加強中學地理科學實驗教學的若干建議

上海市閔行教育局（201100） 何美龍

實驗是科學研究最基本也是最為重要的方法，是科學課程教學的基本方法，也是學生學習科學的主要過程途徑。但在現階段我國中學地理教學中，實驗還停留于初步探索和少量實踐階段。積極開展地球科學實驗教學是改進中學地理教學重點方向。

一、我國中學地理實驗教學現狀

長期以來，我國把中學地理學科劃歸到高考的文科類科目中。無論從科目設置還是從教學、考試命題實際狀況看，實驗教學均沒有得到足夠的重視。

1.可供實驗教學的課程資源非常稀少

現行國家地理課程標準四個版本的高中地理教材，普遍缺乏科學實驗設計，缺乏對學生實驗思維和方法培育的整體建構。即便有實驗設計或實驗要求，大多數還是以簡單的問題形式提出，操作性不強。以實驗設置相對豐富的上海高中地理教材（中華地圖學社出版）為例，地理的實驗僅有10項，集中分布于地球運動、巖石與地貌和大氣圈三個篇章，編在課后的“思考與實踐”與“綜合實踐活動”中。這種編排本身就是因為這些實驗不是發現性的，沒有把實驗教學作為地理教學的基本過程、方法和內容本身，所以地理實驗實證研究、假設推斷等科學方法教育的功能得不到充分發揮。《普通高中課程標準實驗教科書 地理》（人教社）是使用省市最多的教材版本，“問題研究”被認為是該教材編寫落實科學教育的“亮點”：共設計了16個大型的“問題研究”——暢想型的“月球基地是什么樣子？”反思、分析和論證型的“為什么市區氣溫比郊區高？是否可以用南極冰山解決沙特阿拉伯的缺水問題？”等。希望學生在一定情境下，以學習內容為素材，問題為載體，研究為導向，在教師指導下實現“創造性學習活動”。顯然，“問題研究”設計與地球科學實驗教學、地理科學教育的內涵之間還是有較大的差異的。從整體上看，地理學科作為科學課程所應該強調的科學素養訓練，很少在課堂教學中得到體現（大學地理師范課程設置和教學中，也同樣存在著這樣的問題）。

由于課程教材的實驗設計不夠豐富，課程標準沒有對地理實驗教學的明確、規范要求等，實際上影響了相應實驗配套器材和實驗設施等課程資源的開發，導致可以供給中學地理開展實驗教學的相關資源非常缺乏。至今，我國多數地區教育主管部門制定的配套用地理課程教學器材和產品還比較傳統，例如地球儀、經緯儀、巖石和礦物標本等，能夠用來作為實驗的資源非常有限，多數只是起展示作用或者可由教師利用演示教學，學生的參與性嚴重不足。

2.實驗教學的實踐探索非常有限

中學課時緊張、課外以及校外實驗時空的稀缺；日常教學注重知識和原理學習，考試命題缺乏對地理實驗的引導；缺乏教材的設計引領，沒有實驗設施資源的支撐；教師重結果輕過程的教育觀念……種種原因，導致了我國中學地理教師開展實驗教學的探索實踐非常有限，在2010年上海市教委教研室組織的地理課堂教學活動設計征集中，全市共推薦了自然地理方面活動設計45個，其中能稱為實驗教學的以學生實踐操作為主要特點的課堂教學設計（如地理圖表制作，地圖繪制、巖石鑒別、氣象觀測、天象觀測、軟件運用）16個，約占全部設計的三分之一。其中有4個巖石鑒別類教學設計、4個地圖制作或等高線判讀類設計、3個氣象觀測設計，2個月相觀測設計和2個正午太陽高度觀測設計，1個現代信息技術項目設計。實驗設計的相似性、內容重復性比重高，涉及章節知識有限，中學地理實驗教學至今沒有形成體系、實驗項目或內容沒有形成系列。自然地理或者地球科學作為自然科學所特有的實證研究、實驗假設等功能特點沒有得到應有的發揮。當發達國家中學科學課堂中貫穿著實驗，實驗成為學生學習科學的主要途徑和過程的時候，我們還只是偶爾有一些公開課采用實驗教學而眼睛一亮，這不得不說是一種教育的差距。

二、美國《科學發現者》教材的實驗編寫

《科學發現者》（McGraw-Hill Education，浙江教育出版社2008）教材是美國中學科學主流教材之一，分為地球科學、生物、化學和物理四科。《科學發現者——地球科學》的內容與我國高中自然地理內容相仿。豐富的實驗設計是該教材的重要特點之一。

教材共31章，根據不同的教育功能，各章均設置有“探索實驗”“迷你實驗”“地學實驗”和“技能試驗”四個實驗大類，共124項實驗。從實驗的知識技能目標上分析，既有單一性的，也有綜合性的；從教學思維上看，既有對新知識發現的實驗，也有對已有知識驗證和訓練性的實驗。

探索實驗，設置于每個章節的開始部分，一般由操作步驟和觀察思考等具有啟發性的問題兩部分組成，主要通過引發問題激發學生思考，提升學習興趣，并通過實驗用來介紹這一章的內容。其實驗的特點是設計簡單、便于操作；注重觀察，啟發引導；模擬過程，形象直觀。

迷你實驗和技能實驗散布于教學過程中。迷你實驗目的是有效生成教學過程中的知識，讓學生借助實驗得出結論，理解知識；技能實驗側重于地理技能，包括讀圖讀表技能、空間分析技能、數據處理與計算技能、圖標繪制技能的培育與訓練。簡言之，迷你實驗的目的是生成知識，而技能實驗則側重于技能的習得。

地學實驗，又分地學實驗、網絡實驗、地學制圖實驗和設計實驗四類。地學實驗主要通過構建真實或模擬的實驗平臺或裝置探究自然地理事象，網絡實驗則是借助網絡搜集資料分析和了解自然地理事象，地學制圖實驗強調利用地理相關圖表或親自繪制圖表對自然事像的性質、特點和發展進行分析和預測，設計實驗則是在現有知識的基礎上，創造性地進行設計和創新的過程。歸納起來，就是有針對性的培養學生實驗操作能力、網絡時代的信息搜集和分析能力、地理圖標的分析繪制和預測能力，以及創新能力。地學實驗綜合性較強、難度較大，往往是對整個章節已學知識和技能的綜合運用，強調應用和知識遷移的能力。

從實驗的不同維度，作者把該教材實驗歸納為以下6類：

——實驗場所：室內和野外實驗兼具，其中室內實驗74個，占69.7%。

——實驗主體：以學生為實驗活動主題，教師主體的演示性實驗只有1個。

——實驗形式：個人和團隊兼顧；其中個人實驗81個，占65.3%,團隊實驗19個，15.3%，其他為選擇活動形式。

——實驗真實性：模擬實驗和真實實驗兼顧；其中模擬實驗55個，占44.3%。

——實驗項目性質：單一目標實驗為主，綜合性實驗27個，占21.8%。

——實驗學習目標：習得實驗和發現實驗性兼顧，發現性實驗60個，占48.3%。

以教材第二單元“地球的構成”第四章“礦物”為例：

● 探索實驗——觀察礦物的形狀

1.在顯微鏡下觀察食鹽顆粒

2.集中觀察一種顆粒，數出顆粒的面數，

3.用顯微鏡或者放大鏡觀察石英樣品，數出石英樣品多面體的面數，畫出石英顆粒草圖

● 迷你實驗：制作晶體模型

1.你是用什么幾何形狀來制作模型的？

2.所有的礦物樣品的晶體結構是否都比較明顯？推斷其原因。

3.參照附錄來鑒別這些礦物。除晶體外型外，還有什么性質可以來區分礦物？

● 數學計算

在3000種已知礦物中，其中的10種礦物組成了地殼中90%的巖石。這10種礦物占全部礦物數的百分比是多少？

● 技能實驗：制作并使用表格

制作一個礦物鑒定表。礦物可以根據其物理和化學性質加以鑒別。物理性質包括顏色、條痕、硬度、比重和晶體結構等。

礦物鑒別表：

● 設計實驗：制作礦物圖鑒

礦物顏色 條痕 硬度 比重 晶系

你是否曾經用圖鑒來鑒別一只鳥，一朵花，一塊巖石或一只昆蟲？通常一種典型的礦物圖鑒包括礦物的大致背景信息，以及每種礦物的形成過程、性質和用途等內容。在本實驗中，你將學習如何為礦物制作一個圖鑒。

實驗準備：問題，實驗器材，提出假設，目標，安全警示。

實驗設計：實驗分析。

結論與應用。

● 知識拓展：科學與數學—鉆石的價值

此外，該教材在實驗方法的引導和思維訓練方面，還專門開辟一章“科學的本質”，意在培養學生的技能。這些技能主要包括：實驗設計、演繹、理解、推斷、預測、解釋、判斷錯誤、完善表格、評價、組織、問題解決等11種。

浙江教育出版社于2002年引進并出版的另外一套美國中學生研究型學習教材——《科學探索者》（Padilla.M.J，PEARSON Education），也同樣體現了類似的實驗編寫和設計特點。

與我國現階段中學教學和教材編寫比較，美國中學研究性學習教材和地球科學教材的編寫特別注重對學生科學研究一般方法和一般能力的培育、實驗技能和思維等方面的訓練。地球科學實驗數量多，類型豐富，力圖通過學生的探究學習活動、通過實驗來實施教學，倡導發現的科學教育思想。教學實驗設計目標清晰、多元；教學實驗功能定位明確——注重培養學生實驗操作能力，信息搜集和分析能力，地理圖標的分析、繪制和預測能力，以及科學創新能力。教材設計體現了課程育人，以學生科學素養發展為核心的理念。教學有利培養學科的專業人才，更強調培養具有現代地理科學素養的國民。因此，實驗成為了學生地理學習的基本過程和主要途徑。

當然，中美兩國的教學要求上也存在著很大的差異。如，美國的教師在實際教學過程中只需要根據需求選用教材的內容，各章節中同類實驗的可操作性、難度、需要花費的時間、提供教學資源的可能性的差異也許在美國并不構成問題。

三、關于中學地理實驗的目的、類型、內容及結構

美國中學地球科學教材的編寫體現了科學方法和科學技能教學的宗旨。盡管我國的教材編寫未必參照美國的編寫思想，也不是要求所有中學生都向科學研究者的成長方向培養，但我國中學實驗數量不足，實驗設計不夠切合中學生實際，實驗教學未能滿足中國未來科學工作者數量和質量的需求，我們在中學生科技教育方面的落后或者薄弱環節，應該成為我們的共識。

1.中學地球科學實驗教學的目的

地球科學實驗教學的目的不僅僅是驗證前人已經發現的知識和經驗，更主要的是強調實驗過程的體驗，就是地球科學研究——實驗的方法教學，是科學素養和實驗技能的訓練教學。實驗教學注重的不完全是實驗的結果的科學性，更多的注重對科學過程和科學原理的理解，是科學思想和技能、方法的綜合習得。

2.中學地球科學實驗設計的類型

借鑒美國中學科學課程的實驗設計，從實驗分類角度，中學地球科學實驗類型大致可以從以下6個不同維度分類：

★美國中學實驗設計中的主體類型

3.中學地球科學實驗的內容

分析美國中學地球科學課程的實驗設計，好像存在一些非地理學科的實驗設計：谷物的物質組成，晶體的結構等（在我國更多出現在化學和物理學科教學中的實驗）。實際上，類似“巖石和礦物的結構”“地球表面的風化”等，本屬于基礎的自然原理性質的內容，涉及物理、化學等多個學科。從地球科學綜合性的學科特點分析，中學地球科學實驗體系的建設，包含天文學、氣象學、地質學和海洋學四個子系統的所涉及的核心問題和基礎知識，因此，內容本身是綜合的，多學科領域的。所以地球科學實驗的內容涵蓋生物、物理、化學等所有基礎科學研究領域，實驗設計應該中學科學各學科領域綜合兼顧。

4.中學地理實驗體系的結構

美國中學科學教材統一章節內的探索實驗、迷你實驗、技能實驗和地圖實驗的編排具有梯度性和系統性。探索實驗引導學生觀看、思考所探究的內容；然后迷你實驗了解探究的內容；技能實驗教會你如何分析探究的內容；最后 地學實驗檢驗你對所學內容的綜合掌握和運用。整個過程從易到難，由簡單到復雜，由感性到理性，遵從學生的認知規律，同時在過程中從觀察、思考、分析到綜合運用，逐步提高著學生的實驗能力。中學地理實驗體系建設，應該根據學生的認知規律，把一個完整的章節性科學知識和技能教學，以實驗方式分解成若干小實驗，實驗之間具有一定的層次性，對應不同的知識和技能，相互支撐，形成一個實驗的結構體。

四、改進我國中學地球科學實驗教學的基本途徑

改進我國中學地理科學實驗教學現狀首先要真正樹立起“實驗是科學教學的基本方法”的理念，重視地理實驗的育人價值開發，通過加強地理實驗類教學資源的開發，建設實驗基礎教學設施，建設地球科學的實驗系列，促進學生在實驗中學習知識、鍛煉能力，全面改進和提升地理科學教學水平。

1.樹立“實驗是地理科學教學基本方法”的理念

在我們目前的地理教學中，理論講授與實驗教學往往還是分開的，即便教材中有實驗設計，且多數的實驗屬于驗證型實驗, 學生在實驗之前便已經知道實驗的結果。樹立“實驗是地理科學教學基本方法”的理念，就要注重實驗與理論的有機結合, 實驗既是學習的過程，也是學習的目的，實驗是為了培養學生的科學探究的基本技能和對科學探究的本質的理解，是科學教學的基本方法。在實驗設計上，不僅有驗證性的實驗設計，更多的強調科學探究技能和科學探究本質的要素體現，努力設計開放、探究型實驗，讓學生必須經過實驗才能得出結論, 而且結論可能不唯一。中學地理實驗教學應該貫串課程教學的始終。

2.從地球科學研究基本方法的視角建設中學地理實驗體系

隨著生產和科學技術的發展，地球科學逐漸形成了日臻完善的由多學科組成的綜合性學科體系。長期的科學研究形成了地球科學特有的八大研究方法，作為地球科學在中學階段主要的對應學科，中學地理實驗可以從地球科學研究的基本方法層面進行梳理、開發。在八大研究方法中，野外調查、歷史比較法、綜合分析等地球科學研究所特有的方法設計和實踐教學等，應該有足夠的教學時間和空間安排；實驗室觀察、分析等科學研究的基本技能和方法應該成為地理實驗建設的主體。電子計算機模擬既是地球科學研究的重要發展方向，也是中學地理實驗教學的重要方向。中學地理實驗的設計應該兼顧一般科學課程教學的特點和地球科學自身研究的特點。

3.推進實驗過程規范化，實驗方案微型化、實驗內容生活化

借鑒美國中學地理實驗設計，在我國中學地理實驗的開發設計中，要注意去粗取精，關注學生對觀察、交流、預測、測量、解釋和使用數據、制作圖表、控制變量、歸納、推理、推導公式、構建模型等實驗技能的習得，強調實驗操作和過程的規范，強化實驗科學教學的功能。

倡導實驗方案微型化。實驗方案簡化、精練，以“微型實驗”的形式出現，讓學生在家庭、課堂等日常生活和學習場所中能很容易開展實驗。

實驗內容生活化。地理教材中提出了許多與生活密切聯系、學生感興趣的、有意義的問題，在這些問題的引導下，學生經歷科學證據的收集、整理過程，學習對科學證據的獲得、解釋和評價的方法，探討科學證據的兩面性，即對人們的生活、健康、環境等有利和不利的兩個方面。

4.切實加強實踐環節的實驗教學

地理教師應該結合新課程研究性學習的內容要求等，利用教材已經編寫或課程標準明確的地理實驗，精心設計教學方案，努力讓每一個學生參與實驗，獲得基本的實驗過程體驗。如，針對上海市高中地理新課程標準中實踐環節中的實驗：一日氣象觀測、中午太陽高度觀測、河段的水質污染監測、城市空氣質量監測、巖石和礦物鑒定等，切實加強中學地球科學實驗教學。

5.加強地理實驗類教學資源的開發

發動全體地理教師和地球科學工作者共同參與，為中學生開發設計簡單可操作的地球科學實驗，通過評比、實驗設計改進，建立全國性或區域性的地球科學實驗設計資源庫，為中學地球科學教學提供足夠的實驗選擇。

根據課程標準和現行教材，開發中學地理實驗教學指南和實驗配套器材，《指南》詳細介紹各教學內容可以開展的地理實驗，列出實驗的目的、方法、器材、實施條件、實施步驟，可以利用的其他教學資源和圖表等。

加強地理實驗教學設施資源建設，建立類似物理化學實驗室一樣的“標準配備”，為實驗教學提供資源的保障和支撐。

[1]美國國家研究理事會.國家科學教育標準[S].戢守志，金慶和,等,譯.北京：科學技術文獻出版社，1999.