基于思维构建的地理微项目化学习探索——以“赤道式日晷仪”为例

尹志和

（浙江省湖州市第一中学，浙江 湖州 313000）

《普通高中地理课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称“新课标”）提出了重视基于项目的问题教学，其核心是以项目的方式向学生提出富有挑战性的问题或任务，学生通过设计问题解决方案、自主决策或合作探究，最终以作品的形式展示学习成果。［1］与项目化学习相比，微项目化学习就是借用项目化的形式，以主题微项目为驱动，引导学生在较短的时间（1～2节课）进行自主学习、合作学习，从而激发学生创新思维、发散思维、逻辑思维等思维品质的提升，学生在完成项目的过程中不断实现对知识的内化和吸收，真正从浅层学习向深度学习进阶。［2］

一、微项目引入：以真实情境驱动思维课堂

情境是将抽象的知识与真实世界建立联系，引领学生认知现实世界。［3］教师进行微项目设计时要依托真实问题情境，综合考虑学生已有知识和认知规律，精准设计项目任务，借助真实情境微项目激发学生深度学习，重视知识的迁移应用，促使学生由知识走向实践，再转化为应用的创造，有效地落实思维课堂的构建。

1.研读新课标，巧设微项目

“地球运动”知识模块在湘教版选必一第一章，新课标的要求为“结合实例，说明地球运动的地理意义”。新课标要求掌握的核心知识有地球自转、地球公转、黄赤交角、地球运动的地理意义等四方面内容。笔者基于新课标，深入研究教材，依据本模块知识点的逻辑，在了解学情的基础上确定微项目的主题是“赤道日晷仪”制作及应用，以期增强学生对生活中的自然地理现象进行观察、识别、描述、解释、欣赏的意识与能力。

本模块的重点和难点为地球运动的地理意义，破解此难点是要理解地球运动的规律：“一方面，根据不同的参照系，地球有真运动和视运动的不同；另一方面，地球的自转和公转是同时进行的，由此形成了黄赤交角，正是因其的存在才出现了各种地理现象。”通过引入这些真实存在的现象作为微项目化学习的实例，可以引导学生从多角度、多层次地理解地球运动的地理意义（表1）。［1］

表1 赤道日晷仪与新课标要求核心知识的关系

2.创设情境问题，活跃地理思维

教师设置微项目学习时，必须将微项目置于特定具体的问题情境中，将问题贯穿于整个微项目学习过程，通过设置层层递进的问题链，驱动学生实现从低阶思维到高阶思维的进阶（表2）。问题设计要结合新课标和学生的最近发展区，不仅要激发学习兴趣，而且要能引发深思。

本微项目学习任务主要是制作和演示赤道式日晷仪，学生遇到的情境问题有：晷盘为什么要等分；晷针为什么要与晷盘垂直；夏半年为什么要在晷盘上面观察；冬半年为什么要在晷盘下面观察；一年中太阳照射在晷盘上和晷盘下的时间是否一样；二分日为何无法判断时间等。教师可以预先设置这些问题链，也可以启发引导学生发现相关问题，然后鼓励学生分析、解决真实情境问题，一步一步走向深度学习，实现培育学生地理思维的素养目标。

二、微项目分析：以核心知识构建思维课堂

微项目学习要求学习的是地理核心知识，最终是要学生发生深度学习，即能将核心知识在新的情境中迁移、运用、转换，产生新的知识。［4］在微项目学习中，涉及许多不同层级的地理概念或地理知识体系，从小的知识点到大的地理概念或地理知识体系。教师需要将教材中的知识点进行筛选，重新组合形成一个合适的微项目主题来推进学生学习。学生在参与微项目化学习过程中，循序渐进、逐个突破，记录下所学知识，实现知识结构化、思维具象化和思维的可调控化，并在头脑中形成知识网络体系。本微项目主要涉及的地理核心知识为地球自转和公转的主干知识。地球绕地轴不停地自西向东旋转，同时地球绕太阳不停地公转，导致太阳直射点在地表做回归运动（图1）。引起正午太阳高度角有时空规律的变化，导致物体影子也按照一定时空规律变化，这就是制作日晷仪的原理（图2）。

晷针与晷面（晷盘）是相互垂直的，晷针指向北极星。图3中α角是同位角，度数相等，根据直角互余的关系，可知晷面与赤道是平行的，可以说赤道式日晷是一个浓缩版的地球（图3）。地球自转产生的太阳周日视运动，表现为太阳绕晷针的圆周运动。一天中太阳光始终围绕晷针作匀速圆周运动，不管太阳高度如何变化，晷针在晷面上的影子变化都是均匀的（图4）。因此，太阳在晷针上投下的影子转动的角度是均匀的，也就是地球自转的角速度即每小时15 度。晷针形成的影子在晷盘上所指示的时刻就表示当地的地方时。在日晷面的正反两面都刻出12 个大格，每个大格显示30度代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳东升西落，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。

图3 赤道式日晷工作原理（湖州市）

图4 太阳视运动下的赤道式日晷（湖州市）

三、微项目实施：以合作探究启迪思维课堂

小组合作探究学习是微项目化学习的主要形式，也是微项目实施过程中最重要的环节，学生合作的效果决定了微项目学习的成败。教师将全班分成若干学习小组，让每个小组完成一个微项目“赤道式日晷”。制作材料和工具需要小组成员自备，如硬纸板、圆规、直尺、指针等。在微项目学习的过程会遇到各种各样的问题，这就需要教师提供必要的指导和支持，使学生能够顺利完成微项目学习。学生的独立思考、合作探究是完成微项目学习的重要形式。

1.探日晷之“理”

在微项目学习的过程中，首先，小组成员进行头脑风暴，针对微项目“赤道式日晷”提出自己的疑问，发表自己的观点和看法。然后，学生再通过查找资料、倾听其他同学的意见或咨询教师等途径，加深对知识的深度理解和掌握。不同小组成员之间进行辩论交流、互相分享，可以培养学生的合作沟通能力、批判性思维能力，促使他们从多角度、多方位理解知识（图5）。晷盘的制作原理是：当太阳直射点位于北半球时，全球各地（除极昼极夜地区以外）太阳从东北日出，西北日落；当太阳直射点位于南半球时，全球各地（除极昼极夜地区以外）太阳从东南日出，西南日落。根据太阳东升西落的规律，可确定日晷仪晷盘正面和反面东西方向和刻度。如日晷仪晷盘正面左侧中间为18 点，右侧中间为6 点，最下面12 点，最上面24 点或0 点正反面刻度一致。最后，在讨论交流的基础上，不同小组都已经形成解决问题的基本思路，接着运用所学知识和能力设计和创造微项目“赤道式日晷”作品（图6），将抽象的理论解决方案转换为微项目成果（图7）。

图5 学生分小组制作赤道式日晷

图6 学生赤道式日晷作品

图7 赤道式日晷微项目探究清单

2.追日晷之“光”

完成日晷的制作后，教师选取夏季和冬季某个晴天的上午和下午，带领学生在学校空地上进行日晷原理的讲解并实际观测，测量时间并记录结果，检验日晷的精确度（图8、图9）。赤道式日晷放置要求：晷针垂直穿过晷面中心，晷盘呈南高北低，晷盘与地平面的倾斜角度θ=90°-φ，（θ为晷盘与地平面的倾角，φ是当地的地理纬度）。确保晷针与地平面夹角等于当地的地理纬度φ，晷针上端对准北极星。

图8 学生在学校广场演示赤道式日晷

图9 学生分小组演示赤道式日晷

深度思维1：在北半球，为什么夏半年时读取日晷上面的刻度，而冬半年读取日晷下面的刻度？

思维路径：从春分日到秋分日即北半球的夏半年，用北盘面（朝上的一面）记时，从秋分日到次年春分日即北半球的冬半年，则用南盘面（朝下的一面）记时。每年北半球的夏半年，太阳视运行轨迹高于日晷盘面，晷针正面的影子在晷盘上面指示时间。每年北半球的冬半年，太阳视运行轨迹低于日晷盘面，晷针背面的影子在晷盘下面指示时间。

深度思维2：春分日和秋分日能否使用赤道式日晷？除此之外，还有哪些情况下不能使用赤道式日晷？

思维路径：每年春（秋）分日，太阳视运动轨迹平行于赤道式日晷的盘面，这两天赤道式日晷正面和背面的晷针都没有影子，无法从晷面上获取读数，因此，赤道式日晷无法使用。为了解决该问题，可以使用垂直式日晷，它的指针可以指向东或西两个方向。为了激发学生兴趣，鼓励学生课后自主研究其他种类的日晷。除此之外，阴天、晚上等情况也不能使用日晷，可以使用水钟等计时。

深度思维3：在北半球，一年中在赤道式日晷上面观测的时间要长于在赤道式日晷下面观测的时间。

思维路径：在北半球，赤道式日晷上面观测的时间为夏半年，7月份地球公转到了远日点附近，公转速度慢，时间长，同时也造成真太阳日长一些。而冬半年，1月份地球公转到了近日点附近，公转速度快、时间短，同时也造成真太阳日短一些。因此，北半球一年中在晷盘上面观测的时间要长于晷盘下面观测的时间。

深度思维4：在北半球，冬至日和夏至日赤道式日晷晷面上的影子移动方向是否一致？在南半球，赤道式日晷如何放置？

思维路径：在北半球，夏至日太阳光在晷面上方，按顺时针方向移动，影子也按顺时针方向移动；冬至日太阳光在晷面下方，按逆时针方向移动，影子也按逆时针方向移动。在南半球，晷针指向天球的南极点，晷盘与地面的夹角等于当地的地理纬度。

四、微项目评价：以多元化评价激发思维发展

思维课堂除了关注学习结果外更重视对学生学习过程的评价，传统教学往往只对学习结果进行总结性评价。指向微项目化的思维课堂，要采取多元化的评价，为学生客观认识自我、激发个人发展思维提供依据。微项目化学习要引导学生关注自己的学习过程，在实践的过程中小组可能遇到各种各样的问题，要及时进行反思和调整。教师可采用学生互评、组间互评等评价方式，让学生真正成为评价的主体，帮助学生正确认识自身的不足，督促学生不断完善和发展。

微项目化的学习过程体现了思维的进阶过程，即由浅层学习向深度学习的进阶，这是构建高阶思维的核心内容。教师将学生在回答具体地理问题过程中所展现的思维结构依据SOLO分类理论划分为几个层次，以此来反映学生由浅到深、由量变到质变的学习过程和思维水平（表3）。［5］在微项目化学习过程中应减少浅层思维的学习（前结构水平），使绝大多数学生达到中层思维的学习（单点结构和多点结构），即微项目学习中遇到的问题，有的学生找到了解决问题的思路，也有的学生找到了多个解决问题的思路，但还不会对多个思路进行有机整合，应使尽可能多的学生在微项目学习过程中达到深层思维学习（关联结构水平和抽象扩展水平），即学生可以找到多个解决微项目化问题的思路，并且能够将其整合起来进行思考或者学生能对微项目问题进行抽象概括，上升到一定的理论高度，甚至还能提出一些创新思维。［6］▲

表3 SOLO分类理论与微项目化认知层次分析