地理教科書中實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計——以“模擬海陸熱力性質(zhì)差異”實(shí)驗(yàn)為例

周 旸郝麗媛

（1. 內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022; 2. 綏棱縣第一中學(xué), 黑龍江 綏化 152200）

地理教科書中實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計——以“模擬海陸熱力性質(zhì)差異”實(shí)驗(yàn)為例

周 旸1郝麗媛2

（1. 內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022; 2. 綏棱縣第一中學(xué), 黑龍江 綏化 152200）

中學(xué)地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的在于改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、提高學(xué)生探究能力和培養(yǎng)學(xué)生的地理核心素養(yǎng)，但因我國地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)起步較晚，專門的地理實(shí)驗(yàn)室和地理實(shí)驗(yàn)儀器還不夠完善。因此，中學(xué)地理教師既要科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦O(shè)計可行的地理實(shí)驗(yàn)方案，又要在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計和利用，才能使地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)常態(tài)化，從而提高地理課堂教學(xué)效率。

對比我國四個版本高中地理教科書中的活動和實(shí)驗(yàn)、已公開發(fā)表的地理實(shí)驗(yàn)文章和地理實(shí)驗(yàn)專著中的實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計，不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)明顯地存在著探究性、簡易性、可操作性和可視性等優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在著一定的不足之處。筆者將以中國地圖出版社出版的地理第一冊第二章第一節(jié)探索部分的“模擬海陸熱力性質(zhì)差異”實(shí)驗(yàn)為例，談一談如何利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和利用。

探索：模擬海陸熱力性質(zhì)差異[1]

1.準(zhǔn)備一個100瓦的白熾燈，用它演示太陽輻射。把兩個燒杯分別裝滿300毫升水和干沙，并排放在一起。把兩只溫度計分別埋入水和沙中約0.5厘米。如圖1所示。

圖1　

2.測量水和干沙的溫度，并記錄下來。因?yàn)槎荚跍厥覡顟B(tài)下，它們的溫度應(yīng)該相同。

3.打開白熾燈，照射兩個燒杯、觀察并記錄照射5分鐘和10分鐘后水和沙的溫度。

4.關(guān)掉白熾燈，觀察并記錄照射5分鐘、10分鐘后水和沙的溫度。

思考：你發(fā)現(xiàn)了什么現(xiàn)象？如何解釋這種現(xiàn)象呢？

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)：1.取材簡單。實(shí)驗(yàn)所需材料多是化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器和普通的日常用品，沒有專門的地理實(shí)驗(yàn)器材，地區(qū)適宜性廣，各地區(qū)都可以結(jié)合自身學(xué)情和校情，直觀地模擬海陸熱力性質(zhì)差異，解釋相關(guān)現(xiàn)象及其原理。2.操作簡便。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計步驟簡單、操作方便，無論教師演示還是學(xué)生操作，無論是在課內(nèi)還是課外均可靈活展開。3.可視性強(qiáng)。通過觀察溫度計示數(shù)變化，很容易得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而分析出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計的不足：1.嚴(yán)謹(jǐn)性不足。在過于簡單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，由于實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素與實(shí)際狀況可能存在一定差異，實(shí)驗(yàn)不能科學(xué)地模擬地理現(xiàn)象和地理規(guī)律發(fā)生、發(fā)展過程，嚴(yán)謹(jǐn)性略顯不足。如在本實(shí)驗(yàn)中用白熾燈模擬太陽光照，與實(shí)際情況略顯不符。在實(shí)際測量海陸溫度時，是測定海洋和陸地表面的空氣溫度，而非測量海水和陸地土壤本身的溫度。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的生成性很大。簡單的實(shí)驗(yàn)條件和沒有明確的實(shí)驗(yàn)要求一般會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的不確定性。如本實(shí)驗(yàn)?zāi)M海陸的熱力性質(zhì)差異，實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境相對開放，容易受室內(nèi)環(huán)境因素如空調(diào)、門窗處的氣流等因素的影響，會干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

基于以上優(yōu)點(diǎn)和不足，地理教師不應(yīng)完全照搬，而應(yīng)重視對其進(jìn)行科學(xué)、合理的改進(jìn)，以充分挖掘本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價值。筆者緊緊圍繞教學(xué)目標(biāo)，不斷實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，先后展開了三次實(shí)驗(yàn)，對上述實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計進(jìn)行了重新優(yōu)化設(shè)計，使其更加完善。具體的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計如下。

實(shí)驗(yàn)名稱：模擬海陸熱力性質(zhì)差異

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^模擬海陸吸熱和放熱的過程，說出導(dǎo)致海陸熱力性質(zhì)差異的原因。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與處理，培養(yǎng)繪圖能力。

實(shí)驗(yàn)材料：透明水槽（帶透明蓋子和中間擋板）、白熾燈泡、凹鏡、溫度計兩只、500ml水、500g干燥的土壤和細(xì)沙的混合物、少量食鹽、鐵架臺、白紙兩張、薄紙殼若干張。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1. 在桌面鋪上一張白紙，其面積要求以大于水槽底部為宜。

2. 將透明水槽放在白紙上，水槽一端倒入500ml水，同時倒入少量食鹽；另一端倒入500g干燥的土壤和細(xì)沙混合物。

3. 用薄紙殼制作成一個微型百葉箱，并將其固定在溫度計的水銀球上。

4. 在水槽透明蓋上左右兩側(cè)的中間位置開兩個小孔，孔的大小以剛好穿過溫度計為宜。

5. 將步驟3中的溫度計穿入到步驟4中的透明蓋上。

6. 蓋上水槽蓋，同時將兩只溫度計一端固定在鐵架臺上，另一端水銀球外包裹微型百葉箱的部分以高于水面和細(xì)沙面1cm左右為最佳。

7. 調(diào)整白熾燈與水槽的位置，使其正對水槽的中央，并保證兩者距離約7～10cm之間。

8. 調(diào)整白熾燈與凹鏡的位置，使白熾燈剛好在凹鏡的焦點(diǎn)上（凹鏡的焦距可在使用說明上查找）。

9. 記錄此時兩只溫度計的示數(shù)，并將數(shù)據(jù)填到實(shí)驗(yàn)記錄單上，如表1所示。

10. 打開白熾燈，每隔一分鐘記錄一次示數(shù)，連續(xù)10次，并將數(shù)據(jù)填到實(shí)驗(yàn)記錄單上。

11. 關(guān)閉白熾燈，每隔一分鐘記錄一次示數(shù)，連續(xù)10次，并將數(shù)據(jù)填到實(shí)驗(yàn)記錄單上。

探究：觀察收集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，動手繪制出溫度隨時間變化的曲線圖，通過觀察曲線變化，你能得出什么結(jié)論？

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在相同光照條件下，陸地升溫比海洋快；在無光照條件下，陸地降溫比海洋快。

探究：本實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出，所依據(jù)原理是什么？

實(shí)驗(yàn)原理：由于海水和陸地的比熱不同，當(dāng)吸收或放出熱量后，陸地溫度變化幅度比海洋大。

注意事項(xiàng)：1.白熾燈打開后，注意不要碰到白熾燈泡，以防燙傷。2.眼睛不要直視燈泡和凹鏡內(nèi)，以防傷害眼睛。3.微型百葉箱需要保證燈光不能直射到溫度計的水銀球。4.讀數(shù)時，眼睛應(yīng)平視水銀刻度值，保持眼睛、刻度和水銀柱頂端在同一條直線上。

表1　模擬海陸熱力性質(zhì)差異實(shí)驗(yàn)記錄單

思考：1.在繪制溫度隨時間變化的曲線圖時，縱坐標(biāo)的起點(diǎn)溫度你認(rèn)為設(shè)置成多少最合適，為什么？

2.將繪制出的曲線圖（見圖2）與小組成員討論，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論在自然界中什么地方體現(xiàn)最為明顯？

圖2　溫度與時間變化曲線圖

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計優(yōu)化后的評價：1.突出科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。地理教學(xué)實(shí)驗(yàn)雖為模擬實(shí)驗(yàn)，但要對地理現(xiàn)象和規(guī)律的模擬盡量接近真實(shí)。優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計，“太陽輻射”與測定溫度都更接近真實(shí)情況。通過觀察與記錄溫度變化，以及繪制溫度變化曲線，培養(yǎng)學(xué)生的觀察記錄能力和繪圖能力。優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計的“科學(xué)性”具體表現(xiàn)如表2所示。2.實(shí)驗(yàn)環(huán)境相對封閉。溫度計所測溫度為水槽內(nèi)溫度，由于環(huán)境相對封閉，外界環(huán)境如空調(diào)、門窗處的氣流等一般不會影響實(shí)驗(yàn)。3.明確觀察任務(wù)。通過設(shè)計實(shí)驗(yàn)記錄單，使學(xué)生明確觀察目的，通過問題的設(shè)置，強(qiáng)化學(xué)生探究問題與小組合作。通過對數(shù)據(jù)的處理，鍛煉學(xué)生處理和分析數(shù)據(jù)能力。4.實(shí)驗(yàn)器材的可替代性。實(shí)驗(yàn)器材的設(shè)計留有一定空間，如透明水槽可用魚缸代替。在沒有凹鏡的情況下可以用便攜式應(yīng)急燈、勻光現(xiàn)場勘察燈、手提式平行光勘察燈等代替。5.實(shí)驗(yàn)操作過程靈活。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計操作簡單、靈活，無危險性。雖預(yù)設(shè)了實(shí)驗(yàn)操作步驟，但可根

表2　

據(jù)具體情況靈活操作，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察、分析每次溫度計示數(shù)變化的結(jié)果差異。6.注重結(jié)果的分析與拓展運(yùn)用。學(xué)生不僅需要動手操作，更要動腦思考，理性的分析地理現(xiàn)象背后隱藏的實(shí)質(zhì)。實(shí)驗(yàn)操作過程中，預(yù)設(shè)一些具有啟發(fā)性、探究性的問題，以引導(dǎo)學(xué)生思考，通過更深刻的思考研究，得出更有價值的結(jié)論，并能夠遷移應(yīng)用，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神和地理學(xué)科素養(yǎng)。

[1]王民.地理必修第一冊[M].北京:中國地圖出版社,2009.