“水循環”模擬實驗設計與應用*

梅柏軍 肖 明 黃 雷

（江蘇省天一中學, 江蘇 無錫 214101）

《普通高中地理課程標準（2017年版）》突出強調地理實驗對于落實地理核心素養、解決地理教學中的重要問題，提高地理教學育人效果的重要性。[1]通過實驗讓學生在“動手”“行動”中獲得直接經驗，獲得對真實生活的“真”認識，“真”感覺。[2]在高中地理課堂教學中，通過開展“水循環”模擬實驗來達成教學目標的課例很多，也形成了多樣的模擬實驗裝置。

一、多樣的“水循環”模擬實驗設計

在知網檢索地理教育領域三大期刊中關于“水循環”實驗的文章，篩選出4種最具代表性的實驗裝置（見圖1、圖2、圖3、圖4）。圖1作者用簡單的實驗裝置模擬海陸間循環的環節。[3]圖2作者在玻璃魚缸里模擬水循環實驗，幫助學生認識水循環類型和環節。[4]圖3來自于湘教版教材中的模擬實驗裝置，被教師在實際教學中加以運用。[5]圖4作者利用生活中常見的材料和器具設計實驗，該實驗原理與圖3相似。[6]

圖1 陳同學設計的“海陸間循環”實驗裝置

圖2 徐老師設計的微觀環境下“水循環”模擬實驗

圖3 湘教版“模擬水循環主要環節”實驗

圖4 付老師設計的“水循環”模擬實驗裝置

在筆者學習的幾節“水循環”主題公開課中，授課教師設計了不同的“水循環”實驗裝置（見圖5、圖6）。圖5是2021年筆者所在學校開展的“聚焦課堂”公開課活動中，來自江蘇省錫山高級中學的地理教師帶來的實驗。圖6為2022年在江蘇省江陰高級中學開展的“同課異構”教學展示中，某地理教師設計的實驗。

圖5 李老師設計的“水循環”模擬實驗裝置

圖6 章老師設計的“海陸間循環”實驗裝置

以上模擬實驗裝置各有特色，最終的目的都是為了更好地達成課堂教學目標，培養學生核心素養。

二、“水循環”模擬實驗設計與應用

1.“水循環”模擬實驗1：水循環的主要環節

(1)實驗用品

鐵架臺、恒溫磁力加熱套（酒精燈）、燒瓶、直行冷凝管、牛角管、2根橡膠管、帶孔托盤、1個水槽、排插。

(2)實驗步驟

燒瓶中加入半瓶自來水，連接好裝置（見圖7），將直行冷凝管的下口用橡膠管接上水龍頭作進水口，上口接上橡膠管作排水口。

圖7 “水循環”模擬實驗原裝置

用酒精燈加熱燒瓶，燒瓶中的水汽經過直行管時遇冷水冷卻凝結，在牛角管處形成水滴落到托盤上。

(3)實驗改進（見圖8）

圖8 “水循環”模擬實驗改進裝置

按照圖7的實驗裝置進行實驗時，發現酒精燈加熱較慢，難以使燒瓶中的水沸騰，導致實驗效果不明顯。經研究，最后選擇通電加熱的恒溫磁力加熱套。經改進后，燒瓶中水的沸騰效果較好，實驗效果明顯。

(4)優點與不足

與圖1、圖2、圖5所示實驗相比，本實驗能夠模擬水循環的環節更多，實驗現象更明顯、直觀。與圖3、圖4、圖6所示實驗相比，首先，在加熱環節上，本實驗中燒瓶劇烈沸騰產生的水蒸氣更多；其次，在冷卻環節上，本實驗中的裝置更簡潔，且通過流動的自來水冷卻水蒸氣，使在牛角管處落下的水滴更多，實驗效果更好。

本實驗的不足之處在于，無法演示地表徑流和地下徑流匯流入海的環節，無法演示陸地內循環和海上內循環。

(5)實驗目標與教學過程

①實驗目標

模擬并描述實驗中水的運動過程；推測自然界水循環的主要環節；嘗試繪制水循環過程示意圖。

②教學過程

教師：“實驗器材已經安裝好了，現在需要兩位同學來講臺前觀察并描述水的運動過程，觀察時間1分鐘。”

學生：“水在燒瓶中蒸發后進入輸送管道，水汽遇到冷水凝結在另一側托盤上空形成水滴。水滴落到地表，有的滲入水槽，有的在托盤表面流動。”

教師：“描述得非常好，大家掌聲鼓勵。假設燒瓶里的水是地球上的海洋，托盤表示陸地，你能根據觀察到的實驗現象推測地球上水循環的環節有哪些并畫出示意圖嗎？”

學生寫下“水的蒸發”“運輸”“降雨”“地表流動”“滲入”。

教師：“大家畫的很多環節都是對的，但是每個環節專業術語的表述還不夠準確。另外，圖中還缺少一些環節。表述準確、完整的水循環環節應該是蒸發、水汽輸送、降水、地表徑流、下滲，當然還有實驗中不能體現的植物蒸騰和地下徑流。”

2.“水循環”模擬實驗2：不同地面的徑流、下滲情況比較

(1)實驗用品

鐵架臺、恒溫磁力加熱套、燒瓶、直行冷凝管、牛角管、2根橡膠管、3個帶孔托盤、1個水槽、草皮、橡皮泥、透水磚、排插。

(2)實驗步驟

在圖8所示實驗裝置的基礎上，準備三個帶孔托盤，三個托盤內各放置草皮、橡皮泥、透水磚，分別模擬草坪地面、硬化地面和透水磚地面（見圖9、圖10、圖11）。

圖9 模擬“硬化地面”對水循環環節的影響

圖10 模擬“植被覆蓋地面”對水循環環節的影響

圖11 模擬“透水磚地面”對水循環環節的影響

將三個托盤放在水槽上，保證托盤的坡度一致。

控制實驗模擬“降水”時間為3分鐘，“降水”強度一致，地表坡度相同。

觀察托盤上的地表徑流、下滲以及水槽的地下徑流現象，完成實驗情況記錄表格（見表1）。

表1 不同地面的徑流、下滲情況記錄表

(3)實驗目標與教學過程

①實驗目標

模擬城市不同地面對徑流和下滲的影響。觀察硬化地面、植被覆蓋地面、透水磚地面的地表徑流量和下滲量有何差異。

②教學過程

教師：“不同的地表性質對徑流和下滲的影響如何呢？下面我們通過一組實驗來進行探究。現在需要4位同學來講臺協助老師完成實驗。大家控制水槽上方的托盤坡度一樣，托盤的孔隙一樣，我需要3位同學分別以同樣的“降水”強度向托盤里持續倒水3分鐘，1位觀察員根據實驗現象記錄報告。”

學生：“硬化地面的下滲明顯較少，產生的地表徑流多；而植被覆蓋和透水磚地面下滲多，產生地表徑流少。”

教師：“回答正確。大家再注意觀察硬化地面的低洼處是不是有很多積水？在城市當中，這里就是一個天然的蓄水空間。如果將其填塞會怎樣？”

學生：“天上降下的雨水就會積累在地表，形成城市內澇。”

教師：“回答正確。同學們現在明白我國很多城市都進行‘海綿城市’建設的原因了吧。草坪、透水地面的下滲效果確實比較明顯。”

三、實驗設計與應用反思

實驗教學需要不斷注入課堂，促進知識落實和學生地理核心素養的培養。兩組模擬實驗以“城市內澇”作為主題情境，應用在“水循環”一節的教學中。從模擬實驗1中可以看出，教師需要通過逐步引導將學生的生活用語轉移到專業術語上，加強學生對地理事象的直觀認識和對專業術語的深刻理解，以便于解釋城市內澇的成因。模擬實驗2探究了不同地表對水循環環節的影響，但會使學生通過實際操作獲得“真”認識、“真”感覺。因此，教師在平時的課堂教學中應不斷加入實驗，為地理課堂教學注入新鮮“血液”。

實驗教學以學生為主體，促進學生能力的發展。目前高中地理課堂中的實驗以模擬實驗為主，主要表現為：教師將裝置拿到教室現場操作、學生觀看；教師在課前將實驗拍攝成視頻，在課堂上播放給學生觀看。這樣的實驗教學被稱為“演示實驗”。教師在課堂教學中應讓學生動手操作，讓學生主動觀察地理現象并加以描述。如果條件允許，教師可讓學生利用所學知識主動設計實驗，或與教師合作完成實驗的設計。筆者所做“水循環”實驗在一開始就讓學生參與討論如何設計實驗裝置，學生集思廣益參與設計并不斷改進，通過完整的實驗教學，促進學生觀察、動手設計及操作能力的提升。