大概念統(tǒng)攝下自然地理問題的重構(gòu)*
——以高三“氣溫”專題復習為例

林琛琛 陳詩吉 姚培泰

（1.廈門實驗中學, 福建 廈門 361100; 2.廈門市教育科學研究院, 福建 廈門 361003; 3.福建省廈門第一中學,福建 廈門 361001）

心理學和教育哲學等領(lǐng)域已有對大概念關(guān)系與結(jié)構(gòu)、層次與類型的相關(guān)研究。《普通高中地理課程標準（2017年版）》（以下簡稱“課程標準”）指出，要“重視以學科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進學科核心素養(yǎng)的落實”。[1]地理學科大概念在大量地理知識的基礎(chǔ)上也概況出多種內(nèi)涵和形式。如有學者認為大概念的“大”并非僅就其統(tǒng)攝內(nèi)容的范疇而言，其本質(zhì)是一種關(guān)于“知識應(yīng)該用于解決什么問題”的觀念。[2]基于此，地理大概念對于地理事象認知和問題解決有上位統(tǒng)攝的作用，對高考評價體系、學科核心素養(yǎng)、學科育人價值的落地具有重要意義。此外，“一核、四層、四翼”高考評價體系無論是對關(guān)鍵能力的考查還是核心素養(yǎng)的評價都提出了新要求——由要素、過程分析向地域和時段多維度融合分析拓展。這與自然地理（過程）相關(guān)的“物質(zhì)運動和能量交換”大概念所體現(xiàn)的綜合性、動態(tài)性與循環(huán)性等特點契合。[3]

近年來，高考地理試題對綜合思維的考查提出了更高的要求，使得大概念統(tǒng)攝下的自然地理多要素綜合和要素重構(gòu)顯得尤為必要。為此，需要進行基于“物質(zhì)運動和能量交換”大概念統(tǒng)攝下自然地理問題的重構(gòu)，將自然地理知識和原理融入真實情境。設(shè)計與真實情境、學科大概念相關(guān)聯(lián)的大任務(wù)，引發(fā)學生思考，讓學生自主感受知識的發(fā)生過程，建構(gòu)分析問題的思維路徑，發(fā)揮學科育人價值。[4]

為此，本文在“物質(zhì)運動和能量交換”大概念統(tǒng)攝下重構(gòu)“氣溫”分析思路，從系統(tǒng)視角審視思維結(jié)構(gòu)，進而歸納、搭建相應(yīng)大概念的總體思路框架。最后再遷移應(yīng)用到其他自然地理問題的重構(gòu)過程，嘗試探索地理大概念、存量知識、思維模型及結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，為高三復習備考提供新思路，助力提升學生的問題解決能力和實現(xiàn)學科育人價值。

一、解決“氣溫”問題常規(guī)思路的局限性

1.解決大尺度區(qū)域問題的思維定勢和套路化

在解決大尺度區(qū)域氣溫相關(guān)問題時，如“為什么7月全球最冷的地方在南極地區(qū)”，由于其具有大尺度一般性規(guī)律，較易解決。但當問及“為什么南極地區(qū)氣溫較北極地區(qū)低”時，學生常常只聚焦在“緯度、海陸位置和地形”等因素解釋成因，而忽略兩個地區(qū)受洋流影響導致的氣溫差異。同理，在回答“為什么冬季我國南北溫差很大”時，常規(guī)思路通常是從經(jīng)驗性總結(jié)的“緯度、大氣環(huán)流、地形、海陸位置、洋流”等角度分要素、無結(jié)構(gòu)的直接記憶性分析，學生所達到的認知與素養(yǎng)水平較低，缺乏正確的認識路徑，從而無法遷移應(yīng)用到其他問題的分析與解決上。

2.解決小尺度區(qū)域問題的思路模糊和復雜化

上述“氣溫”分析的常規(guī)思路在小尺度區(qū)域探究中局限性更加凸顯。如2015年高考地理海南卷第23題“分析死谷夏季炎熱的原因”，如果用“緯度、大氣環(huán)流、地形、海陸位置、洋流”模板套路作答，顯然是不夠嚴謹科學的。同理，在解決氣溫、水溫的垂直遞變特點及成因問題時，題中四個選項若從“緯度、大氣環(huán)流、地形”等角度進行對照分析，顯然均無從下手。目前高考試題側(cè)重考查復雜、不良結(jié)構(gòu)、真實情境下的邏輯推理性問題，試題風格也注重小切口、縱深入、以中小尺度區(qū)域為主。因此，常規(guī)思路一定程度可解決大尺度區(qū)域的一般性問題，但小尺度區(qū)域和短時間尺度的特殊性問題則無法分析到位。

【例1】（2016廈門質(zhì)檢10～11題）

納木錯位于藏北高原，每年12月至次年4月湖面封凍，冰面厚達2米。7月，某科考隊前往納木錯考察湖泊的水溫的垂直變化?？瓶缄爢T繪制了某觀測點7月水溫垂直變化（見圖1）。讀圖完成第（1）題。

圖1 某觀測點7月水溫垂直變化

（1）圖中7月水溫從表層到水深15米處變化小的原因主要是________

A.光照強烈且水質(zhì)好

B.蒸發(fā)消耗表層熱量

C.地表徑流匯入量大

D.表層受風力影響小

二、大概念統(tǒng)攝下自然地理問題的重構(gòu)

基于大小尺度區(qū)域氣溫問題常規(guī)解決思路的局限性，解決氣溫問題需要從氣溫概念出發(fā)，剖析相應(yīng)的本質(zhì)原理，對標相應(yīng)的大概念，形成氣溫問題科學的邏輯結(jié)構(gòu)。由于自然地理環(huán)境是由各圈層及各地理要素構(gòu)成的一個復雜的巨系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，物質(zhì)是能量傳輸?shù)妮d體，而能量是物質(zhì)運動的動力。氣溫既是表示空氣冷熱程度的物理量，也在自然地理（過程）“物質(zhì)運動與能量交換”大概念范疇里。在此大概念統(tǒng)攝下重構(gòu)“氣溫”問題，才能把握問題實質(zhì)，為相關(guān)地理要素的思維建構(gòu)奠定基礎(chǔ)。其效果遠好于直接記憶氣溫的影響因素而沒有理清因素間的關(guān)系，有助于提高學生的認知與素養(yǎng)水平，并能夠?qū)⒄J識路徑遷移應(yīng)用到其他問題的分析與解決中。

1.建立“地—氣”系統(tǒng)，重構(gòu)“氣溫”思路

重構(gòu)“氣溫”問題思路是在大概念統(tǒng)攝下，通過拆解、重構(gòu)思路，還原知識的本質(zhì)“拼圖”，再將知識不斷向上收斂，提升到地理事象的大概念。

地球表層系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈相互作用構(gòu)成的復雜有機整體。地球表層系統(tǒng)的建立包括兩大體系——系統(tǒng)和環(huán)境、三大范疇——系統(tǒng)與環(huán)境之間的輸入、變換和輸出。物質(zhì)遷移、能量交換和信息傳遞是地球表層系統(tǒng)發(fā)展演化（地理過程）的本質(zhì)，也是圈層間相互聯(lián)系的紐帶和相互作用的橋梁。系統(tǒng)維持穩(wěn)定的本質(zhì)原因是物質(zhì)和能量守恒，從多年平均狀況看，其收入項與支出項基本相等；系統(tǒng)平衡的打破，是收支項發(fā)生變化的結(jié)果。

【例2】（2018全國高考乙卷地理第37題）

烏裕爾河原為嫩江的支流。受嫩江西移、泥沙沉積等影響，烏裕爾河下游排水受阻，成為內(nèi)流河。河水泛濫，最終形成面積相對穩(wěn)定的扎龍濕地（圖略）。扎龍濕地面積廣大，積水較淺。

（1）分析從烏裕爾河成為內(nèi)流河至扎龍濕地面積穩(wěn)定，烏裕爾河流域降水量、蒸發(fā)量數(shù)量關(guān)系的變化。

當烏裕爾河流域系統(tǒng)邊界發(fā)生變化，導致系統(tǒng)水量收支關(guān)系發(fā)生變化（見圖2）。

圖2 烏裕爾河流域（系統(tǒng)）水量收支關(guān)系演化建構(gòu)

氣溫是表示空氣冷熱程度的物理量（即對空氣所獲得熱量的度量）。空氣的冷熱程度，實質(zhì)上是空氣分子平均動能的表現(xiàn)。當空氣獲得熱量時，其分子運動的平均速度增大，平均動能增加，氣溫也就升高。反之當空氣失去熱量時，其分子運動平均速度減小，平均動能隨之減少，氣溫也就降低。

(1)建立能量交換系統(tǒng)（見圖3）

圖3 能量交換系統(tǒng)

①當系統(tǒng)能量輸入I＞輸出O時，動能增大，氣溫T升高；

②當系統(tǒng)能量輸入I＜輸出O時，動能減小，氣溫T降低；

③當系統(tǒng)能量輸入I=輸出O時，動能不變，氣溫T恒定。

(2)建立“地—氣”系統(tǒng)→近地面大氣系統(tǒng)

當把“地—氣”當成整體系統(tǒng)時，系統(tǒng)外部環(huán)境為宇宙和高空大氣（見圖4a）。當把近地面大氣單獨作為系統(tǒng)時，則構(gòu)成系統(tǒng)外部環(huán)境為宇宙、地面和高空大氣，系統(tǒng)的能量收支途徑多了地面（見圖4b）。針對不同氣溫問題，選擇不同系統(tǒng)進行分析的效果不同。

根據(jù)中國多年平均年太陽輻射總量（億焦耳/平方米）分布情況，如果需要分析夏季內(nèi)蒙古自治區(qū)和西藏自治區(qū)兩地氣溫的差異及其原因，可將地面和近地面大氣當成整體，建立“地—氣”系統(tǒng)（見圖5）。內(nèi)蒙古自治區(qū)和西藏自治區(qū)兩地在夏季太陽高度均較大，輸入到兩地“地—氣”系統(tǒng)的能量I甲≈I乙，但是西藏海拔遠高于內(nèi)蒙古，空氣稀薄，導致西藏“地—氣”系統(tǒng)輸出的能量O甲＞O乙，近地面氣溫T甲＜T乙。

圖5 地—氣系統(tǒng)能量收支建構(gòu)

2.理清能量交換方式，建構(gòu)物質(zhì)和能量流

（本地）能量交換方式主要有三種：①熱輻射；②熱對流；③熱傳導。首先是近地面大氣與地面間能量交換，以熱輻射方式進行（見圖6）。當ΔT地-氣=T地溫-T氣溫＞0，發(fā)生地面輻射，地面輻射強度由ΔT地-氣決定；當ΔT地-氣=T地溫-T氣溫=0，達到能量交換的動態(tài)平衡；當ΔT地-氣=T地溫-T氣溫＜0，發(fā)生大氣逆輻射。地溫主要受（到達地面的）太陽輻射、大氣逆輻射、地面性質(zhì)和地熱能影響。

圖6 “地-氣”系統(tǒng)熱輻射交換建構(gòu)

能量交換方式1：熱輻射。

【例3】（2017全國高考I卷）我國某地為保證葡萄植株安全越冬，采用雙層覆膜技術(shù)（兩層覆膜間留有一定空間），效果顯著。當?shù)睾淦冢?2月至次年2月）豐、枯雪年的平均氣溫日變化和豐、枯雪年的膜內(nèi)平均溫度日變化（見圖7）。

圖7 豐、枯雪年均溫日變化和膜內(nèi)均溫日變化

（1）圖中表示枯雪年膜內(nèi)平均溫度日變化的曲線是______

A.① B.② C.③ D.④

材料中提到“當?shù)睾淦冢?2月至次年2月）”，表明能量處于虧損狀態(tài)，處于降溫過程，地面作為冷源（T地＜T氣）。覆膜阻隔了“地—氣”之間聯(lián)系，從而加大膜內(nèi)外溫差。再根據(jù)太陽輻射和氣溫日變化規(guī)律相似進行相應(yīng)分析，得出相應(yīng)結(jié)論。

能量交換方式2：熱對流。

（本地）能量交換的另一種方式是熱對流，是近地面大氣與高空進行能量交換的主要方式（見圖8）。當近地面氣溫T近氣＞高空氣溫T高氣時，發(fā)生對流（上升）運動，對流的強度與大氣垂直溫差呈正相關(guān)，與大氣垂直高度差呈負相關(guān)。此外，從能量收支來看，近地面大氣能量散失到宇宙，也會導致近地面大氣溫度變化。散失到宇宙能量大小主要取決于海拔、天氣狀況（云量）、沙塵等因素決定）。值得注意是，對流是一個小尺度的概念，時間尺度為“日”，不參與大尺度的氣壓帶與風帶形成。

圖8 “地-氣”系統(tǒng)熱對流交換建構(gòu)

【例5】（2015高考地理海南卷）死谷長約225千米，寬8～24千米，低于海平面的面積達1408平方千米（見圖9a）。該地夏季氣溫經(jīng)常超過49℃，最高曾達57℃，是北美洲夏季最炎熱的地區(qū)。分析死谷夏季炎熱的原因。

圖9a 死谷位置

從能量交換角度來看，死谷因夏季受副高控制，盛行下沉氣流，水平氣流弱，水平方向能量交換較少（見圖9b）。其次，空氣對流弱，能量也不易擴散。此外，下沉氣流也會導致地面水分蒸發(fā)弱，地面熱量傳輸給大氣較少，進而可以更全面嚴謹?shù)匕盐諉栴}實質(zhì)。

圖9b 死谷能量交換建構(gòu)

能量交換方式3：（外地）熱量輸送。

從“物質(zhì)運動和能量交換”的視角來看，熱量輸送是近地面大氣獲得能量的重要方式（見圖10），主要是以風和洋流（物質(zhì)運動）為熱量輸送的媒介（載體）。風在進行熱量輸送過程中，需要考慮沿途地形對氣流的集聚、阻擋、下沉作用。洋流則通過影響水溫，從而間接影響氣溫變化。

圖10 外地熱量輸送建構(gòu)

【例6】讀中國1月平均氣溫圖（圖略）思考，為何冬季我國南北溫差較大？

根據(jù)外地能量輸送建構(gòu)可知（見圖11），從外地熱量輸送來看，冬季風南北沿途距離遠且到南方沿途受地形阻隔。其次，從本地熱源來看，我國南北緯度跨度大，冬季北方太陽光照強度和光照時長均比南方小，太陽輻射量（等于光照強度乘以光照時長）小于南方，即南北太陽輻射量差異大使我國冬季南北溫差大。

圖11 外地能量輸送建構(gòu)

能量交換方式4：人為熱源。

在地表自然系統(tǒng)中，疊加人類活動干擾可以看出：人為能量主要來自于人類活動排放的廢熱。此外，人類活動通過改變地面性質(zhì)影響地面輻射，導致氣溫的變化；通過增加地表阻力改變風力大小，從而影響熱量輸送；通過增加地表覆蓋物（如秸稈、地膜等）阻隔地氣聯(lián)系，增加地表與空氣的溫差；通過排放大氣污染物、沙塵等降低大氣透明度，從而削弱太陽輻射或保溫的作用（見圖12）。

圖12 人為熱源在近地面大氣系統(tǒng)中能量交換建構(gòu)

3.歸納氣溫要素關(guān)聯(lián)，提升大概念總思路

根據(jù)上述分析過程建構(gòu)了“物質(zhì)運動和能量交換”大概念統(tǒng)攝下“氣溫”問題總思路（見圖13）。從系統(tǒng)視角，主要分為本地熱源和熱量輸送兩大收支項。在本地熱源收支項中，收入項①為地面輻射，主要受（到達地面的）太陽輻射、地面性質(zhì)和收入項②地熱能的影響；收入項③為大氣對流，主要由垂直大氣的溫差和高度差決定；收入項④為人類活動排放的廢熱；此外，人類活動還可以通過改變地面性質(zhì)等間接改變氣溫。支出項①為大氣逆輻射，主要受大氣狀況和“地—氣”溫差的影響；支出項②為散失到宇宙的能量，受大氣狀況的影響。在熱量輸送的收支項中，收入項⑤和⑥是以風和洋流為載體的外地熱量輸送，其中，風在輸送熱量時，受沿途地形集聚、阻擋、下沉的影響，而洋流則通過影響（本地）水溫，從而間接影響氣溫變化。此重構(gòu)思路相較于直接性記憶“緯度位置、大氣環(huán)流、地形、海陸位置洋流、人類活動”等氣溫影響因素，所達到的認知與素養(yǎng)水平更高，更容易進行知識遷移應(yīng)用，提高問題解決能力。

圖13 “物質(zhì)運動和能量交換”大概念統(tǒng)攝下氣溫建構(gòu)總思路

4.遷移大概念總思路，剖析自然地理過程

搬運過程伴隨著物質(zhì)運動和能量交換，同樣在此大概念統(tǒng)攝下建構(gòu)搬運過程思路（見圖14）。具體思路如下：當流域中巖石暴露在大氣中時，由于受到大氣能量如晝夜溫差變化影響，產(chǎn)生風化與侵蝕產(chǎn)生的碎屑物。碎屑物被從原位置搬運到新位置的過程中，需要滿足搬運動力大于碎屑物阻力和重力的條件；碎屑物所受到的阻力主要和地表粗糙度（含植被覆蓋情況）、碎屑物干濕度等因素有關(guān)。搬運的載體主要是由太陽輻射能產(chǎn)生的風、流水和冰川。風的搬運作用主要是通過風沙流即挾帶沙粒氣流的運動實現(xiàn)的，當風速超過起沙風速，地表沙粒開始被搬運。河流搬運能力高低受流量與流速影響。流水沉積物顆粒隨流速的減慢而由大到小順次排列，呈現(xiàn)較好分選性。

圖14 “物質(zhì)運動和能量交換”大概念統(tǒng)攝下搬運過程建構(gòu)思路

同理，侵蝕和沉積過程、大氣受熱過程、降水形成過程、地表徑流下滲過程、巖漿活動過程等自然地理過程同樣可以在“物質(zhì)運動和能量交換”大概念統(tǒng)攝下圍繞物質(zhì)來源和動力條件兩個維度進行思路建構(gòu)，并聚焦系統(tǒng)物質(zhì)和能量的收支平衡問題認識自然地理現(xiàn)象。