科学教学地球内部结构探究实验设计

地球内部结构（地壳、地幔、地核）的认知长期依赖间接证据（如地震波）与理论推演，对学生而言抽象且难以直观把握。新课标强调“以探究为核心”的科学教学，要求学生通过“做中学”建构对复杂概念的理解。本文设计的地球内部结构探究实验，以模型建构为载体，结合地震波模拟与拓展探究，帮助学生在实践中理解圈层结构的分层特征、物质状态及动态互动，兼具知识传递与思维培养的双重价值。一、实验教学目标（一）知识维度明确地球内部圈层（地壳、地幔、地核）的分层依据（密度、地震波传播）、物质组成（岩石、硅酸盐、铁镍）及厚度差异（地壳薄、地幔厚、地核占半径近半）。（二）能力维度通过模型建构提升空间想象与动手能力，借助地震波模拟培养“基于证据推理”的科学思维（如从波的传播差异推断地核状态）。（三）素养维度体会科学研究中“模型与类比”的方法论（用黏土、金属球等简化模拟地球内部），理解人类对地球内部的认知是“间接观察+逻辑推演”的过程，而非直接感知。二、实验原理与理论支撑地球内部因密度、温度、压力的梯度变化形成圈层结构：地壳：最外层，岩石组成，密度最小（2.7-3.0g/cm³），平均厚度约17km（大陆厚、海洋薄）。地幔：中间层，硅酸盐物质为主，密度随深度增至5.5g/cm³，厚度超2800km，上部（软流层）因高温呈塑性。地核：核心层，铁镍为主，密度达13g/cm³，外核（____km）因高温高压呈液态，内核（>5150km）因超高压呈固态。地震波的“透视”作用是认知地球内部的关键：纵波（P波）可通过固、液、气介质，横波（S波）仅能通过固体。通过模拟P、S波在模型中的传播，学生可类比真实地球中“P波能通过地核，S波无法通过外核”的现象，推理地核外核为液态、内核为固态的结论。三、实验材料与工具（一）模型建构材料黏土（3种）：轻质黏土（浅灰，模拟地壳，可塑性弱、密度小）、黏性黏土（深褐，模拟地幔，可塑性强、密度中）、高密度黏土/金属球（金属色，模拟地核，密度大、硬度高）。食用色素（辅助染色，区分圈层）、透明半球模具（或气球，辅助球形塑形）。（二）地震波模拟工具弹簧（长约30cm，模拟P波的压缩-拉伸传播）、细绳（长约30cm，模拟S波的横向抖动传播）。小锤/探针（激发振动，模拟地震源）、直尺（测量圈层厚度）。（三）记录工具实验报告单（含“圈层比例设计”“波传播现象”“我的推理”三栏）。四、实验步骤与探究活动（一）模型建构：分层还原地球结构1.比例设计（教学简化版）以“地球半径10cm”为基准（便于操作），按真实比例简化：地壳：厚度0.5cm（突出“薄”的特征，实际比例约1/____）。地幔：厚度4.5cm（覆盖地核外，实际比例约1/600）。地核：半径5cm（占模型半径的1/2，与真实地核占地球半径的比例一致）。2.材料处理与组装地核：将金属球（或高密度黏土球）置于模具中心，作为核心。地幔：取黏性黏土，揉成球后压平，包裹地核，厚度约4.5cm，用直尺修整边缘，确保球形。地壳：取轻质黏土，擀成薄饼（厚度0.5cm），覆盖在地幔外层，用小刀划出大陆（厚）、海洋（薄）轮廓，或板块边界（如喜马拉雅山、大西洋中脊）。（二）地震波模拟：探究内部结构的“证据”1.P波（纵波）模拟操作：将弹簧一端固定，另一端轻敲模型地壳表面，观察弹簧的“压缩-拉伸”波向地核传播的过程（记录速度、是否通过地核）。现象：波能顺利通过地壳、地幔、地核（因模型中地核为固态，实际外核为液态，但模型简化为固态以突出“P波能通过液态”的核心逻辑）。2.S波（横波）模拟操作：将细绳一端系于模型地壳表面，横向抖动细绳，观察横波的传播（记录是否能通过地核）。现象：波能通过地壳、地幔，但无法通过地核（模型中地核为固态，实际外核为液态，此处通过“模型局限性+理论讲解”引导学生理解：真实地球中S波无法通过外核，故外核为液态）。3.推理与讨论引导学生思考：“为何S波无法通过地核外核？”结合“横波仅能通过固体”的知识，推理地核外核为液态；再通过“内核因高压呈固态（模型中金属球模拟）”的拓展，理解地球内部状态的复杂性。（三）拓展探究：圈层互动与板块运动1.板块俯冲模拟材料：用“高密度黏土（海洋地壳）”和“低密度黏土（大陆地壳）”制作两块板块，厚度分别为0.3cm（海洋）和0.7cm（大陆）。操作：将海洋板块以30°角推向大陆板块，观察“俯冲”现象（海洋地壳插入地幔，地幔物质上涌形成火山，大陆地壳隆起形成山脉）。2.地幔对流模拟材料：透明容器（如烧杯）、带色糖浆（模拟地幔）、温水浴（模拟地核热源）。操作：将糖浆倒入容器，底部加热，观察糖浆的对流运动（热糖浆上升、冷糖浆下沉），类比地幔对流对板块运动的驱动作用。五、教学评价与反思（一）过程性评价模型建构：圈层比例的准确性（如地壳是否过厚）、物质区分的合理性（如地幔黏土是否体现“黏性”）。实验操作：地震波模拟的规范性（如弹簧/细绳的抖动方式）、现象记录的完整性。思维表现：能否用“地震波传播”的证据推理地核状态，能否解释“模型与真实地球的差异”（如地核实际外核为液态，模型用固态模拟的原因）。（二）成果性评价实验报告：圈层结构的描述是否清晰（厚度、物质、状态），“波传播现象”的分析是否逻辑自洽，拓展探究的创意（如设计火星内部模型，对比类地行星结构）。（三）教学反思材料改进：地核外核的液态模拟可尝试用“果冻+金属球”（果冻模拟外核液态，金属球模拟内核固态），但需注意安全性。比例优化：可提供“真实比例”（地壳0.02cm）与“教学比例”（地壳0.5cm）的对比，引导学生理解“模型简化”的必要性。认知迁移：需强化“从模型到真实地球”的思维桥梁，如播放地震波在地球内部传播的动画，对比模型实验的结论。结语本实验设计以“模型建构+证据推理”为核心，将抽象的地球内部结构转化为可触摸、可观察的实践活动。学