讓學(xué)生在地理實(shí)驗(yàn)中提升科學(xué)素養(yǎng)：以“利用太陽(yáng)光線測(cè)算地理坐標(biāo)”實(shí)驗(yàn)為例

上海市桃浦中學(xué)（200331）梁 璐

一、準(zhǔn)備階段

1.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇

理由一：高一地理的第一篇內(nèi)容就是宇宙與地球，其中地球運(yùn)動(dòng)是重點(diǎn)和難點(diǎn)。在學(xué)習(xí)完相關(guān)知識(shí)后，開(kāi)展“利用太陽(yáng)光線測(cè)算地理坐標(biāo)”的實(shí)驗(yàn)，有助于鞏固學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，落實(shí)相關(guān)的地理科學(xué)知識(shí)。

理由二：實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單。

理由三：實(shí)驗(yàn)單次觀測(cè)時(shí)間短，不會(huì)占用學(xué)生太多的課余時(shí)間。

2.實(shí)驗(yàn)時(shí)間的安排

時(shí)間安排在10月底期中考試之后至12月22日冬至日的課余時(shí)間。此時(shí)，有關(guān)于地球運(yùn)動(dòng)的教學(xué)已全部結(jié)束，考慮到普通中學(xué)的學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，教師在期中考試中安排關(guān)于立桿測(cè)影長(zhǎng)的相關(guān)試題作為鋪墊。

3.實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方法

為了提高學(xué)生的科學(xué)探索能力，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，此次地理實(shí)驗(yàn)完全采用學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)驗(yàn)、自主總結(jié)，教師僅起指導(dǎo)作用。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、操作能力、獲取信息和處理信息能力；提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題及試圖用各種方法解決問(wèn)題的意識(shí)；掌握科學(xué)探索方法。

4.規(guī)劃實(shí)驗(yàn)原理，提出難點(diǎn)問(wèn)題

（1）選一塊平坦開(kāi)闊的空地，將木桿垂直插入地上。

（2）確定木桿最短影長(zhǎng)出現(xiàn)的時(shí)間（思考：如何找出最短影長(zhǎng)？）。

（3）通過(guò)最短影長(zhǎng)出現(xiàn)的時(shí)間計(jì)算當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度（寫出計(jì)算方法和過(guò)程）。

（4）根據(jù)最短影長(zhǎng)的長(zhǎng)度計(jì)算正午太陽(yáng)高度角，并寫出公式說(shuō)明如何通過(guò)正午太陽(yáng)高度計(jì)算當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

其中，如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決難點(diǎn)一問(wèn)題（2），是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最大的考驗(yàn)。為此教師預(yù)設(shè)了解決方法“奎測(cè)法”，如圖所示。

二、實(shí)踐階段

1.合理分組，布置任務(wù)

由于實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生地球運(yùn)動(dòng)的地理知識(shí)要求較高，因此在普通中學(xué)讓全體學(xué)生參加并不合適，所以教師采用自主報(bào)名的方法，讓有興趣和學(xué)有余力的學(xué)生參與其中。最終有8位學(xué)生報(bào)名。教師根據(jù)學(xué)生的具體情況分為兩組，布置任務(wù)：根據(jù)所學(xué)知識(shí)如何利用太陽(yáng)光線測(cè)算學(xué)校所在地的地理坐標(biāo)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，兩組競(jìng)爭(zhēng)，看哪一組測(cè)算的更準(zhǔn)確。

2.分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

由于有期中考試試題的提示，兩組學(xué)生都想到了立桿測(cè)影長(zhǎng)測(cè)算地理坐標(biāo)，通過(guò)找到出現(xiàn)最短影長(zhǎng)的時(shí)間計(jì)算經(jīng)度，通過(guò)冬至日的最短影長(zhǎng)計(jì)算當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

并且主動(dòng)尋找合適的實(shí)驗(yàn)器材如：向體育老師借標(biāo)桿和皮尺，自己準(zhǔn)備精確到秒的電子表，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄單等。

3.難點(diǎn)突破，發(fā)現(xiàn)驚喜

在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，兩個(gè)小組都輕易地突破了問(wèn)題（3）和問(wèn)題（4），而對(duì)問(wèn)題（1）“如何找到最短影長(zhǎng)”，兩個(gè)小組都遇到了困難。

第一小組起初并沒(méi)有重視這個(gè)問(wèn)題，而是根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)度約為121°E，決定在中午12點(diǎn)前后直接測(cè)量，找到最短影長(zhǎng)，而指導(dǎo)教師并沒(méi)有指出問(wèn)題，而是建議他們?nèi)?shí)際操作一下。經(jīng)過(guò)實(shí)際操作后，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，很難確定什么時(shí)間的影長(zhǎng)才是最短影長(zhǎng)，經(jīng)歷了第一次失敗。

經(jīng)過(guò)討論，他們進(jìn)一步得出桿影指向正北方向時(shí)，為最短影長(zhǎng)，并探討出了利用“奎測(cè)法”尋找正北方向。

方法找到后，在實(shí)際操作中卻遇到了困難，奎測(cè)法需要較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間，而小組成員都要上課，只有中午11點(diǎn)45分后，才有時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)，而所畫的圓弧也不標(biāo)準(zhǔn)，所以觀測(cè)了幾次，都沒(méi)有找到正北方向。這點(diǎn)與教師預(yù)設(shè)不同。

經(jīng)歷了再一次的失敗后，小組成員又坐在一起討論如何在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地找到正北方向，突然有個(gè)學(xué)生說(shuō)到：“之前怎么沒(méi)想到指南針呢？”。在增加實(shí)驗(yàn)器材，重新調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案之后，第一小組完成實(shí)驗(yàn)，在冬至日大致測(cè)算出學(xué)校的經(jīng)緯度。

而第二小組的實(shí)驗(yàn)過(guò)程更出乎教師的預(yù)料。

在解決了問(wèn)題（3）和問(wèn)題（4）之后，對(duì)如何找到最短影長(zhǎng)，他們想到了一個(gè)全新的方法。

他們提出不考慮影子指向的方位，從日出到日落一天的影長(zhǎng)變化與時(shí)間的關(guān)系應(yīng)該符合二次函數(shù)規(guī)律，那只要隨意測(cè)出一天中任意三個(gè)時(shí)間的桿影長(zhǎng)度，計(jì)算出這個(gè)二次函數(shù)y=ax^2+bx+c中a、b、c的值，就能夠算出最短影長(zhǎng)時(shí)X與Y的值，得出最短影長(zhǎng)的時(shí)間。很快他們就測(cè)算出了三組數(shù)據(jù)，大大減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也降低了實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)難度。但他們的困難是將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)遇到的。

困難一：時(shí)間是60進(jìn)制，而影長(zhǎng)是十進(jìn)制的。

困難二：數(shù)字繁瑣，計(jì)算出的數(shù)值不是整數(shù)，而是無(wú)限不循環(huán)小數(shù)，四舍五入后誤差較大。

困難三：計(jì)算量極大，非常繁瑣。解決方法：（1）將時(shí)間換算成秒。（2）數(shù)值選取到小數(shù)點(diǎn)后25位，能比較精確地計(jì)算出二次函數(shù)。

（3）充分利用計(jì)算機(jī)，得出數(shù)據(jù)。

得出結(jié)論：a=0.00000004704035390856

b=-0.0040209030750950817525540724467684

c=94.71095405236754442894

因?yàn)?y=ax^2+bx+c 且a>0 b<0 c>0

所以ymin=4ac-b^2/4a

即：ymin時(shí)x=-b/2a

所以x=42838.86930050703………

42838約為11時(shí)53分58秒

進(jìn)一步得出學(xué)校的地理坐標(biāo)為（31°23′19″N，121°30′30″E）

兩個(gè)小組的這次地理實(shí)驗(yàn)都不太順利，經(jīng)過(guò)多次失敗，但在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生們并沒(méi)有因?yàn)椴皇潜仨毻瓿傻淖鳂I(yè)而放棄，沒(méi)有因?yàn)橛龅嚼щy而退縮，而是迎難而上，真正體驗(yàn)到學(xué)習(xí)地理的無(wú)窮樂(lè)趣，也使教師品嘗到實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身所蘊(yùn)涵的生命活力。就如一個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)感想中寫到的“用自己所學(xué)過(guò)的知識(shí)，在苦思冥想之后，用自己想出的方法做一些由我們自己全權(quán)負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)，這樣的感覺(jué)真的很好！”

此外，兩個(gè)小組所采用的方法都不是教師在布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)預(yù)設(shè)的奎測(cè)法，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的主體都是學(xué)生。教師在整個(gè)過(guò)程中面對(duì)現(xiàn)象不明顯，或與原有設(shè)想有所差異時(shí)，沒(méi)有直接指出問(wèn)題，而是積極引導(dǎo)學(xué)生反思原因，設(shè)想改良措施，思考如何充分利用“失敗”這種教學(xué)資源，啟發(fā)學(xué)生更全面地理解地理知識(shí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，通過(guò)反饋不難看出，此次實(shí)驗(yàn)在落實(shí)地理知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生地理科學(xué)能力，掌握地理科學(xué)方法，提升地理科學(xué)品質(zhì)方面都取得良好的效果。但科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)、提高并非易事，而是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的工程。我們只有不畏艱辛，勇于創(chuàng)新，在教學(xué)過(guò)程中，注重實(shí)踐與教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)融合，注意方法上的靈活性，形式上的多樣性，這樣才有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。