指向地理科學素養培育的高中地理教學探索與實踐
——以“地球內部圈層結構”為例

張 健

（上海市大同中學, 上海 200011）

科學素養是青少年綜合素質中重要的組成部分，地理科學素養的培育是地理教育的重要目標之一。《普通高中地理課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）中指出：“普通高中的培養目標是進一步提升學生綜合素質，著力發展核心素養，使學生具有理想信念和社會責任感，具有科學文化素養和終身學習能力，具有自主發展能力和溝通合作能力。”[1]課堂教學是培育學生地理科學素養的主要方式，本文以上海版高中必修《地理1》主題2“地球的圈層結構”為例，通過教學設計與實踐，激發學生好奇心和探知欲，增加學生地理科學知識，提升學生對科學的興趣，形成地理科學思維方法，弘揚勇于探索、求真求實的科學精神。

一、基于地理科學素養內涵的教學目標設計

1.課程標準解讀

課程標準與本部分教學內容相對應的是“運用示意圖，說明地球的圈層結構”。其中，“運用示意圖”是主要的教學方法和手段，行為動詞“說明”既是學生要發生的學習行為，也表明學生能力要達到的層次水平；“地球的圈層結構”既是要說明的對象，也是本節課要學習的知識內容與核心概念。

2.教材分析

與本節課教學內容對應的教材內容是必修《地理1》主題2“地球的圈層結構”中的“地球內部圈層結構”。教科書采取了“正文＋閱讀＋探究＋活動”的方式展示本部分內容，均以文本和示意圖相結合的形式說明。其中，正文文本按照“總—分”的順序介紹了地球內部總體分層情況和各圈層主要特征，圖像用嵌套式立體結構圖，從不同空間視角和空間尺度直觀地展現了地球內部圈層結構。“閱讀”和“探究”部分介紹的是地震波的特點及根據地震波傳播特點界定莫霍、古登堡兩個界面的方法，從而為地殼、地幔、地核三個圈層的劃分提供依據。活動部分設計了“地心穿越之旅”的活動，并通過問題設置引發思考。

3.教學目標（見表1）

表1 基于地理科學素養內涵的教學目標

二、指向地理科學素養培育的教學流程設計

地震波是科學家們認識地球內部圈層結構的主要方法，教學流程以“地震波”為設計的關鍵，以“認識地震波—根據地震波的特征提出假設—驗證并得出結論—應用地震波”為設計主線，通過任務設計引領教學（見圖1）。

圖1 指向地理科學素養培育的教學流程圖

三、指向地理科學素養培育的教學實施

1.導入：好奇心是科學研究的開始——猜“盲盒”

教師活動：課前，教師在每個小組桌上放一個“盲盒”——不透明的盒子。教師提前在盒子內放入不同的物品，如棉花、沙子、彈珠、乒乓球、小石塊等，要求學生在不打開盒子的情況下猜測盒內的物品并說明判斷的依據。

學生活動：學生通過搖、聞、聽、掂等方式分析物品的特征，推測盒內的物品，最后打開盒子進行驗證。教師引導學生思考，科學家在無法打開地球的情況下如何研究地球的內部空間結構？

教師活動：深井鉆探是學生最先想到的研究方法，教師介紹克拉鉆井工程的成就與局限性，引發學生進一步思考。

設計意圖：人類強烈的好奇心和問題往往是科學研究的觸發點。地球是一個巨大的不透明球體，人類無法打開地球窺視其內部結構。導入環節，教師將“盲盒”類比地球，引發學生思考，激發學生好奇心和探究欲望。

2.環節一：地理科學知識——探究地震波的主要特征

教師活動：通過超聲波在醫學中的應用引入地震波的概念與類型，要求學生閱讀地理事實和數據，對比分析縱波和橫波傳播特征的異同點。

學生活動：觀看某次地震時房間內的視頻，完成學習任務一（見圖2）。

圖2 學習任務一

設計意圖：科學研究往往從現象入手。地震波是科學家研究地球內部圈層結構的重要方法，但學生無法直接觀察到地震波，只能觀察到地震波所帶來的現象或地震儀監測到的數據。因此，本環節基于對地理現象、事實和數據的分析，讓學生歸納總結橫波與縱波的主要特征，增加地理科學知識，加強地理科學思維，為探究地球內部圈層結構奠定基礎。

3.環節二：地理科學思維與探究——繪制地球內部圈層結構

教師活動：引導學生理解不連續面的存在為地球內部圈層結構的劃分提供了強有力的科學證據，要求學生畫出與地表平行的不連續面并標注不連續面的大概深度。

學生活動：理解不連續面的含義，小組討論交流完成學習任務二（見圖3）。匯報展示繪制的結果并說明依據。

圖3 學習任務二

教師活動：引導學生發現不同小組畫出的不連續面與教科書并不完全一致，但這些地方的波速的確出現了較為明顯的變化。

學生活動：思考出現上述情況的原因。

教師活動：不連續面分為一級界面和二級界面，教科書中的地球圈層結構示意圖僅僅標注了一級界面，而通過任務二，我們已經實現了對地球圈層結構的精細劃分。

設計意圖：地球物理學家在對大量地震波傳播數據統計分析的基礎上，得出了從地表到地心的地震波曲線。學生根據地震波的傳播特征，分析地震波的信號，尤其是波速的變化，就可以研究地球內部的圈層結構、深度和形態等。本環節旨在讓學生體驗科學家利用科學數據解決科學問題的過程，發展地理科學思維，提升地理實踐力。

4.環節三：地理科學觀念——地震波與人類活動

教師活動：地震波幫助人類認識了地球的內部圈層結構的同時，在認識地質災害的形成機制和勘探礦產資源方面得到了廣泛的應用。要求學生討論地震波應用的原理。

學生活動：通過討論交流，回答以下問題。

問題一：2022年9月5日12時52分在四川甘孜州瀘定縣發生6.8級地震，震源深度16千米，多地民眾通過手機等提前接收到了地震預警系統發出的地震預警，地震發生時重慶市江北區市民接收到的地震預警信息如下（見圖4）。你能夠應用地震波的知識說明地震預警的原理嗎？

圖4 地震發生時重慶市江北區市民接收到的地震預警信息

問題二：2021年4月，湖南科技大學領銜研發的我國首臺“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統，在南海超2000米的深水海底，成功下鉆231米，取得這一深度的可燃冰（由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀結晶物質）樣品，刷新了世界深海海底鉆機鉆探深度。下圖為海洋地質Ⅱ號科考船開采示意圖（見圖5）。請思考地震波是否可以探測海底可燃冰礦藏狀況，并說明理由。

圖5 “海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統

設計意圖：早期科學家主要借助天然地震的地震波波譜信息研究地球的內部圈層結構，但天然地震在研究發生時間、空間分布、震源深度、震級等方面存在不足。人工地震擺脫了自然地震空間分布不均、震源不明等劣勢，在經濟發展、科學研究和軍事領域應用十分廣泛。教學過程中，教師應解釋自然地震到人工地震的變化，讓學生對其形成更為科學全面的認識，體會地球科學研究方法的進步。本環節旨在培養學生應用地理科學知識和思維方式分析問題的能力，使學生認識科學發展的重要意義，形成科學的價值觀，正確認識科學與人類生產生活之間的關系。

5.環節四：地理態度責任——地球內部圈層結構的科學史

教師活動：教師呈現地球內部圈層結構的發展史和現代技術對地球內部空間結構的精細劃分（見表2）。

表2 探索地球內部圈層結構的科學發展史

學生活動：學生了解地球圈層結構的形成發展過程和現代技術對地球內部空間結構的精細劃分，體會科學家勇于探索、不斷求真的精神。

設計意圖：教學中融入地球內部圈層結構的科學史，有助于學生從歷史角度認識科學知識的形成與發展過程。學生體會到科學的發展不是一蹴而就的，是經過了一代又一代科學家的刻苦鉆研。同時，本環節可以讓學生體會到科學技術是在不斷發展的，在科技非常發達的今天，人類也沒有完全認識地球內部。這利于鼓勵學生投身科學探索，發現問題、探索問題，保持求真求實的科學態度。

四、指向地理科學素養培育的實踐總結與反思

1.從興趣到問題，激發好奇與思考

本節課用“盲盒”游戲引入教學，學生參與熱情高，表現出強烈的探究欲望。這不僅激活了課堂的氣氛，也激發了學生對于“人類通過什么方式去認識地球內部空間結構”問題的思考，為本節課的教與學奠定了基礎。強烈的好奇心和對問題的思考是一切科學研究的開始。通過情境的創設激活學生的好奇與思考對科學素養的培育是非常重要的。

2.從案例到范式，形成地理科學思維

地理科學思維是地理科學素養培育的關鍵與難點。地理科學思維可分為觀察與提出地理問題、形成假設和驗證并得出結論三個步驟。觀察與提出地理問題是通過觀察獲取大量信息，并從中篩選出關鍵性的地理問題；提出問題之后，就要針對它提出假設，最后通過驗證假設得出結論。地理科學思維的過程和形成特點要求教師更多地采用探究式教學或實驗教學，在參與體驗的過程中逐步形成地理科學思維。

基于地理科學思維的形成特點和教學要求，本研究提煉出“任務線—問題線—素養線”的教學范式（見圖6）。任務線是學生課堂中需要完成的學習任務；每個任務的背后是由教學內容提煉的問題，一系列的問題組成了問題線；每個任務和問題的背后體現了想要達成的素養目標，構成了素養線。該教學范式融入了“雙新”課程改革所提倡的任務教學和問題教學，三條線相互融合，相互影響。素養線引領任務線與問題線的設計，任務線和問題線指向學生地理科學素養的培育，最終指向地理核心素養的培育。目標引領任務，任務引領教學，既有橫向的協同并進，又有縱向的深入探索，凸顯良好的教學結構與流程，體現有規劃力的課堂教學。

圖6 “任務線－問題線－素養線”教學范式結構圖

3.從課堂走向課外，加強實踐培育

目前，課堂教學是地理科學素養培育的主陣地，但受時空限制較為明顯。教師在加強課堂教學設計的同時應拓展課外的實踐活動，如野外考察、研學活動、科學家講座、場館參觀等。這有利于拓寬學習領域和視野，啟發學生思考，凝練科學問題，加強研究性學習并轉化為科學成果，進一步凸顯地理科學素養的實踐性特征，提升學生的地理實踐力。

國務院發布的《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》提出到2025年我國公民具備科學素質的比例要超過15%，到2035年我國公民具備科學素質的比例要達到25%。青少年是祖國的未來、民族的希望，科學素質對他們的意義更加重大。在地理教學中有效落實地理科學素養是一個漫長且艱巨的任務，希望本研究能夠給地理教師帶來啟發。