指向地理科学素养培养的高中地理实验教学设计

摘 要：地理学科兼具自然科学和社会科学的性质，且具有很强的实践属性，对学生形成正确的科学思维和观念，培养地理科学素养具有重要作用。本文以湘教版地理选择性必修1“密度流”实验教学为例，从地理科学素养培养角度出发，引导学生模拟出密度流海区的海水水平和垂直运动，使学生在深度学习的过程中获得真实感悟。实践结果表明：在实验教学中以真实情境为背景，以学生操作为主体，充分挖掘地理实验的操作及教学价值，重视学生科学探究精神的培养，是培育学生地理科学素养的有效途径。

关键词：科学思维；地理科学素养；探究精神

中图分类号：G633.55 文献标识码：A 文章编号：1005-5207（2025）02-0008-06

一、地理科学素养与地理核心素养

《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）指出：地理学兼有自然科学和社会科学的综合属性，是现代科学体系中的重要组成部分；而使学生能够运用地理科学知识、养成科学探究意识、解决地理科学问题、形成正确的科学观念，则是高中地理课程的重要目标之一［1］。新时代背景下，培育学生地理科学素养的重要性愈加显著。

袁孝亭教授认为，地理科学素养兼具自然科学素养的一般特征和地理核心素养的独有特征，两者相互促进、相互融合［2］。已有研究对地理科学素养的内容进行了深入探究，将其分为地理科学知识、地理科学思维、地理探究实践、地理科学观念以及地理态度责任5个维度［3-4］。其中，地理科学知识指地理学科中的概念、现象、原理和分布规律等内容，是培养地理科学素养的基础，与地理核心素养中的区域认知具有很强的相关性；地理科学思维指对地理问题或地理过程的认知、理解、分析方式，是培养地理科学素养的重难点，对应地理核心素养中的综合思维；地理探究实践则指学生通过观察、调查等实践方法，利用地理工具解决实际地理科学问题的能力，是培养学生地理科学素养的重要内容，与地理核心素养中的地理实践力相契合；地理科学观念和地理态度责任则是指学生通过地理科学探究形成的协调发展观念、科学探究精神及尊重自然规律的意识，是地理科学育人价值的主要体现，与地理核心素养中的人地协调观相关联。综上所述，地理科学素养与地理核心素养在构成维度和具体内涵上，具有很强的相似性和关联性，是地理学科重要的培养目标。

二、实验教学是地理科学素养培育的重要途径

地理模拟实验是指以一定地理知识为基础，在地理学习过程中，通过一定实验器材对某种地理过程、现象进行模拟再现，并进行科学解释的过程，在此过程中学生既是实践的主体也是思考的主体。地理科学素养培养下的模拟实验一般流程为“实验方案的设计—实验过程的操作—实验现象的观察记录—实验分析改进—撰写报告并汇报交流—地理知识迁移应用”。从开展形式上看，相较于野外考察、社会调查的形式，实验教学受场景限制的影响小，能更好地利用校园条件，培养学生的地理探究实践能力。从科学素养培育的视角来看，对实验原理的理解以及实验方案的设计过程对于学生地理科学知识的掌握、地理科学思维的培养有着重要意义。从实验过程看：对实验现象过程的分析—发现实验设计的漏洞—改进实验方法的过程，则能培养学生更高阶的地理科学思维；最终的实验结果整理以及在具体地理情境中的迁移应用过程，不仅强化了学生对地理科学580deed94ead58d86913be6f4133ca3c7b8769bd6dc9f8305233b62564659e4b知识的掌握，更能使学生在真实的地理情境中感悟人与自然的关系，增强协调发展观念，培养科学探究精神，进而形成正确的地理科学观念和地理责任态度，从而实现地理学科的育人价值。因此，本文在湘教版地理选择性必修1“密度流”部分的教学中尝试以模拟实验教学为手段，培养学生的地理科学素养。

三、地理科学素养培育视角下的地理实验教学

1.教学目标与教学流程

课标指出“在进行模拟实验活动时，应引导学生经历相对完整、规范的科学探究过程”，此过程包括实验方案设计—实验过程的观察、记录、操作—数据处理、整理汇报交流等环节。密度流海区的海水垂直运动一直是学生的学习难点，同时也是高考地理试题考查的热点，如2023年海南省高考便考查了极地地区密度流的水平和垂直流向及其成因。本文基于课标要求和地理科学素养培养的视角，确定了实验教学流程（图1）和实验教学目标（表1）。

2.地理科学素养视角下的实验教学设计

（1）情境导入

【材料呈现】二战时，德国利用大西洋和地中海之间的密度流，在穿越直布罗陀海峡时将潜艇动力装置关闭，成功躲避盟军声呐的搜索。从海水运动的方向上来看，密度流是如何帮助潜艇进出直布罗陀海峡？

【设计意图】通过真实历史情境，以大西洋和地中海之间的典型密度流为背景，将海水运动和人类活动紧密联系在一起，激发学生探讨密度流流向的兴趣，培养学生的科学探究精神。密度流为关闭动力装置的潜艇提供了水平和垂直方向的动力，这为后续实验活动的深入做了铺垫。

（2）实验教学过程

实验教学过程如表2所示。

四、教学启示与反思

1.实验教学贵在学生真实操作

传统实验课堂，教师为了节省时间往往选择独自演示实验，或让学生直接观看视频演示，但让学生对模拟实验进行真实操作是实验教学的最基本要求［5-6］，因为学生是模拟实验教学的主体，是整个实验教学过程的参与者，学生只有在真实设计、真实操作的基础上才能有真实感悟。例如，①在分析垂直运动不明显原因的过程中，学生观察到纸屑并未随着水的流动而发生明显的位移，这一现象加深了学生对小尺度模拟实验下的“水动力条件微弱”这句话的理解，进而尝试优化实验设计。当看到不搅拌操作的效果更明显时，学生能体会到在实验中放大实验现象这一科学思想的精妙。②在探究温度差异形成的密度流环节中，有学生脱口而出“直接在水槽一侧加冰”，然而，在实施时看到加冰后两侧水槽水平面高度不一致，立即意识到这种方式不规范，进而提出更加合理的改进措施。③在小组分工合作操作实验时，学生表现出了动手操作的欣喜，在这种具身的深度学习过程中，学生对地理科学知识的理解也更加深刻；这种合作模式也能在潜移默化间培养和增强学生的团队合作意识和能力。

2.实验教学重在培养学生探究精神

课标指出，实验教学中要对实验结果进行理性思考，体验科学探究过程。纵观现代科学的发展历程，实验在科学进步中起到了巨大作用。然而，实验伴随着失败的可能，不少影响人类的伟大科学成果，都经历了反复的实验，如爱迪生发明电灯泡、当代石墨烯制取的方法探究等。而在失败的实验中汲取经验，探究出新的方法，培养学生分析问题的地理科学思维和坚持不懈的探究精神是地理实验教学的重点。在本次地理实验教学实践中，学生初次设计的实验与湘教版地理选择性必修1“洋流”一节中“模拟密度差异而形成的洋流”参考实验设计一致，虽成功呈现了水平运动，但对密度流海区的海水垂直运动的反演现象并不明显。学生在多次失败、探究的过程中分析问题、大胆进行创新尝试，改进教科书提供的实验参考设计，最终在模拟实验中成功显示出海水的垂直运动。这个过程不仅培养了学生的创新意识，还培育了他们对地理科学问题深入探索的品质。

在其他地理实验教学的过程中，教师也应给予学生充分的发挥空间，允许实验失败，但要做好引导工作，鼓励学生在实验失败后积极分析探索，最终做出预期的实验效果，培养学生的科学思维和科学探究精神，进而实现地理学科的育人价值。

3.实验教学旨在提升学生科学素养

地理实验教学的最终目的在于提升学生的整体科学素养。而掌握地理科学知识，养成分析与解决问题的科学思维，增强实践能力，最终养成正确的科学观念态度和人地协调观，则是地理科学素养视角下实验教学的具体目的。实验教学对学生而言具有具身性，学生通过自身探究、观察、经历所得到的知识比教师口头传授更为立体，对学生掌握复杂地理科学知识具有显著的促进作用；在实验过程中所受到的思维训练、实践能力训练也会更加深刻；更能收获不一样的地理感悟。科学的实验教学设计帮助学生从案例探究扩展到范式掌握，这种探究模式也是如今前沿地理学的模式之一。新高考背景下，对地理跨学科性质的考查越来越深入，对学生地理科学思维和地理实践力培养的要求也越来越高。例如，2024年6月全国高考甲卷就以生态保护为背景，要求学生设计实验探究水资源约束下的最佳阻沙灌草种植方式。可见以实验为背景考查学生的地理科学素养，已成为未来高考的热点之一。而要有效培养学生地理科学素养，一线教师在地理实验教学实践中还应注意以下内容。

（1）增强自身科学素质，整合利用多学科实验方法

一项地理实验往往涉及多个学科的知识范畴，是地理跨学科性质的具体体现。地理实验教学的推进往往需要借助物理、化学等其他学科的实验手段和方法，如在影响流水侵蚀强度因素的探究实验中，需要利用物理学科中的控制变量法，在保持其他因素相同的情况下，改变实验要素，依次探究出坡度、径流量、下垫面性质等地理要素对侵蚀强度的影响。可见，科学、严谨的实验教学能促进学生对多个学科知识的掌握，培养科学素养；但不严谨的实验教学，则往往会得出错误结论，极端情况下甚至可能会造成安全事故。因此，教师首先要强化自身科学素质，整合利用多学科实验方法，确保实验教学的全过程安全、科学、严谨，进而在实验教学中培养学生的科学素养。

（2）充分挖掘地理实验的操作及教学价值

实验教学往往受教学场地、实验器材等条件的限制，同时，组织一次完整的地理模拟实验教学，要耗费地理教师大量的时间与精力。因此，为了避免占用过多的时间，实验模拟教学应具有较高的可行性。如实验器材易获取、实验操作尽量简单、实验现象尽可能明显。这就要求地理教师应充分挖掘模拟实验的操作价值、教学价值，在实验教学中充分引导，提高课堂效率，进而实现培养学生地理科学素养的目的。若条件允许，一线教师还应完善所在学校的地理实验室建设，为实验教学的开展提供更坚实的保障。

（3）以真实地理情境为背景开展实验教学

地理情境有利于调用地理原理和规律，是地理知识和科学素养培育的载体。真实地理情境不仅是实验教学开展的出发点，更是实验探究最终的落脚点。教学过程中与真实有趣的地理情境相联系，有利于激发学生兴趣，加强学生对地理科学知识的理解。因此 ，在实验教学中地理教师应善于创设复杂有趣的地理情境，设置富有挑战性的问题，鼓励学生大胆思考，培养学生的科学探究能力，并引导学生通过最终的实验结果解决真实的地理问题。

（4）转变教学思路，引导学生深度学习

没有学生深度参与的实验课堂注定是平庸的课堂。因此，地理教师应改变固有教学思路，对教材内容重新整合，巧妙设计实验教学流程，以学生为主体，在短时间内吸引并引导学生深度参与。在整个过程中学生除动手操作实验外，还应培养对实验结果的分析归纳、知识迁移应用能力，以及勇于探究的科学品质。这就要求地理教师的课堂设计要有足够的深度及趣味性，从而真正实现学生的深度学习，培育地理科学素养。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准（2017年版2022年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］ 袁孝亭， 王向东.中学地理素养教育［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［3］ 田雨， 户清丽，刘安多. 我国初中地理科学素养培育目标的演进特征 ［J］. 地理教学， 2023（5）： 4-8，13.

［4］ 张健. 指向地理科学素养培育的高中地理教学探索与实践——以“地球内部圈层结构”为例 ［J］. 地理教学， 2023（18）： 40-43.

［5］ 王太文. 地理模拟实验应“实而有力” ［J］. 中学地理教学参考， 2023（7）： 59-61.

［6］ 唐塘颖. 深度学习视域下的地理实验教学探索——以新人教版地理1“水循环”为例 ［J］. 地理教育， 2023 （6）： 21-24.