地理教科书中实验方案的优化设计——以“模拟海陆热力性质差异”实验为例

周 旸郝丽媛

（1. 内蒙古师范大学 地理科学学院, 内蒙古 呼和浩特 010022; 2. 绥棱县第一中学, 黑龙江 绥化 152200）

地理教科书中实验方案的优化设计——以“模拟海陆热力性质差异”实验为例

周 旸1郝丽媛2

（1. 内蒙古师范大学 地理科学学院, 内蒙古 呼和浩特 010022; 2. 绥棱县第一中学, 黑龙江 绥化 152200）

中学地理实验教学的目的在于改变学生的学习方式、提高学生探究能力和培养学生的地理核心素养，但因我国地理实验教学起步较晚，专门的地理实验室和地理实验仪器还不够完善。因此，中学地理教师既要科学、严谨地设计可行的地理实验方案，又要在现有实验方案的基础上优化设计和利用，才能使地理实验教学常态化，从而提高地理课堂教学效率。

对比我国四个版本高中地理教科书中的活动和实验、已公开发表的地理实验文章和地理实验专著中的实验方案的设计，不难发现，现有的实验明显地存在着探究性、简易性、可操作性和可视性等优点，但同时也存在着一定的不足之处。笔者将以中国地图出版社出版的地理第一册第二章第一节探索部分的“模拟海陆热力性质差异”实验为例，谈一谈如何利用现有实验方案进行优化设计和利用。

探索：模拟海陆热力性质差异[1]

1.准备一个100瓦的白炽灯，用它演示太阳辐射。把两个烧杯分别装满300毫升水和干沙，并排放在一起。把两只温度计分别埋入水和沙中约0.5厘米。如图1所示。

图1　

2.测量水和干沙的温度，并记录下来。因为都在温室状态下，它们的温度应该相同。

3.打开白炽灯，照射两个烧杯、观察并记录照射5分钟和10分钟后水和沙的温度。

4.关掉白炽灯，观察并记录照射5分钟、10分钟后水和沙的温度。

思考：你发现了什么现象？如何解释这种现象呢？

本实验设计的优点：1.取材简单。实验所需材料多是化学实验仪器和普通的日常用品，没有专门的地理实验器材，地区适宜性广，各地区都可以结合自身学情和校情，直观地模拟海陆热力性质差异，解释相关现象及其原理。2.操作简便。本实验设计步骤简单、操作方便，无论教师演示还是学生操作，无论是在课内还是课外均可灵活展开。3.可视性强。通过观察温度计示数变化，很容易得出实验结果，进而分析出实验结论。

本实验设计的不足：1.严谨性不足。在过于简单的实验设计中，由于实验材料、实验环境等因素与实际状况可能存在一定差异，实验不能科学地模拟地理现象和地理规律发生、发展过程，严谨性略显不足。如在本实验中用白炽灯模拟太阳光照，与实际情况略显不符。在实际测量海陆温度时，是测定海洋和陆地表面的空气温度，而非测量海水和陆地土壤本身的温度。2.实验结果的生成性很大。简单的实验条件和没有明确的实验要求一般会导致实验操作过程和实验结果存在一定的不确定性。如本实验模拟海陆的热力性质差异，实验操作环境相对开放，容易受室内环境因素如空调、门窗处的气流等因素的影响，会干扰实验结果。

基于以上优点和不足，地理教师不应完全照搬，而应重视对其进行科学、合理的改进，以充分挖掘本实验的教学价值。笔者紧紧围绕教学目标，不断实验和改进，先后展开了三次实验，对上述实验方案设计进行了重新优化设计，使其更加完善。具体的实验方案设计如下。

实验名称：模拟海陆热力性质差异

实验目的：通过模拟海陆吸热和放热的过程，说出导致海陆热力性质差异的原因。通过实验数据的收集与处理，培养绘图能力。

实验材料：透明水槽（带透明盖子和中间挡板）、白炽灯泡、凹镜、温度计两只、500ml水、500g干燥的土壤和细沙的混合物、少量食盐、铁架台、白纸两张、薄纸壳若干张。

实验步骤：

1. 在桌面铺上一张白纸，其面积要求以大于水槽底部为宜。

2. 将透明水槽放在白纸上，水槽一端倒入500ml水，同时倒入少量食盐；另一端倒入500g干燥的土壤和细沙混合物。

3. 用薄纸壳制作成一个微型百叶箱，并将其固定在温度计的水银球上。

4. 在水槽透明盖上左右两侧的中间位置开两个小孔，孔的大小以刚好穿过温度计为宜。

5. 将步骤3中的温度计穿入到步骤4中的透明盖上。

6. 盖上水槽盖，同时将两只温度计一端固定在铁架台上，另一端水银球外包裹微型百叶箱的部分以高于水面和细沙面1cm左右为最佳。

7. 调整白炽灯与水槽的位置，使其正对水槽的中央，并保证两者距离约7～10cm之间。

8. 调整白炽灯与凹镜的位置，使白炽灯刚好在凹镜的焦点上（凹镜的焦距可在使用说明上查找）。

9. 记录此时两只温度计的示数，并将数据填到实验记录单上，如表1所示。

10. 打开白炽灯，每隔一分钟记录一次示数，连续10次，并将数据填到实验记录单上。

11. 关闭白炽灯，每隔一分钟记录一次示数，连续10次，并将数据填到实验记录单上。

探究：观察收集到的实验数据，动手绘制出温度随时间变化的曲线图，通过观察曲线变化，你能得出什么结论？

实验结论：在相同光照条件下，陆地升温比海洋快；在无光照条件下，陆地降温比海洋快。

探究：本实验结论的得出，所依据原理是什么？

实验原理：由于海水和陆地的比热不同，当吸收或放出热量后，陆地温度变化幅度比海洋大。

注意事项：1.白炽灯打开后，注意不要碰到白炽灯泡，以防烫伤。2.眼睛不要直视灯泡和凹镜内，以防伤害眼睛。3.微型百叶箱需要保证灯光不能直射到温度计的水银球。4.读数时，眼睛应平视水银刻度值，保持眼睛、刻度和水银柱顶端在同一条直线上。

表1　模拟海陆热力性质差异实验记录单

思考：1.在绘制温度随时间变化的曲线图时，纵坐标的起点温度你认为设置成多少最合适，为什么？

2.将绘制出的曲线图（见图2）与小组成员讨论，本实验的结论在自然界中什么地方体现最为明显？

图2　温度与时间变化曲线图

实验方案设计优化后的评价：1.突出科学性与严谨性。地理教学实验虽为模拟实验，但要对地理现象和规律的模拟尽量接近真实。优化后的实验方案设计，“太阳辐射”与测定温度都更接近真实情况。通过观察与记录温度变化，以及绘制温度变化曲线，培养学生的观察记录能力和绘图能力。优化后实验方案设计的“科学性”具体表现如表2所示。2.实验环境相对封闭。温度计所测温度为水槽内温度，由于环境相对封闭，外界环境如空调、门窗处的气流等一般不会影响实验。3.明确观察任务。通过设计实验记录单，使学生明确观察目的，通过问题的设置，强化学生探究问题与小组合作。通过对数据的处理，锻炼学生处理和分析数据能力。4.实验器材的可替代性。实验器材的设计留有一定空间，如透明水槽可用鱼缸代替。在没有凹镜的情况下可以用便携式应急灯、匀光现场勘察灯、手提式平行光勘察灯等代替。5.实验操作过程灵活。本实验设计操作简单、灵活，无危险性。虽预设了实验操作步骤，但可根

表2　

据具体情况灵活操作，引导学生认真观察、分析每次温度计示数变化的结果差异。6.注重结果的分析与拓展运用。学生不仅需要动手操作，更要动脑思考，理性的分析地理现象背后隐藏的实质。实验操作过程中，预设一些具有启发性、探究性的问题，以引导学生思考，通过更深刻的思考研究，得出更有价值的结论，并能够迁移应用，从而培养学生的科学探索精神和地理学科素养。

[1]王民.地理必修第一册[M].北京:中国地图出版社,2009.