摘要：本文就中小学科学中相关的旋转问题进行了讨论，明确了定义旋转方向时要首先明确旋转轴的正方向，然后再根据右手螺旋规则来定义顺时针和逆时针的旋转方向。同时明确了随着观测角度的变换，旋转轴的正方向随之改变，旋转方向也会发生改变。明确了上述两点，有关旋转的方向问题就能迎刃而解，避免了不必要的误解和混淆。
关键词：中小学，旋转方向，问题探讨
旋转大家都很熟悉，旋转的方向分顺时针旋转和逆时针旋转两种，一般规定逆时针旋转为默认的旋转方向，例如对称操作中的旋转操作等。但旋转的方向是相对的，从不同的角度观测，旋转的方向是不同的。事实上，旋转的方向是有严格规定的，除了旋转有方向外，旋转所依据的旋转轴其实也是有方向的，而这也是中学阶段容易被忽视的问题，从而导致一些混淆。尤其是中小学阶段，很多知识尚不能理解得很透彻，如果再有混淆，往往会导致学习上的困惑或障碍，从而产生畏惧心理，失去对科学这门学科的兴趣和信心。下面我们就旋转的方向问题进行仔细的探讨。
旋转必须依据一个旋转轴，旋转过程中旋转轴是不动的，而且在旋转轴的延长线上的物体也是不动的，例如地轴和地轴延长线上的北极星。其实旋转轴也是有方向的，而不是一条直线。人们习惯于以自我为中心，因此总是习惯以自我观测的方向为基准，旋转轴的方向默认为观测人观测的方向为正方向。顺时针旋转和逆时针旋转是根据表针的走向来定义的，其实定义的过程中就默认了表针旋转轴的正方向，即观测人眼睛望向表的方向。旋转和旋转轴之间是符合右手螺旋规则的，即右手四指环绕的方向为旋转方向，大拇指的方向就是旋转轴指向的正方向，如图1所示。如果大拇指指向的方向是我们眼睛观测的方向，即旋转轴的正方向，则是顺时针旋转，反之则是逆时针旋转。这个很重要，如果忽视了表针旋转轴的方向，顺时针和逆时针就无从谈起，因为它们是相对的，顺时针转动的表针，从对面看过来就变成了逆时针。而且，观测者角度发生变化时，旋转轴的正方向也会跟着变化。如果没注意到这些问题，混淆就会随之产生。
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图1 旋转轴的方向与右手螺旋规则示意图
旋转方向问题在中小学科学中涉及到地球的自转、公转和恒星围绕北极星旋转等问题[1-2]。定义这些旋转问题，人们还是采取了以观测者为中心的思想，默认了一个正方向，而这个正方向却没有明确点出来，造成一些初学者甚至年轻教师的误解。我们都知道，地球的自转和公转都是逆时针方向的，而这个逆时针都是相对于观测者的角度来定义的。地球的自转是观测者从北极方向的太空观测地球时看到的地球转动方向，即假设地轴的正方向是从地球的北极指向地球的南极方向。当我们从南极上空观测地球自转时，就变成了顺时针。因为此时仍以观测者的观测方向为基准，此时的地轴的正方向变成了从地球的南极指向地球的北极方向。而用方位来描述地球自转时一般用自西向东旋转，就更容易产生歧义了。如图2所示，两种旋转都是自西向东，而旋转方向却一个是顺时针，一个是逆时针，所以最好用自西向东逆时针旋转比较科学。
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图2 自西向东两种旋转方向示意图
同样，对于太阳的运动方向，因为根据日心说太阳相当于不动而地球逆时针自转，根据相对运动原理，太阳应该是相对于地球顺时针旋转的。但我们描述太阳的运动时是用东升西落[3]，而根据图2可以看出，东升西落却是逆时针旋转。问题在于地球的逆时针自转是从北极星方向望向地球的观测的结果，而太阳的运动方向则是从地球望向太阳的观测的结果，观测方向相反，因此结果自然相反。如果太阳的运动方向也依据地轴的正方向定义，根据右手螺旋规则，那么太阳的运动方向就是顺时针方向。同样的问题也发生在恒星的旋转方向问题上，由于太阳的运动方向在课本上描述为东升西落，而没用顺时针来描述，还不会产生困惑。但在描述恒星的旋转方向问题上则由于没有阐明旋转的方向问题，导致了出现两种不同答案的现象。
恒星的旋转方向涉及到地球的公转问题。地球的公转，其实也是观测者从北极上空观测的结果，因此默认了从北指向南是地球公转旋转轴的正方向。这样依据右手螺旋规则，地球的公转为逆时针。由于北极星基本不动，所以地球上的观测者一年四季看到其它星座的恒星是围绕北极星旋转的，但旋转方向问题却出现了混淆。根据相对运动，地球逆时针公转，恒星不动，那么同样根据相对运动原理，其它星座的恒星应该是围绕北极星顺时针旋转的。因此，多数早期的参考资料的答案都是顺时针旋转[4-5]。但是这种答案忽略了观测角度的变化，或者说忽略了旋转轴方向问题。这个问题实际上与太阳的东升西落的问题一样，地球人看到太阳是逆时针旋转的，因此从地球上观测恒星围绕北极星也是逆时针旋转的。这个问题在最新的一些参考资料里已经得到纠正，如孟建平的小学科学单元测试等[6]，但其它参考资料还是顺时针旋转。这一问题其实与恒星周年视差的模拟实验一样。如图3所示，在地球公转到A点时，地球上的人观察到1星在2星的右侧，当地球公转到B点时，地球上的人观察到1星在2星的左侧。观察角度变化了，观察结果也不同了，这样一讲不但能把知识点串联起来，而且让学生理解的更加透彻，不会产生任何误解和混淆，关键是要把旋转轴方向和旋转轴的方向随观测角度变化而变化的问题讲清楚。
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图3 恒星周年视差模拟实验示意图
其实不仅是旋转方向的问题，其它问题也涉及到被忽略的观测角度问题，也就是方向问题。如，前面提到的东西等方位问题，还有左右，上下等。其中东西等方位问题在月相的解释中也出现过争议，以前的初中教与学中总结的月相规律“上上上西西，下下下东东”，记忆起来很方便，但会产生误解，现在课本一般换成左右，而不用东西，其实也是这样的问题。所以，只要从源头上解释清楚，就不会产生不必要的混淆。现在的中学生甚至小学生，理解能力很强，而且更愿意学习一些听起来很高深、很时尚的知识。因此，编写教材时不必为担心学生理解不了而刻意回避一些问题，这样反而产生了误解或混淆，甚至造成理解错误而导致影响到以后的认知。
参考文献
[1] 郁波主编，科学，五年级下册，教育科学出版社，2003年12月第一版。
[2] 朱清时主编，科学，七年级下册，浙江教育出版社，2012年7月第一版。
[3] 《教与学?课程同步讲练》编写组编，教与学?课程同步讲练，北京出版集团公司北京教育出版社，2015年10月第一版。