基于思維構建的地理微項目化學習探索
——以“赤道式日晷儀”為例

尹志和

（浙江省湖州市第一中學，浙江 湖州 313000）

《普通高中地理課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“新課標”）提出了重視基于項目的問題教學，其核心是以項目的方式向學生提出富有挑戰性的問題或任務，學生通過設計問題解決方案、自主決策或合作探究，最終以作品的形式展示學習成果。［1］與項目化學習相比，微項目化學習就是借用項目化的形式，以主題微項目為驅動，引導學生在較短的時間（1～2節課）進行自主學習、合作學習，從而激發學生創新思維、發散思維、邏輯思維等思維品質的提升，學生在完成項目的過程中不斷實現對知識的內化和吸收，真正從淺層學習向深度學習進階。［2］

一、微項目引入：以真實情境驅動思維課堂

情境是將抽象的知識與真實世界建立聯系，引領學生認知現實世界。［3］教師進行微項目設計時要依托真實問題情境，綜合考慮學生已有知識和認知規律，精準設計項目任務，借助真實情境微項目激發學生深度學習，重視知識的遷移應用，促使學生由知識走向實踐，再轉化為應用的創造，有效地落實思維課堂的構建。

1.研讀新課標，巧設微項目

“地球運動”知識模塊在湘教版選必一第一章，新課標的要求為“結合實例，說明地球運動的地理意義”。新課標要求掌握的核心知識有地球自轉、地球公轉、黃赤交角、地球運動的地理意義等四方面內容。筆者基于新課標，深入研究教材，依據本模塊知識點的邏輯，在了解學情的基礎上確定微項目的主題是“赤道日晷儀”制作及應用，以期增強學生對生活中的自然地理現象進行觀察、識別、描述、解釋、欣賞的意識與能力。

本模塊的重點和難點為地球運動的地理意義，破解此難點是要理解地球運動的規律：“一方面，根據不同的參照系，地球有真運動和視運動的不同；另一方面，地球的自轉和公轉是同時進行的，由此形成了黃赤交角，正是因其的存在才出現了各種地理現象?！蓖ㄟ^引入這些真實存在的現象作為微項目化學習的實例，可以引導學生從多角度、多層次地理解地球運動的地理意義（表1）。［1］

表1 赤道日晷儀與新課標要求核心知識的關系

2.創設情境問題，活躍地理思維

教師設置微項目學習時，必須將微項目置于特定具體的問題情境中，將問題貫穿于整個微項目學習過程，通過設置層層遞進的問題鏈，驅動學生實現從低階思維到高階思維的進階（表2）。問題設計要結合新課標和學生的最近發展區，不僅要激發學習興趣，而且要能引發深思。

本微項目學習任務主要是制作和演示赤道式日晷儀，學生遇到的情境問題有：晷盤為什么要等分；晷針為什么要與晷盤垂直；夏半年為什么要在晷盤上面觀察；冬半年為什么要在晷盤下面觀察；一年中太陽照射在晷盤上和晷盤下的時間是否一樣；二分日為何無法判斷時間等。教師可以預先設置這些問題鏈，也可以啟發引導學生發現相關問題，然后鼓勵學生分析、解決真實情境問題，一步一步走向深度學習，實現培育學生地理思維的素養目標。

二、微項目分析：以核心知識構建思維課堂

微項目學習要求學習的是地理核心知識，最終是要學生發生深度學習，即能將核心知識在新的情境中遷移、運用、轉換，產生新的知識。［4］在微項目學習中，涉及許多不同層級的地理概念或地理知識體系，從小的知識點到大的地理概念或地理知識體系。教師需要將教材中的知識點進行篩選，重新組合形成一個合適的微項目主題來推進學生學習。學生在參與微項目化學習過程中，循序漸進、逐個突破，記錄下所學知識，實現知識結構化、思維具象化和思維的可調控化，并在頭腦中形成知識網絡體系。本微項目主要涉及的地理核心知識為地球自轉和公轉的主干知識。地球繞地軸不停地自西向東旋轉，同時地球繞太陽不停地公轉，導致太陽直射點在地表做回歸運動（圖1）。引起正午太陽高度角有時空規律的變化，導致物體影子也按照一定時空規律變化，這就是制作日晷儀的原理（圖2）。

晷針與晷面（晷盤）是相互垂直的，晷針指向北極星。圖3中α角是同位角，度數相等，根據直角互余的關系，可知晷面與赤道是平行的，可以說赤道式日晷是一個濃縮版的地球（圖3）。地球自轉產生的太陽周日視運動，表現為太陽繞晷針的圓周運動。一天中太陽光始終圍繞晷針作勻速圓周運動，不管太陽高度如何變化，晷針在晷面上的影子變化都是均勻的（圖4）。因此，太陽在晷針上投下的影子轉動的角度是均勻的，也就是地球自轉的角速度即每小時15 度。晷針形成的影子在晷盤上所指示的時刻就表示當地的地方時。在日晷面的正反兩面都刻出12 個大格，每個大格顯示30度代表兩個小時。當太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面，太陽東升西落，投向晷面的晷針影子也慢慢地由西向東移動。移動著的晷針影子好像是現代鐘表的指針，晷面則是鐘表的表面，以此來顯示時刻。

圖3 赤道式日晷工作原理（湖州市）

圖4 太陽視運動下的赤道式日晷（湖州市）

三、微項目實施：以合作探究啟迪思維課堂

小組合作探究學習是微項目化學習的主要形式，也是微項目實施過程中最重要的環節，學生合作的效果決定了微項目學習的成敗。教師將全班分成若干學習小組，讓每個小組完成一個微項目“赤道式日晷”。制作材料和工具需要小組成員自備，如硬紙板、圓規、直尺、指針等。在微項目學習的過程會遇到各種各樣的問題，這就需要教師提供必要的指導和支持，使學生能夠順利完成微項目學習。學生的獨立思考、合作探究是完成微項目學習的重要形式。

1.探日晷之“理”

在微項目學習的過程中，首先，小組成員進行頭腦風暴，針對微項目“赤道式日晷”提出自己的疑問，發表自己的觀點和看法。然后，學生再通過查找資料、傾聽其他同學的意見或咨詢教師等途徑，加深對知識的深度理解和掌握。不同小組成員之間進行辯論交流、互相分享，可以培養學生的合作溝通能力、批判性思維能力，促使他們從多角度、多方位理解知識（圖5）。晷盤的制作原理是：當太陽直射點位于北半球時，全球各地（除極晝極夜地區以外）太陽從東北日出，西北日落；當太陽直射點位于南半球時，全球各地（除極晝極夜地區以外）太陽從東南日出，西南日落。根據太陽東升西落的規律，可確定日晷儀晷盤正面和反面東西方向和刻度。如日晷儀晷盤正面左側中間為18 點，右側中間為6 點，最下面12 點，最上面24 點或0 點正反面刻度一致。最后，在討論交流的基礎上，不同小組都已經形成解決問題的基本思路，接著運用所學知識和能力設計和創造微項目“赤道式日晷”作品（圖6），將抽象的理論解決方案轉換為微項目成果（圖7）。

圖5 學生分小組制作赤道式日晷

圖6 學生赤道式日晷作品

圖7 赤道式日晷微項目探究清單

2.追日晷之“光”

完成日晷的制作后，教師選取夏季和冬季某個晴天的上午和下午，帶領學生在學?？盏厣线M行日晷原理的講解并實際觀測，測量時間并記錄結果，檢驗日晷的精確度（圖8、圖9）。赤道式日晷放置要求：晷針垂直穿過晷面中心，晷盤呈南高北低，晷盤與地平面的傾斜角度θ=90°-φ，（θ為晷盤與地平面的傾角，φ是當地的地理緯度）。確保晷針與地平面夾角等于當地的地理緯度φ，晷針上端對準北極星。

圖8 學生在學校廣場演示赤道式日晷

圖9 學生分小組演示赤道式日晷

深度思維1：在北半球，為什么夏半年時讀取日晷上面的刻度，而冬半年讀取日晷下面的刻度？

思維路徑：從春分日到秋分日即北半球的夏半年，用北盤面（朝上的一面）記時，從秋分日到次年春分日即北半球的冬半年，則用南盤面（朝下的一面）記時。每年北半球的夏半年，太陽視運行軌跡高于日晷盤面，晷針正面的影子在晷盤上面指示時間。每年北半球的冬半年，太陽視運行軌跡低于日晷盤面，晷針背面的影子在晷盤下面指示時間。

深度思維2：春分日和秋分日能否使用赤道式日晷？除此之外，還有哪些情況下不能使用赤道式日晷？

思維路徑：每年春（秋）分日，太陽視運動軌跡平行于赤道式日晷的盤面，這兩天赤道式日晷正面和背面的晷針都沒有影子，無法從晷面上獲取讀數，因此，赤道式日晷無法使用。為了解決該問題，可以使用垂直式日晷，它的指針可以指向東或西兩個方向。為了激發學生興趣，鼓勵學生課后自主研究其他種類的日晷。除此之外，陰天、晚上等情況也不能使用日晷，可以使用水鐘等計時。

深度思維3：在北半球，一年中在赤道式日晷上面觀測的時間要長于在赤道式日晷下面觀測的時間。

思維路徑：在北半球，赤道式日晷上面觀測的時間為夏半年，7月份地球公轉到了遠日點附近，公轉速度慢，時間長，同時也造成真太陽日長一些。而冬半年，1月份地球公轉到了近日點附近，公轉速度快、時間短，同時也造成真太陽日短一些。因此，北半球一年中在晷盤上面觀測的時間要長于晷盤下面觀測的時間。

深度思維4：在北半球，冬至日和夏至日赤道式日晷晷面上的影子移動方向是否一致？在南半球，赤道式日晷如何放置？

思維路徑：在北半球，夏至日太陽光在晷面上方，按順時針方向移動，影子也按順時針方向移動；冬至日太陽光在晷面下方，按逆時針方向移動，影子也按逆時針方向移動。在南半球，晷針指向天球的南極點，晷盤與地面的夾角等于當地的地理緯度。

四、微項目評價：以多元化評價激發思維發展

思維課堂除了關注學習結果外更重視對學生學習過程的評價，傳統教學往往只對學習結果進行總結性評價。指向微項目化的思維課堂，要采取多元化的評價，為學生客觀認識自我、激發個人發展思維提供依據。微項目化學習要引導學生關注自己的學習過程，在實踐的過程中小組可能遇到各種各樣的問題，要及時進行反思和調整。教師可采用學生互評、組間互評等評價方式，讓學生真正成為評價的主體，幫助學生正確認識自身的不足，督促學生不斷完善和發展。

微項目化的學習過程體現了思維的進階過程，即由淺層學習向深度學習的進階，這是構建高階思維的核心內容。教師將學生在回答具體地理問題過程中所展現的思維結構依據SOLO分類理論劃分為幾個層次，以此來反映學生由淺到深、由量變到質變的學習過程和思維水平（表3）。［5］在微項目化學習過程中應減少淺層思維的學習（前結構水平），使絕大多數學生達到中層思維的學習（單點結構和多點結構），即微項目學習中遇到的問題，有的學生找到了解決問題的思路，也有的學生找到了多個解決問題的思路，但還不會對多個思路進行有機整合，應使盡可能多的學生在微項目學習過程中達到深層思維學習（關聯結構水平和抽象擴展水平），即學生可以找到多個解決微項目化問題的思路，并且能夠將其整合起來進行思考或者學生能對微項目問題進行抽象概括，上升到一定的理論高度，甚至還能提出一些創新思維。［6］▲

表3 SOLO分類理論與微項目化認知層次分析