中學地理科學實驗的六大類型及其案例分析

2024年3月6日發(作者：數學家的故事100字左右)

教學研究2020 年 第 3 期中學地理科學實驗的六大類型及其案例分析楊崝源 段玉山 姚澤陽 馬倩怡 劉妍君（華東師范大學 地理科學學院, 上海 200241）*摘要：依據實驗的根本目的，為拓展學生對地理過程的理解，體驗真實的地理原理，筆者將中學地理科學實驗劃分為經典實驗室實驗、時間變化模型實驗、類比實驗、空間變化模型實驗、物理模型實驗以及計算機模型實驗六大類型，并對每一類型實驗進行舉例分析，希望以此深化地理科學實驗的理論研究、豐富地理科學實驗的實踐案例、培養學生的地理核心素養，為地理科學實驗教學研究提供新的視角。關鍵詞：中學地理科學實驗；實驗類型；案例分析；地理核心素養地理科學實驗劃分為多種類型。有根據地理學科性質將地理科學實驗劃分為自然地理實驗和人文地理實驗，有按照實驗地點的不同將其分為課堂地理實驗和野外地理實驗，有按照實驗主體的不同分為教師操作實驗和學生操作實驗，還有更多的是按照實驗主題進行分類。如曹琦將地理實驗分為地球系列地理實驗、氣象氣候系列地理實驗、水文系列地理實驗、地質地貌地理實驗、地圖系列實驗、生物和土壤系列實驗、人文地理系列實驗等七類[2]。同時，在此基礎上，還有一些分類更多地考慮了地理科學過程的特點。如夏志芳按照實驗目的不同將地理科學實驗分為析因實驗與重現實驗。前者是在知道某些地理事物之“果”的基礎上，由“果”追“因”的實驗，后者指為了再現某一地理事物的運動、變化規律而做的實驗[3]。袁書琪按照使用的儀器和材料的不同，分為真實實驗和模擬實驗等[4]。段玉山按照學習內容進程將地理實驗分為地理感知性實驗和地理驗證性試驗。前者指安排于學習內容之前的實驗，目的是使學生通過實驗獲得對學習內容的初步感知。后者指安排于學習內容之后的實驗，目的是使學生通過實驗驗證所學原理的正確性[5]。張衛青、徐寶芳按地理實驗的層次不同將地理實驗分為驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗。驗證性實驗是驗證課堂所學理論的實驗；設計性實驗是指給定實驗目的要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗；綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的實驗[6]。可以將這些分類匯總如下（見表1）。一、引言1.研究背景地理科學實驗是中學地理課程體系的重要組成部分，也是當今世界地理教育界研究的熱點話題。《普通高中地理課程標準（2017年版）》中，明確指出考察、實驗、調查等是地理學重要的研究方法，也是地理課程重要的學習方式。通過地理科學實驗，學生可以獲取地理信息，探索和嘗試解決實際問題，具備活動策劃、實施等行動能力，最終通過地理學科核心素養的培養，從地理教育的角度落實立德樹人根本任務。在美國，新一代科學標準（NGSS）對“地球與空間科學”的陳述中提到了大量實驗要求（Laboratory Experiments）或模型要求（Develop Model），如“地球系統”這一部分，要求學生“建立一個定量模型描述碳循環”。美國主流的《科學探索者》和《科學發現者》系列地理教材中也設計了大量實驗，每一部分設計了課前探索板塊，以實驗活動的方式讓學生進行課前思考和探索，引導學生進入學習狀態。由此可見，地理科學實驗正成為各國課程標準和教科書的焦點，越來越受到廣大研究者的重視。當前的教學實際中，地理科學實驗尚未得到應有的重視，甚至有被弱化的趨勢，造成這一狀況的原因是多方面的，而缺乏既符合教學實際又契合地理學科性質的實驗分類理論則是重要的原因之一。[1]2.研究現狀對中學地理科學實驗的分類沒有一個準確的標準，從現有文獻可以看出，依據不同的分類標準可以將*基金項目：本文系上海市2018年度“科技創新行動計劃”科普項目《地理科學實驗包開發研究》（項目編號：18dz2301700）的階段性研究成果。

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2020 年 第 3 期表1 地理科學實驗分類學者曹琦夏志芳袁書琪段玉山分類標準實驗主題實驗目的實驗儀器學習內容進程實驗類型地球系列、氣象氣候系列、水文系列、地質地貌系列、地圖系列、生物和土壤系列、人文地理系列析因實驗、重現實驗真實實驗、模擬實驗地理感知性實驗、地理驗證性實驗驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗教學研究過程控制一個或多個變量；收集量化數據；最終檢驗使用控制變量的函數結果。例如在實驗室中將沉積物置于水槽底部，通過改變水流流速和泥沙類型，觀察侵蝕或搬運泥沙所需的流速與泥沙顆粒大小的關系，以研究地理科學中的流水侵蝕問題。又如可以改變巖石的類型以及大小，將不同巖石放入密封牢固的盛有水的容器中，通過觀察大力搖晃容器后巖石的破碎程度來探究風化作用。經典案例：水土流失系列模擬實驗[8]。本實驗通過依次改變植被覆蓋度、降水強度及坡度變量，讓學生明白各要素對水土流失的影響。實驗器材有水土流失實驗模型（見圖1）、電子秤、量杯、泥沙、草皮、小鏟子。張衛青、地理實驗層次徐寶芳總結已有分類可以發現，地理科學實驗的分類存在如下問題：一是分類依據單一，僅體現實驗本身的某一特點（如實驗地點）或地理科學的某一種特征（如人文與自然交叉的特征），而沒有將實驗的特點與地理這門學科的多種特征相結合，沒能體現出地理科學實驗的學科屬性；二是分類未體現室內實驗的多樣性，現有的地理科學實驗多受到實驗環境的限制，將在室內進行的地理科學實驗限定為實驗室實驗，忽視了室內實驗的多樣性。地理科學是研究地理要素空間分布規律、時間演變過程和區域特征的一門學科，是自然科學與人文科學的交叉。本研究對中學地理科學實驗進行全新的系統分類，以期達到以下目標：（1）體現地理科學作為一門具有綜合性、空間性、動態性及實踐性等特點的學科特性，將發生在地球表面巨大空間中的復雜地理現象通過實驗的方式完整呈現，以還原其真實性。（2）地理科學實驗與物理化學實驗不同，不能單純地歸納為實驗室實驗，而是應依據實驗的根本目的進行深入分類。（3）有助于教師在設計實驗教學時認真思考實驗的真正研究目標及側重點，使設計的實驗對應分類方式更易理解與實施。（4）有助于學生了解地理科學現象背后的完整過程，建構現象與過程的關聯認知，拓展學生對地理過程的理解，體驗真實的地理原理。鑒于此，筆者通過對中學地理科學實驗進行分類，將中學地理科學實驗劃分為經典實驗室實驗、時間變化模型實驗、類比實驗、空間變化模型實驗、物理模型實驗及計算機模型實驗六大類型，并對每一類型實驗進行舉例分析，以期為地理科學實驗教學研究提供新的視角。[7]圖1 水土流失實驗模型實驗步驟：1）將坡面調整至低坡度a，在坡面上分別鋪設2kg泥沙（即裸地）、2kg泥沙并鋪設一層草皮（草皮的覆蓋率為50%）、2kg泥沙并鋪設一層草皮（草皮的覆蓋率為100%），模擬降水約40秒。觀察泥沙采集盤中的水土總量和渾濁度并進行稱重，依次記為m1、m2、m3。2）將坡面調整至坡度a，在坡面上鋪設2kg泥沙，降雨強度依次為小雨、中雨、大雨。觀察泥沙采集盤中的水土總量和渾濁度并進行稱重，分別記為n1、n2、n3。3）在坡面上鋪設2kg泥沙，模擬降水約40秒，將坡面依次調整至坡度a、坡度b、坡度c。觀察泥沙采集盤中的水土總量和渾濁度并進行稱重，分別記為p1、p2、p3。水土流失系列模擬實驗符合經典實驗室模型，在實驗室中使用實驗器材進行，并選擇植被覆蓋度、降水強度以及坡度三個要素為變量，控制變量得到量化數據，最終檢驗結果得出科學結論。該實驗結合現實中的二、中學地理科學實驗六大類型及案例分析1.經典實驗室實驗實驗原理：經典實驗室模型指教師或學生經常會在實驗室通過使用實驗器材并改變多個變量進行的地理科學實驗，有以下幾點特征：實驗發生在實驗室；實驗

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教學研究自然環境問題，能夠培養學生從人地關系系統的角度，分析人類活動對自然環境的影響和作用，歸納人類活動遵循自然規律、與自然和諧相處的路徑。學生還能從自然環境各要素相互影響的角度，綜合分析要素之間的關系，生成綜合思維。除此之外，培養了學生與他人合作、設計和實施較復雜的地理模擬實驗的能力，從而對區域的生態環境保護提出構想。騰。2020 年 第 3 期2）酒精燈加熱錫紙盒直至巧克力融化并開始沸3）熄滅酒精燈，用鑷子將其中一個錫紙盒快速取下放于冰桶中，另一錫紙盒放于支架上不動。

4）靜置十分鐘后，用鑷子取出已凝固的巧克力，分別觀察兩種情況下巧克力的的外觀特征。5）思考：自然冷卻的巧克力和放置于冰上快速冷卻的巧克力從外觀上看，哪個氣孔數量較多？是什么因素影響了氣孔數量的多少？該實驗適用于高中地理“巖漿巖的分類”相關內容的教學，且契合了時間變化模型的速率推理路線。侵入巖與噴出巖冷卻時間快慢以及冷卻速度決定了其氣孔的數量及結晶顆粒的大小。該實驗將自然環境中不易察覺的物質運動通過生動形象的方式模擬呈現，學生可以從時間要素的角度分析巖石的運動與變化規律，提高學生解釋地理事物和現象與認識自然環境的能力。2.時間變化模型實驗實驗原理：在地理科學實驗中，將時間作為重要的影響因素，需要從時間綜合的角度分析地理事象的發生、發展和演化。例如，針對全球氣候變化研究，可以使用20世紀以來的CO2數據進行小尺度研究，也可以依據6500萬年以來化石及沉積物的突變進行大尺度下的推理。在時間變化模型中，有三條常見的時間推理路線，分別是：①序列。序列限制了隨意性。序列即如果A在B之前發生，那么A可能可以引起或影響B，反之不成立。②速率。速率限制了強度。如果一塊一米厚的巖石幾乎瞬間被侵蝕，那么該現象所需要的強度一定比多年逐漸積累侵蝕更大。③模式。模式幫助解釋地理科學現象，尤其是當下無法研究的進程，如沒有冰川的世界或是沒有光合作用的世界會是如何。經典案例：巖漿巖結晶顆粒比較實驗。侵入巖由于溫度冷卻較慢，巖漿有較充分的條件結晶，因而形成晶體較大的礦物顆粒，呈明顯結晶結構，氣孔數量較少。噴出巖由于巖漿冷凝速度較快，礦物結晶的顆粒不明顯，常成比較細密的隱晶質巖石，加之冷凝時氣體大量逸散，常呈氣孔狀構造。本實驗探究影響巖漿巖的氣孔數量的因素，并通過觀察巖漿巖的氣孔數量判斷侵入巖、噴出巖。實驗器材有巧克力或芝士奶酪若干塊、四片錫紙、酒精燈、酒精燈支架、鑷子、冰塊若干、杯子或小桶（放置冰塊），實驗裝置如圖2所示。3.類比實驗實驗原理：類比模型基于“今天是過去的關鍵”這一指導原則，即過去的自然過程和今天觀察到的過程是一樣的，基于古今的相似性，可以基本推斷古環境[9]。例如，通過觀察海底最近噴發的火山巖，發現枕狀玄武巖是水下產物，只在水中才會形成，所以當發現古巖石巖層結構中包含枕狀玄武巖時，即可推測該巖層是在水下環境中沉積而成。又如依據現代動物推斷生物化石生存的環境也符合類比模型。經典案例：三大類巖石區分實驗。沉積巖是由松散沉積物經成巖作用固結形成；巖漿巖或沉積巖在高壓、高溫或熱液參與作用下發生變質作用形成變質巖；沉積巖或變質巖熔融形成巖漿，巖漿噴出冷卻和固結成巖漿巖。本實驗目標是辨別三大類巖石各自的特征。實驗器材有三大類巖石標本（花崗巖、玄武巖、浮石、砂巖、石灰巖、大理巖）、典型礦物圖片、稀鹽酸、燒杯、滴管、巖石大類辨識卡、護目鏡。實驗步驟：1）取出巖石標本，判斷巖石是否含層理、是否有肉眼可見顆粒。2）根據巖石大類辨識卡（見圖3），進一步細分巖石種類。3）將巖石標本按照沉積巖、巖漿巖、變質巖種類圖2 巖漿巖結晶顆粒比較實驗模型分類。該實驗適用于高中地理“三大類巖石的特征”相關內容的教學，符合類比法的探究原則。實驗通過現有分類巖石，并基于區分不同類別巖石特點的準則，類比判斷其余環境下的巖石種類，由此理解巖石圈物質循環實驗步驟：1）將巧克力或芝士奶酪切成碎塊，分別放置于兩個已折疊好的錫紙盒中。

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2020 年 第 3 期教學研究注：翻譯自Laboratory Manual in Physical Geology 10th圖3 巖石大類辨識卡[10]過程，對自然環境系統及其要素發展、演變過程有更深刻的認識。粒的粗細沉積預示了運輸方向。②共現。兩個現象若在空間上同時出現，會假設一個引起另一個或者二者均由第三個因素引起。例如在太平洋“火圈”周圍同時發生的火山爆發、深度地震和測深溝形成了俯沖帶的概念。經典案例：流水地貌系列實驗。(1)河流上游侵蝕模擬實驗原理：河流又稱地表徑流，通常都具有一定4.空間變化模型實驗實驗原理：地理科學空間變化發生在眾多尺度和維度上，這些變化包括經度、緯度、近岸離岸距離、城鄉梯度等變化。在空間變化模型中，也有兩條常見的空間推理路線，分別是：①梯度。梯度說明方向，例如沙

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教學研究的流速。通常情況下，河流發源于山區，上游水流湍急，沖擊力較大，因此河水在流動過程中攜帶大量泥沙。加之上游河道斷面較窄，河流的侵蝕作用主要是下蝕。本實驗目標為理解河流侵蝕對地貌形成的影響。實驗器材是一端開口的長方形透明亞克力盒、泥沙混合物、500ml水、幾塊積木、一面小旗。實驗步驟：1） 將泥沙混合物裝入透明亞克力盒中并適當加固，用積木將亞克力盒墊高（見圖4），亞克力盒底邊與桌面呈30°-45°夾角）。2） 將小旗子插在亞克力盒頂端處。3） 開始向亞克力盒中距小旗約5cm的下坡處持續澆水，觀察坡面的變化。4） 填充泥沙，待坡面恢復，沿坡面不同方向澆水，觀察坡面的變化。5） 將水瓶拿到更高處澆水（流速更快），觀察坡面變化。頭。2020 年 第 3 期水從進水端進入，從河道另一端排出，如圖5所示。6）旗子倒下后讓水繼續流動10分鐘，關掉水龍圖5 凹凸岸侵蝕堆積示意圖（備注：左：實驗前；右：實驗后）(3)山前沖積扇模擬實驗原理：河流在流動過程中會破壞和搬運地表物質，這些物質在河流搬運能力減弱的情況下，會沉積下來形成沉積地貌。在山地地帶，河流攜帶大量泥沙流出山谷地區后容易形成沖積扇。本實驗目標為學生知道沖積扇的形成過程和山前沖積扇沉積物的分布特征。實驗器材包含適量土、粒徑不同的沙子、直徑約50cm的盆、適量水，實驗模型如圖6所示。泥沙混合物圖4 河流上游侵蝕模擬實驗器材(2)中游“凹岸侵蝕、凸岸堆積”模擬實驗原理：在同一河段，侵蝕、搬運和堆積是同時進行的。在彎曲河段處兩側河水流速不同，一側發生侵蝕，同時另一側發生堆積。相對原來平直河岸而言，凹進的一側河岸稱為凹岸，凸出的一側為凸岸。本實驗目標為能夠正確地區分凹岸和凸岸，說出河流對凹岸和凸岸的不同影響。實驗器材包括方形亞克力盒（在亞克力盒子相鄰的兩邊開兩個洞，如圖5所示）、泥沙、軟管和水龍頭、兩面小旗、照相機。實驗步驟：1）在亞克力盒中鋪一層厚5cm的濕潤泥沙，以泥質土為主，壓實，處理平整。2）用泥沙塑造出一條彎曲的河道，河道兩岸高度和坡度一致。3）墊高盒子進水端的底部使盒子微微傾斜，形成自流所需的坡度。4）在河道彎曲處的兩岸各插一面旗子，凸岸為A旗，凹岸為B旗。拍照并記錄河道形狀。5）將軟管接上水龍頭后打開，保持流速適中，使象。流水地貌系列實驗符合空間變化模型中的梯度推理路線，通過構建空間變化模型模擬河流上游侵蝕、中游“凹岸侵蝕、凸岸堆積”、山前沖積扇現象，模型呈現逐步前進的梯度變化。該地理科學實驗取材于生活實際，通過實驗過程的層層遞進，使學生在解決一系列問題鏈的基礎上，實現思維進階和素養提升。通過實驗，學生能快速、有效地認識不同位置流水地貌的不同形狀實驗步驟：1）將土放入盆中堆砌成山地模型，在山谷中的河流出口處塑造出一條狹窄溝谷。2）將粒徑大小不同的沙子混合均勻后平鋪在塑造好的溝谷中。3）在溝谷的源頭緩慢倒水，直至泥水混合物沖出溝谷。4）補充泥沙物質，增大水量，繼續觀察實驗現圖6 山前沖積扇示意圖

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2020 年 第 3 期及特征，培養了區域認知素養。另外，提升了學生在面對現實中自然環境的變化時，運用地方綜合、時空綜合的分析思路對其進行系統性、地域性地解釋的能力。教學研究流現象。更重要的是，實驗過后，將模型結果與全球現象進行比較，深入探究世界范圍內的密度流的復雜性，明確該物理模型的局限性，生成關于全球洋流更綜合全面的認識，符合物理模型探究方式。5.物理模型實驗實驗原理：物理模型指建立地球系統一部分的比例模型，如利用沙盤模型研究擠壓構造。雖然物理模型會有部分與經典實驗室模型重合，但是物理模型的重點在于模型結果與自然觀察的比較，而不是變量的改變。這一模型最適用于探究具有良好伸縮性的屬性如幾何、形狀、趨勢、模式和順序。例如可以制作河床模型模擬實地環境，通過模型可以觀察環境要素如何影響河流流速、河床形狀以及塑造地貌景觀的沉積物類型。使用物理模型的過程中，必須要注意的是一定要從模型出發聯系到自然世界，學生既需要知道模型和自然系統的相似之處，也需要知道其不同之處即模型在何種情況下不適用。經典案例：密度流模擬實驗。因重力和密度差異所引起靜壓力導致的高密度流體向低密度流體下方的侵入。本實驗目標為了解密度流的原理，思考有哪些因素導致了密度流，從而理解洋流的部分形成原因。實驗器材包括帶開關雙層連通器（見圖7）、不同顏色墨水（二種）、鹽、熱水、常溫水、攪拌棒。6.計算機模型實驗實驗原理：與上述模型相比，計算機模型是近年來新興起的實驗模型，因此還沒能在地理科學實驗中被過多地滲透。計算機模型包含幾個步驟，首先是建立概念模型，計算機模型均始于概念模型，首先要建立一個關于地球系統某些方面如何工作的概念模型。其次，要將假設表達為方程式，再將方程式轉換為計算機代碼輸入，使得方程式可以在特定的環境下運行。接著，通過改變輸入環境，再次運行模型，并檢查輸出結果。最終，也是最重要的一步，將輸出結果與現實的數據進行比較。學生可以建立起自己的計算機模型并運行，將結果與現實相比較，如可以建立一個沒有大氣的地球假設模型，比較其與真實情況的不同。經典案例：虛擬技術模擬實驗。通過現代化的增強現實虛擬技術，將全球尺度下的氣壓帶、風帶、洋流、氣候、植被等的分布情況直觀呈現。本實驗目標為熟悉全球尺度下的氣壓帶、風帶、洋流、氣候、植被等的分布情況。實驗器材需要世界地圖背景板、iPad一臺。實驗步驟：（1）將世界地圖背景板平鋪在課桌上。（2）將iPad對準世界地圖背景板。（3）根據課程內容，選擇氣壓帶、風帶、洋流、氣候或植被選項。（4）觀察iPad中呈現的內容。（5）疊加多個要素，尋找是否有關聯性。該實驗適用于“大氣”、“水循環”、“海水運動”、“植被”等多節課堂中，運用了先進的AR技術，屬于計算機模型。虛擬技術模擬實驗通過大屏的展示、大區域板塊的投放、現象模擬等讓地理科學知識點清晰直觀地被呈現，在知識點上貼合多個教學內容，能夠真正地融合到課堂教學之中。大氣、海水運動等由于其大尺度不易觀測性，學生難以理解，知識呈現碎片化，一直是地理教學中的難點。通過增強現實虛擬技術，學生可以直觀地了解各要素分布情況，還可以將多個要素疊加尋找關聯，建構完整的知識體系。學生甚至還可以自己查找收集數據、處理信息、與他人合作設計模型，將其感興趣的要素運用AR技術投射至世界地圖背景板上，培養其創新實踐能力。圖7 密度流實驗器材實驗步驟：1）將連通器的兩個開關都打開，向連通器注入水，使水沒過上層通道，靜止保持穩定狀態。2）將連通器兩個開關都關上。3）在連通器一側水中加入足量的鹽，攪拌使其充分溶解。4）在含鹽側水中加入五滴藍色墨水，在不含鹽側水中加入五滴紅色墨水。5）待顏色穩定后，同時打開上下兩個開關，觀察變化。該實驗適用于科普地理“洋流”知識中的密度流部分。實驗通過構建物理模型將無法直觀觀察到的全球尺度現象縮小比例展現出來，模擬了全球環境下的密度

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教學研究三、基于六類實驗的教學啟示1.構建地理科學實驗理論框架體系雖然地理實踐力核心素養的提出為地理科學實驗的發展提供了機遇，地理科學實驗得到了越來越多一線教育者的關注，但是我國地理科學實驗的理論研究仍然較為薄弱。地理科學實驗的教學研究缺乏理論支撐，對地理科學實驗的分類淺層而籠統，停留在基于實驗本身的某一特點（如實驗地點）或基于地理科學的一種特征（如人文與自然交叉的特征），而沒有將實驗的特點與地理這門學科的多種特征相結合，沒能體現出地理科學實驗的特殊性。因些，必須改變對地理科學實驗的簡單化認識，不能僅僅停留在實驗教學發生在實驗室、促進知識理解、提高動手實踐力的認識層面，而是要將發生在地球表面巨大空間中的復雜地理現象通過實驗的方式完整呈現，還原其真實性。教師應在以上分類理論的基礎上，認真思考實驗設計目的，匹配實驗分類模型，針對實驗分類的指標體系設計實驗，建構地理科學現象背后的完整過程，以此實現學生對于現象與過程的關聯認知，拓展學生對地理過程的理解，體驗真實的地理原理。2020 年 第 3 期發學生的探究興趣，在自己動手操作的過程中，培養學生動手實踐能力及求真務實的科學態度，并建立學習的自信心，達到地理實踐力核心素養目標。在實驗過程中綜合考慮多個要素，關注實驗的過程動態性，培養學生的綜合思維。同時，在實驗過程中針對區域問題進行決策分析，促成學生的區域認知與人地協調觀素養的生成。更重要的是，在已有實驗的基礎上，鼓勵學生再創作再設計實驗，培育學生的創新能力，強化學生思維。本文地理科學實驗分類及案例較好地達成當下地理核心素養的培育目標，真正落實立德樹人的根本任務。參考文獻：[1] 中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標準(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018.[2] 曹琦.中學百科全書·地理卷[M].長春:東北師范大學出版社,1994.[3] 夏志芳.地理實驗與學生智力發展[J].課程·教材·教法,1987(2):47-49.[4] 袁書琪.地理教育學[M].北京:高等教育出版社,2001.[5] 段玉山.地理新課程教學方法[M].北京:高等教育出版社,2003.

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