高中地理課堂中尺度效應的應用

●江蘇省無錫市第一中學 黃曉華

尺度是中學地理課程中的核心概念，尺度思想是透過尺度的透鏡，觀察和理解地理現(xiàn)象、分析和解決地理問題的地理思想,包括尺度劃分、尺度匹配、尺度關聯(lián)、尺度效應、尺度選擇和尺度推繹等。尺度效應是指當改變尺度觀察地理現(xiàn)象和分析地理問題時結果隨之發(fā)生變化的現(xiàn)象。在應用和發(fā)展地理技術，探索地理環(huán)境變化過程與規(guī)律，揭示重大地理環(huán)境變化事件的機理，服務于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展等國內外科研領域中尺度效應思想比較重要，在培養(yǎng)學生的地理核心素養(yǎng)方面尺度效應思想也發(fā)揮了重要作用。

一、自然地理教學中的尺度效應

案例1 人教版地理必修1第一章第二節(jié)《太陽對地球的影響》中關于太陽黑子數變化周期等內容教材介紹較少。所以，筆者在課堂上適當補充介紹現(xiàn)代自然地理科學發(fā)展中較新的研究方法，如通過EMD軟件將太陽活動包含的各個時間尺度上的變化分量很好地分離出來，圖1是百年尺度太陽黑子數變化多尺度分析結果，表1中IMF5顯示11年平均周期方差貢獻率最大達到74.91%。

圖1 百年尺度太陽黑子數變化多尺度分析

表1 百年尺度太陽黑子數變化IMF分量的方差貢獻率

案例2 《全球氣候變化》中的氣候變化是大氣狀態(tài)長期變化的一種反應，主要表現(xiàn)為不同時間尺度的冷暖和干濕變化，關于近現(xiàn)代氣候多尺度變化與年代際重大事件的歸因及預估等相關內容教材介紹較少。過去數千年的氣候變化是最近數十年人類活動影響加強情況下全球氣候變化的自然背景,其變化規(guī)律和驅動機制的研究對預測未來氣候變化有著重要意義。所以，筆者適當補充介紹國內外科研領域的相關研究進展，提高學生的學習興趣。圖2中的signal是學者Moberg等重建的北半球氣溫資料，其尺度達到千年之久。學者們用EMD軟件對資料進行逐級分解，得到了趨勢分量RES和7個IMF分量。表2是千年尺度北半球重建氣溫變化的IMF分量的方差貢獻率。通過EMD軟件分解出了準11年、準22年、準43年、準86年、準247年、準914年這些平均周期基本對應了太陽活動的11年(太陽黑子活動周期)、22年(太陽黑子活動雙周期)、一個世紀活動周期、兩個世紀活動周期和一千年活動周期。

圖2 千年尺度北半球重建氣溫變化的IMF分量及其趨勢量

表2 千年尺度北半球重建氣溫變化的IMF分量的方差貢獻率

表2中IMF7顯示，北半球氣溫變化該分量的方差貢獻率最大，為36.86%，說明914年作為準周期是主周期。此外，表2中IMF1、IMF2、IMF3、IMF4和IMF5分量表示的北半球氣溫年際變化和年代際變化周期貢獻率之和達到53.83%，說明北半球在過去的2000年中溫度變化是以近千年周期、年代際變化和年際變化為主。從圖2的千年尺度北半球重建氣溫變化的IMF7分量可以看出，北半球在過去的近兩千年中，存在著中世紀暖期(波動幅度較小)、小冰期(氣溫振蕩幅度相對較大)及20世紀的現(xiàn)代增暖過程。

一個地方氣候的形成和全球氣候變化研究領域中，想要得到較為準確的結論，離不開合適的時間尺度的擇取。如果想要研究天氣變化、地表徑流等地理現(xiàn)象，一般選擇幾天至幾個季度尺度為宜，如果想要研究冰期、生物種類的分布等，一般選擇幾千年至幾十萬年的尺度。

二、人文地理教學中的尺度效應

案例3 人教版地理必修2第五章第一節(jié)《交通運輸方式和布局》中從空間尺度角度分析交通運輸方式和布局，關于地理區(qū)位條件和影響意義相關內容介紹較少。世界那么大，有著山水情懷的地理教師想帶學生一起去看看，所以，筆者嘗試基于案例整合在空間尺度上進行師生、生生間互動體驗式教學。

教師：從圖1和圖2中可以觀察和分析出哪些信息呢？思考哪些自然因素會影響公路選線？人類如何充分利用有利的自然因素，避開不利的自然因素？影響山區(qū)聚落分布的自然因素有哪些？這些因素又是如何影響公路線走向的？討論分析影響我國東、西部地區(qū)高速公路路網密度差異的主要因素有哪些？

圖1

學生討論回答：從大尺度(圖1)看，雅西高速位于我國西部山地，是京昆高速一部分；從中尺度(圖2)看，雅西高速位于四川省西南部，沿線附近礦產資源豐富但地形崎嶇，少數民族和貧困人口較多。

教師：結合資料討論分析雅西高速選擇建設拖烏山菩薩崗隧道，而不選擇與108國道一同翻山原因可能有哪些？(雅安老司機感受：原來108國道從雅安到西昌需要10小時左右，而且沿途部分路段行車非常危險，只能龜行108國道，由于路況差，經常會堵車，時間會更長，雅西高速開通后，從雅安到西昌不到5小時，太方便了！)

教師總結。從以上分析可以看出，與平原相比較，山地地形崎嶇、地勢起伏大，對交通運輸方式的選擇、交通運輸線路的分布和延伸方向有較大的影響，所以大尺度上應著眼于自然條件，如地形對交通運輸方式和布局的影響。一般山區(qū)通常優(yōu)先選擇成本較低、難度較小的公路，其次才是鐵路。在山區(qū)，人們通常會把線路選在地勢相對和緩的山間盆地或河谷地，并沿等高線呈“之”字形彎曲。中尺度應著眼于當地礦產資源、旅游資源、人口分布等社會經濟條件對交通運輸方式布局的影響，盡管有不同類型的交通運輸線和點，但是它們的布局都要受到自然、社會經濟、技術等因素的影響。雅西高速設計走向可以將沿線地區(qū)的資源優(yōu)勢轉變?yōu)榻洕鷥?yōu)勢，當地居民稱為“致富之路”；緩解交通壓力，合理布局路網，被稱為“通達之路”；加強了與我國西南、華北和東部發(fā)達地區(qū)，東南亞，南亞等“一帶一路”國家或地區(qū)的聯(lián)系，被稱為“溝通之路”。

通過在大、小空間尺度之間作相互轉換，能夠引導學生深入了解地理現(xiàn)象和過程。通過尺度效應對人教版必修1第四章第二節(jié)山地對交通運輸的影響和必修2第五章第一節(jié)交通運輸方式和布局等相關知識點進行教材重組和整合，培養(yǎng)學生的地理綜合思維核心素養(yǎng)。

三、人地協(xié)調觀教學中的尺度效應

人地協(xié)調觀素養(yǎng)培養(yǎng)是地理教學的核心理念，不同尺度下人類活動對地理環(huán)境的影響是不同的。小尺度下，人類在局部地區(qū)可以徹底改變地表景觀，表現(xiàn)出“人定勝天”的氣勢，但在大尺度背景下，人類在自然面前則顯得渺小，違背自然規(guī)律的活動會受到自然的懲罰。所以，面對全球尺度的局部改善但整體惡化的生態(tài)破壞、資源短缺和環(huán)境污染等現(xiàn)狀，人類應該深入思考如何與地理環(huán)境建立友好、和諧的伙伴關系。