指向地理實踐力的高中地理模擬實驗方案設(shè)計與改進

摘 要：新課程改革以來，模擬實驗廣泛應(yīng)用于地理課堂教學，以助力地理實踐力培養(yǎng)。本文以“模擬溫室效應(yīng)”實驗為例，通過文獻研究及教學實踐，分析當前該模擬實驗存在的不足，并在吸取前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以學生為主體，進一步優(yōu)化模擬實驗設(shè)計流程，調(diào)整實驗模型的構(gòu)建，完善實驗過程，讓學生在親歷中提升必備的意志品質(zhì)及實踐能力，達成地理實踐力素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。

關(guān)鍵詞：地理實踐力；模擬實驗；實驗方案改進

中圖分類號：G633.55 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5207（2024）12-0066-04

應(yīng)新時代創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，實驗教學成為國家課程方案和課程標準規(guī)定的重要教學內(nèi)容。實驗教學應(yīng)注重實效，強調(diào)學生在實驗過程中的探索體會，以提升創(chuàng)新精神、科學素養(yǎng)和意志品質(zhì)［1］。高中地理課程的培養(yǎng)目標之一是讓學生能夠通過考察、實驗、調(diào)查等方式獲取地理信息，探索和嘗試解決真實情境下的問題［2］。因此，在高中地理教學中開展實驗教學意義重大。教育部教育技術(shù)與資源開發(fā)中心發(fā)布了《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》，為高中地理實驗教學的開展提供了內(nèi)容支持，鼓勵教師創(chuàng)新實驗技術(shù)、方法、形式及環(huán)境，以提高學生的地理實踐力。

一、模擬實驗的教學研究現(xiàn)狀

在地理教學中，模擬實驗是指制作簡潔的模型取代實驗對象，模仿真實自然環(huán)境和條件進行實驗的一種實驗形式［3］。地理模擬實驗能夠在一定程度上再現(xiàn)某些自然地理事象的變化過程，有助于形象直觀地闡釋自然地理原理［4］。地理模擬實驗在實踐性、探究性和創(chuàng)新性等方面對提升學生的地理實踐力有顯著作用。當前，高中地理模擬實驗廣泛開展，但受地區(qū)差異、學校層次、教師素養(yǎng)等多方面影響，模擬實驗設(shè)計的水平差異較大，即使是同一實驗，不同教師的設(shè)計也不盡相同。因此，在實際教學中對學生的地理實踐力培養(yǎng)效果參差不齊。本文以“模擬溫室效應(yīng)”為例，通過參閱相關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)該實驗尚有改進空間。

1.實驗效果不理想

由于地理現(xiàn)象或過程往往具有空間尺度大、發(fā)展時間長、形成過程復雜的特點，很難被真實還原。因此，地理模擬實驗的結(jié)果不一定鮮明且有說服力。例如，項愛明等在實驗中需要驗證的地理現(xiàn)象是高濃度二氧化碳氣體比常態(tài)氣體升溫更高、降溫更慢。但其實驗數(shù)據(jù)與預期的地理現(xiàn)象不吻合，無法證明溫室效應(yīng)。由于難以測算2個對照樣本獲得的地面長波輻射量的差異，也就無法證明其中的熱量傳遞及其過程［5］。由于缺少實驗效果的驗證，地理實踐力的培養(yǎng)成效不足。

2.實驗模型選擇不合理

有的模擬實驗為了追求實驗效果明顯，忽略了實驗模型與實驗對象的匹配程度。李美嬌等在實驗中采用了Vc泡騰片與水反應(yīng)制取二氧化碳，用取暖器對實驗氣體升溫［6］。該實驗模型包括取暖器模擬的“太陽”、水模擬的“地面”、不同濃度二氧化碳模擬的“大氣”3個要素。雖驗證了高濃度二氧化碳升溫比常態(tài)氣體更高，但由于水的比熱容大于空氣，導致實驗氣體氣溫升高主要依靠“太陽”（取暖器）而不是“地面”。因此，受實驗模型選擇影響，可能引起學生對地理過程產(chǎn)生誤解?？梢姡谀M實驗中不能單純追求實驗結(jié)果。

3.實驗過程不完整

程思源等對溫室效應(yīng)實驗進行改進后指出，高濃度氬氣與高濃度二氧化碳一樣會比常態(tài)氣體升溫快，而氬氣并不是溫室氣體［7］。由此，通過驗證二氧化碳比其他氣體吸收紅外線能力更強來證明二氧化碳是溫室氣體。這個實驗方案顯然更具說服力。此外，他也改進了“地面”狀況，用加熱后的電熱片代表“地面”，電熱片發(fā)射長波輻射容易被“大氣”吸收，更符合溫室效應(yīng)原理。但與李美嬌［6］一樣的是，該實驗過程只有升溫過程，沒有降溫過程。而溫室效應(yīng)原理既體現(xiàn)在溫室氣體大量吸收長波輻射的增溫過程，也體現(xiàn)在溫室氣體能將大部分能量以長波輻射形式返還地面的過程。因此，該實驗過程不夠完整，與實驗原理不相符，不足以驗證溫室效應(yīng)現(xiàn)象。

針對以上問題，本文在汲取前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進一步對“模擬溫室效應(yīng)”實驗進行改進，以期提升模擬實驗對地理實踐力培養(yǎng)的實效性。

二、基于地理實踐力培養(yǎng)的模擬實驗改進

本文選用的“模擬溫室效應(yīng)”實驗，為《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》中高中地理選擇性必修3實驗教學內(nèi)容。本文對該實驗的改進主要包括以下三方面：①以學生為主體優(yōu)化實驗設(shè)計流程；②調(diào)整實驗模型；③完善實驗過程。實驗設(shè)計與實施過程如下。

1.依據(jù)課標確定實驗目標

課標要求：運用碳循環(huán)和溫室效應(yīng)原理，分析碳排放對環(huán)境的影響，說明碳減排國際合作的重要性。

實驗目標： ①通過對比不同濃度二氧化碳的大氣保溫效果，說明二氧化碳的溫室效應(yīng)作用； ②通過實驗解釋說明碳減排國際合作的重要性。

2.依據(jù)實驗原理構(gòu)建模型

實驗原理：碳平衡原理指人類主要通過燃燒化石燃料（燃燒的化學方程式如下：CH4 + 2O2 =CO2 + 2H2O）和改變土地利用方式增加了大氣中CO2 等溫室氣體的濃度；溫室效應(yīng)原理指溫室氣體能夠大量吸收地面長波輻射，并以大氣逆輻射的形式減少地面能量散失的過程。

該實驗應(yīng)包括太陽、大地、不同CO2濃度的大氣3個要素。學生討論后構(gòu)建了如下模型：選用增溫快的取暖燈代替太陽光，可減少天氣狀況對實驗效果的影響；用比熱容較小的沙土代表大地，溫度變化較快，可節(jié)省實驗時間；由于化石能源燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，且釋放的氣體不方便收集，所以采用碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)制取二氧化碳（其方程式為：CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2↑ + H2O），方法簡單易操作且安全性高。

3.依據(jù)實驗目標設(shè)計實驗方案

（1）實驗器材

集氣瓶2個、CO2制取裝置、適量鹽酸、碳酸鈣、取暖燈、沙土、溫度傳感器、電腦。

（2）實驗過程

①在2個集氣瓶中裝等量的沙土，并分別放入1個溫度傳感器，將傳感器編號為A（高濃度CO2氣體）、B（常態(tài)氣體）；②利用化學反應(yīng)制取一定量的二氧化碳氣體導入編號為A的集氣瓶；③打開取暖燈模擬光照，在集氣瓶上方（為了減少集氣瓶壁對光源的干擾）對氣體進行加熱，保持2個集氣瓶與暖燈的距離一致，使其接受光照均勻；④觀察2個集氣瓶的升溫過程，當高濃度CO2氣體升溫明顯高于常態(tài)氣體后關(guān)掉電燈，記錄升溫過程中的起始溫度、終止溫度和升溫時間；⑤關(guān)燈后繼續(xù)觀察2個集氣瓶的降溫過程，回到初始溫度后停止觀察，記錄降溫過程的起始溫度、終止溫度和降溫時間。

4.依據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)論

基于以上實驗方案，學生得到第一次實驗過程數(shù)據(jù)（圖1）及統(tǒng)計數(shù)據(jù)（表1）。

通過分析實驗數(shù)據(jù)，學生得到如下結(jié)論：①高濃度CO2氣體與常態(tài)氣體相比升溫速率快、升溫幅度大；二者降溫速率一致，但常態(tài)氣體降至室溫時高濃度CO2氣體仍高于室溫，可推測高濃度CO2氣體回到室溫會比常態(tài)氣體需要更長時間，整個溫度變化過程證明了溫室效應(yīng)現(xiàn)象；②實驗數(shù)據(jù)沒有反映出CO2濃度的差異及變化，對說明碳減排國際合作的意義缺乏說服力。

5.依據(jù)實驗結(jié)論改進實驗方案

針對實驗結(jié)果，學生回顧了實驗的全部過程，通過小組探究分析實驗存在的問題，探究過程如表2所示。

教師引導學生改進實驗過程后（實驗器材增加二氧化碳傳感器，并在實驗第一步置入兩個集氣瓶內(nèi)，編號分別為B1、B2）測得實驗過程數(shù)據(jù)（圖2）及統(tǒng)計數(shù)據(jù)（表3）。

6.依據(jù)實驗方案反思教學目標

改進后的實驗數(shù)據(jù)反映出升溫過程及降溫過程比之前緩慢，更貼近自然狀態(tài)下的氣溫變化狀態(tài)。高濃度CO2氣體升溫比常態(tài)氣體明顯，降至室溫所用時間比常態(tài)氣體長，證明了溫室效應(yīng)現(xiàn)象。在實驗過程中，高濃度CO2氣體的濃度一直處于變化之中，先增加（人為制?。┖鬁p少（氣體交換），反映出全球大氣中的二氧化碳隨大氣運動會趨于平衡，說明碳減排不是哪一個國家或地區(qū)單獨的責任，只有通過國際合作才能從根本上遏制二氧化碳的不斷增長。由此，該實驗方案及實施過程符合基于課程標準的實驗目標設(shè)定，很好地達成了地理實踐力培養(yǎng)的目標。

但實驗改進后仍存在一些問題，尚未找到解決的良策。例如，加熱后的沙土溫度高低不好控制，溫度過高會導致實驗時間過長，影響教學進度；溫度過低則實驗現(xiàn)象不明顯。此外，受熱后的沙土分裝2個集氣瓶時溫度略有差異，影響實驗的起始溫度。

三、指向地理實踐力培養(yǎng)的模擬實驗教學反思

在“模擬溫室效應(yīng)”實驗的改進中，教師引導學生總結(jié)前人經(jīng)驗，揚長避短，注重模擬實驗效果，更注重實驗本身的科學性及真實性。讓學生全面參與了從實驗設(shè)計—實驗實施—數(shù)據(jù)收集—結(jié)果分析—反思與改進的實驗過程，從而提升了學生在地理活動過程中的意志品質(zhì)及行動能力，并高效落實了模擬實驗對學生地理實踐力的培養(yǎng)。具體體現(xiàn)在以下四方面。

1.以學生為主體

培養(yǎng)學生的地理實踐力素養(yǎng)須以學生為主體，讓學生經(jīng)歷完整的實驗過程。教師代替學生設(shè)計以及操作實驗，即使實驗很成功學生也難以獲得深刻的學習體驗［8］。本文的實驗方案中，教師在整個實驗中的作用就是幫助學生理解實驗原理、制定實驗目標。讓學生根據(jù)實驗目標和原理，進行實驗設(shè)計、實施以及結(jié)果分析。在此過程中發(fā)現(xiàn)、分析問題并提出解決對策，養(yǎng)成科學探究精神及動手實踐能力，更加深刻地認識地理環(huán)境與人類活動的關(guān)系。

2.以科學為前提

模擬實驗的設(shè)計應(yīng)基于地理科學事實，遵循科學性原則。在溫室效應(yīng)實驗中，多選用能快速發(fā)熱的紅外線燈模擬太陽輻射。但紅外線易被實驗氣體直接吸收，導致實驗過程與實驗原理不符。故先將“地面”升溫，完成“太陽暖大地”的過程，再通過“地面”輻射給實驗“大氣”增溫。此時，氣溫的變化是受“地面”長波輻射影響，其升溫、降溫過程更符合科學事實。但受實驗環(huán)境以及實驗操作的影響，學生在模擬實驗的過程中每次實驗結(jié)果都不盡相同，甚至出現(xiàn)實驗失敗的現(xiàn)象，但如實記錄實驗結(jié)果是地理模擬實驗教學應(yīng)有的基本態(tài)度。因此，教師應(yīng)引導學生探究實驗數(shù)據(jù)背后的原因，培養(yǎng)學生實事求是的科學精神，養(yǎng)成良好的意志品質(zhì)。

3.以精準為追求

探究二氧化碳的溫室效應(yīng)，首先要明確目前二氧化碳對全球升溫造成的影響。學生查閱了《2022年全球溫室氣體公報》［9］及《2023年全球氣候狀況》［10］，公報顯示2022年CO2全球平均濃度為417.9±0.2 ppm，比工業(yè)革命前增長了約50%；2023年氣溫比1850—1900年平均水平高1.45±0.12 ℃。據(jù)此，在實驗中若能精確對比CO2濃度與氣溫變化的關(guān)系，則更有利于說明為何要碳減排。本實驗在非完全密閉情況下，通過實驗數(shù)據(jù)證明了CO2會通過自然流動使其濃度與周圍環(huán)境趨于一致，因此，說明碳減排需要國際合作，才能實現(xiàn)對全球變暖的遏制。

4.以跨學科為方式

地理事物或現(xiàn)象的形成往往是復雜的，模擬實驗的設(shè)計不能單純依靠地理知識。在“模擬溫室效應(yīng)”實驗中，溫室效應(yīng)屬于地理原理，碳排放的過程則屬于化學以及生物學原理，另外，實驗中模擬對象的選擇還需要考慮其物理屬性，如集氣瓶的材質(zhì)、輻射源的材質(zhì)等?？梢?，多學科綜合研究是提升模擬實驗實效性的方式。

總之，地理模擬實驗終究只是“模擬”，不能真實還原地理事物本身。教師在教學中須嚴格把握實驗目標及原理，結(jié)合相關(guān)學科知識，以學生為主體，構(gòu)建恰當?shù)膶嶒災Ｐ图胺桨?，并在反思實驗的基礎(chǔ)上不斷改進和完善實驗方案，切實提升學生在實驗過程中的意志品質(zhì)和實踐能力，將有助于達成地理實踐力的培養(yǎng)目標。

參考文獻：

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［6］ 李美嬌，高雄武.自制多功能溫室效應(yīng)模擬器［J］.實驗教學與儀器，2023（7）：77-78.

［7］ 程思源，向思源，李雙玲.模擬溫室效應(yīng)實驗改進［J］. 湖北教育，2023（11）：73-74.

［8］ 唐塘穎.深度學習視域下的地理實驗教學探索——以新人教版地理1“水循環(huán)”為例［J］.地理教育，2023（6）：21-24.

［9］ 世界氣象組織.2022年全球溫室氣體公報［EB/OL］.（2023-12-01）［2024-06-16］.https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1784056650019247066&wfr=spider&for=pc.

［10］ 世界氣象組織.2023年全球氣候狀況［EB/OL］.（2024-03-19）［2024-06-16］.https：//www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/202403/t20240326_6155947.html.