地理教科書中實驗方案的優化設計——以“模擬海陸熱力性質差異”實驗為例

周 旸郝麗媛

（1. 內蒙古師范大學 地理科學學院, 內蒙古 呼和浩特 010022; 2. 綏棱縣第一中學, 黑龍江 綏化 152200）

地理教科書中實驗方案的優化設計——以“模擬海陸熱力性質差異”實驗為例

周 旸1郝麗媛2

（1. 內蒙古師范大學 地理科學學院, 內蒙古 呼和浩特 010022; 2. 綏棱縣第一中學, 黑龍江 綏化 152200）

中學地理實驗教學的目的在于改變學生的學習方式、提高學生探究能力和培養學生的地理核心素養，但因我國地理實驗教學起步較晚，專門的地理實驗室和地理實驗儀器還不夠完善。因此，中學地理教師既要科學、嚴謹地設計可行的地理實驗方案，又要在現有實驗方案的基礎上優化設計和利用，才能使地理實驗教學常態化，從而提高地理課堂教學效率。

對比我國四個版本高中地理教科書中的活動和實驗、已公開發表的地理實驗文章和地理實驗專著中的實驗方案的設計，不難發現，現有的實驗明顯地存在著探究性、簡易性、可操作性和可視性等優點，但同時也存在著一定的不足之處。筆者將以中國地圖出版社出版的地理第一冊第二章第一節探索部分的“模擬海陸熱力性質差異”實驗為例，談一談如何利用現有實驗方案進行優化設計和利用。

探索：模擬海陸熱力性質差異[1]

1.準備一個100瓦的白熾燈，用它演示太陽輻射。把兩個燒杯分別裝滿300毫升水和干沙，并排放在一起。把兩只溫度計分別埋入水和沙中約0.5厘米。如圖1所示。

圖1　

2.測量水和干沙的溫度，并記錄下來。因為都在溫室狀態下，它們的溫度應該相同。

3.打開白熾燈，照射兩個燒杯、觀察并記錄照射5分鐘和10分鐘后水和沙的溫度。

4.關掉白熾燈，觀察并記錄照射5分鐘、10分鐘后水和沙的溫度。

思考：你發現了什么現象？如何解釋這種現象呢？

本實驗設計的優點：1.取材簡單。實驗所需材料多是化學實驗儀器和普通的日常用品，沒有專門的地理實驗器材，地區適宜性廣，各地區都可以結合自身學情和校情，直觀地模擬海陸熱力性質差異，解釋相關現象及其原理。2.操作簡便。本實驗設計步驟簡單、操作方便，無論教師演示還是學生操作，無論是在課內還是課外均可靈活展開。3.可視性強。通過觀察溫度計示數變化，很容易得出實驗結果，進而分析出實驗結論。

本實驗設計的不足：1.嚴謹性不足。在過于簡單的實驗設計中，由于實驗材料、實驗環境等因素與實際狀況可能存在一定差異，實驗不能科學地模擬地理現象和地理規律發生、發展過程，嚴謹性略顯不足。如在本實驗中用白熾燈模擬太陽光照，與實際情況略顯不符。在實際測量海陸溫度時，是測定海洋和陸地表面的空氣溫度，而非測量海水和陸地土壤本身的溫度。2.實驗結果的生成性很大。簡單的實驗條件和沒有明確的實驗要求一般會導致實驗操作過程和實驗結果存在一定的不確定性。如本實驗模擬海陸的熱力性質差異，實驗操作環境相對開放，容易受室內環境因素如空調、門窗處的氣流等因素的影響，會干擾實驗結果。

基于以上優點和不足，地理教師不應完全照搬，而應重視對其進行科學、合理的改進，以充分挖掘本實驗的教學價值。筆者緊緊圍繞教學目標，不斷實驗和改進，先后展開了三次實驗，對上述實驗方案設計進行了重新優化設計，使其更加完善。具體的實驗方案設計如下。

實驗名稱：模擬海陸熱力性質差異

實驗目的：通過模擬海陸吸熱和放熱的過程，說出導致海陸熱力性質差異的原因。通過實驗數據的收集與處理，培養繪圖能力。

實驗材料：透明水槽（帶透明蓋子和中間擋板）、白熾燈泡、凹鏡、溫度計兩只、500ml水、500g干燥的土壤和細沙的混合物、少量食鹽、鐵架臺、白紙兩張、薄紙殼若干張。

實驗步驟：

1. 在桌面鋪上一張白紙，其面積要求以大于水槽底部為宜。

2. 將透明水槽放在白紙上，水槽一端倒入500ml水，同時倒入少量食鹽；另一端倒入500g干燥的土壤和細沙混合物。

3. 用薄紙殼制作成一個微型百葉箱，并將其固定在溫度計的水銀球上。

4. 在水槽透明蓋上左右兩側的中間位置開兩個小孔，孔的大小以剛好穿過溫度計為宜。

5. 將步驟3中的溫度計穿入到步驟4中的透明蓋上。

6. 蓋上水槽蓋，同時將兩只溫度計一端固定在鐵架臺上，另一端水銀球外包裹微型百葉箱的部分以高于水面和細沙面1cm左右為最佳。

7. 調整白熾燈與水槽的位置，使其正對水槽的中央，并保證兩者距離約7～10cm之間。

8. 調整白熾燈與凹鏡的位置，使白熾燈剛好在凹鏡的焦點上（凹鏡的焦距可在使用說明上查找）。

9. 記錄此時兩只溫度計的示數，并將數據填到實驗記錄單上，如表1所示。

10. 打開白熾燈，每隔一分鐘記錄一次示數，連續10次，并將數據填到實驗記錄單上。

11. 關閉白熾燈，每隔一分鐘記錄一次示數，連續10次，并將數據填到實驗記錄單上。

探究：觀察收集到的實驗數據，動手繪制出溫度隨時間變化的曲線圖，通過觀察曲線變化，你能得出什么結論？

實驗結論：在相同光照條件下，陸地升溫比海洋快；在無光照條件下，陸地降溫比海洋快。

探究：本實驗結論的得出，所依據原理是什么？

實驗原理：由于海水和陸地的比熱不同，當吸收或放出熱量后，陸地溫度變化幅度比海洋大。

注意事項：1.白熾燈打開后，注意不要碰到白熾燈泡，以防燙傷。2.眼睛不要直視燈泡和凹鏡內，以防傷害眼睛。3.微型百葉箱需要保證燈光不能直射到溫度計的水銀球。4.讀數時，眼睛應平視水銀刻度值，保持眼睛、刻度和水銀柱頂端在同一條直線上。

表1　模擬海陸熱力性質差異實驗記錄單

思考：1.在繪制溫度隨時間變化的曲線圖時，縱坐標的起點溫度你認為設置成多少最合適，為什么？

2.將繪制出的曲線圖（見圖2）與小組成員討論，本實驗的結論在自然界中什么地方體現最為明顯？

圖2　溫度與時間變化曲線圖

實驗方案設計優化后的評價：1.突出科學性與嚴謹性。地理教學實驗雖為模擬實驗，但要對地理現象和規律的模擬盡量接近真實。優化后的實驗方案設計，“太陽輻射”與測定溫度都更接近真實情況。通過觀察與記錄溫度變化，以及繪制溫度變化曲線，培養學生的觀察記錄能力和繪圖能力。優化后實驗方案設計的“科學性”具體表現如表2所示。2.實驗環境相對封閉。溫度計所測溫度為水槽內溫度，由于環境相對封閉，外界環境如空調、門窗處的氣流等一般不會影響實驗。3.明確觀察任務。通過設計實驗記錄單，使學生明確觀察目的，通過問題的設置，強化學生探究問題與小組合作。通過對數據的處理，鍛煉學生處理和分析數據能力。4.實驗器材的可替代性。實驗器材的設計留有一定空間，如透明水槽可用魚缸代替。在沒有凹鏡的情況下可以用便攜式應急燈、勻光現場勘察燈、手提式平行光勘察燈等代替。5.實驗操作過程靈活。本實驗設計操作簡單、靈活，無危險性。雖預設了實驗操作步驟，但可根

表2　

據具體情況靈活操作，引導學生認真觀察、分析每次溫度計示數變化的結果差異。6.注重結果的分析與拓展運用。學生不僅需要動手操作，更要動腦思考，理性的分析地理現象背后隱藏的實質。實驗操作過程中，預設一些具有啟發性、探究性的問題，以引導學生思考，通過更深刻的思考研究，得出更有價值的結論，并能夠遷移應用，從而培養學生的科學探索精神和地理學科素養。

[1]王民.地理必修第一冊[M].北京:中國地圖出版社,2009.