指向地理科學素養培養的高中地理實驗教學設計

摘 要：地理學科兼具自然科學和社會科學的性質，且具有很強的實踐屬性，對學生形成正確的科學思維和觀念，培養地理科學素養具有重要作用。本文以湘教版地理選擇性必修1“密度流”實驗教學為例，從地理科學素養培養角度出發，引導學生模擬出密度流海區的海水水平和垂直運動，使學生在深度學習的過程中獲得真實感悟。實踐結果表明：在實驗教學中以真實情境為背景，以學生操作為主體，充分挖掘地理實驗的操作及教學價值，重視學生科學探究精神的培養，是培育學生地理科學素養的有效途徑。

關鍵詞：科學思維；地理科學素養；探究精神

中圖分類號：G633.55 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5207（2025）02-0008-06

一、地理科學素養與地理核心素養

《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）指出：地理學兼有自然科學和社會科學的綜合屬性，是現代科學體系中的重要組成部分；而使學生能夠運用地理科學知識、養成科學探究意識、解決地理科學問題、形成正確的科學觀念，則是高中地理課程的重要目標之一［1］。新時代背景下，培育學生地理科學素養的重要性愈加顯著。

袁孝亭教授認為，地理科學素養兼具自然科學素養的一般特征和地理核心素養的獨有特征，兩者相互促進、相互融合［2］。已有研究對地理科學素養的內容進行了深入探究，將其分為地理科學知識、地理科學思維、地理探究實踐、地理科學觀念以及地理態度責任5個維度［3-4］。其中，地理科學知識指地理學科中的概念、現象、原理和分布規律等內容，是培養地理科學素養的基礎，與地理核心素養中的區域認知具有很強的相關性；地理科學思維指對地理問題或地理過程的認知、理解、分析方式，是培養地理科學素養的重難點，對應地理核心素養中的綜合思維；地理探究實踐則指學生通過觀察、調查等實踐方法，利用地理工具解決實際地理科學問題的能力，是培養學生地理科學素養的重要內容，與地理核心素養中的地理實踐力相契合；地理科學觀念和地理態度責任則是指學生通過地理科學探究形成的協調發展觀念、科學探究精神及尊重自然規律的意識，是地理科學育人價值的主要體現，與地理核心素養中的人地協調觀相關聯。綜上所述，地理科學素養與地理核心素養在構成維度和具體內涵上，具有很強的相似性和關聯性，是地理學科重要的培養目標。

二、實驗教學是地理科學素養培育的重要途徑

地理模擬實驗是指以一定地理知識為基礎，在地理學習過程中，通過一定實驗器材對某種地理過程、現象進行模擬再現，并進行科學解釋的過程，在此過程中學生既是實踐的主體也是思考的主體。地理科學素養培養下的模擬實驗一般流程為“實驗方案的設計—實驗過程的操作—實驗現象的觀察記錄—實驗分析改進—撰寫報告并匯報交流—地理知識遷移應用”。從開展形式上看，相較于野外考察、社會調查的形式，實驗教學受場景限制的影響小，能更好地利用校園條件，培養學生的地理探究實踐能力。從科學素養培育的視角來看，對實驗原理的理解以及實驗方案的設計過程對于學生地理科學知識的掌握、地理科學思維的培養有著重要意義。從實驗過程看：對實驗現象過程的分析—發現實驗設計的漏洞—改進實驗方法的過程，則能培養學生更高階的地理科學思維；最終的實驗結果整理以及在具體地理情境中的遷移應用過程，不僅強化了學生對地理科學580deed94ead58d86913be6f4133ca3c7b8769bd6dc9f8305233b62564659e4b知識的掌握，更能使學生在真實的地理情境中感悟人與自然的關系，增強協調發展觀念，培養科學探究精神，進而形成正確的地理科學觀念和地理責任態度，從而實現地理學科的育人價值。因此，本文在湘教版地理選擇性必修1“密度流”部分的教學中嘗試以模擬實驗教學為手段，培養學生的地理科學素養。

三、地理科學素養培育視角下的地理實驗教學

1.教學目標與教學流程

課標指出“在進行模擬實驗活動時，應引導學生經歷相對完整、規范的科學探究過程”，此過程包括實驗方案設計—實驗過程的觀察、記錄、操作—數據處理、整理匯報交流等環節。密度流海區的海水垂直運動一直是學生的學習難點，同時也是高考地理試題考查的熱點，如2023年海南省高考便考查了極地地區密度流的水平和垂直流向及其成因。本文基于課標要求和地理科學素養培養的視角，確定了實驗教學流程（圖1）和實驗教學目標（表1）。

2.地理科學素養視角下的實驗教學設計

（1）情境導入

【材料呈現】二戰時，德國利用大西洋和地中海之間的密度流，在穿越直布羅陀海峽時將潛艇動力裝置關閉，成功躲避盟軍聲吶的搜索。從海水運動的方向上來看，密度流是如何幫助潛艇進出直布羅陀海峽？

【設計意圖】通過真實歷史情境，以大西洋和地中海之間的典型密度流為背景，將海水運動和人類活動緊密聯系在一起，激發學生探討密度流流向的興趣，培養學生的科學探究精神。密度流為關閉動力裝置的潛艇提供了水平和垂直方向的動力，這為后續實驗活動的深入做了鋪墊。

（2）實驗教學過程

實驗教學過程如表2所示。

四、教學啟示與反思

1.實驗教學貴在學生真實操作

傳統實驗課堂，教師為了節省時間往往選擇獨自演示實驗，或讓學生直接觀看視頻演示，但讓學生對模擬實驗進行真實操作是實驗教學的最基本要求［5-6］，因為學生是模擬實驗教學的主體，是整個實驗教學過程的參與者，學生只有在真實設計、真實操作的基礎上才能有真實感悟。例如，①在分析垂直運動不明顯原因的過程中，學生觀察到紙屑并未隨著水的流動而發生明顯的位移，這一現象加深了學生對小尺度模擬實驗下的“水動力條件微弱”這句話的理解，進而嘗試優化實驗設計。當看到不攪拌操作的效果更明顯時，學生能體會到在實驗中放大實驗現象這一科學思想的精妙。②在探究溫度差異形成的密度流環節中，有學生脫口而出“直接在水槽一側加冰”，然而，在實施時看到加冰后兩側水槽水平面高度不一致，立即意識到這種方式不規范，進而提出更加合理的改進措施。③在小組分工合作操作實驗時，學生表現出了動手操作的欣喜，在這種具身的深度學習過程中，學生對地理科學知識的理解也更加深刻；這種合作模式也能在潛移默化間培養和增強學生的團隊合作意識和能力。

2.實驗教學重在培養學生探究精神

課標指出，實驗教學中要對實驗結果進行理性思考，體驗科學探究過程?？v觀現代科學的發展歷程，實驗在科學進步中起到了巨大作用。然而，實驗伴隨著失敗的可能，不少影響人類的偉大科學成果，都經歷了反復的實驗，如愛迪生發明電燈泡、當代石墨烯制取的方法探究等。而在失敗的實驗中汲取經驗，探究出新的方法，培養學生分析問題的地理科學思維和堅持不懈的探究精神是地理實驗教學的重點。在本次地理實驗教學實踐中，學生初次設計的實驗與湘教版地理選擇性必修1“洋流”一節中“模擬密度差異而形成的洋流”參考實驗設計一致，雖成功呈現了水平運動，但對密度流海區的海水垂直運動的反演現象并不明顯。學生在多次失敗、探究的過程中分析問題、大膽進行創新嘗試，改進教科書提供的實驗參考設計，最終在模擬實驗中成功顯示出海水的垂直運動。這個過程不僅培養了學生的創新意識，還培育了他們對地理科學問題深入探索的品質。

在其他地理實驗教學的過程中，教師也應給予學生充分的發揮空間，允許實驗失敗，但要做好引導工作，鼓勵學生在實驗失敗后積極分析探索，最終做出預期的實驗效果，培養學生的科學思維和科學探究精神，進而實現地理學科的育人價值。

3.實驗教學旨在提升學生科學素養

地理實驗教學的最終目的在于提升學生的整體科學素養。而掌握地理科學知識，養成分析與解決問題的科學思維，增強實踐能力，最終養成正確的科學觀念態度和人地協調觀，則是地理科學素養視角下實驗教學的具體目的。實驗教學對學生而言具有具身性，學生通過自身探究、觀察、經歷所得到的知識比教師口頭傳授更為立體，對學生掌握復雜地理科學知識具有顯著的促進作用；在實驗過程中所受到的思維訓練、實踐能力訓練也會更加深刻；更能收獲不一樣的地理感悟?？茖W的實驗教學設計幫助學生從案例探究擴展到范式掌握，這種探究模式也是如今前沿地理學的模式之一。新高考背景下，對地理跨學科性質的考查越來越深入，對學生地理科學思維和地理實踐力培養的要求也越來越高。例如，2024年6月全國高考甲卷就以生態保護為背景，要求學生設計實驗探究水資源約束下的最佳阻沙灌草種植方式?？梢娨詫嶒灋楸尘翱疾閷W生的地理科學素養，已成為未來高考的熱點之一。而要有效培養學生地理科學素養，一線教師在地理實驗教學實踐中還應注意以下內容。

（1）增強自身科學素質，整合利用多學科實驗方法

一項地理實驗往往涉及多個學科的知識范疇，是地理跨學科性質的具體體現。地理實驗教學的推進往往需要借助物理、化學等其他學科的實驗手段和方法，如在影響流水侵蝕強度因素的探究實驗中，需要利用物理學科中的控制變量法，在保持其他因素相同的情況下，改變實驗要素，依次探究出坡度、徑流量、下墊面性質等地理要素對侵蝕強度的影響?？梢?，科學、嚴謹的實驗教學能促進學生對多個學科知識的掌握，培養科學素養；但不嚴謹的實驗教學，則往往會得出錯誤結論，極端情況下甚至可能會造成安全事故。因此，教師首先要強化自身科學素質，整合利用多學科實驗方法，確保實驗教學的全過程安全、科學、嚴謹，進而在實驗教學中培養學生的科學素養。

（2）充分挖掘地理實驗的操作及教學價值

實驗教學往往受教學場地、實驗器材等條件的限制，同時，組織一次完整的地理模擬實驗教學，要耗費地理教師大量的時間與精力。因此，為了避免占用過多的時間，實驗模擬教學應具有較高的可行性。如實驗器材易獲取、實驗操作盡量簡單、實驗現象盡可能明顯。這就要求地理教師應充分挖掘模擬實驗的操作價值、教學價值，在實驗教學中充分引導，提高課堂效率，進而實現培養學生地理科學素養的目的。若條件允許，一線教師還應完善所在學校的地理實驗室建設，為實驗教學的開展提供更堅實的保障。

（3）以真實地理情境為背景開展實驗教學

地理情境有利于調用地理原理和規律，是地理知識和科學素養培育的載體。真實地理情境不僅是實驗教學開展的出發點，更是實驗探究最終的落腳點。教學過程中與真實有趣的地理情境相聯系，有利于激發學生興趣，加強學生對地理科學知識的理解。因此 ，在實驗教學中地理教師應善于創設復雜有趣的地理情境，設置富有挑戰性的問題，鼓勵學生大膽思考，培養學生的科學探究能力，并引導學生通過最終的實驗結果解決真實的地理問題。

（4）轉變教學思路，引導學生深度學習

沒有學生深度參與的實驗課堂注定是平庸的課堂。因此，地理教師應改變固有教學思路，對教材內容重新整合，巧妙設計實驗教學流程，以學生為主體，在短時間內吸引并引導學生深度參與。在整個過程中學生除動手操作實驗外，還應培養對實驗結果的分析歸納、知識遷移應用能力，以及勇于探究的科學品質。這就要求地理教師的課堂設計要有足夠的深度及趣味性，從而真正實現學生的深度學習，培育地理科學素養。

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2022年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］ 袁孝亭， 王向東.中學地理素養教育［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［3］ 田雨， 戶清麗，劉安多. 我國初中地理科學素養培育目標的演進特征 ［J］. 地理教學， 2023（5）： 4-8，13.

［4］ 張健. 指向地理科學素養培育的高中地理教學探索與實踐——以“地球內部圈層結構”為例 ［J］. 地理教學， 2023（18）： 40-43.

［5］ 王太文. 地理模擬實驗應“實而有力” ［J］. 中學地理教學參考， 2023（7）： 59-61.

［6］ 唐塘穎. 深度學習視域下的地理實驗教學探索——以新人教版地理1“水循環”為例 ［J］. 地理教育， 2023 （6）： 21-24.