地理实验教学在高中自然地理教学中的应用

地理实验教学在高中自然地理教学中的应用地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 尚志中学 曹庆友 地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 1 摘摘 要要 实验是学习自然科学重要方法之一 对于地理教学具有重要意义 目前高中自然地理 教学中实验教学还不完善 方法需要改进 实验过程需要规范 本文通过对比当下高中物理 化学 生物课程中的实验教学和美国中学地理实验课程设计的特点 定义高中地理实验为 一个广义的概念包括 地理观测 地理考察 地理实验 地理调查 地理模型制作和模拟 实验等 总结高中自然地理实验的特点 把高中自然地理实验分为习得实验和发现实验 设计符合中学地理课程的地理实验 锋面形成模拟实验 土壤微生物分解作用 洪积扇形 成模拟实验 探索地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 突破教学重点 难点 培 养学生思考和解决问题的能力 培养学生的地理科学素养 最后 总结目前高中地理实验 存在问题 高中自然地理实验不规范 缺少适合高中自然地理教学的实验资源 自然地理 实验教学理念的缺失 针对地理实验存在的问题提出改进方法 关键词 关键词 地理实验 地理教学 地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 2 1 1 中学自然科学课程实验教学情况述评 中学自然科学课程实验教学情况述评 1 11 1 开展地理实验的意义开展地理实验的意义 自然地理学与物理学 化学 生命科学同属自然科学 探究自然规律最基本 最重要 的方法就是观察和实验 实验是学生学习自然科学主要途径之一 同时也是教师教学重要 方式 参与者通过实验可以培养的科学素养 增加科学兴趣 提高科研能力 因此实验对 于教学有着多方面且巨大的帮助 地理学虽然属于自然科学 在高中地理学却被划归到高考文科类科目中 对于实验教 学的重视程度无法与高中物理 化学 生物相比 现在的高中自然地理教学中地理实验还 停留在仅有少量活动和演示的阶段 没有正规的实验课程 因此 探索地理实验教学在高 中自然地理教学中的应用具有重要意义 1992 年国际地理联合会地理教育委员会在 地理教育国际宪章 中提出 学习地理应 鼓励学生进行质疑和探究 探究过程将会鼓励学生提出问题和困难 收集和组织信息 处 理资料 分析资料 评估资料 发展通则 作出判断 作出决定 齐心合力参与集体工作 知行合一 1 1996 年初美国国家科学院在 国家科学教育标准 中把国家科学教育标准分解为 科 学教学标准 科学教师的专业进修标准 科学教育的评价标准 科学内容标准 科学教育 大纲标准和科学教育系统标准 6 个要素 深刻剖析了每个要素并阐述了这些要素之间的相 互联系 这部基于当今的最佳实践而制定出来的标准 不仅对所谓的具有科学素养的人作 出了十分具体的构想 也为美国的教育系统规划出把这种构想变成现实所应取的具体行动 路线 美国国家科学教育标准在针对 科学教学标准 这一节中的指导原则认为 学习科 学是种能动的过程 学校的科学要反映作为当代科学实践之特点的理性传统与文化传统 2 2003 年 普通高中地理课程标准 实验 中提出了地理课程的基本理念 重视对地 理问题的探究 倡导自主学习 合作学习和探究学习 开展地理观测 地理考察 地理实 验 地理调查和地理专题研究等实践活动 3 1 21 2 理科实验教学情况述评 理 化 生实验教学 理科实验教学情况述评 理 化 生实验教学 高中理科实验内容丰富 实验与课程紧密配合 教师示范与学生实验合理开展 对课 程的学习起到促进作用 教师示范常伴随新课程的讲授进行 通过观察实验现象 思考现 象背后的原理起到加深印象的重要作用 学生实验作用多为验证知识 培养 检测实验能 力 在实验之后通常还有实验题 实验设计题等题型来巩固知识 拓展能力 同时学科发 展过程中经典实验被引入教材 帮助理解 促进学习 学科 实验 主体 必修 1必修 2 必修 3 选修 学生 实验 655 物理 教师 示范 545 学生 实验 442 化学 教师 示范 875 生物 学生 实验 323 地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 3 教师 示范 622 学生实验为教材中实验课 教师示范为教材中展示或描述的实验 表 1 人教版高中理科教材实验统计表 1 31 3 美国中学地学实验教学情况述评美国中学地学实验教学情况述评 2002 年浙江教育出版社出版美国中学教材 科学探索者 丛书 这套书把地理课程学 习的内容分别编到以天文学 地球内部 地表的变化 地球上的水 天气与气候 环境科 学为主的几本分册中 科学探索者 作为中学教材更侧重研究型学习 与现在高中地理课 程教材具有较大差别 2008 年浙江教育出版社出版 科学发现者 丛书 科学发现者 地理地质学 环境与宇宙 作为美国中学的主流教材之一 的内容设置 课程安排与高中 自然地理教材更为接近 这套教材与高中课本相比 重视知识讲解 同时将发现知识的过 程 思想与方法引入到教材中 使学生了解科学发现的过程 广泛利用各种教学资源 通 过不同类型的实验 训练学生的实验操作技能 从多个侧面培养和引导学生的科学素养 很好的体现了国家科学教育标准的要求 鉴于美国中学地理科学课程教材中的实验设计 何美龙从实验分类的角度出发 把中 学地理科学实验按实验类型分为 6 个不同维度 4 实验类型备注实验类型备注 室内 模拟实验实验 场所野外 实验真实性 真实实验 学生 实验 综合实验 实验 主体教师 示范 实验项目性质 单一实验 个人 习得实验 实验 形式 团体 合作 实验学习目标 发现实验 美国中学实验设计中的主体类型 表 1 美国中学实验设计类型 2 2 高中自然地理实验的特点 高中自然地理实验的特点 2 12 1 地理实验的定义地理实验的定义 实验是设计用来检验一个理论或证实一种假设而进行的一系列操作或活动 是科学研 究的最基本的方法之一 针对地理试验的定义有以下几种主要观点 东北师范大学曹琦认为 地理实验法是运用一定的器材和设备 人为地使所要学习的地 理事物和现象及其变化过程表现出来 以获得和验证地理知识的方法 5 华东师范大学段玉山在 地理新课程教学方法 中提出 地理实验法是指学生在教师 的指导下 通过实验 得出结论 从而完成既定学习任务的教学方法 实验同样也是地理认知 过程中的重要手段之一 6 福建师范大学袁书琪在 地理教育学 中指出 地理实验除了模拟展现地理过程 广义 的地理实验还包括教师在课堂实施的实物演示 地理实验既包括实验室里的实验 也包括地 理观察 野外考察和调查等教学活动 7 地理实验属于实验 但是与其他科学实验具有一定差别 我认为 在中学地理课程中 可以根据实验性质把实验分为习得实验和发现实验 习得实验目的是有效生成教学过程中 的知识 让学生借助实验得出结论 理解知识 发现实验的特点是设计简单 便于操作 地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 4 需要学生注意观察 因此实验要求形象直观 图图 1 1 高中地理习得性实验流程图高中地理习得性实验流程图 图图 2 2 高中地理发现性实验流程图高中地理发现性实验流程图 得出结论 设计地理实验 作出猜想或假设 进行实验 分析实验结果 提出地理问题学习地理知识 印证地理知识 观察总结实验现象 地理知识 提出需要发现的知识 设计实验 教师示范实验学生发现实验 地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 5 从学习对生活有用的地理这一角度出发 使地理课程与自然环境结合 与现实生活结 合 我认为高中阶段自然地理实验应该是一种广义的概念 包括地理观测 地理考察 地 理实验 地理调查 地理模型制作和模拟实验等 图图 3 3 高中地理实验包含内容高中地理实验包含内容 2 22 2 高中自然地理实验的特点高中自然地理实验的特点 学科综合性强 涵盖范围广 高中地理学实验涵盖物理 化学 生物 天文 环境科 学等自然科学研究领域 实验涉及范围广 内容庞杂 对学科综合能力要求高 是高中其 他自然科学课程实验无法比拟的 地理学实验内容庞杂对其他基础科学有较强的依赖性 许多地理学实验需要物理 化学 生物等学科的知识作为实验前的基础知识 例如 岩石 的风化 是地理科学原理中经典的内容 由于其原理涉及到物理 化学 生物等学科 使 得岩石风化原理在地理课上给学生讲述透彻必须引入其他学科内容 增加了课程的压力 另 外 由于岩石风化过程时间尺度相对较长 使得在短暂地理实验课程中难以实现 实验以模拟为主 高中所学地理事物和地理过程大部分具有时间尺度长 空间尺度大 的特性 这种地理事物不可能完整的在课堂内还原 为达到教学目的 在保证地理事物成 因原理不变的前提下 实验需要被抽象 模拟 缩小 简化 这些影响因素导致大多数高 中自然地理实验以模拟实验为主 地理科学实验较为复杂 自然地理学实验的实验材料或实验环境往往来自室外环境 因此 实验材料或实验环境的不可控性相对较高 外界的干扰因素较多 增加了实验的复 杂性 另外 实验材料来自野外 取回室内进行实验通常需要处理 加工才能进行深入研 究 从实验的周期上看 一些地理科学实验材料的收集周期较长 实验周期较长 现象观 察周期较长 这些影响因素都增加了地理科学实验的复杂性 3 3 高中自然地理实验教学的价值 高中自然地理实验教学的价值 3 13 1 突破教学重点 难点突破教学重点 难点 在学习地理知识的过程中 由于一些地理事物的空间尺度大 时间尺度长 使得这些 地理事物在生活中不易观察 较为抽象 教师授课时不易描述其特点或学生理解时存在疑 惑 对进一步的学习形成一定的阻碍 这时地理实验可以将抽象的地理现象或地理事物具 体化 形象化 或为地理知识的学习作为引导材料 或成为地理问题的理解的突破点 例 如 模拟锋面的形成 实验目的实验目的 通过模拟实验 将抽象的地理现象具体化 让学生理解冷 暖气团和锋面 实验准备实验准备 高中地理实验 地学模拟实验 地理模型制作 地理考察 地理调查 地理观测 地理实验 地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 6 长方形玻璃缸一个 宽度略小于玻璃缸宽度的玻璃隔板两块 可作为密封条的材料 防水胶带若干 食盐 红 蓝墨水若干 制作方法制作方法 将密封材料裁成窄条 中间开一条浅槽 用防水胶将其牢牢地粘在玻璃缸底部中线和 相连的两侧位置 形成一条防水导槽 把玻璃隔板插入导槽 这样就将玻璃缸分成体积相 等 防水隔板分开的两部分 在鱼缸隔板的两侧分别灌入温水和冷水 在温水中加入红墨 水 在冷水中加入蓝墨水以示区别 演示时 迅速撤出隔板 两种颜色的水相遇后 蓝色 水 代表冷气团 将沉入红色水的底部 红色水 代表暖气团 将停留在玻璃缸顶部 两 层水会保持分层状态 基本不混合 把玻璃缸中的水倒掉 换上同样温度的水如冷水 分 别加入红墨水和蓝墨水 并在蓝水中加入一定量的食盐 重做上述演示 观察现象 学生 会提出各种问题并通过独立研究找到答案 例如 如果水中不放盐结果会怎样呢 如果两 种颜色的水温度不一样 会是什么结果呢 两层的水温相差多少呢 可组织学生做定量试 验 拓展实验拓展实验 在上述实验的基础上可以分别对冷锋过境和暖锋过境进行模拟实验 1 将另外一块玻璃板插于冷水一侧 撤出中间隔板后缓慢地平行推动玻璃板 模拟 冷锋过境 2 与上同理 将另外一块玻璃板插于温水一侧 撤出中间隔板后缓慢地平行推动玻 璃板 模拟暖锋过境 实验注意实验注意 对于冷暖气团的尺度问题需要注意 可以在玻璃缸上标注比例尺或参考模型 方便学 生观察理解 对于时间尺度 需要教师强调 3 23 2 通过实验培养思考和解决问题的能力通过实验培养思考和解决问题的能力 实验是自然科学研究的基本方法 针对培养学生思考和解决问题的能力 可以针对课 程内容 设计合理问题 由学生设计实验 例如 土壤微生物的分解作用 土壤中生活着肉眼看不见的细菌 丝状真菌和呈放射状的放线菌 这些生物的数量是 极其繁多的 例如 一茶匙表层土可能就含有亿万个细菌 由于各地气候与环境等因素不同 落叶在土壤中被分解的时间也是不同的 一般在温 暖 湿润的环境中 落叶分解需要 1 至数月时间 提出问题提出问题 在本小组内交流平时观察到的有关现象 比如冬天和春天树林中落叶层的厚度有没有 差别 春耕时从土壤中翻出的花生果实室社么模样 还能不能吃 等等 提出自己感兴趣 的问题 在小组内讨论 确定本小组要探究的问题 对提出的问题进行分析 说说关于这一问题你具备哪些相关的知识 比如 花生果实 可能是收获是遗漏的 也可能是田鼠储藏的 不同厚度落叶层的内部温度和湿度可能不同 等等 通过上述交流 你会更加明确自己想探究的是什么问题 进而确认实验的变量 作出假设作出假设 根据自己的已有知识和生活经验 尝试对提出的问题进行解释或回答 设计实验方案设计实验方案 自然界存在着许多不可控制的因素 它们可能影响你的判断 因此 有关分解者作用 的探究 最好在实验室进行 这样可以更好地控制实验变量 下面是两个探究案例 分析这两个案例 可能对你设计实验有所帮助 实验 1 地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 7 落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗 以带有落叶的土壤为实验材料 采用对照实验的方法 设计实验组和对照组 对照组 的土壤不做处理 自然状态 实验组的土壤要进行处理 以尽可能排除土壤微生物的作用 同时要尽可能避免土壤理化性质的改变 例如 将土壤用塑料袋包好 放在 60 恒温箱中 1h 灭菌 实验 2 探究土壤微生物对淀粉的分解作用 1 将取自农田 林地或花盆等处的土壤放入里面垫有厚纱布的烧杯中 加水搅拌 然 后将纱布连同土壤一起取出 将留在烧杯中的土壤浸出液静置一段时间备用 2 另取两只烧杯 编号 A B 放入等量淀粉糊 在 A 烧杯中加入 30mL 蒸馏水 3 在室温 20 左右 下放置 7 天后 分别取 A B 烧杯中的溶液 20mL 各放入两支 试管中 分别编号为 A1 A2 B1 B2 4 在 A1 B1 中加入碘液 在 A2 B2 中加入斐林试剂 5 观察试管中溶液的颜色变化 记录实验结果 通过小组讨论 确定本小组的实验方案 进行实验进行实验 实验过程中要注意控制变量 让实验和对照组除自变量以外的条件保持一致 本实验 可能要等几天甚至几周以上的时间才能出结果 因此要有计划的观察和记录 地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 8 分析结果 得出结论分析结果 得出结论 实验结果是否支持所作的假设 实验结论是什么 表达和交流表达和交流 完成实验报告 在班级内进行交流 听取其他同学的质疑 对本组的实验进行解释和 说明 如果有必要 对应实验方案进行修改和完善 3 33 3 培养学生的地理科学素养培养学生的地理科学素养 通过实验 在学生学习地理知识和原理的同时 培养学生对地理事物抽象概括能力 地理现象的观察力 地理问题判断预测能力 地理过程推理演绎的能力 科学实验的设计 能力 实验数据结果评价组织能力等方面 这些能力的培养不止停留在地理科学素养方面 对以后学生其他学科的学习都至关重要 实验设计 推理演绎 理解解释 评价组织 判 断预测 抽象概况等方面的能力 例如 山前洪积扇形成的模拟实验 山前洪 冲 积扇 形成的时间尺度与洪 冲 积扇的空间尺度是不可能被直接引入课堂的 因此 通过此类 模拟实验旨在培养学生地理科学的学科素养 实验目的实验目的 理解洪 冲 积扇的形成原理 洪 冲 积扇形成的影响因素 实验准备实验准备 粒径不同的细沙 清水 不同宽度的长直凹槽 方格纸 支架 进行实验进行实验 1 把粒径不同的细沙均匀的混合好 分成若干等份 2 将方格纸平铺在桌面上 3 调整记录支架的高度 在支架上放上凹槽 4 将混合好的细沙自凹槽顶部以恒定的速度缓慢倾倒 记录细沙在方格纸上的形状 5 分别调整支架高度与凹槽形状 观察细沙在方格纸上留下形状的异同 并总结规律 实验现象观察总结提问实验现象观察总结提问 洪 冲 积扇的形状是否与凹槽的形状有关 洪 冲 积扇的形状是否与支架的高度 有关 洪 冲 积扇的形状与细沙的量是否有关 洪 冲 积扇里的细沙是否有分层现象 如果有分层规律是怎样的 拓展实验拓展实验 将细沙中加入一定量的水 重复上述实验 并与干细沙形成洪 冲 积扇进行对比 观察洪 冲 积扇形状的差异 洪 冲 积扇内部细沙分层状况如何变化 改变水量 重 复实验 观察水量的变化对洪 冲 积扇的形状有怎样的影响 水量的变化对洪 冲 积 扇里的细沙分层现象是否有影响 4 4 高中自然地理实验教学存在的主要问题 高中自然地理实验教学存在的主要问题 4 14 1 高中自然地理实验不规范高中自然地理实验不规范 地理实验与物理 化学 生物实验相比 课本中的实验明显不够规范 这种不规范主 要体现在实验过程和实验器材 地理实验没有正规系统的实验过程 一个完整的地理实验流程应包括以下基本步骤 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验 得出结果 得出结论 针对学生实验 高中 自然地理教材需要设计符合实验基本步骤的实验课程 对于教师演示实验 要求实验步骤 要简明扼要 实验现象要易于观察 实验结果要科学规范 教材要标明 有条件的情况下 应进行演示实验 如何准备实验 按照具体步骤进行实验 实验要观察到什么现象 实验 现象所反映出的问题 如果完全按照教师的教学设计 地理实验的科学性和规范性是无法 地理实验教学在高中自然地理教学中的应用 9 保障 地理实验没有对应的实验设备 与中学物理 化学 生物相比地理课只有地球仪 地 图 经纬仪等演示器材 没有专门针对教学的实验器材 在实际教学中 地理教师大多因实 际条件选择其他教具替代教学器材 有较强的随意性 例如 山地的形成 有关褶皱山形 成的教学中 部分教师用书本代替岩层 这种替代不利于学生对背斜顶部张性节理的理解 进而影响对地形倒置的理解 这虽然在一定程度上可以帮助学生理解一些地理现象原理 但对学生科学素养和探索实践能力的培养没有任何帮助 因此对地理科学实验器材的规范 和应用是亟待解决的问题 4 24 2 缺乏合适的地理实验资源缺乏合适的地理实验资源 地理学学科发展过程中缺乏经典的实验可供参考 学习 地理与物理 化学 生物学 相比 地理对实验的依赖性不如这三门学科 在地理学的发展过程中地理学者更注重对地 理事物和地理现象观察 描述 而非地理事物和地理现象的实验模拟 自然地理原理的实 验验证 由于在自然环境中影响因素复杂多样 实验对各种变量不易控制 模拟 使得地 理事物和地理现象很难在实验室中重现 因此 在地理学发展过程中有许多经典的地理学 模型 却没有经典的地理学实验 实验的学科交叉性 一些属于地理学范畴的实验 在高中被划分到其他学科 例如 土壤中小动物群类丰富度的研究 是地理学与生态学的交叉 是很好的地理实验素材 但 在高中被划分到生物学中 关于晶体的学习被划分到高中化学部分学习 在地理教学中没 有涉及 使得矿物岩石的鉴定没有出现在高中地理课程中 4 3 4 3 中学自然地理学科实验理念的缺失中学自然地理学科实验理念的缺失 自然地理虽然属于理科 但是在高中却被划分为文科学习内容 故而实验的重要性被 削弱 高中文科教学要求学生对知识的记忆 学习和理解 并不重视对实验 实践能力的 培养和证据在探究问题时的作用 因而 绝大部分高中文科根本没有开设实验课程 大部分文科教师不重视实验教学 实验教学对于历史 政治等学科的教学意义不大 因而受到忽视 人文地理与历史 政治等人文科学关系密切 实验教学的作用被低估 人 文地理实验与自然地理实验相比更为稀少 地理教师受到环境和课程内容安排的影响 容 易忽视高中自然地理实验教学的重要性 甚至缺乏需要进行自然地理科学实验的理念 纵观历年高考试卷 物理 化学 生物三科中 实验题和实验设计题都是必考题目 通过实验考察学生对本学科的理解程度和运用能力 地理试卷中绝少出现实验题和实验设 计题 基本没有对学生实验或