HPS視域下高中地理氣候變化教育實驗教學探索*
——以“碳排放與溫室效應”為例

許福慧 陳 實

（1.青島市城陽第一高級中學, 山東 青島 266108; 2.華中師范大學 城市與環境科學學院, 湖北 武漢 430079）

一、引言

氣候變化是影響全球的復雜性事件，它對地球生態環境與人類社會系統產生了重大影響。[1]作為負責任的大國，中國政府積極參與全球氣候治理。氣候變化教育致力于幫助學生認識并理解氣候變化、促成學生態度和行為的轉變，以期學生獲得應對氣候變化的能力、提升氣候變化素養。[2]氣候變化教育有助于學生將個人理想與應對氣候變化的國家戰略結合起來。

地理學科具有幫助學生樹立正確環境觀念的獨特育人價值。地理學科因其內容設置與氣候變化關系最為密切，是滲透氣候變化教育的重要載體。《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）提出要創新培育地理實踐力的學習方式。[3]地理實驗是培養地理實踐力的重要途徑。HPS視域下的實驗教學能夠還原科學家的研究過程，并在課堂上創設科學探究的具身環境。學生在進行地理實驗過程中，學習科研技能與方法，逐步形成認真嚴謹、科學求實的意志品質。教師引導學生合作完成實驗設計、實驗操作、現象觀察、現象描述、實驗記錄等環節，培養學生的操作技能和問題解決能力。開展地理實驗有助于發揮地理教育的價值、培養勇于應對環境問題的積極活躍公民。

據此，本文探討高中地理氣候變化教育實驗教學課例。以地理實驗為學生創建具身學習、合作學習、探究學習的平臺，增強學生對氣候變化科學的認知，進而提升其氣候變化素養和地理實踐力。

二、HPS視域下高中地理氣候變化教育實驗教學路徑

1.HPS 視域下高中地理氣候變化教育

HPS是科學史（History）、科學哲學（Philosophy）與科學社會學（Sociology of Science）的簡稱，旨在將科學史、科學哲學與科學社會學融入科學課程，培養公眾的科學精神。[4]HPS視域下高中地理氣候變化教育通過創設追溯科學歷史事件的情境，激發學生探索氣候變化真理的熱情；通過搭建提升科學哲學思維的腳手架，深化學生對氣候變化科學本質的認識；通過調動投身科學造福社會的決心，激勵學生擔當應對氣候變化的責任。

2.HPS 視域下氣候變化教育實驗教學路徑設計

教師開展HPS視域下氣候變化教育實驗教學有助于推動學生實施氣候友好行為。氣候變化教育不僅要達到傳授氣候變化知識的目的，而且要引導學生以科學、公正的態度應對氣候變化。HPS視域下實驗教學注重給予學生成功的實踐體驗，提升學生對氣候科學家的信任，培養學生尊重事實、探索真理、勇于創新的精神。氣候探究過程及科學結論是教師設計實驗教學的優質資源。簡化后的氣候科學實驗降低了學生理解氣候知識的難度，且較容易操作，有助于達到良好的“知”與“行”教學效果。

根據新課標對地理實驗和氣候變化相關內容的要求，本文運用HPS教育理論，按照實際科學研究過程組織課堂實驗環節，將科學家的科研探究與學生的課堂實驗對應起來，得出HPS視域下氣候變化教育實驗教學路徑（見圖1）。學生完成課堂實驗后，教師應補充本次實驗結論的其他相關研究，凸顯科學結論的發展性，使學生認識到質疑與批判同樣是科學研究的一部分。

圖1 HPS視域下氣候變化教育實驗教學路徑

三、HPS視域下高中地理氣候變化教育實驗教學設計

本文以湘教版選擇性必修3《資源、環境與國家安全》第三章第一節中“碳排放與溫室效應”為例，依據HPS視域下氣候變化教育實驗教學路徑，設計具體教學案例如下。

1.實驗教學目標設計

新課標對氣候變化相關知識的要求是“運用碳循環和溫室效應原理，分析碳排放對環境的影響，說明碳減排國際合作的重要性”。本框題“碳排放與溫室效應”要求學生能夠說出碳排放的概念，并運用溫室效應原理，闡述溫室氣體的概念及對環境的影響。氣候變化實驗教學可以幫助學生直觀認識溫室氣體的性質，深入理解溫室效應的原理，為學生靈活運用該原理分析碳排放對人類社會和自然環境的影響奠定基礎，進一步促進學生地理實踐力和人地協調觀的發展。具體目標如下：①運用真空壓縮袋、溫度計、二氧化碳發生器等器材，開展溫室氣體驗證實驗，認識二氧化碳的吸熱特點；②運用溫室效應原理，分析大氣中二氧化碳等溫室氣體濃度升高的原因及對環境的影響；③通過尤妮絲·富特等科學家的科研經歷，認識人類在文明進步中的決定性作用，積極參與氣候友好行動，培養科學精神。

2.實驗教學思路設計

展現傅立葉對溫室效應的猜想，引導學生回憶已有知識（大氣保溫作用）。通過完成尤妮絲·富特驗證溫室效應的簡化實驗，引導學生自主回答兩個問題——溫室氣體與其他氣體有什么區別？二氧化碳為什么是溫室氣體？實驗后，教師補充約翰·丁達爾驗證溫室效應物理原理的相關資料，使學生認識科學的嚴謹性和實證性，積極參與氣候友好行動。以融合HPS教育理論的地理氣候變化教育實驗，引導學生認識科學家的探究過程、進行氣候變化的哲學性思考、正確對待科學知識本質，產生由“知”到“求知”的轉變（見圖2）。

圖2 教學設計思路

3.實驗教學過程設計

(1)環節1：創設情境、提問激疑

教師播放溫室效應起源的視頻，展現傅立葉對溫室效應的猜想：地球就像一個溫室，如果沒有大氣，地球會冷很多；大氣就像一種單面鏡，可見光可以透過，但紅外輻射無法射出。由此引發思考：結合大氣保溫作用相關知識，你是否贊同傅立葉的猜想，并給出理由。

設計意圖：通過播放視頻，幫助學生了解溫室效應來源于傅立葉的猜想；引導學生回憶大氣保溫作用的原理，并運用該原理表明對傅立葉猜想（溫室效應）是否認同，從而加深學生對溫室效應的理解，為探究二氧化碳等溫室氣體的作用奠定基礎。

(2)環節2：驗證猜想、開展實驗

基于學生對溫室效應的理解，教師引出溫室氣體的概念，并設置核心問題——溫室氣體與其他氣體有什么區別？二氧化碳為什么是溫室氣體？而后教師提供實驗指引，師生共同設計實驗步驟，協助學生完成分組探究實驗。實驗后，教師追問：如果某一時期地球大氣中二氧化碳所占的比例增加，全球的氣溫會如何變化？為何工業革命以來，全球氣候變化以變暖為主要特征？教師通過層層設問，引導學生思考溫室氣體對環境的影響。

學生在實驗前需要熟悉實驗器材及步驟（見表1）。各小組分別制備“氣體袋”，陽光下每隔2～3分鐘觀測“氣體袋”的溫度并記錄（見圖3、圖4）。基于實驗數據，繪制各氣體相對普通空氣升溫度數隨時間變化的折線圖（見圖5）。最后根據實驗現象，小組討論形成實驗結論。

表1 溫室氣體驗證實驗

圖3 陽光下放置氣體袋

圖4 學生定時測溫

圖5 各氣體相對普通空氣升溫圖

(3)環節3：揭示背景、總結升華

教師補充以下材料。

材料一：該實驗是尤妮絲·富特驗證溫室效應的簡化實驗。尤妮絲的研究產生于20世紀中葉，而此時公眾尚未開始重視氣候變化問題，這一研究并未得到很大關注，甚至在某雜志上的摘要只把研究者標注為伊萊沙·富特的太太（伊萊沙為尤妮絲的丈夫）。

材料二：溫室效應的物理原理再次得到了驗證。約翰·丁達爾使用先進的儀器設備和標準化實驗室，成功測量了空氣中不同成分吸收的紅外輻射熱量，其結論與尤妮絲基本相似。丁達爾被稱為“現代氣候科學之父”。

任務設置：請學生在組內討論以下問題并派代表發言。為什么溫室效應要進一步驗證？為什么尤妮絲的研究沒有得到很大關注？

教師總結：科學成果的得出需要經過大量實驗，準確性、嚴謹性和實證性均是科學的基本屬性。因為歷史上女性科研者所面臨的不利條件，尤妮絲沒能繼續她的研究，無法進一步拓展她對氣候變化的思考。但對于現代氣候科學而言，女性同樣貢獻了重大力量。應對氣候變化需要全球性行動，不分男女、不分職業、不分國籍。

設計意圖：學生能夠認識到人類在文明進步中的決定性作用，積極參與氣候友好行動。

四、HPS視域下高中地理氣候變化教育實驗教學評價

新課標要求教師注重表現性評價，結合學生學習結果和學習過程，對學生的地理基礎知識、地理能力及情感態度價值觀進行評價。氣候變化教育地理實驗突出培養了學生的實踐技能，是由知識層面向態度、行為層面的深化。故實驗教學評價應以幫助學生理解和解決當今的氣候變化問題為導向，由“知”到“行”設置評價指標。本文參照氣候變化知識和態度問卷及科學實驗評價表，[5][6]設置了HPS視域下氣候變化教育“碳排放與溫室效應”實驗評價表（見表2）。評價指標具體包括：氣候變化知識水平、氣候變化科學探究過程的認知水平、氣候變化科學實驗操作水平、氣候變化科學實驗分析水平、氣候變化科學實驗探究態度、氣候變化科學辯證思維能力和踐行氣候友好行為的意愿。本文運用SOLO分類理論評定學生的實驗學習效果，學生學習程度由低階到高階依次為前結構水平、單點結構水平、多點結構水平、關聯結構水平和拓展抽象結構水平。[7]通過層次化、可觀測、可測量的表現性評價指標，評價學生在氣候變化教育實驗中的素養提升情況。

表2 HPS視域下氣候變化教育“碳排放與溫室效應”實驗評價表

五、總結

以往高中地理氣候變化教育多重視知識教學，而對實驗教學研究較少。本文設計HPS視域下氣候變化教育實驗，引導學生認識溫室氣體的性質、明確碳排放對全球氣候變化的影響，激勵學生始于問題、敢于求證、善于行動地進行氣候變化學習。開展HPS視域下氣候變化教育實驗評價，有助于評估學生氣候變化知識、態度和行為，也便于教師獲得教學反饋、及時優化氣候變化教育實驗設計。綜上，以實驗教學引導學生回顧氣候變化的科研歷史、找準氣候變化的現實影響及未來發展定位，有助于建構學生的可持續發展觀。