基于Google Earth的真实地理问题探析

钟华 黄海波

摘 要：本文以摩天轮与太阳轨迹试题为案例，采用Google Earth软件作为主要的探究性学习工具，并辅以其他信息技术手段。将学生分组，依次开展“研究材料和题干”“检索地物信息”“模拟太阳轨迹”和“数学验证”等探究任务，最后得出科学的结论，并对案例试题的错误进行纠正。

关键词：Google Earth;真实地理问题;太阳轨迹;地理空间思维

一、试题研讨激发探究灵感

近期在地理群中有教师提供了一道关于摩天轮与太阳运动轨迹关系的试题。笔者对该题答案存疑，于是产生了围绕该题瑕疵设计学生地理探究活动的想法，旨在引导学生利用谷歌地球和相关知识对太阳视运动规律进行深度思考和实践探究。

1.真题再现，展示试题情境

甲市（45°31′N，73°35′W）采用西五区区时，每年4—10月实行夏令时，即将钟表拨快一小时。该市某河滨公园的摩天轮为该公园的标志性景观，也是城市摄影爱好者的创作素材。图1左图示意该河滨公园布局，右图为该摩天轮景观图。据此完成（1）～（2）题。

（1）当在观景桥上拍摄到太阳处于摩天轮中心位置时，当地时间可能接近

A.3月21日6时         B.4月21日6时30分

C.3月21日7时 D.4月21日7时30分

（2）采用延时摄影可以拍摄太阳运动轨迹，一年中在该观景桥上某一固定点拍摄太阳运动轨迹与摩天轮相切的次数及时间间隔分别是

A.2次间隔相等            B.2次间隔不等

C.4次间隔相等            D.4次间隔不等

参考答案：（1）D      （2）D

2.大胆质疑，发现问题症结

首先，学生完成试题，发现知识盲点和试题疑点;然后，学生开展小组讨论，对试题的科学性提出质疑;最后将问题聚焦到以下两点。

（1）地方时6时太阳是否位于正东方位。第1题，学生一致排除了春分日（A和C），部分学生认为全年中任何一天的地方时6时太阳都应位于正东方向（摩天轮中心），B和D均不是6时，故质疑试题出现错误。若试题无科学性错误，那么，太阳位于正东方向时未必是地方时6时。

（2）观测距离远近与太阳视运动轨迹关系。根据生活常识和透视原理，不难理解“近大远小”的基本规律，即离得近的物体，看起来就大，离得远的物体看起来就小。第2小题中材料和题干没有给出确切的摩天轮尺寸大小，也未告知观测者与摩天轮的距离。观测者距离摩天轮越远，摩天轮在视野中的轮廓则越小。学生认为由于距离这一变量的存在使得摩天轮与太阳轨迹的相切关系并不明确，故从已知信息无法判断是2次相切还是4次相切，甚至还有学生认为观景桥离摩天轮太近了，应该是0次。

3.缜密思考，提出探究方案

基于上述两大问题，学生在教师的引导下开展探究活动，在寻求事实真相的同时，也锻炼学生分析问题、架构方案、解决问题的能力，特别是培养学生地理实践力和使用地理信息技术获取信息的能力。依照興趣自愿原则，班级部分学生自行组织成A、B、C、D 4个小组，每组约4人，分别完成“研究材料和题干”“检索地物信息”“模拟太阳轨迹”和“数学验证”等探究过程。

二、探究活动任务设计与实践

1.A组学生研究材料和题干，获取有效信息

A组4名同学进行充分讨论，在合作中完成对材料和题干内容的梳理和解读，把可能存在的“瓶颈点”加以解析，解析成果向全班同学报告分享。成果内容如下。

（1）时间问题。根据甲市经纬度坐标信息可知，甲市在北美洲，且位于西五区中央经线（75°W）以东1°25′，即甲市地方时比西五区区时早5分40秒，两者相差不大，因此，甲市的地方时可以近似用西五区区时表示。夏令时是部分国家基于能源节约等方面的考虑，人为将钟表拨快1小时，引导民众早睡早起，充分利用自然光照以节省照明开支。材料表明甲市在4—10月使用夏令时，则第1题B选项“4月21日6时30分”应为西五区夏令时，对应的真实区时为5时30分，同理D选项的真实区时应为6时30分。

（2）太阳视运动轨迹。地面观察太阳在天上的运动称为太阳视运动，分为周日视运动和周年视运动。第2小题题干中的“太阳运动轨迹”为太阳周日视运动，即一天内太阳在天空中的位置轨迹，呈圆弧形，圆弧的大小因纬度和季节而变化。A组学生通过操作“太阳视运动互动模拟器”Flash软件（图2），模拟不同地点和日期的太阳周日运动，以充分了解其形态和空间位置。根据该Flash软件的模拟结果，学生画出甲市二分二至日太阳视运动图（图3），图3显示：夏至日的太阳运动轨迹最偏北，冬至日最偏南，二分日时两端正好连接东与西，一年中的任意时刻，太阳总位于夏至日与冬至日的太阳视运动轨迹线之间。

（3）空间问题。根据图1左侧图可知，人们在观景桥上观察并拍摄摩天轮时的视线朝东，并且面向摩天轮中心的方向为正东。人站在观景桥上观察摩天轮中心时有一定的仰角。根据透视原理，人眼看物体总是遵循“近大远小”的规律，摩天轮的外缘能否与太阳运动轨迹相切与摩天轮在人眼中的大小有关，此大小为视野度。摩天轮自身大小无法改变，故摩天轮的视野度主要受观测者与摩天轮之间的距离所影响。夏至日与冬至日的太阳运动轨迹在天空中的视野度也是固定的，为23.5°×2=47°，因此摩天轮外缘与太阳运动轨迹的相切次数取决于观测者与摩天轮的距离。那么，在观景桥上的观测者眼中，摩天轮会不会由于过近而导致其外缘无法与太阳运动轨迹相切呢？该问题需进一步探究。

2.B组学生检索地物信息

依据材料表述，加之图1右图为景观实拍，甲市河滨公园的摩天轮应为真实存在的事物，不妨利用网络和地理信息技术将其搜寻出来。Google Earth 软件（以下称GE）在近十几年来被地理教师广泛应用于地理教学全过程中，该软件也的确在表达真实地理环境方面具有突出优势，因此，B组学生检索地物信息采用的是GE和百度地图两种平台。

首先运行GE，点击顶部菜单栏中的“视图”，再在下拉选项中勾选“网格”，以加载经纬网格。依照材料提供的甲市经纬度坐标（45°31′N，73°35′W），将地球视图挪移、缩放至对应区域，并在工具栏添加地标（图4）以备后续研究。此时，根据GE所加载的地名信息可以确认甲市为加拿大蒙特利尔市。继续寻找摩天轮的位置，打开百度地图，搜索“蒙特利尔摩天轮”，对照百度地图的摩天轮位置，在GE中用人眼目视的方法检索到河边的摩天轮。目视检索的过程可锻炼学生对遥感图像的地物识别能力，学生需要在不断的识别→否定→再识别中找到目标地物。

成功找到摩天轮后，在GE中添加地标。GE针对全球大多数主要城市均建有3D建筑模型，且3D建筑模型是通过实地倾斜摄影数据严格按照实际尺寸构建的虚拟三维模型。点击工具栏中的“标尺”，然后用鼠标在地物间点击测量，经测量得知观景桥长度约为67米（图5），观景桥西端至摩天轮底部约为120米，摩天轮直径约为60米。再通过各种方法交叉验证上述数据的准确性，如网格搜索摩特利尔摩天轮的信息，得到其直径确实为60米;用百度地图测量观景桥长度等。

3.C组学生模拟太阳轨迹

一年中太阳视运动轨迹到底与摩天轮有怎样的位置关系？学生很难亲自去实地一探究竟，更何况观察时间长达一年，而使用GE则既可轻松实现高还原度的模拟，又可随意调整时间。以下为学生GE模拟过程：①勾选GE左侧图层中的“3D建筑模型”。②GE界面放大至观景桥，进入“平面视图”，模拟人在地面观测的视角。③鼠标点击拖动界面右上角的“方向转盘”以改变视线朝向，朝向以正对摩天轮中心（正东）为宜。④显示不同日期和时间的太阳光照。点击工具栏中的光照图标，进入明确的时间与太阳方位对应模式。⑤选择正确的时区。在时间轴框右上方找到并点击“小扳手”按鈕进入时间设置，在“具体时区”栏中选择本题对应的时区，即“EDT-东部夏令时”或“EST-东部标准时间-北美”，分别对应本题所涉及的西五区夏令时和西五区真实区时，建议选择EST。⑥点击时间轴上的和按钮，放大或缩小时间条，同时拖拉“时间标”位置，时间的变化伴随着界面中太阳位置的移动，非常直观地展示太阳升起后的方位变化。⑦视角和界面固定的情况下，在桥东端、桥中间、桥西端三个地方分别模拟春分、夏至、冬至日的太阳视运动，并截图保存相关界面。学生仔细观察其运动轨迹与摩天轮外缘的关系，初步判断一年中不同日期的太阳轨迹与摩天轮的位置关系。⑧将保存的界面截图用Photoshop软件堆栈叠加，得到桥东端、桥中间和桥西端的二分二至日太阳轨迹（图6和图7）。

另外，C组学生还需验证“地方时6时太阳是否位于正东”的问题，选取一年中3—9月每月22日作为时间点，用GE模拟，因北半球冬半年早上6时还未日出，故9月到次年3月用Stellarium软件进行模拟。根据GE模拟，得出初步结论：①人在桥上的位置影响了摩天轮在人眼中视野度的大小，人越靠近摩天轮（桥的东端），则摩天轮越大，反之越小。在观景桥的东端（离摩天轮53米），夏至日太阳轨迹与摩天轮并不相切而是相交，只有在3月初和10月初太阳轨迹才和摩天轮相切于南侧边缘，故全年相切次数为2次，间隔不等。桥中间和桥西端的观测结果与桥东端不同，因此，本题答案存在争议。②蒙特利尔地方时6时太阳一般不位于正东，只有春秋分的6时太阳才在正东方向。

4.D组学生用数学计算辅助检验

观景桥上不同的位置观察摩天轮有不同的视野度，将该视野度与47°（夏至日到冬至日的太阳轨迹间隔）进行比较可确定一年中的太阳轨迹与摩天轮相切（以下简称相切）次数，因此D组学生采用几何计算的方法辅助检验。过程如下：设摩天轮直径为AB（AB=60m），O为摩天轮中心，OB=30m，C为观景桥上观测者位置（53m≤OC≤120m），且OC⊥OB，OC平分∠ACB（图8）。根据三角函数关系可知，①当观测者站在桥西端时，OC=120m，tanα=[OBOC] =[30120]，α≈14°，则摩天轮的视野度2α=28°<47°。这表明夏至日与冬至日的太阳轨迹均与摩天轮相离，太阳往返两者间共有4次相切，间隔不等。②当观测者站在桥东端时，OC=53m，tanα=30/53，α≈29.5°，则2α=59°。显然夏至日太阳轨迹与摩天轮相交，冬至日与摩天轮相离，全年有2次相切，间隔不等。③当观测者站在桥中间时，必然有某个位置能看到夏至日相切，即α=23.5°，根据公式可反推OC的值。tan23.5°=30/OC，OC≈69，表明站在离摩天轮69米的桥上观测夏至日的太阳轨迹与摩天轮相切，冬至日并不相切，故一年中相切次数为3，间隔不等。显然D组学生的数学检验是对C组学生模拟结果的验证和补充，由此证实C组模拟结果是正确的。

三、纠错分析

第1小题，甲市纬度为北半球中纬度，要使太阳位于摩天轮中心，则该日太阳在东偏北方升起后一小段时间运行到正东方位，而3月21日日出即在正东方位，故排除A和C。B和D的夏令时转换成真实的区时分别是4月21日5时30分和6时30分，到底哪个才是正确答案？可以确定的是，4月21日日出时间早于当地时间6时，对于日出时间与日出后太阳到达正东所需的时间，材料和题干既无告知，亦无法通过题目信息进行计算，故学生只能凭感觉猜测答案，答案存在争议。

改正方案：既然无法确定时刻，那么将第1题选项改成不同的日期。更改后的选项为：A.3月21日6时;B.4月21日7时30分;C.9月23日8时;D.10月23日8时30分。正确答案为B。

第2小题，经过学生的充分讨论与分析，一致认为第2小题的答案存在巨大争议。根据上述研究过程可知，一年中太阳轨迹与摩天轮的相切次数因观测者与摩天轮的距离不同而变化：当距离远时（相距70～120米），夏至日太阳轨迹与摩天轮相离（图9），全年有4次相切，分别是夏至前、夏至后、春分前和秋分后;当距离为69米时，夏至日太阳轨迹与摩天轮相切（图10），全年有3次相切，分别是夏至日、春分附近和秋分附近;当距离近时（相距53～68米），夏至日太阳轨迹与摩天轮相交（图11），全年有2次相切，分别是春分前和秋分后。

改正方案：为避免答案出现争议，可将具体情境确定为上述三种情况之一。改正后的题干和选项如下：每天（为期一年）在该观景桥上某一固定点拍摄太阳运动轨迹，若夏至日太阳轨迹与摩天轮相切，则全年相切的次数是：A.1次;B.2次;C.3次;D.4次。正确答案为C。

四、总结

经过此次探究性学习，学生深刻认识到地理空间是三维空间，各种地理事物的大小、远近和运动增强了地理空间的复杂性，摩天轮在人眼中的大小与人在桥上的位置紧密关联。

新课标要求教师充分利用地理信息技术，营造直观、实时、生动的地理教学环境[1]。基于地理信息技术在直观形象和数据精准方面的卓越表现，它已成为地理课堂和教学研究的得力工具[2-3]。Google Earth软件在中学地理教学的课堂应用中已有大量教师开展研究[4]。而本文则将GE软件作为探究性学习的主要工具，辅之以其他信息技术手段，通过学生分组完成任务的方式，层层递进，得出更为科学的结论，并对案例试题的错误进行纠正。过程远比结果更重要，上述摩天轮太阳轨迹问题的探究过程可锻炼学生分析问题的能力，激发他们的质疑精神和批判性思维，培养地理实践力和使用地理信息技术获取信息的技巧。当学生对其他地理问题产生质疑和兴趣时，此次探究过程必将为其提供有益的参考借鑒。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 胡顺石，潘婷，谭子芳.现代信息技术在构建灵动地理课堂中的应用[J].中学地理教学参考（下半月），2019（07）：55-57.

[3] 蔡明.应用地理信息技术探究疫情相关地理问题的课程设计[J].地理教学， 2020（08）：22-26.

[4] 黄海波，罗瑛.谷歌地球屏幕覆盖图层制作方法与地理教学应用[J]. 地理教学， 2017（18）：47-50.