基于地理核心素养培养的高中地理实验设计与实践——以“海水的性质与运动”为例

张 健

（上海市大同中学, 上海 200011）

《普通高中地理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）中明确指出：“考察、实验、调查等是地理学重要的研究方法，也是地理课程重要的学习方式。”基于新课标要求，上海版高中必修《地理一》中的活动型栏目设计了地理实验的内容。地理实验可以训练学生的动手能力、观察能力、分析判断力和设计能力，是提升学生地理实践力和科学素养的重要路径，成为“双新”教育改革的一大亮点。地理教师应遵循科学性原则，结合教学需求，设计出能够激发学生探究欲望和参与热情的地理实验，这是地理实验教学的关键。

一、基于生活问题的实验设计

新课标的内容要求：“运用图表等资料，说明海水性质和运动对人类活动的影响。”基于此，新教科书中增加了海水性质与运动的相关内容。认识海水温度、盐度和密度的分布特征、影响因素及其对人类活动的影响，形成科学开发和保护海洋的理念，是教学的重难点。传统教学方式较多采用读图分析法开展教学，一般结合世界表层海水温度或盐度分布图，分析分布特征及其原因。这样的教学方法很难体现新课程改革的理念与要求，不利于地理核心素养的培养。

新课标中的教学提示建议：“指导学生运用体验、观察、观测、实验、野外考察等方式开展地理实践活动。”“海水的性质”具有跨学科的特征，在化学、物理等学科中均有相关内容。实验教学是理科教学中的常用方法。本节课的活动设计选择以实验为突破口，实验流程如图1所示。

图1 实验流程图

1.创设实验情境

地理实验应聚焦地理现象，解决地理问题。在海边或江边，可以观察到各式各样的船只两侧都标有吃水线，表示轮船没入水中的深度，反映了轮船的最大安全载重量。如果水位超过吃水线，轮船就会有沉没的危险。由于世界上不同的海域在不同季节的海水密度存在差异，同一艘船的吃水深度不同，因此吃水线是多条而不是一条。为什么轮船的吃水线有多条？它们分别代表什么类型的吃水线？这些问题是本实验设计的出发点。

2.确定实验目标

本实验通过引导学生探究海水盐度和密度之间的关系，判断轮船吃水线的类型，进而引导学生理解海水性质对人类活动的影响，加深学生对人地关系的理解。在实验过程中，需要学生客观地记录实验现象和数据，对实验现象作出解释，基于观察事实形成观点，发现和提出需要进一步研究的问题。总体而言，本实验既是情境，又是知识传输的载体，有利于地理学科核心素养的培养。

3.明确实验原理和实验器材

海水的密度受温度和盐度等因素影响。一般情况下，海水温度高，密度小；海水盐度高，密度大。本实验用砝码模拟轮船的载重量，小烧杯模拟轮船。为比较轮船在水中的浮沉情况，本实验选择化学实验室常用的饱和氯化钠溶液作为“海水”（A烧杯），纯净水作为淡水（B烧杯）。学生通过比较“轮船”在不同溶液中的浮沉情况，结合世界表层海水温度和盐度分布图，判断吃水线的类型。本实验中A、B溶液均处于同一室温，但因水体不同，水温依然存在差异。实验过程中为控制温度变量，需准备酒精灯、石棉瓦以及读取温度和盐度的实验仪器设备。具体实验器材如图2所示。

图2 实验器材

4.设计实验步骤

（1）将50g砝码放入两个小烧杯中。相同载重的情况下，A烧杯中的“轮船”漂浮在水面上，B烧杯中的“轮船”沉入水中，如图3所示。教师提出问题：为什么相同载重情况下，轮船的浮沉情况不一样呢？

图3 实验现象

（2）根据初中物理浮力的相关知识，实验现象说明A、B溶液存在密度差异，而温度和盐度可能是造成密度差异的因素。为了验证盐度与密度之间的关系，需要排除温度这一变量。首先使用温度仪测量A、B溶液的温度，结果显示A溶液水温略低于B溶液，故使用酒精灯将A溶液加热到与B溶液相同的温度，如图4所示，发现“轮船”未沉入水底。以上步骤排除了本实验中温度变量对密度的影响。

图4 酒精灯加热A溶液

（3）排除温度因素影响后，进一步验证盐度因素的影响。使用盐度仪测量溶液盐度，记录A、B溶液的盐度差异，如图5所示。

图5 测量A、B溶液盐度

5.设计实验报告

为便于学生记录、分析实验过程，设计了如表1所示的实验报告表。

表1 实验报告表

6.解决地理问题

教师小结：在上述实验中，A溶液是实验室常用的饱和氯化钠溶液，用于模拟“海水”，B溶液为淡水。两种溶液的盐度差异导致密度差异，进而导致“轮船”吃水线位置的差异。轮船吃水线分为淡水吃水线、热带淡水吃水线和海水吃水线；海水吃水线又分为印度洋吃水线、夏季海洋吃水线、冬季海洋吃水线和北大西洋冬季吃水线，如图6所示。

图6 轮船上的吃水线示意图

结合教材中世界表层海水温度、盐度分布图，判断图6中①②③④和ab的吃水线类型，并说明理由，如表2所示。

表2 轮船吃水线类型及其理由

二、实验设计与教学实践反思

地理实验作为教学情境或作为知识和技能，是培养学生科学态度和价值观的重要方法。从实验设计到实验操作、再到实验教学，反思过程中存在的不足或需要解决的问题，可为优化地理实验教学提供借鉴。

1.教师规范实验操作，增强安全意识

在“探究海水盐度与密度”的实验操作过程中，需注意实验的规范操作，如酒精灯和盐度仪的使用。盐度仪的传感器非常敏感，每次使用后需用纯净水洗净并擦干，以减少数据误差。大部分地理教师没有接受过专门的课程学习或培训，实验操作的规范和安全意识较为薄弱。“双新”教育改革鼓励地理实验在地理教学中的应用，教师应进一步提升实验操作规范和安全意识，熟练使用中学地理实验教学基本仪器，减少数据误差，避免安全风险。

2.学生操作实验，培养科学素养

限于疫情期间在线教学的特点，此次实验由教师演示进行。如果时间和条件允许，建议由学生操作实验，引导学生参与相对完整、规范的科学研究过程，从设计实验方案到操作实验过程、观察记录、处理分析数据，再到最后撰写实验报告及汇报交流，在达成学科核心素养的同时，提升科学素养。

为检验学习效果，需要加强实验评价环节，笔者根据PTA评分法设计了本实验的学生评价量表。PTA评分法，又称为PTS法，全称为Primary Traits Analysis或Primary Traits Scale，也称为主要特质量表或主要特质评分法。这种评价方法的基本做法是：将学生在完成一项任务中所实施的行为或者表现分解为基本单元或者基本单元的组合，然后对学生在这些基本单元上的行为表现作出准确的评定。一般情况下，PTA 量表可以分为2～ 5个等级，以对应学生的不同表现水平。结合本实验，可以从实验操作和实验报告撰写两方面展开评价，权重各占50%，具体如表3所示。

表3 探究“海水盐度与密度”关系实验的PTA评价量表

3.学校加强地理实验室建设，提供良好的教学环境

海水的性质是高中地理新教科书中增加的内容之一，本校地理专用教室尚未配备相关的实验设备。酒精灯、石棉瓦、烧杯、砝码等设备均来自化学实验室，盐度仪和温度仪则来自于校外的设备公司。这种情况不仅增加了教师和学生实验操作的难度，也会削弱教师采用地理实验进行教学的热情。

建议尚未配备地理专用教室或实验器材的学校，加强地理专用教室的建设，尤其针对新课标中增加的海洋、土壤和植被等内容，配备足够数量的实验器材。同时，也要明确地理专用教室的功能定位，加强日常管理，提高地理专用教室的利用率。