基于地理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中地理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以“海水的性質(zhì)與運(yùn)動(dòng)”為例

張 健

（上海市大同中學(xué), 上海 200011）

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）中明確指出：“考察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等是地理學(xué)重要的研究方法，也是地理課程重要的學(xué)習(xí)方式。”基于新課標(biāo)要求，上海版高中必修《地理一》中的活動(dòng)型欄目設(shè)計(jì)了地理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。地理實(shí)驗(yàn)可以訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力、觀察能力、分析判斷力和設(shè)計(jì)能力，是提升學(xué)生地理實(shí)踐力和科學(xué)素養(yǎng)的重要路徑，成為“雙新”教育改革的一大亮點(diǎn)。地理教師應(yīng)遵循科學(xué)性原則，結(jié)合教學(xué)需求，設(shè)計(jì)出能夠激發(fā)學(xué)生探究欲望和參與熱情的地理實(shí)驗(yàn)，這是地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵。

一、基于生活問題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

新課標(biāo)的內(nèi)容要求：“運(yùn)用圖表等資料，說(shuō)明海水性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)對(duì)人類活動(dòng)的影響。”基于此，新教科書中增加了海水性質(zhì)與運(yùn)動(dòng)的相關(guān)內(nèi)容。認(rèn)識(shí)海水溫度、鹽度和密度的分布特征、影響因素及其對(duì)人類活動(dòng)的影響，形成科學(xué)開發(fā)和保護(hù)海洋的理念，是教學(xué)的重難點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)方式較多采用讀圖分析法開展教學(xué)，一般結(jié)合世界表層海水溫度或鹽度分布圖，分析分布特征及其原因。這樣的教學(xué)方法很難體現(xiàn)新課程改革的理念與要求，不利于地理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

新課標(biāo)中的教學(xué)提示建議：“指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用體驗(yàn)、觀察、觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)、野外考察等方式開展地理實(shí)踐活動(dòng)。”“海水的性質(zhì)”具有跨學(xué)科的特征，在化學(xué)、物理等學(xué)科中均有相關(guān)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理科教學(xué)中的常用方法。本節(jié)課的活動(dòng)設(shè)計(jì)選擇以實(shí)驗(yàn)為突破口，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境

地理實(shí)驗(yàn)應(yīng)聚焦地理現(xiàn)象，解決地理問題。在海邊或江邊，可以觀察到各式各樣的船只兩側(cè)都標(biāo)有吃水線，表示輪船沒入水中的深度，反映了輪船的最大安全載重量。如果水位超過吃水線，輪船就會(huì)有沉沒的危險(xiǎn)。由于世界上不同的海域在不同季節(jié)的海水密度存在差異，同一艘船的吃水深度不同，因此吃水線是多條而不是一條。為什么輪船的吃水線有多條？它們分別代表什么類型的吃水線？這些問題是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

2.確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

本實(shí)驗(yàn)通過引導(dǎo)學(xué)生探究海水鹽度和密度之間的關(guān)系，判斷輪船吃水線的類型，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生理解海水性質(zhì)對(duì)人類活動(dòng)的影響，加深學(xué)生對(duì)人地關(guān)系的理解。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要學(xué)生客觀地記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出解釋，基于觀察事實(shí)形成觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)和提出需要進(jìn)一步研究的問題。總體而言，本實(shí)驗(yàn)既是情境，又是知識(shí)傳輸?shù)妮d體，有利于地理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.明確實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)器材

海水的密度受溫度和鹽度等因素影響。一般情況下，海水溫度高，密度小；海水鹽度高，密度大。本實(shí)驗(yàn)用砝碼模擬輪船的載重量，小燒杯模擬輪船。為比較輪船在水中的浮沉情況，本實(shí)驗(yàn)選擇化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的飽和氯化鈉溶液作為“海水”（A燒杯），純凈水作為淡水（B燒杯）。學(xué)生通過比較“輪船”在不同溶液中的浮沉情況，結(jié)合世界表層海水溫度和鹽度分布圖，判斷吃水線的類型。本實(shí)驗(yàn)中A、B溶液均處于同一室溫，但因水體不同，水溫依然存在差異。實(shí)驗(yàn)過程中為控制溫度變量，需準(zhǔn)備酒精燈、石棉瓦以及讀取溫度和鹽度的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。具體實(shí)驗(yàn)器材如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)器材

4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將50g砝碼放入兩個(gè)小燒杯中。相同載重的情況下，A燒杯中的“輪船”漂浮在水面上，B燒杯中的“輪船”沉入水中，如圖3所示。教師提出問題：為什么相同載重情況下，輪船的浮沉情況不一樣呢？

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（2）根據(jù)初中物理浮力的相關(guān)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明A、B溶液存在密度差異，而溫度和鹽度可能是造成密度差異的因素。為了驗(yàn)證鹽度與密度之間的關(guān)系，需要排除溫度這一變量。首先使用溫度儀測(cè)量A、B溶液的溫度，結(jié)果顯示A溶液水溫略低于B溶液，故使用酒精燈將A溶液加熱到與B溶液相同的溫度，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)“輪船”未沉入水底。以上步驟排除了本實(shí)驗(yàn)中溫度變量對(duì)密度的影響。

圖4 酒精燈加熱A溶液

（3）排除溫度因素影響后，進(jìn)一步驗(yàn)證鹽度因素的影響。使用鹽度儀測(cè)量溶液鹽度，記錄A、B溶液的鹽度差異，如圖5所示。

圖5 測(cè)量A、B溶液鹽度

5.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

為便于學(xué)生記錄、分析實(shí)驗(yàn)過程，設(shè)計(jì)了如表1所示的實(shí)驗(yàn)報(bào)告表。

表1 實(shí)驗(yàn)報(bào)告表

6.解決地理問題

教師小結(jié)：在上述實(shí)驗(yàn)中，A溶液是實(shí)驗(yàn)室常用的飽和氯化鈉溶液，用于模擬“海水”，B溶液為淡水。兩種溶液的鹽度差異導(dǎo)致密度差異，進(jìn)而導(dǎo)致“輪船”吃水線位置的差異。輪船吃水線分為淡水吃水線、熱帶淡水吃水線和海水吃水線；海水吃水線又分為印度洋吃水線、夏季海洋吃水線、冬季海洋吃水線和北大西洋冬季吃水線，如圖6所示。

圖6 輪船上的吃水線示意圖

結(jié)合教材中世界表層海水溫度、鹽度分布圖，判斷圖6中①②③④和ab的吃水線類型，并說(shuō)明理由，如表2所示。

表2 輪船吃水線類型及其理由

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐反思

地理實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)情境或作為知識(shí)和技能，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀的重要方法。從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)操作、再到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，反思過程中存在的不足或需要解決的問題，可為優(yōu)化地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供借鑒。

1.教師規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，增強(qiáng)安全意識(shí)

在“探究海水鹽度與密度”的實(shí)驗(yàn)操作過程中，需注意實(shí)驗(yàn)的規(guī)范操作，如酒精燈和鹽度儀的使用。鹽度儀的傳感器非常敏感，每次使用后需用純凈水洗凈并擦干，以減少數(shù)據(jù)誤差。大部分地理教師沒有接受過專門的課程學(xué)習(xí)或培訓(xùn)，實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范和安全意識(shí)較為薄弱。“雙新”教育改革鼓勵(lì)地理實(shí)驗(yàn)在地理教學(xué)中的應(yīng)用，教師應(yīng)進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范和安全意識(shí)，熟練使用中學(xué)地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本儀器，減少數(shù)據(jù)誤差，避免安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)

限于疫情期間在線教學(xué)的特點(diǎn)，此次實(shí)驗(yàn)由教師演示進(jìn)行。如果時(shí)間和條件允許，建議由學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生參與相對(duì)完整、規(guī)范的科學(xué)研究過程，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案到操作實(shí)驗(yàn)過程、觀察記錄、處理分析數(shù)據(jù)，再到最后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告及匯報(bào)交流，在達(dá)成學(xué)科核心素養(yǎng)的同時(shí)，提升科學(xué)素養(yǎng)。

為檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，筆者根據(jù)PTA評(píng)分法設(shè)計(jì)了本實(shí)驗(yàn)的學(xué)生評(píng)價(jià)量表。PTA評(píng)分法，又稱為PTS法，全稱為Primary Traits Analysis或Primary Traits Scale，也稱為主要特質(zhì)量表或主要特質(zhì)評(píng)分法。這種評(píng)價(jià)方法的基本做法是：將學(xué)生在完成一項(xiàng)任務(wù)中所實(shí)施的行為或者表現(xiàn)分解為基本單元或者基本單元的組合，然后對(duì)學(xué)生在這些基本單元上的行為表現(xiàn)作出準(zhǔn)確的評(píng)定。一般情況下，PTA 量表可以分為2～ 5個(gè)等級(jí)，以對(duì)應(yīng)學(xué)生的不同表現(xiàn)水平。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，可以從實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫兩方面展開評(píng)價(jià)，權(quán)重各占50%，具體如表3所示。

表3 探究“海水鹽度與密度”關(guān)系實(shí)驗(yàn)的PTA評(píng)價(jià)量表

3.學(xué)校加強(qiáng)地理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，提供良好的教學(xué)環(huán)境

海水的性質(zhì)是高中地理新教科書中增加的內(nèi)容之一，本校地理專用教室尚未配備相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。酒精燈、石棉瓦、燒杯、砝碼等設(shè)備均來(lái)自化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，鹽度儀和溫度儀則來(lái)自于校外的設(shè)備公司。這種情況不僅增加了教師和學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的難度，也會(huì)削弱教師采用地理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)的熱情。

建議尚未配備地理專用教室或?qū)嶒?yàn)器材的學(xué)校，加強(qiáng)地理專用教室的建設(shè)，尤其針對(duì)新課標(biāo)中增加的海洋、土壤和植被等內(nèi)容，配備足夠數(shù)量的實(shí)驗(yàn)器材。同時(shí)，也要明確地理專用教室的功能定位，加強(qiáng)日常管理，提高地理專用教室的利用率。