基于深度学习的中学地理实践活动改进策略及实施效果分析——以太阳视运动实践活动为例

程子序 刘文娟 金梓乔 霍 毓

（1.首都师范大学附属中学, 北京 100048; 2.北京市第一〇一中学温泉校区, 北京 100095;3.北京市第一〇一中学，北京 100091）

本文以北京市第一〇一中学和首都师范大学附属中学先后开展的两次太阳视运动实践活动为例，对如何设定深度学习目标、如何在实践过程中将学生获得的直接经验与教学内容建立关联等问题进行探索，并提出在实践活动中引导学生进入深度学习状态的教学策略。

一、初期实践活动的设计与实施

1.太阳视运动实践活动缘起

太阳视运动规律是以观察者为中心观察太阳的周日和周年视运动规律，它是理解地球运动原理的手段之一，有助于学生构建地理事象的时空观念、实现生活经验和地理原理相互转化，并进一步解释生活中的地理现象。观察者视角的变化和复杂的时空动态变化，使该内容成为地球运动部分教学的难点。

为此，笔者于2018年尝试在北京市第一〇一中学设计了“立竿见影”的太阳视运动实践活动，力求通过教师引导下的实践活动帮助学生进行时空的转换和构建，更好地理解地球运动的基本原理。

2.活动设计和组织实施

(1)活动方案制定

因直接观测和记录太阳视运动规律难度较高，教师计划采用“立竿见影”的方法，即通过观察一根小棍的日影在一日内方位和长度的变化，反推太阳视运动规律的思路，设计观测方案并提供观测记录单（见表1），引导学生开展活动。

表1 观测记录单

观测活动组织：将学生分为7组，每组6人，组长负责协调组内成员分工并组织观测。

观测地点选择：教师说明观测地选址条件，每组自行选择观测地点，经教师验收合格后观测。

观测时间要求：要求学生于秋分日前后，选择晴朗的一天进行观测，须涵盖当天的日出、正午和日落，其他观测时间自定，一般为课间。

观测方法指导：引导学生将4cm长小棍固定在圆形网格图（直径18cm）中心（见图1），依据观测记录单的要求进行观测和记录，并提供给学生北京地区冬至日和夏至日4cm长小棍在不同时刻的影子方位与影长情况表（见表2、表3）。要求学生利用数据资料绘制冬至日和夏至日圆形网格图。

表2 北京地区冬至日（12.21）4cm长小棍在不同时刻的影子方位与影长情况表

表3 北京地区夏至日（6.22）4cm长小棍在不同时刻的影子方位与影长情况表

图1 圆形网格图

观测结果呈现：教师讲解三角函数相关知识，提供0°到90°正切值三角函数表等资料，引导学生利用影子的方位与长短变化规律，推导一日内太阳的方位和高度变化规律。

问题1：太阳高度和日影长度成________，太阳方位和日影方位成________。

问题2：H为正午太阳高度角，TanH=_________/_________。

问题3：说出随观测时间推移杆影的方位与长短变化规律，结合正切值三角函数表，计算观测时刻的太阳高度，从而推导太阳的方位和高度变化规律。

(2)活动实施过程

制定活动方案后，教师要求各小组拍照记录观测过程，收集本组遇到的问题并思考解决问题的措施。

课堂教学过程中，学生依次展示分享小组观测过程和绘制的网格图（见图2）。

图2 某学生绘制的网格图

完成上述活动后，学生能初步感知太阳视运动现象。在此基础上，教师自制简易教具，进一步演示太阳视运动的规律，引导学生将俯视的数据转化为侧视图（见图3），帮助学生建立空间认知，得出相关结论。

图3 太阳视运动轨迹立体图（侧视图）

绘制要求：在图中用三种颜色的彩笔画出二分二至日太阳运动轨迹，并在图中写出节气名称。

方法提示：标注3个日期日出、日落、正午的太阳方位及高度。

值得注意的是，学生在实践活动中发现了新的问题。例如，部分小组发现12时小棍的日影并非最短，最初怀疑手机正北是否准确，随后发现可能是磁偏角问题，或是观测时未将坐标纸摆放到水平状态，最终通过小组合作解决了困惑。

3.活动实施效果

通过参与活动，学生观察、记录及整理数据的能力逐步提升，提高了发现问题和解决问题的能力，增强了学生学习地理的兴趣。

然而受学时限制，本项活动缺少对所学知识的迁移运用。此外，教师对活动的操作流程过于具体，虽提高了活动效率，但一定程度上限制了学生设计成果展示方案的思维过程。

二、深度学习视角下实践活动的改进策略

结合初期实践活动过程中出现的问题，笔者尝试在深度学习视角下对活动进行再设计，并于首都师范大学附属中学组织实施。

1.挖掘知识背后的意义，实施单元整体教学

深度学习强调学生“获得发展的有意义的学习过程”，其意义体现在能够将所学知识转化为学生的综合实践能力，用以解决生活中的实际问题。为此，笔者采用单元教学的方式，将单元学习主题确定为“如何摆放校园气象站中的太阳能电池板才能高效提供电能”，引导学生通过问题式学习，探索解决问题的方法，让学习真正发生，体会学习的意义。

(1)确定单元学习目标

① 通过开展观测活动并结合观测数据，归纳太阳视运动规律，理解太阳视运动规律与地球运动规律间的关系，初步形成动态研究地理事象的方法。

② 通过设计校园气象站中太阳能电池板的摆放角度，理解地球运动现象对人类生活的影响。

③ 通过运用太阳视运动规律解决校园中的现实问题，培养学生热爱学校的情感。

(2)创设驱动式情境

首都师范大学附属中学校园自动气象站可以监测风向、风速、气温、湿度和气压等实时数据，依靠太阳能电池板供电。自建成以来，气象站太阳能电池板的摆放角度始终向南倾斜，且常年固定，在部分季节存在供电不足的情况，需要市政用电进行补充。如何合理摆放太阳能电池板以提高效能，是师生关注的问题。

(3)确定任务群

从任务情境中挖掘出三个可供探究学习的问题：一天中太阳视运动的方向和高度有什么规律？一年中太阳视运动的方向和高度有什么规律？如何设计校园气象站中太阳能电池板的摆放角度才能高效提供电能？三个问题构成三个任务群。太阳能电池板的摆放问题情境，不仅具有学习价值，而且具有很强的开放性，探究内容贴近学生生活实际，学生有兴趣且有能力开展此探究活动。

(4)单元课时设计

单元教学共设计四课时，主要学习环节如下（见表4）。

表4 单元教学设计主要环节

2.创设挑战性学习任务，让学习真实发生

创设挑战性学习任务是教师对活动进行再设计过程中十分关注的问题。若任务设置过于简略，会导致学生对活动要求不够明确，降低活动实效。若任务设置过于详细，则减少了学生自主思考的空间，降低学习兴趣。为此，教师设计了两项挑战性学习任务（见表5）。

表5 挑战性学习任务及部分学生解决方案

两项任务较为开放，留给学生的思考空间充足，完成学习任务的前提是需要学生自主选择解决方案，拆解任务过程，综合调用地理、数学和信息技术等学科知识展开主动的学习活动，学生在克服困难的主动活动中获得发展。

3.找准学生最近发展区，搭建学习“脚手架”

(1)开展学情分析启发学生自主设计方案

分析学情是找准学生最近发展区的关键，教师通过观察、访谈等方式，了解学生在此前参与实践活动中的表现。以挑战性学习“任务1”为例，学生曾开展观测月相实践活动，在确定月球位置的环节，曾尝试用拳头估算月球高度角（水平叠放一只拳头的高度角约为10°）。基于学生在观测月相活动的体会，教师在开展“任务1”之前，设计以下问题链启发学生自主设计方案。

如何观测太阳的位置？可否借鉴观测月相的方式，直接用肉眼观测、记录太阳的位置？如何更精准记录太阳的水平方位、高度？应在何日、何时及何地进行观测？

以上问题链的设计，使学生明确了观测月球和观测太阳的区别，对启发学生关注活动安全、设计实践活动方案具有指导意义。

(2)补充学习资源支撑学生完成学习任务

学习资源是学生完成挑战性任务过程中不可或缺的重要组成部分。虽然学生具备一定的自主获取学习资源的能力，但在完成观测活动时，教师应补充必要的科学设备，支撑学生完成学习任务。以观测太阳方位环节为例，学生一般会想到使用手机内置指南针App进行定位，但手机品牌、观测环境差异以及磁偏角等因素都会影响观测精度。

为此，教师在开展活动前，提供了罗盘，并对罗盘的使用方法进行介绍，补充了关于磁偏角的相关知识。

(3)开发学具探究功能帮助学生转化视角

如何用立体方式呈现地面视角下的太阳视运动轨迹是学生遇到的难点，此前教师使用的自制演示教具虽较为直观，但缺少探究性，且仅能够呈现某一日的太阳视运动轨迹。为此，教师基于学生初步设想开发学具，并尝试开发其探究功能。

学具设计：使用透明半球（直径18cm与圆形坐标纸一致）展现地面视角的天空，即天球；半球上方加装拉手用以展现天顶；半球边框钻4个孔，代表4个方位（见图4）。

图4 运用透明半球模拟天球

探究角度：如何在球面建立半球坐标系；如何更加精准呈现太阳视运动轨迹等。

此后，教师引导学生，将自主观测、计算出的观测日（近秋分日）、冬至日和夏至日三天的太阳方位、太阳高度数据呈现在透明半球上，帮助学生完成空间转换。

(4)引导学生绘制示意图像理解相关原理

由现象到本质是一种认识过程及方法，学生通过观测实践初步了解了观测地太阳视运动现象及其变化。然而对于为什么会出现这种现象，不同区域产生的现象有何差异等问题，需要进一步从原理角度理解。

基于学生绘制的太阳视运动轨迹（见图5），教师可以进一步启发学生进行深度思考，分析现象产生的原因，引导学生绘制示意图进行说明（见图6）。

图5 学生绘制太阳视运动轨迹

图6-1呈现位于40°N某地的观测者所能观察到的地平圈范围及方位。

因天球是以观测者为中心、无限远为半径的假想球体，因此假设将观测者的地平圈平移至地心，则得到“过地心与地平圈平行的平面”及“方位”，原球面观测者所在位置即为假想“天顶”，图6-2呈现的是这一过程。

图6-3是进行视角转化后的结果。

图6 某学生绘制简易示意图展现40°N太阳视运动现象

因地球运动导致观测者在视觉上认为天体围绕地球旋转。因此，可假想为太阳在不同日期沿某“纬线”“绕”地球运动，图6-4呈现的是二分二至日太阳在“过地心与地平圈平行的平面”上的运动轨迹。

绘制示意图的目的是帮助学生理解太阳视运动现象产生的原理。学生在今后也可以采用绘制示意图的方式，判断不同地点、不同日期正午太阳方位、高度以及日出、日落方位，大体呈现该地的太阳视运动轨迹。

4.运用持续性评价策略改进教学

评价是教学活动的必要环节，也是教学活动的内在组成部分。教师通过问卷、访谈方式进行诊断性评价，了解学生的现有知识和能力水平。统计发现，在学习此部分内容前，49.02%的学生做过相关题目，但对原理不够清楚。5.88%的学生在日常生活中观察过太阳方位、太阳高度的年变化，7.84%的学生尝试总结过太阳视运动的变化规律，说明学生具备一定的学习基础。

教师还关注过程性评价，制定了“立竿见影”观测环节及太阳能电池板调整环节的评价要点（见表6、表7），便于学生了解评价标准，指导学生开展活动。

表6 “立竿见影”观测活动评价要点

表7 校园气象站太阳能电池板调整方案评价要点

此外，教师通过课堂观察、查阅学生提交的观测过程视频等资料，了解学生在设计和开展实践活动过程中的表现，并通过练习题考察学生对知识的迁移运用能力，进行总结性评价。

三、结语

深度学习是学生全身心积极参与、体验成功和获得发展的有意义的学习过程。在设计地理实践活动时，除关注活动流程的设计方面外，更应注重挖掘知识背后的意义，明确深度学习目标。创设挑战性学习任务，设计有深度的环节和现实问题，促进学生深度思考，促使学习真实发生。同时教师在活动中应找准学生最近发展区，进行适度指导，注重引领学生自主探究。通过教、学、评一体化的方案，检验学生学习效果，并结合学生的表现，不断优化和改进地理实践活动的设计方案，以提高学生核心素养。