī)律的，周期性的，有一定的角速度ω，符合正弦函數(shù)的圖像性質(zhì)，所以選取正弦函數(shù)進(jìn)行擬合（圖4）。點(diǎn)擊Analyze對圖像進(jìn)行擬合，表達(dá)式應(yīng)為x=Asin（Bt+C），參數(shù)A，B，C以10%，5%，1%的幅度進(jìn)行手動調(diào)整，使擬合的正弦曲線和耀斑的軌跡達(dá)到最佳匹配度。擬合時(shí)，教師需要讓學(xué)生明白A是振幅，B是角速度，C是初相位。知道A，B，C的物理意義可以讓手動調(diào)節(jié)變得簡單，當(dāng)手動調(diào)節(jié)到正弦函數(shù)和圖像較為重合時(shí)，點(diǎn)擊自動擬合就能得到較好的擬合函數(shù)。

在曲線的下方可以直接得到參數(shù)A，B，C的值（緯度中負(fù)數(shù)代表南緯，正數(shù)代表北緯），其中B為角速度ω（rad/天）。根據(jù)ω=2π/T， T=2π/ω， 得到耀斑ω和T的數(shù)據(jù)，如表1所示。

教師引導(dǎo)學(xué)生對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，并讓他們提出自己的觀點(diǎn)。學(xué)生很容易注意到太陽不同位置的耀斑的自轉(zhuǎn)角速度和自轉(zhuǎn)周期是不同的，越靠近赤道位置，自轉(zhuǎn)周期越小;越靠近太陽的兩極，自轉(zhuǎn)周期越大。為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？地球的自轉(zhuǎn)角速度和自轉(zhuǎn)周期都是固定的，但太陽的結(jié)構(gòu)與地球完全不同，地球是固體，而太陽大部分是由氣體組成的，其中氫約占71.3%、氦約占7%，其他元素占2%。因此，太陽的自轉(zhuǎn)是氣體球的自轉(zhuǎn)，它不遵循類行星（剛體球）的轉(zhuǎn)動規(guī)律。太陽表面和內(nèi)部都存在隨緯度變化的自轉(zhuǎn)速度差異，表面的差異稱為太陽的緯向較差自轉(zhuǎn)，內(nèi)部的差異稱為太陽的徑向較差自轉(zhuǎn)。

4? ? 誤差分析

得到擬合數(shù)據(jù)后，應(yīng)該與真實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，來驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。教科書上給出的太陽在南北緯30°處的自轉(zhuǎn)周期為26.2日，而計(jì)算得出的自轉(zhuǎn)周期大概是30天，誤差率高達(dá)14.5%。很明顯，直接使用觀測數(shù)據(jù)得出的結(jié)果不合理，應(yīng)該進(jìn)行誤差分析。

如果是用架設(shè)在地球上的望遠(yuǎn)鏡去拍攝太陽的圖像，不難想象，地球自轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一定的相對運(yùn)動。要想得到準(zhǔn)確的圖像，應(yīng)該在每一天的同一個(gè)時(shí)間進(jìn)行拍攝，這是人為可控的誤差因素。但是，太陽自轉(zhuǎn)的同時(shí)地球還在進(jìn)動，導(dǎo)致太陽耀斑實(shí)際的自轉(zhuǎn)周期小于計(jì)算數(shù)值。因此，需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。我們把實(shí)際的太陽自轉(zhuǎn)周期記為R，地球上測得的太陽自轉(zhuǎn)周期記為S，地球的公轉(zhuǎn)周期約為365.25天，則有R=（P·365.25）/（P+365.25）。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，SDO衛(wèi)星需要保持在一個(gè)與地球相對不變的位置上，相當(dāng)于從地球上觀察太陽的自轉(zhuǎn)，把P=30代入得到R=27.3。此時(shí)的誤差率縮小為5.84%，已經(jīng)非常接近真實(shí)值了。這是偶然誤差還是系統(tǒng)誤差呢？是在哪個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的？是否可以避免？消除它有哪些可行的方法呢？這一連串的問題可以作為開放性作業(yè)，讓學(xué)生通過閱讀文獻(xiàn)找出測量太陽自轉(zhuǎn)的科學(xué)方法，并與本堂課所用的方法進(jìn)行比較，在找出這些問題答案的過程中，培養(yǎng)學(xué)生積極探索的意識和能力。

5? ? 教學(xué)評價(jià)

在此次教學(xué)中，倡導(dǎo)學(xué)生分組合作學(xué)習(xí)，在教師的指導(dǎo)下按照步驟進(jìn)行科學(xué)探究。太陽黑子和太陽耀斑類似，在太陽的觀測圖上會有明顯的蹤跡。因此，可以鼓勵(lì)學(xué)生利用太陽黑子進(jìn)行示蹤，重新進(jìn)行太陽較差自轉(zhuǎn)的測量分析，并讓學(xué)生分組撰寫利用太陽黑子進(jìn)行太陽較差自轉(zhuǎn)分析的學(xué)習(xí)報(bào)告。

一次完整的教學(xué)需有精心準(zhǔn)備的教學(xué)過程，還應(yīng)有科學(xué)的教學(xué)效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。STEM融合了多學(xué)科的特點(diǎn)，是比較科學(xué)的教育理念?！癝”即科學(xué)，“T”即技術(shù)，“E”即工程，“M”即數(shù)學(xué)。從這四個(gè)維度對學(xué)生的太陽“較差自轉(zhuǎn)”學(xué)習(xí)報(bào)告進(jìn)行打分，以診斷學(xué)生對課堂教學(xué)的掌握程度。表2是結(jié)合“STEM”診斷模式的教學(xué)評價(jià)量表，它把太陽“較差自轉(zhuǎn)”的探究過程分為10個(gè)步驟，四個(gè)維度。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)報(bào)告對這10個(gè)步驟進(jìn)行打分，其中S=（S1+S2+S3）/3， T=（T1+T2）/2， E=（E1+E2）/2， M=（M1+M2+M3）/3。教師可以根據(jù)得分結(jié)果對今后的教學(xué)做出一定的改進(jìn)。如果得分值在0～6的范圍內(nèi)，說明學(xué)生此方面的能力較弱，需要提高。此量表的診斷得分還可以評估學(xué)生對這節(jié)課的接納程度以及對天文學(xué)的興趣，并對天文教育的實(shí)際課堂教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)。

6? ? 小? 結(jié)

在天文教學(xué)中，除了太陽的較差自轉(zhuǎn)可以課堂教學(xué)外，很多其他內(nèi)容也可以通過一定的輔助技術(shù)實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)，例如可以用WWT（萬維望遠(yuǎn)鏡）進(jìn)行宇宙的漫游探索，并通過讓學(xué)生提交利用WWT制作視頻的方式對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)考核。學(xué)生可以選擇自己喜歡的天文題材進(jìn)行視頻制作，自己配音，添加腳本，選擇背景音樂等[2]。采用信息技術(shù)手段進(jìn)行天文課堂教學(xué)能極大地鼓舞學(xué)生對天文學(xué)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力。有利于天文學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)，擺脫大學(xué)天文教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容呆板、學(xué)生上課缺乏活力的問題。也可以用來改變我國天文教育區(qū)域發(fā)展不平衡，本科天文教育薄弱的問題，促進(jìn)我國天文學(xué)本科教育的發(fā)展[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]褚哲.太陽黑子的世紀(jì)周期以及太陽較差自轉(zhuǎn)的研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2010.

[2]王琴. 基于WWT平臺的天文教學(xué)模式研究[D].武漢：華中師范大學(xué)， 2016.

[3]董愛軍，陳秋蓮.中國東部和中西部地區(qū)天文學(xué)本科教育對比[J]. 德州學(xué)院學(xué)報(bào)， 2019， 35（02）： 5-7+19.

（欄目編輯? ? 邱曉燕）