讓學生在地理實驗中提升科學素養：以“利用太陽光線測算地理坐標”實驗為例

上海市桃浦中學（200331）梁 璐

一、準備階段

1.實驗項目選擇

理由一：高一地理的第一篇內容就是宇宙與地球，其中地球運動是重點和難點。在學習完相關知識后，開展“利用太陽光線測算地理坐標”的實驗，有助于鞏固學生對相關知識的理解，落實相關的地理科學知識。

理由二：實驗器材簡單。

理由三：實驗單次觀測時間短，不會占用學生太多的課余時間。

2.實驗時間的安排

時間安排在10月底期中考試之后至12月22日冬至日的課余時間。此時，有關于地球運動的教學已全部結束，考慮到普通中學的學生的學習能力，教師在期中考試中安排關于立桿測影長的相關試題作為鋪墊。

3.實驗的實施方法

為了提高學生的科學探索能力，發揮學生學習的自主性，此次地理實驗完全采用學生自主設計、自主實驗、自主總結，教師僅起指導作用。

通過實驗培養學生觀察能力、操作能力、獲取信息和處理信息能力；提高學生發現問題、提出問題及試圖用各種方法解決問題的意識；掌握科學探索方法。

4.規劃實驗原理，提出難點問題

（1）選一塊平坦開闊的空地，將木桿垂直插入地上。

（2）確定木桿最短影長出現的時間（思考：如何找出最短影長？）。

（3）通過最短影長出現的時間計算當地的經度（寫出計算方法和過程）。

（4）根據最短影長的長度計算正午太陽高度角，并寫出公式說明如何通過正午太陽高度計算當地緯度。

其中，如何運用所學知識解決難點一問題（2），是學生在實驗過程中最大的考驗。為此教師預設了解決方法“奎測法”，如圖所示。

二、實踐階段

1.合理分組，布置任務

由于實驗對學生地球運動的地理知識要求較高，因此在普通中學讓全體學生參加并不合適，所以教師采用自主報名的方法，讓有興趣和學有余力的學生參與其中。最終有8位學生報名。教師根據學生的具體情況分為兩組，布置任務：根據所學知識如何利用太陽光線測算學校所在地的地理坐標，設計實驗，兩組競爭，看哪一組測算的更準確。

2.分組討論，設計實驗

由于有期中考試試題的提示，兩組學生都想到了立桿測影長測算地理坐標，通過找到出現最短影長的時間計算經度，通過冬至日的最短影長計算當地緯度。

并且主動尋找合適的實驗器材如：向體育老師借標桿和皮尺，自己準備精確到秒的電子表，設計實驗記錄單等。

3.難點突破，發現驚喜

在實驗的設計過程中，兩個小組都輕易地突破了問題（3）和問題（4），而對問題（1）“如何找到最短影長”，兩個小組都遇到了困難。

第一小組起初并沒有重視這個問題，而是根據上海地區經度約為121°E，決定在中午12點前后直接測量，找到最短影長，而指導教師并沒有指出問題，而是建議他們去實際操作一下。經過實際操作后，學生們發現，很難確定什么時間的影長才是最短影長，經歷了第一次失敗。

經過討論，他們進一步得出桿影指向正北方向時，為最短影長，并探討出了利用“奎測法”尋找正北方向。

方法找到后，在實際操作中卻遇到了困難，奎測法需要較長的觀測時間，而小組成員都要上課，只有中午11點45分后，才有時間進行觀測，而所畫的圓弧也不標準，所以觀測了幾次，都沒有找到正北方向。這點與教師預設不同。

經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間內準確地找到正北方向，突然有個學生說到：“之前怎么沒想到指南針呢？”。在增加實驗器材，重新調整實驗方案之后，第一小組完成實驗，在冬至日大致測算出學校的經緯度。

而第二小組的實驗過程更出乎教師的預料。

在解決了問題（3）和問題（4）之后，對如何找到最短影長，他們想到了一個全新的方法。

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變化與時間的關系應該符合二次函數規律，那只要隨意測出一天中任意三個時間的桿影長度，計算出這個二次函數y=ax^2+bx+c中a、b、c的值，就能夠算出最短影長時X與Y的值，得出最短影長的時間。很快他們就測算出了三組數據，大大減少實驗時間，也降低了實驗的觀測難度。但他們的困難是將所測數據進行計算時遇到的。

困難一：時間是60進制，而影長是十進制的。

困難二：數字繁瑣，計算出的數值不是整數，而是無限不循環小數，四舍五入后誤差較大。

困難三：計算量極大，非常繁瑣。解決方法：（1）將時間換算成秒。（2）數值選取到小數點后25位，能比較精確地計算出二次函數。

（3）充分利用計算機，得出數據。

得出結論：a=0.00000004704035390856

b=-0.0040209030750950817525540724467684

c=94.71095405236754442894

因為 y=ax^2+bx+c 且a>0 b<0 c>0

所以ymin=4ac-b^2/4a

即：ymin時x=-b/2a

所以x=42838.86930050703………

42838約為11時53分58秒

進一步得出學校的地理坐標為（31°23′19″N，121°30′30″E）

兩個小組的這次地理實驗都不太順利，經過多次失敗，但在實驗的過程中，學生們并沒有因為不是必須完成的作業而放棄，沒有因為遇到困難而退縮，而是迎難而上，真正體驗到學習地理的無窮樂趣，也使教師品嘗到實驗教學本身所蘊涵的生命活力。就如一個學生在實驗感想中寫到的“用自己所學過的知識，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負責的實驗，這樣的感覺真的很好！”

此外，兩個小組所采用的方法都不是教師在布置實驗任務時預設的奎測法，整個實驗過程的主體都是學生。教師在整個過程中面對現象不明顯，或與原有設想有所差異時，沒有直接指出問題，而是積極引導學生反思原因，設想改良措施，思考如何充分利用“失敗”這種教學資源，啟發學生更全面地理解地理知識。

實驗結束之后，通過反饋不難看出，此次實驗在落實地理知識，培養學生地理科學能力，掌握地理科學方法，提升地理科學品質方面都取得良好的效果。但科學素養的培養、提高并非易事，而是一項長期而艱巨的工程。我們只有不畏艱辛，勇于創新，在教學過程中，注重實踐與教學內容的有機融合，注意方法上的靈活性，形式上的多樣性，這樣才有助于培養和提高學生的科學素養。