地理物質能量傳輸“流”本質視角及其課程與教學意義

丁繼昭

（1.東北師范大學 地理科學學院, 吉林 長春 130024; 2.東北師范大學 教師教育研究院, 吉林 長春 130024）

無論是在地理學科本質認識和課程內容理解，還是教學實施層面，地理物質（流）能量（流）傳輸與物質運動與能量交換、物質遷移與能量轉換和物質能量運動等意思相同。從物質能量傳輸“流”本質角度來看課程與教學，可以為教師提供啟示。從感性經驗走向理性認識，首先需清楚如何來看待物質、能量與傳輸等問題。進一步向下推演，則有必要從地理物質視角、地理能量視角和地理流傳輸行為視角三個方面具體解構物質能量傳輸“流”的本質視角，并明晰其課程與教學意義。

一、地理物質視角及其課程與教學意義

地理課程內容涉及大氣、植被、地貌、巖石圈、氣團、洋流、河漫灘等諸多地理事象。高中地理“地理1”和“自然地理基礎”兩個模塊課程內容的重點為地貌、氣候、水文、生物和土壤等地理要素及其之間的相互聯系，以及其所形成的自然地理系統（自然環境）的整體性和差異性。課程理解與教學實施中，在“地理1”剛開始的“地球圈層結構”部分，主要通過大氣圈、巖石圈、水圈、生物圈等地理圈層及其相互作用，闡述自然地理系統（自然環境）的形成機理，并據此引領中學生系統認知自然地理環境及其演化過程。然而，不少師生還存在一些困惑。（1）在“地理1”當中我們強調四大地理圈層時并不包含土壤圈，那么，土壤圈到底是否屬于地球圈層結構的一個組成部分？（2）土壤圈未被納入常見的四大圈層系統，但土壤卻是自然地理要素的重要組成部分，那么，四大圈層與各要素有何區別和聯系？（3）中學地理教學中有時會將生物作為圈層來看待，有時會將生物作為地理要素來看待，同時也會把植被作為地理要素來看待，那么，究竟該如何準確理解生物圈層、生物要素和植被要素三者之間的關系？（4）中學階段為什么比較強調要素而不是重點討論圈層及其之間的相互作用？（5）地理學科通常關注大時空尺度問題，為什么有時還會關注鉀、鈉等微觀層次上的元素遷移？類似問題還有很多，初看并不起眼，但深層次上涉及地理學科如何看待物質體系的問題。系統研究和解答這些問題，自然就成了地理學科課程理論研究中的基礎內容。

從課程編制一般原理來看，學科研究是課程內容的基底，從學科角度出發可以為理解課程內容尋求本源性解釋。地理學家通常以從大到小、從宏觀到微觀的視角來認識自然地理環境的物質組成，主要遵循“物質系統→物質組合→化合物→元素”的物質層次順序。[1]帶著這一思路，文章通過以下幾個方面探索課程教學當中所蘊含的具有學科特色的地理物質視角或思維方式。

第一，通常所說的自然地理環境的組成成分，本質上指歸屬于物質系統的各地理圈層。[2]換句話說，地理要素并不完全等同于地理圈層。盡管大氣、水、土壤、生物、巖石及地貌等地理要素很多，但其中的巖石、地貌和土壤要素又主要歸屬于巖石圈（之所以說“主要”，是由于它們是大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈相互作用的產物，主體則依附于巖石圈）。對于四大圈層，可以將其視為較高層次的一類地理物質，它與地理要素不屬于同一個物質層級。另外，土壤圈是一個比較特殊的圈層物質體系，它和大氣圈、巖石圈、水圈和生物圈不屬于同一圈層分類體系。土壤是巖石風化后，經水、生物、氣候等共同作用形成的衍生物，位于大氣圈—水圈—巖石圈—生物圈的交互作用部位，處于“過渡區域”，是具有“肥力”的部分。在準確認識地理圈層物質時，不宜將土壤圈與其他四大圈層置于同一認知體系中。

第二，每一種組成成分又包含多種物質組成要素，組成成分與組成要素之間的關系如同一部機器中“部件”與“零件”的關系，如大氣圈中包含大氣和水等，巖石圈中包含巖石和土壤等。[3]厘清了每一圈層的物質組成特點后再來看大氣、水、生物等地理要素，課程與教學中就可以形成一個帶有物質體系及其層級性質的理解，即地理要素比地理圈層更加具體。由此可知，中學地理為什么比較強調要素而不是重點討論圈層及其相互作用，在深層次上掌握了課程內容蘊含的學科思維意義。

第三，到了化合物層次，就是一些更加具體且性質比較穩定的地理物質，例如CO2、SO2和NO2等。深刻解釋各種地理事象的機理、成因和過程時，具體化合物將會參與到地球表層中的各種物理過程、化學過程和生物過程，直接針對自然地理過程的物理化學發生機制。

第四，到了元素層次，問題分析層級則進一步微觀化，主要針對生物地球化學等方面內容。由于其習得難度較大，通常還需借助特定的實驗儀器等，該部分內容一般不在中學地理課程內容中直接體現，但是元素層次的物質仍然是一項重要內容。所以，盡管地理學科通常關注大時空尺度問題，但同時也會關注鉀、鈉等微觀層次上的元素遷移問題。

從中學地理課程與教學角度出發，對物質體系進行梳理具有一定基礎性意義，可以幫助教師厘清圈層、要素、化合物和元素等概念，引導學生準確認識地理物質體系。例如，植被作為地理要素，也是生物圈物質的重要組成部分。綜合分析植被要素與土壤要素之間的關系時，宏觀層面實際對應的是生物圈與巖石圈之間的關系，微觀層面則是植被與土壤中的化合物之間所發生的物理、化學和生物過程。同時，在圈層組成、要素組成、化學元素組成等層次中，地理學家們認為要素組成最適于自然地理環境復雜系統的研究。[4]所以，中學地理課程內容組織時一般不強調過于宏觀的圈層作用和過于微觀的元素遷移，這不是說化學元素和地理圈層不重要，而是把重點落在了分析大氣、地貌、水、植被、土壤等要素層面上。從教師對于課程內容理解的困惑、學科根本原理和學生學習發展的角度來看，教師需要建立準確的地理物質體系，并據此統整和審視中學地理課程內容，形成具有地理學科特點的解釋，進而引導學生學會用地理的眼光看待現實世界。

通過以上問題分析和學科本質探尋，學生經過自然地理內容學習以后，應當按照“地理圈層→地理要素→化合物→元素”的認知順序，建立起具有學科特色的地理物質認知線索，準確地從地理現象中辨識地理物質。實際上，美國2012年修訂的地理課程標準，也比較注意從物質系統的角度來培養學生的地理視角。[5]

二、地理能量視角及其課程與教學意義

對于高中生而言，重力勢能、動能、放射能、潮汐能、太陽能、化學能等能量形式并不陌生，因為中學物理、化學和生物課程里已經有了重點且較深入的學習。但在地理課上，還會遇到很多與能量相關的問題：常見的流水地貌也叫重力地貌，太陽輻射能對地球產生巨大影響，火山噴發會將地球內部放射性元素衰變所產生的熱能帶到地表等。與其他學科不同的是，地理課上雖然涉及這些能量形式，但通常并不深究其轉化過程。那么，如何從學科本質角度來把握這些內容？其中反映了什么樣的地理知識體系和思維方式？

學科層面上，地球表層環境的形成主要與地外系統和地內系統所提供的背景密切相關，地理學家非常重視地表系統中能量的來源。[6]地球系統中的能量在根本上來自于地球內部和外部，分別為內能和外能。一般認為，維持地表系統變化和發展的地外系統能量主要來自太陽輻射，地內系統能量則主要由各種放射性元素衰變釋放出來。地理學家在看待自然地理系統中的能量傳輸問題時，主要把能量分為兩大類：一是來自地球以外的天體，以太陽的光能和熱能為主（外能），二是來自地球內部的重力和地熱（內能）。[7]第一類是引起地球表層各種自然地理過程的直接動力和重要條件，第二類對于地球表層的作用多是以間接的方式和途徑反映出來。[8]內能和外能在地球表層系統內的匯聚和轉化是地理系統發展的根本動力。[9]外能主要為太陽輻射能，還包括微量的各種宇宙射線的輻射化學效應所導致的化學能，以及日月等星體對地表的吸引力所導致的潮汐能；內能主要包括重力能（勢能）、熱能和原子核能（核反應能）等，且“從自然地理學的觀點來看，具有顯著地理意義的地球內能應包括地熱和重力”。[10]本文以地理學家劉南威等人所著的《綜合自然地理學》為主要依據，將重力劃入內力體系當中。

之所以如此關注能量的來源，是因為地理學家向來比較關注“驅動力源于能量的分布模式”。[11]換言之，不了解能量的來源就難以把握住地球表層系統中的驅動力。

地球系統的演化受內力作用和外力作用的共同驅動，兩者從屬于兩個不同能量輸入體系。地理學家馬爾科夫針對地貌學基本問題曾指出，外力作用對于地貌發育在數量、程度、規模上與內力作用具有同等重要的意義，[12]從中可以看出內力和外力在地理學家的眼中是“平等的”，說明地球內能和外能對于自然環境的演化進程也具有同等重要的意義。在自然地理系統的兩個能量輸入體系中：太陽輻射能直接影響地球氣候變化、生物光合作用和巖石風化剝蝕等地球表層系統過程，是外力作用最主要的能量來源；地球內部放射性物質衰變、物質向地球深部遷移釋放的重力勢能和礦物結晶等釋放的熱量，對大陸漂移、海底擴張、板塊運動、巖漿活動、地震作用、變質作用和構造運動等過程產生影響，是內力作用最主要的能量來源。從這個分類體系可以看出，地理學科中的能量概念有其獨特的學科屬性，盡管能量很多，但立足于地球表層系統及其整體性特征，從能量的來源角度則可以劃分為內能和外能兩大部分。國外有地理學家在回答“‘能量’概念代表什么？”時，一個常見的答案就是“它是自然界中存在的一種物理力量”。[13]結合中學地理課程內容來說，如在“營造地表形態的力”這一部分當中提到的內營力和外營力，在根本上則是地球內能和外能的反映。學生對此內容需要有這樣一種認識：沿著“驅動力”追溯到能量來源，深入到根本來認識問題。以此為基礎，學習時更容易把驅動力和能量來源聯結起來綜合認識地球表層系統，理解營力體系與能量體系兩者之間的關系，并從地理學科的角度來貫通理解能量和力這兩個具有普遍意義的科學概念。

以能量為起點來統攝塑造自然環境的各種營力（主要為內營力和外營力），是一種更上位的整體駕馭，也表示對地理過程驅動力的進一步溯源、追問和認識，體現了一種深刻的、精準的學科理解。這有利于簡明反映能量的本質屬性、自然地理系統在地球系統中的地位及其與地球系統之間的能量聯系機制，通過有限種類的能量來從根本上對多種多樣的力進行本源性理解和把握，深刻認識能量是各種（自然）地理過程驅動力的本源這一關鍵，明晰地理學科關于能量的思想方法。

通過對以上問題的分析和學科本質探尋可知，學習自然地理內容時需要建立起具有學科特色的地理能量認知體系，據此引導學生形成地理能量視角。該體系的內容要點為：從外能和內能兩個方面建構起具有學科特色的地理能量體系，進而把能量與影響自然環境的內外兩大營力相關聯。

三、地理“流”行為視角及其課程與教學意義

中學地理課程內容涉及大氣的運動、巖石圈物質的運動、生物圈物質的運動和水圈物質的運動，以及圈層之間的相互作用，而并不把大氣圈、巖石圈、生物圈和水圈物質本身內容的學習作為側重點。地理學習的重點是地理要素本身的演化、形變、運移等運動，以及地理要素之間的相互作用，與生物和物理等課程有所區別。生物學主要學習植物的細胞組成、分子結構和種群狀況等，比較側重于自然地理植被要素本身的內在屬性；中學物理課程內容則涉及到了能量的量度、轉化等精細問題。地理課程內容為什么要如此關注“運動”“相互作用”和“關系”等？如何從學科本質角度來理解？這些內容與學生的學科思維養成有何關聯？

歸納總結地理課程內容的布局和學習任務設置后可以發現，關注“運動”是其顯著標識之一，根源在于地理學科對這些物質和能量的認識聚焦于動態變化而非靜態狀況，反映了物質能量傳輸在地理研究中的核心地位。學科本質層面上，地理與其他學科一樣關注物質、能量，但前者比較側重于物質能量的傳輸、流通或轉換（說法不同但意思一致）。結合前面提到的地理物質體系，地理主要關注物質能量在圈層之間和要素之間以及區域之間的傳輸過程。

地理學家還指出，流動是世界運轉的方式。[14]這里的流動，實際是一種“行為”，說的就是各種地理“流”的運動。物質能量傳輸過程，實際就是物質和能量及其所攜帶信息的流動過程等。地理學觀察世界的獨特視角之一就是通過空間上的“流”來觀察世界的變化，包括物質流、能量流、信息流、思想流、人流、資金流等，它們是不同景觀單元及其組成要素之間相互作用的具體表現。[15]地理學家進一步強調，地球表層系統的有序性、整體性等特征，主要通過系統內部的物質、能量和信息的流動得以實現的，空間聯系的本質便是“流”。[16]地理學的一個側重點就是了解這些“流”及其對地方的影響。[17]物質能量傳輸作為“流”及其運動方式的反映，集中體現了地理空間聯系的內涵。認識過程中把握住了“流”就相當于把握住了關鍵。

從本體論轉向認識論，既然“流”是對地理環境中各種物質和能量及其傳輸形式的本質概括，是一種更為抽象的概括總結。那么，一位具有良好地理素養的個體在面對諸多地理事象時則會有如下表現：能透過地理事象來抽象提取相應的地理要素，識別要素所構成的地理空間結構，發現地理要素的空間聯系特征，透視空間聯系背后的各種地理“流”，進而分析地理空間過程、影響及其未來發展趨勢等。[18]通過從地理環境到地理圈層，再到地理事象和地理要素，認識對象不斷具體化，思維也在深化發展，認知品質也趨向高階化，“流”行為具有了歸納和統領價值。2004年人教版高中地理教材在編寫過程中的指導思想之一是：注重闡明地理觀念和地理視角，其中包括通過區域與區域之間的人流、物流和信息流等引導學生動態地分析問題。[19]從“流”行為出發把握各種物質和能量傳輸，不僅是在統領中學自然地理中的圈層聯系、區域聯系和要素聯系等內容，更是在引導學生以一種動態的“流”行為抽象觀察或透視世界。現實世界的客觀和復雜現象和過程，將會通過“流”的形式轉化為學生頭腦中具有“地理化”的形象和記憶。

通過以上論述，教師在駕馭中學自然地理內容時有必要以“流”的運動行為看待物質能量傳輸過程，著重培養學生從地理“流”的角度來抽象概括物質能量傳輸過程。其內容要點為：不僅將物質和能量的運動與“流”及其運動相結合，還把物質和能量的傳輸過程視為流動行為。

深化物質能量傳輸的理解和認識，是實現從地理事象的觀察到地理要素的識別，再到地理“流”的抽象的必經過程和認識路徑。這不僅有利于認清物質能量的“流”本質，關注“流”的存在及其運移方式，在具體地理事物和現象的觀察中，能夠聯想到其中的內在聯系和機制，并從抽象中走出來回到現實具象世界中，實現地理具象與地理抽象之間的視點變換和思維轉換，還有利于理解地理環境存在和發展的一個常態化特點，即自然地理系統因存在復雜物質能量運動而具有動態性且本身處在不停的變化和發展之中，[20]進而通過物質能量傳輸來建立起一種動態視角或觀念。