基于地理核心素養培養的高中地理實驗設計與實踐
——以“海水的性質與運動”為例

張 健

（上海市大同中學, 上海 200011）

《普通高中地理課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）中明確指出：“考察、實驗、調查等是地理學重要的研究方法，也是地理課程重要的學習方式。”基于新課標要求，上海版高中必修《地理一》中的活動型欄目設計了地理實驗的內容。地理實驗可以訓練學生的動手能力、觀察能力、分析判斷力和設計能力，是提升學生地理實踐力和科學素養的重要路徑，成為“雙新”教育改革的一大亮點。地理教師應遵循科學性原則，結合教學需求，設計出能夠激發學生探究欲望和參與熱情的地理實驗，這是地理實驗教學的關鍵。

一、基于生活問題的實驗設計

新課標的內容要求：“運用圖表等資料，說明海水性質和運動對人類活動的影響。”基于此，新教科書中增加了海水性質與運動的相關內容。認識海水溫度、鹽度和密度的分布特征、影響因素及其對人類活動的影響，形成科學開發和保護海洋的理念，是教學的重難點。傳統教學方式較多采用讀圖分析法開展教學，一般結合世界表層海水溫度或鹽度分布圖，分析分布特征及其原因。這樣的教學方法很難體現新課程改革的理念與要求，不利于地理核心素養的培養。

新課標中的教學提示建議：“指導學生運用體驗、觀察、觀測、實驗、野外考察等方式開展地理實踐活動。”“海水的性質”具有跨學科的特征，在化學、物理等學科中均有相關內容。實驗教學是理科教學中的常用方法。本節課的活動設計選擇以實驗為突破口，實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

1.創設實驗情境

地理實驗應聚焦地理現象，解決地理問題。在海邊或江邊，可以觀察到各式各樣的船只兩側都標有吃水線，表示輪船沒入水中的深度，反映了輪船的最大安全載重量。如果水位超過吃水線，輪船就會有沉沒的危險。由于世界上不同的海域在不同季節的海水密度存在差異，同一艘船的吃水深度不同，因此吃水線是多條而不是一條。為什么輪船的吃水線有多條？它們分別代表什么類型的吃水線？這些問題是本實驗設計的出發點。

2.確定實驗目標

本實驗通過引導學生探究海水鹽度和密度之間的關系，判斷輪船吃水線的類型，進而引導學生理解海水性質對人類活動的影響，加深學生對人地關系的理解。在實驗過程中，需要學生客觀地記錄實驗現象和數據，對實驗現象作出解釋，基于觀察事實形成觀點，發現和提出需要進一步研究的問題?？傮w而言，本實驗既是情境，又是知識傳輸的載體，有利于地理學科核心素養的培養。

3.明確實驗原理和實驗器材

海水的密度受溫度和鹽度等因素影響。一般情況下，海水溫度高，密度小；海水鹽度高，密度大。本實驗用砝碼模擬輪船的載重量，小燒杯模擬輪船。為比較輪船在水中的浮沉情況，本實驗選擇化學實驗室常用的飽和氯化鈉溶液作為“海水”（A燒杯），純凈水作為淡水（B燒杯）。學生通過比較“輪船”在不同溶液中的浮沉情況，結合世界表層海水溫度和鹽度分布圖，判斷吃水線的類型。本實驗中A、B溶液均處于同一室溫，但因水體不同，水溫依然存在差異。實驗過程中為控制溫度變量，需準備酒精燈、石棉瓦以及讀取溫度和鹽度的實驗儀器設備。具體實驗器材如圖2所示。

圖2 實驗器材

4.設計實驗步驟

（1）將50g砝碼放入兩個小燒杯中。相同載重的情況下，A燒杯中的“輪船”漂浮在水面上，B燒杯中的“輪船”沉入水中，如圖3所示。教師提出問題：為什么相同載重情況下，輪船的浮沉情況不一樣呢？

圖3 實驗現象

（2）根據初中物理浮力的相關知識，實驗現象說明A、B溶液存在密度差異，而溫度和鹽度可能是造成密度差異的因素。為了驗證鹽度與密度之間的關系，需要排除溫度這一變量。首先使用溫度儀測量A、B溶液的溫度，結果顯示A溶液水溫略低于B溶液，故使用酒精燈將A溶液加熱到與B溶液相同的溫度，如圖4所示，發現“輪船”未沉入水底。以上步驟排除了本實驗中溫度變量對密度的影響。

圖4 酒精燈加熱A溶液

（3）排除溫度因素影響后，進一步驗證鹽度因素的影響。使用鹽度儀測量溶液鹽度，記錄A、B溶液的鹽度差異，如圖5所示。

圖5 測量A、B溶液鹽度

5.設計實驗報告

為便于學生記錄、分析實驗過程，設計了如表1所示的實驗報告表。

表1 實驗報告表

6.解決地理問題

教師小結：在上述實驗中，A溶液是實驗室常用的飽和氯化鈉溶液，用于模擬“海水”，B溶液為淡水。兩種溶液的鹽度差異導致密度差異，進而導致“輪船”吃水線位置的差異。輪船吃水線分為淡水吃水線、熱帶淡水吃水線和海水吃水線；海水吃水線又分為印度洋吃水線、夏季海洋吃水線、冬季海洋吃水線和北大西洋冬季吃水線，如圖6所示。

圖6 輪船上的吃水線示意圖

結合教材中世界表層海水溫度、鹽度分布圖，判斷圖6中①②③④和ab的吃水線類型，并說明理由，如表2所示。

表2 輪船吃水線類型及其理由

二、實驗設計與教學實踐反思

地理實驗作為教學情境或作為知識和技能，是培養學生科學態度和價值觀的重要方法。從實驗設計到實驗操作、再到實驗教學，反思過程中存在的不足或需要解決的問題，可為優化地理實驗教學提供借鑒。

1.教師規范實驗操作，增強安全意識

在“探究海水鹽度與密度”的實驗操作過程中，需注意實驗的規范操作，如酒精燈和鹽度儀的使用。鹽度儀的傳感器非常敏感，每次使用后需用純凈水洗凈并擦干，以減少數據誤差。大部分地理教師沒有接受過專門的課程學習或培訓，實驗操作的規范和安全意識較為薄弱。“雙新”教育改革鼓勵地理實驗在地理教學中的應用，教師應進一步提升實驗操作規范和安全意識，熟練使用中學地理實驗教學基本儀器，減少數據誤差，避免安全風險。

2.學生操作實驗，培養科學素養

限于疫情期間在線教學的特點，此次實驗由教師演示進行。如果時間和條件允許，建議由學生操作實驗，引導學生參與相對完整、規范的科學研究過程，從設計實驗方案到操作實驗過程、觀察記錄、處理分析數據，再到最后撰寫實驗報告及匯報交流，在達成學科核心素養的同時，提升科學素養。

為檢驗學習效果，需要加強實驗評價環節，筆者根據PTA評分法設計了本實驗的學生評價量表。PTA評分法，又稱為PTS法，全稱為Primary Traits Analysis或Primary Traits Scale，也稱為主要特質量表或主要特質評分法。這種評價方法的基本做法是：將學生在完成一項任務中所實施的行為或者表現分解為基本單元或者基本單元的組合，然后對學生在這些基本單元上的行為表現作出準確的評定。一般情況下，PTA 量表可以分為2～ 5個等級，以對應學生的不同表現水平。結合本實驗，可以從實驗操作和實驗報告撰寫兩方面展開評價，權重各占50%，具體如表3所示。

表3 探究“海水鹽度與密度”關系實驗的PTA評價量表

3.學校加強地理實驗室建設，提供良好的教學環境

海水的性質是高中地理新教科書中增加的內容之一，本校地理專用教室尚未配備相關的實驗設備。酒精燈、石棉瓦、燒杯、砝碼等設備均來自化學實驗室，鹽度儀和溫度儀則來自于校外的設備公司。這種情況不僅增加了教師和學生實驗操作的難度，也會削弱教師采用地理實驗進行教學的熱情。

建議尚未配備地理專用教室或實驗器材的學校，加強地理專用教室的建設，尤其針對新課標中增加的海洋、土壤和植被等內容，配備足夠數量的實驗器材。同時，也要明確地理專用教室的功能定位，加強日常管理，提高地理專用教室的利用率。