地理模擬實驗紙筆測試的實踐探索與教學建議

張文軍 湯國榮

摘 要：地理實踐力素養的考查如何有效地落實在紙筆測試中，這是高中地理教師面臨的新課題。本文以地理模擬實驗“大氣受熱過程”紙筆測試題的設計為主線，闡述基于地理實踐力考查的模擬實驗類試題命題方向及設計原則，評價學生的測試結果，并提出相關教學建議。

關鍵詞：地理模擬實驗;試題設計;教學建議

中圖分類號：G633.55? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1005-5207（2022）08-0029-05

地理模擬實驗指采用某種實驗方法，借助實驗儀器、設備、模型，模擬自然地理事物或現象產生、變化、作用等的實驗。地理模擬實驗能夠在一定程度上再現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。地理模擬實驗在高中地理教學中應用廣泛，尤其是各類演示實驗，如水土流失、熱力環流、土壤侵蝕等模擬演示。

一、地理模擬實驗試題命題方向及設計原則

1.地理實踐力素養水平劃分

地理實踐力是人們在地理實踐活動中所具備的意志品質和行動能力[1]，就地理模擬實驗而言，其素養水平可細化為表1所示的四個等級水平。

2.地理模擬實驗紙筆測試方向

紙筆測試背景下很難對學生地理模擬實驗的具體操作行為進行評價，但可以通過一定的途徑測評其兩方面的素養。一是模擬實驗的操作技能和方法;二是模擬實驗活動中的科學探索精神。地理模擬實驗的紙筆測試方向可以考慮以下五個方面。

（1）實驗設計

主要考查學生的實驗設計能力，包括設計某一項模擬實驗需要哪些材料，設計何種裝置，考慮哪些變量，設想有哪些操作步驟，需要注意哪些實驗操作安全問題等。

（2）實驗觀察

主要考查學生對地理模擬實驗過程的觀察和記錄能力，包括能否全程無誤地進行實驗觀察，能否正確描述實驗現象，能否科學記錄實驗數據等。

（3）實驗分析

主要考查學生對地理模擬實驗數據的收集和分析能力，包括如何正確獲取實驗數據，如何將數據轉化為表格或圖表，如何對數據進行正確的分析，如何發現實驗過程中可能存在的問題，如何將分析得出的結論與之前的假設進行對比研究等。

（4）實驗創新

主要考查學生對原有地理模擬實驗的創新改進能力，即能否設計出更科學有效且凸顯地理核心素養培養的新實驗，包括實驗器材的創新、實驗環節的創新、實驗分析的創新和實驗報告的創新等。

（5）實驗應用

主要考查學生將地理實驗原理應用于實際的能力，即在實驗結束后，能否對實驗結果進行生產、生活方面的應用。如“水土流失”模擬實驗的結論，能否在城市建設、農田建設中進行應用，又該如何具體應用等。

3.地理模擬實驗試題設計原則

一是學科性。所考查的模擬實驗試題必須指向地理學科，且以自然地理為主，考查學生地理模擬實驗的觀察、分析和設計能力，以及理解相關自然地理原理和規律的能力水平。

二是典型性。試題主要針對自然地理知識的重、難點選取典型實驗進行命題設計，能夠促使學生對地理模擬實驗進行深入探究，舉一反三地理解與之相關的地理知識和原理。

三是可操作性。精心選取學生認知范圍內、能夠動手參與、且實驗效果的可視化程度高、與預期探究結論的吻合度高的地理模擬實驗作為試題素材進行命題設計。

四是探究性。試題能層層深入、逐步探究地理模擬實驗現象背后的地理原理和規律，能考查學生的地理綜合思維、人地協調觀等核心素養。

二、“大氣受熱過程”模擬實驗紙筆測試的實踐嘗試

在大氣模塊的專題復習中，對照地理實踐力素養水平等級，根據地理模擬實驗試題的命題方向和設計原則，專門命制了一份地理模擬實驗測試卷。其設計思路是通過四組實驗，考查學生對大氣受熱過程中相關地理原理的分析、理解和應用，具體如下。

【實驗一】

浙江一所高中某地理實踐小組同學將三支溫度計分別懸掛在鐵架臺上距離地面20厘米、70厘米和120厘米高處（圖1），于夏季某日上午10∶15從室內平移至晴朗無風的室外，在太陽下放置15分鐘后測得三支溫度計的數值如表2所示。

[時間 溫度計A 溫度計B 溫度計C 10∶15 26℃ 26℃ 26℃ 10∶30 28℃ 28.5℃ 29℃ ][表2 三支溫度計不同時刻的氣溫]

（1）歸納實驗數據規律，并分析說明該實驗反映的地理原理。（4分）

（2）若在陰雨天同一時間進行同樣的實驗操作，其數值可能出現怎樣的變化，為什么？（4分）

（3）對流層局部范圍可能會出現氣溫隨高度增加而升高的現象。請指出該現象對大氣環境造成的有利和不利影響。（2分）

【實驗二】

甲、乙兩個相同規格的敞口玻璃箱，箱內均放置溫度計，甲上面覆蓋透明薄膜，乙上面無透明薄膜（圖2）。夏季某日晴天上午同時把兩個玻璃箱從室內平移至室外日光下，在兩次20分鐘后，同時測得玻璃箱里的氣溫數值如表3所示。

（1）請用柱狀圖形式繪制出甲、乙的溫度變化情況。（4分）

（2）簡析該實驗反映的地理原理。（2分）

（3）該地理實驗結論在農業生產中的主要應用是興建溫室大棚。分析溫室大棚對農作物生長的影響。（4分）

【實驗三】

甲、丙兩個相同規格的玻璃箱，上面均覆蓋透明薄膜。甲底部不放任何東西，丙底部放一些泥土（圖3）。夏季某日晴天上午同時把兩個玻璃箱從室內平移至室外日光下，在兩次20分鐘后，同時測得玻璃箱里的氣溫數值如表4所示。

選擇題，每小題2分。

（1）該實驗的主要結論是

A.大氣主要靠太陽輻射加熱

B.下墊面是大氣的直接熱源

C.晴朗天氣不存在削弱作用

D.土壤吸收的大氣輻射較少

（2）該實驗裝置還可以用來驗證

A.最高氣溫多出現在午后

B.不同緯度存在氣溫差異

C.沿海地區海陸風的形成

D.大氣削弱作用強弱成因

（3）若要使丙玻璃箱內氣溫上升得更高一些，想一想有哪些方法可以實現，請說出三種。（6分）

【實驗四】

丙、丁兩個相同規格的玻璃箱，上面均覆蓋透明薄膜。丙底部放一些泥土，丁底部放一些水（圖4）。夏季某日晴天上午同時把兩個玻璃箱從室內平移至室外日光下，在兩次20分鐘后，同時測得玻璃箱里的氣溫數值如表5所示。

（1）該組對比實驗能夠驗證的地理原理主要是? ? ?（? ）差異。（1分）

（2）如何通過改變丙箱內的下墊面，使其增溫幅度減緩，請說出兩項措施并分析原因。（3分）

（3）在10∶50之后，將上述兩個玻璃箱同時搬至室內陰涼處，推測40分鐘內兩支溫度計的數值變化特征并分析原因。（8分）

（4）在另一天相同的模擬實驗中，發現兩支溫度計所測數值有較大的出入，試推測溫度值產生誤差的兩條可能原因。（4分）

（5）我國江淮地區冬春季節經常受到寒潮襲擊，農作物受到凍害影響損失嚴重。請你根據上述實驗的相關原理設計一個防寒潮凍害的農莊。在圖5右框內設計適當的圖例并體現在左側農莊示意圖上，同時說明設計理由。（12分）

三、地理模擬實驗紙筆測試題的評價及教學建議

1.試題評價

筆者對所任教某班的33位學生進行限時測試，批閱后認為學生的完成情況總體尚佳，一方面說明學生對大氣受熱過程相應的知識和原理有較好的理解，綜合思維能力較強;另一方面也說明學生對地理模擬實驗試題的適應性較強。下列題組反映出學生具有較強的實驗觀察和分析能力。

實驗一的第（1）問：歸納實驗數據規律，并分析說明該實驗反映的地理原理。

【學生答題評析】本題考查學生地理實驗數據的分析能力。超過半數的學生對實驗數據規律的概括并不僅僅局限于數據的靜態描述——“距離地面越近，氣溫越高”，而是能夠進一步描述出實驗數據的動態變化——“在相同的時間內，距離地面越近，氣溫上升越快”。對應的原理也說明得比較完整——“對流層大氣的直接熱源來自地面，離地面越近，得到的地面輻射越多，升溫越快，氣溫越高”。這些答案體現了綜合思維中的時空綜合，值得肯定。

實驗三的第（3）問：若要使丙玻璃箱內氣溫上升得更高一些，想一想有哪些方法可以實現，請說出三種。

【學生答題評析】本題考查學生的實驗創新能力。學生對該題的回答不僅僅局限在常規的實驗操作角度，如增加太陽輻射量、調整下墊面性質、改變玻璃箱性質等，而且還能充分考慮其他設計角度。如有的學生能更細致地考慮溫度計的位置，回答“可以把溫度計放在更靠近泥土的位置”，這一點其實就是實驗一的結論應用。又如，有的學生回答“往丙箱內加注大量二氧化碳氣體[2]”，想法具有創造性，但這需要更精準的實驗予以驗證。同時，常規角度的答案也是百花齊放。如對于“增加太陽輻射量”，學生答案有：①延長在陽光下暴曬的時間;②將實驗時間調整到午后太陽輻射更強的時候;③調整裝置與太陽光線的位置使之垂直射入地面等。對于“調整下墊面性質”，學生答案有：①考慮在丙玻璃箱內添加更多的土壤;②使用更干燥的泥土;③將泥土換成混凝土地面或砂石等。對于“改變玻璃箱性質”，學生答案有：①可以用黑色薄膜包裹住丙玻璃箱的四周;②用棉被圍住丙玻璃箱的四周;③將玻璃箱的四壁涂成黑色等。這些答案反映出學生對地理模擬實驗的原理理解透徹，可以自行修改變量或條件加以分析，具備較強的創新能力。

當然，多個題組的測試結果也暴露出學生缺乏相應的地理實踐力素養。

實驗二的第（1）問：請采用柱狀圖形式繪制出甲、乙的溫度變化。

【學生答題評析】本題要求學生將實驗數據用圖表形式進行可視化處理，強調坐標規范、單位注明、圖例完整、柱狀顯示。但學生在處理中出現了如下問題：①未用鉛筆和直尺繪圖;②縱坐標未標注“單位：℃”;③將“℃”標在縱坐標的每個數值上;④縱坐標起點從0開始標注，變化趨勢不明顯;⑤缺失圖例;⑥甲、乙分開來畫了兩張坐標圖。這些問題反映出學生的繪圖能力較弱，平時對各類地理圖表重視程度不足，在自己繪圖時不夠細致和嚴謹。筆者還發現絕大多數（94%）學生習慣采取同一時間的甲、乙對比（圖6），而僅有6%的學生按照甲、乙各自隨時間變化繪制氣溫變化圖（圖7）。事實上，根據表格材料，圖7更加符合題意。

實驗四的第（3）問：在10∶50之后，將上述兩個玻璃箱同時搬至室內陰涼處，推測40分鐘內兩支溫度計的數值變化特征并分析原因（表6）。（8分）

【學生答題評析】本題考查學生實驗觀察和分析能力，并能檢驗學生平時是否真正做過這類地理模擬實驗。如果想當然就回答的話，只會根據所學的知識粗略推測實驗結果。33位學生回答體現的水平等級如圖8所示，總體而言水平等級偏低。

實驗四的第（5）問：題目見上。

【學生答題評析】本題考查學生的實驗應用能力，部分學生的解答暴露出學以致用能力的欠缺。存在的問題主要有：①無法將實驗結果與防寒潮凍害農場產生聯系;②知道一些防寒潮凍害的地理原理，但無法在圖中設計;③不會自創圖例;④未能將圖例正確繪制到農場的具體位置;⑤未考慮到分值設置，只能設計出一兩種方法;⑥未能正確或清晰地解釋設計理由。

當然，部分學生也能設計出比較合理的防凍害措施，且其思維具有開放性。有的學生考慮到了寒潮來臨前夕可以采取的措施，如“①寒潮來臨，在農莊西北側的荒地上燃燒煙霧，增強大氣逆輻射，減少夜晚地面輻射損失的熱量，對地面起到保溫作用，可防御凍害;②引河流水建水渠流入農田，增加近地面空氣濕度，利于大氣吸收地面輻射，增強大氣逆輻射，而且水的熱容量大，降溫慢，農田溫度不會很快下降;③利用稻草、地膜等物品覆蓋農田作物，起到保溫作用”。有的學生也能夠考慮到平時就可以做好的防凍害措施，如“部分農田改建成溫室大棚”“荒地上建太陽能集熱器，除平時供能外還可以在寒潮時給農田供暖”“在西北側荒地上種植常綠樹木，阻擋冷空氣”“在荒地上開挖池塘”等。圖9是某位學生的繪圖答案，體現出較強的實驗應用能力和地理繪圖能力。

2.教學建議

針對學生在地理模擬實驗測試卷中存在的問題，提出以下教學建議。

①規范操作。針對課堂內外進行的地理模擬實驗，都要強調對實驗原理、實驗材料、實驗過程、實驗結論、實驗報告等進行認真處理和分析。實驗的每一個環節都要規范操作，因為它們都可以命制成相應的試題進行地理實踐力考查。

②拓展分析。教學中不要拘泥于所操作的地理模擬實驗，還可以讓學生嘗試挖掘新的問題。如在“流水對土壤的侵蝕”實驗中，探究的是不同土壤類型對流水侵蝕的影響，但在實驗后教師可以指導學生對同種土壤的厚度、疏松度、干燥度等指標進行進一步的實驗探究，并對其他影響因素及下一級因素進行總結提煉[3]，有利于培養學生的綜合思維能力和動手實踐能力。

③反思改進。學生動手做實驗固然重要，但反思和改進更能體現多項地理核心素養。不管是觀察過程，還是實驗數據，都可以挖掘反思改進的內容。不要滿足于做過了實驗或做成功了實驗，有時實驗沒有成功，經過反思改進后取得成功的過程更有收獲。

④學以致用。激發學生對模擬實驗原理學以致用。如果學生能通過模擬實驗的體驗過程清楚理解之前困惑的一些地理問題，或將實驗的分析結果整理為科學合理的建議提供給相關部門等，這將是地理模擬實驗教學最成功之處。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 項愛明，羊大方.“二氧化碳溫室效應”模擬實驗[J].地理教育，2020（3）：58-60.

[3] 張文軍.基于思維結構評價的地理模擬實驗方案設計與評析[J].地理教學，2021（10）：22-25.