加强中学地理科学实验教学的若干建议

上海市闵行教育局（201100） 何美龙

实验是科学研究最基本也是最为重要的方法，是科学课程教学的基本方法，也是学生学习科学的主要过程途径。但在现阶段我国中学地理教学中，实验还停留于初步探索和少量实践阶段。积极开展地球科学实验教学是改进中学地理教学重点方向。

一、我国中学地理实验教学现状

长期以来，我国把中学地理学科划归到高考的文科类科目中。无论从科目设置还是从教学、考试命题实际状况看，实验教学均没有得到足够的重视。

1.可供实验教学的课程资源非常稀少

现行国家地理课程标准四个版本的高中地理教材，普遍缺乏科学实验设计，缺乏对学生实验思维和方法培育的整体建构。即便有实验设计或实验要求，大多数还是以简单的问题形式提出，操作性不强。以实验设置相对丰富的上海高中地理教材（中华地图学社出版）为例，地理的实验仅有10项，集中分布于地球运动、岩石与地貌和大气圈三个篇章，编在课后的“思考与实践”与“综合实践活动”中。这种编排本身就是因为这些实验不是发现性的，没有把实验教学作为地理教学的基本过程、方法和内容本身，所以地理实验实证研究、假设推断等科学方法教育的功能得不到充分发挥。《普通高中课程标准实验教科书 地理》（人教社）是使用省市最多的教材版本，“问题研究”被认为是该教材编写落实科学教育的“亮点”：共设计了16个大型的“问题研究”——畅想型的“月球基地是什么样子？”反思、分析和论证型的“为什么市区气温比郊区高？是否可以用南极冰山解决沙特阿拉伯的缺水问题？”等。希望学生在一定情境下，以学习内容为素材，问题为载体，研究为导向，在教师指导下实现“创造性学习活动”。显然，“问题研究”设计与地球科学实验教学、地理科学教育的内涵之间还是有较大的差异的。从整体上看，地理学科作为科学课程所应该强调的科学素养训练，很少在课堂教学中得到体现（大学地理师范课程设置和教学中，也同样存在着这样的问题）。

由于课程教材的实验设计不够丰富，课程标准没有对地理实验教学的明确、规范要求等，实际上影响了相应实验配套器材和实验设施等课程资源的开发，导致可以供给中学地理开展实验教学的相关资源非常缺乏。至今，我国多数地区教育主管部门制定的配套用地理课程教学器材和产品还比较传统，例如地球仪、经纬仪、岩石和矿物标本等，能够用来作为实验的资源非常有限，多数只是起展示作用或者可由教师利用演示教学，学生的参与性严重不足。

2.实验教学的实践探索非常有限

中学课时紧张、课外以及校外实验时空的稀缺；日常教学注重知识和原理学习，考试命题缺乏对地理实验的引导；缺乏教材的设计引领，没有实验设施资源的支撑；教师重结果轻过程的教育观念……种种原因，导致了我国中学地理教师开展实验教学的探索实践非常有限，在2010年上海市教委教研室组织的地理课堂教学活动设计征集中，全市共推荐了自然地理方面活动设计45个，其中能称为实验教学的以学生实践操作为主要特点的课堂教学设计（如地理图表制作，地图绘制、岩石鉴别、气象观测、天象观测、软件运用）16个，约占全部设计的三分之一。其中有4个岩石鉴别类教学设计、4个地图制作或等高线判读类设计、3个气象观测设计，2个月相观测设计和2个正午太阳高度观测设计，1个现代信息技术项目设计。实验设计的相似性、内容重复性比重高，涉及章节知识有限，中学地理实验教学至今没有形成体系、实验项目或内容没有形成系列。自然地理或者地球科学作为自然科学所特有的实证研究、实验假设等功能特点没有得到应有的发挥。当发达国家中学科学课堂中贯穿着实验，实验成为学生学习科学的主要途径和过程的时候，我们还只是偶尔有一些公开课采用实验教学而眼睛一亮，这不得不说是一种教育的差距。

二、美国《科学发现者》教材的实验编写

《科学发现者》（McGraw-Hill Education，浙江教育出版社2008）教材是美国中学科学主流教材之一，分为地球科学、生物、化学和物理四科。《科学发现者——地球科学》的内容与我国高中自然地理内容相仿。丰富的实验设计是该教材的重要特点之一。

教材共31章，根据不同的教育功能，各章均设置有“探索实验”“迷你实验”“地学实验”和“技能试验”四个实验大类，共124项实验。从实验的知识技能目标上分析，既有单一性的，也有综合性的；从教学思维上看，既有对新知识发现的实验，也有对已有知识验证和训练性的实验。

探索实验，设置于每个章节的开始部分，一般由操作步骤和观察思考等具有启发性的问题两部分组成，主要通过引发问题激发学生思考，提升学习兴趣，并通过实验用来介绍这一章的内容。其实验的特点是设计简单、便于操作；注重观察，启发引导；模拟过程，形象直观。

迷你实验和技能实验散布于教学过程中。迷你实验目的是有效生成教学过程中的知识，让学生借助实验得出结论，理解知识；技能实验侧重于地理技能，包括读图读表技能、空间分析技能、数据处理与计算技能、图标绘制技能的培育与训练。简言之，迷你实验的目的是生成知识，而技能实验则侧重于技能的习得。

地学实验，又分地学实验、网络实验、地学制图实验和设计实验四类。地学实验主要通过构建真实或模拟的实验平台或装置探究自然地理事象，网络实验则是借助网络搜集资料分析和了解自然地理事象，地学制图实验强调利用地理相关图表或亲自绘制图表对自然事像的性质、特点和发展进行分析和预测，设计实验则是在现有知识的基础上，创造性地进行设计和创新的过程。归纳起来，就是有针对性的培养学生实验操作能力、网络时代的信息搜集和分析能力、地理图标的分析绘制和预测能力，以及创新能力。地学实验综合性较强、难度较大，往往是对整个章节已学知识和技能的综合运用，强调应用和知识迁移的能力。

从实验的不同维度，作者把该教材实验归纳为以下6类：

——实验场所：室内和野外实验兼具，其中室内实验74个，占69.7%。

——实验主体：以学生为实验活动主题，教师主体的演示性实验只有1个。

——实验形式：个人和团队兼顾；其中个人实验81个，占65.3%,团队实验19个，15.3%，其他为选择活动形式。

——实验真实性：模拟实验和真实实验兼顾；其中模拟实验55个，占44.3%。

——实验项目性质：单一目标实验为主，综合性实验27个，占21.8%。

——实验学习目标：习得实验和发现实验性兼顾，发现性实验60个，占48.3%。

以教材第二单元“地球的构成”第四章“矿物”为例：

● 探索实验——观察矿物的形状

1.在显微镜下观察食盐颗粒

2.集中观察一种颗粒，数出颗粒的面数，

3.用显微镜或者放大镜观察石英样品，数出石英样品多面体的面数，画出石英颗粒草图

● 迷你实验：制作晶体模型

1.你是用什么几何形状来制作模型的？

2.所有的矿物样品的晶体结构是否都比较明显？推断其原因。

3.参照附录来鉴别这些矿物。除晶体外型外，还有什么性质可以来区分矿物？

● 数学计算

在3000种已知矿物中，其中的10种矿物组成了地壳中90%的岩石。这10种矿物占全部矿物数的百分比是多少？

● 技能实验：制作并使用表格

制作一个矿物鉴定表。矿物可以根据其物理和化学性质加以鉴别。物理性质包括颜色、条痕、硬度、比重和晶体结构等。

矿物鉴别表：

● 设计实验：制作矿物图鉴

矿物颜色 条痕 硬度 比重 晶系

你是否曾经用图鉴来鉴别一只鸟，一朵花，一块岩石或一只昆虫？通常一种典型的矿物图鉴包括矿物的大致背景信息，以及每种矿物的形成过程、性质和用途等内容。在本实验中，你将学习如何为矿物制作一个图鉴。

实验准备：问题，实验器材，提出假设，目标，安全警示。

实验设计：实验分析。

结论与应用。

● 知识拓展：科学与数学—钻石的价值

此外，该教材在实验方法的引导和思维训练方面，还专门开辟一章“科学的本质”，意在培养学生的技能。这些技能主要包括：实验设计、演绎、理解、推断、预测、解释、判断错误、完善表格、评价、组织、问题解决等11种。

浙江教育出版社于2002年引进并出版的另外一套美国中学生研究型学习教材——《科学探索者》（Padilla.M.J，PEARSON Education），也同样体现了类似的实验编写和设计特点。

与我国现阶段中学教学和教材编写比较，美国中学研究性学习教材和地球科学教材的编写特别注重对学生科学研究一般方法和一般能力的培育、实验技能和思维等方面的训练。地球科学实验数量多，类型丰富，力图通过学生的探究学习活动、通过实验来实施教学，倡导发现的科学教育思想。教学实验设计目标清晰、多元；教学实验功能定位明确——注重培养学生实验操作能力，信息搜集和分析能力，地理图标的分析、绘制和预测能力，以及科学创新能力。教材设计体现了课程育人，以学生科学素养发展为核心的理念。教学有利培养学科的专业人才，更强调培养具有现代地理科学素养的国民。因此，实验成为了学生地理学习的基本过程和主要途径。

当然，中美两国的教学要求上也存在着很大的差异。如，美国的教师在实际教学过程中只需要根据需求选用教材的内容，各章节中同类实验的可操作性、难度、需要花费的时间、提供教学资源的可能性的差异也许在美国并不构成问题。

三、关于中学地理实验的目的、类型、内容及结构

美国中学地球科学教材的编写体现了科学方法和科学技能教学的宗旨。尽管我国的教材编写未必参照美国的编写思想，也不是要求所有中学生都向科学研究者的成长方向培养，但我国中学实验数量不足，实验设计不够切合中学生实际，实验教学未能满足中国未来科学工作者数量和质量的需求，我们在中学生科技教育方面的落后或者薄弱环节，应该成为我们的共识。

1.中学地球科学实验教学的目的

地球科学实验教学的目的不仅仅是验证前人已经发现的知识和经验，更主要的是强调实验过程的体验，就是地球科学研究——实验的方法教学，是科学素养和实验技能的训练教学。实验教学注重的不完全是实验的结果的科学性，更多的注重对科学过程和科学原理的理解，是科学思想和技能、方法的综合习得。

2.中学地球科学实验设计的类型

借鉴美国中学科学课程的实验设计，从实验分类角度，中学地球科学实验类型大致可以从以下6个不同维度分类：

★美国中学实验设计中的主体类型

3.中学地球科学实验的内容

分析美国中学地球科学课程的实验设计，好像存在一些非地理学科的实验设计：谷物的物质组成，晶体的结构等（在我国更多出现在化学和物理学科教学中的实验）。实际上，类似“岩石和矿物的结构”“地球表面的风化”等，本属于基础的自然原理性质的内容，涉及物理、化学等多个学科。从地球科学综合性的学科特点分析，中学地球科学实验体系的建设，包含天文学、气象学、地质学和海洋学四个子系统的所涉及的核心问题和基础知识，因此，内容本身是综合的，多学科领域的。所以地球科学实验的内容涵盖生物、物理、化学等所有基础科学研究领域，实验设计应该中学科学各学科领域综合兼顾。

4.中学地理实验体系的结构

美国中学科学教材统一章节内的探索实验、迷你实验、技能实验和地图实验的编排具有梯度性和系统性。探索实验引导学生观看、思考所探究的内容；然后迷你实验了解探究的内容；技能实验教会你如何分析探究的内容；最后 地学实验检验你对所学内容的综合掌握和运用。整个过程从易到难，由简单到复杂，由感性到理性，遵从学生的认知规律，同时在过程中从观察、思考、分析到综合运用，逐步提高着学生的实验能力。中学地理实验体系建设，应该根据学生的认知规律，把一个完整的章节性科学知识和技能教学，以实验方式分解成若干小实验，实验之间具有一定的层次性，对应不同的知识和技能，相互支撑，形成一个实验的结构体。

四、改进我国中学地球科学实验教学的基本途径

改进我国中学地理科学实验教学现状首先要真正树立起“实验是科学教学的基本方法”的理念，重视地理实验的育人价值开发，通过加强地理实验类教学资源的开发，建设实验基础教学设施，建设地球科学的实验系列，促进学生在实验中学习知识、锻炼能力，全面改进和提升地理科学教学水平。

1.树立“实验是地理科学教学基本方法”的理念

在我们目前的地理教学中，理论讲授与实验教学往往还是分开的，即便教材中有实验设计，且多数的实验属于验证型实验, 学生在实验之前便已经知道实验的结果。树立“实验是地理科学教学基本方法”的理念，就要注重实验与理论的有机结合, 实验既是学习的过程，也是学习的目的，实验是为了培养学生的科学探究的基本技能和对科学探究的本质的理解，是科学教学的基本方法。在实验设计上，不仅有验证性的实验设计，更多的强调科学探究技能和科学探究本质的要素体现，努力设计开放、探究型实验，让学生必须经过实验才能得出结论, 而且结论可能不唯一。中学地理实验教学应该贯串课程教学的始终。

2.从地球科学研究基本方法的视角建设中学地理实验体系

随着生产和科学技术的发展，地球科学逐渐形成了日臻完善的由多学科组成的综合性学科体系。长期的科学研究形成了地球科学特有的八大研究方法，作为地球科学在中学阶段主要的对应学科，中学地理实验可以从地球科学研究的基本方法层面进行梳理、开发。在八大研究方法中，野外调查、历史比较法、综合分析等地球科学研究所特有的方法设计和实践教学等，应该有足够的教学时间和空间安排；实验室观察、分析等科学研究的基本技能和方法应该成为地理实验建设的主体。电子计算机模拟既是地球科学研究的重要发展方向，也是中学地理实验教学的重要方向。中学地理实验的设计应该兼顾一般科学课程教学的特点和地球科学自身研究的特点。

3.推进实验过程规范化，实验方案微型化、实验内容生活化

借鉴美国中学地理实验设计，在我国中学地理实验的开发设计中，要注意去粗取精，关注学生对观察、交流、预测、测量、解释和使用数据、制作图表、控制变量、归纳、推理、推导公式、构建模型等实验技能的习得，强调实验操作和过程的规范，强化实验科学教学的功能。

倡导实验方案微型化。实验方案简化、精练，以“微型实验”的形式出现，让学生在家庭、课堂等日常生活和学习场所中能很容易开展实验。

实验内容生活化。地理教材中提出了许多与生活密切联系、学生感兴趣的、有意义的问题，在这些问题的引导下，学生经历科学证据的收集、整理过程，学习对科学证据的获得、解释和评价的方法，探讨科学证据的两面性，即对人们的生活、健康、环境等有利和不利的两个方面。

4.切实加强实践环节的实验教学

地理教师应该结合新课程研究性学习的内容要求等，利用教材已经编写或课程标准明确的地理实验，精心设计教学方案，努力让每一个学生参与实验，获得基本的实验过程体验。如，针对上海市高中地理新课程标准中实践环节中的实验：一日气象观测、中午太阳高度观测、河段的水质污染监测、城市空气质量监测、岩石和矿物鉴定等，切实加强中学地球科学实验教学。

5.加强地理实验类教学资源的开发

发动全体地理教师和地球科学工作者共同参与，为中学生开发设计简单可操作的地球科学实验，通过评比、实验设计改进，建立全国性或区域性的地球科学实验设计资源库，为中学地球科学教学提供足够的实验选择。

根据课程标准和现行教材，开发中学地理实验教学指南和实验配套器材，《指南》详细介绍各教学内容可以开展的地理实验，列出实验的目的、方法、器材、实施条件、实施步骤，可以利用的其他教学资源和图表等。

加强地理实验教学设施资源建设，建立类似物理化学实验室一样的“标准配备”，为实验教学提供资源的保障和支撑。

[1]美国国家研究理事会.国家科学教育标准[S].戢守志，金庆和,等,译.北京：科学技术文献出版社，1999.