让学生在地理实验中提升科学素养：以“利用太阳光线测算地理坐标”实验为例

上海市桃浦中学（200331）梁 璐

一、准备阶段

1.实验项目选择

理由一：高一地理的第一篇内容就是宇宙与地球，其中地球运动是重点和难点。在学习完相关知识后，开展“利用太阳光线测算地理坐标”的实验，有助于巩固学生对相关知识的理解，落实相关的地理科学知识。

理由二：实验器材简单。

理由三：实验单次观测时间短，不会占用学生太多的课余时间。

2.实验时间的安排

时间安排在10月底期中考试之后至12月22日冬至日的课余时间。此时，有关于地球运动的教学已全部结束，考虑到普通中学的学生的学习能力，教师在期中考试中安排关于立杆测影长的相关试题作为铺垫。

3.实验的实施方法

为了提高学生的科学探索能力，发挥学生学习的自主性，此次地理实验完全采用学生自主设计、自主实验、自主总结，教师仅起指导作用。

通过实验培养学生观察能力、操作能力、获取信息和处理信息能力；提高学生发现问题、提出问题及试图用各种方法解决问题的意识；掌握科学探索方法。

4.规划实验原理，提出难点问题

（1）选一块平坦开阔的空地，将木杆垂直插入地上。

（2）确定木杆最短影长出现的时间（思考：如何找出最短影长？）。

（3）通过最短影长出现的时间计算当地的经度（写出计算方法和过程）。

（4）根据最短影长的长度计算正午太阳高度角，并写出公式说明如何通过正午太阳高度计算当地纬度。

其中，如何运用所学知识解决难点一问题（2），是学生在实验过程中最大的考验。为此教师预设了解决方法“奎测法”，如图所示。

二、实践阶段

1.合理分组，布置任务

由于实验对学生地球运动的地理知识要求较高，因此在普通中学让全体学生参加并不合适，所以教师采用自主报名的方法，让有兴趣和学有余力的学生参与其中。最终有8位学生报名。教师根据学生的具体情况分为两组，布置任务：根据所学知识如何利用太阳光线测算学校所在地的地理坐标，设计实验，两组竞争，看哪一组测算的更准确。

2.分组讨论，设计实验

由于有期中考试试题的提示，两组学生都想到了立杆测影长测算地理坐标，通过找到出现最短影长的时间计算经度，通过冬至日的最短影长计算当地纬度。

并且主动寻找合适的实验器材如：向体育老师借标杆和皮尺，自己准备精确到秒的电子表，设计实验记录单等。

3.难点突破，发现惊喜

在实验的设计过程中，两个小组都轻易地突破了问题（3）和问题（4），而对问题（1）“如何找到最短影长”，两个小组都遇到了困难。

第一小组起初并没有重视这个问题，而是根据上海地区经度约为121°E，决定在中午12点前后直接测量，找到最短影长，而指导教师并没有指出问题，而是建议他们去实际操作一下。经过实际操作后，学生们发现，很难确定什么时间的影长才是最短影长，经历了第一次失败。

经过讨论，他们进一步得出杆影指向正北方向时，为最短影长，并探讨出了利用“奎测法”寻找正北方向。

方法找到后，在实际操作中却遇到了困难，奎测法需要较长的观测时间，而小组成员都要上课，只有中午11点45分后，才有时间进行观测，而所画的圆弧也不标准，所以观测了几次，都没有找到正北方向。这点与教师预设不同。

经历了再一次的失败后，小组成员又坐在一起讨论如何在较短的时间内准确地找到正北方向，突然有个学生说到：“之前怎么没想到指南针呢？”。在增加实验器材，重新调整实验方案之后，第一小组完成实验，在冬至日大致测算出学校的经纬度。

而第二小组的实验过程更出乎教师的预料。

在解决了问题（3）和问题（4）之后，对如何找到最短影长，他们想到了一个全新的方法。

他们提出不考虑影子指向的方位，从日出到日落一天的影长变化与时间的关系应该符合二次函数规律，那只要随意测出一天中任意三个时间的杆影长度，计算出这个二次函数y=ax^2+bx+c中a、b、c的值，就能够算出最短影长时X与Y的值，得出最短影长的时间。很快他们就测算出了三组数据，大大减少实验时间，也降低了实验的观测难度。但他们的困难是将所测数据进行计算时遇到的。

困难一：时间是60进制，而影长是十进制的。

困难二：数字繁琐，计算出的数值不是整数，而是无限不循环小数，四舍五入后误差较大。

困难三：计算量极大，非常繁琐。解决方法：（1）将时间换算成秒。（2）数值选取到小数点后25位，能比较精确地计算出二次函数。

（3）充分利用计算机，得出数据。

得出结论：a=0.00000004704035390856

b=-0.0040209030750950817525540724467684

c=94.71095405236754442894

因为 y=ax^2+bx+c 且a>0 b<0 c>0

所以ymin=4ac-b^2/4a

即：ymin时x=-b/2a

所以x=42838.86930050703………

42838约为11时53分58秒

进一步得出学校的地理坐标为（31°23′19″N，121°30′30″E）

两个小组的这次地理实验都不太顺利，经过多次失败，但在实验的过程中，学生们并没有因为不是必须完成的作业而放弃，没有因为遇到困难而退缩，而是迎难而上，真正体验到学习地理的无穷乐趣，也使教师品尝到实验教学本身所蕴涵的生命活力。就如一个学生在实验感想中写到的“用自己所学过的知识，在苦思冥想之后，用自己想出的方法做一些由我们自己全权负责的实验，这样的感觉真的很好！”

此外，两个小组所采用的方法都不是教师在布置实验任务时预设的奎测法，整个实验过程的主体都是学生。教师在整个过程中面对现象不明显，或与原有设想有所差异时，没有直接指出问题，而是积极引导学生反思原因，设想改良措施，思考如何充分利用“失败”这种教学资源，启发学生更全面地理解地理知识。

实验结束之后，通过反馈不难看出，此次实验在落实地理知识，培养学生地理科学能力，掌握地理科学方法，提升地理科学品质方面都取得良好的效果。但科学素养的培养、提高并非易事，而是一项长期而艰巨的工程。我们只有不畏艰辛，勇于创新，在教学过程中，注重实践与教学内容的有机融合，注意方法上的灵活性，形式上的多样性，这样才有助于培养和提高学生的科学素养。