地理物质能量传输“流”本质视角及其课程与教学意义

丁继昭

（1.东北师范大学 地理科学学院, 吉林 长春 130024; 2.东北师范大学 教师教育研究院, 吉林 长春 130024）

无论是在地理学科本质认识和课程内容理解，还是教学实施层面，地理物质（流）能量（流）传输与物质运动与能量交换、物质迁移与能量转换和物质能量运动等意思相同。从物质能量传输“流”本质角度来看课程与教学，可以为教师提供启示。从感性经验走向理性认识，首先需清楚如何来看待物质、能量与传输等问题。进一步向下推演，则有必要从地理物质视角、地理能量视角和地理流传输行为视角三个方面具体解构物质能量传输“流”的本质视角，并明晰其课程与教学意义。

一、地理物质视角及其课程与教学意义

地理课程内容涉及大气、植被、地貌、岩石圈、气团、洋流、河漫滩等诸多地理事象。高中地理“地理1”和“自然地理基础”两个模块课程内容的重点为地貌、气候、水文、生物和土壤等地理要素及其之间的相互联系，以及其所形成的自然地理系统（自然环境）的整体性和差异性。课程理解与教学实施中，在“地理1”刚开始的“地球圈层结构”部分，主要通过大气圈、岩石圈、水圈、生物圈等地理圈层及其相互作用，阐述自然地理系统（自然环境）的形成机理，并据此引领中学生系统认知自然地理环境及其演化过程。然而，不少师生还存在一些困惑。（1）在“地理1”当中我们强调四大地理圈层时并不包含土壤圈，那么，土壤圈到底是否属于地球圈层结构的一个组成部分？（2）土壤圈未被纳入常见的四大圈层系统，但土壤却是自然地理要素的重要组成部分，那么，四大圈层与各要素有何区别和联系？（3）中学地理教学中有时会将生物作为圈层来看待，有时会将生物作为地理要素来看待，同时也会把植被作为地理要素来看待，那么，究竟该如何准确理解生物圈层、生物要素和植被要素三者之间的关系？（4）中学阶段为什么比较强调要素而不是重点讨论圈层及其之间的相互作用？（5）地理学科通常关注大时空尺度问题，为什么有时还会关注钾、钠等微观层次上的元素迁移？类似问题还有很多，初看并不起眼，但深层次上涉及地理学科如何看待物质体系的问题。系统研究和解答这些问题，自然就成了地理学科课程理论研究中的基础内容。

从课程编制一般原理来看，学科研究是课程内容的基底，从学科角度出发可以为理解课程内容寻求本源性解释。地理学家通常以从大到小、从宏观到微观的视角来认识自然地理环境的物质组成，主要遵循“物质系统→物质组合→化合物→元素”的物质层次顺序。[1]带着这一思路，文章通过以下几个方面探索课程教学当中所蕴含的具有学科特色的地理物质视角或思维方式。

第一，通常所说的自然地理环境的组成成分，本质上指归属于物质系统的各地理圈层。[2]换句话说，地理要素并不完全等同于地理圈层。尽管大气、水、土壤、生物、岩石及地貌等地理要素很多，但其中的岩石、地貌和土壤要素又主要归属于岩石圈（之所以说“主要”，是由于它们是大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用的产物，主体则依附于岩石圈）。对于四大圈层，可以将其视为较高层次的一类地理物质，它与地理要素不属于同一个物质层级。另外，土壤圈是一个比较特殊的圈层物质体系，它和大气圈、岩石圈、水圈和生物圈不属于同一圈层分类体系。土壤是岩石风化后，经水、生物、气候等共同作用形成的衍生物，位于大气圈—水圈—岩石圈—生物圈的交互作用部位，处于“过渡区域”，是具有“肥力”的部分。在准确认识地理圈层物质时，不宜将土壤圈与其他四大圈层置于同一认知体系中。

第二，每一种组成成分又包含多种物质组成要素，组成成分与组成要素之间的关系如同一部机器中“部件”与“零件”的关系，如大气圈中包含大气和水等，岩石圈中包含岩石和土壤等。[3]厘清了每一圈层的物质组成特点后再来看大气、水、生物等地理要素，课程与教学中就可以形成一个带有物质体系及其层级性质的理解，即地理要素比地理圈层更加具体。由此可知，中学地理为什么比较强调要素而不是重点讨论圈层及其相互作用，在深层次上掌握了课程内容蕴含的学科思维意义。

第三，到了化合物层次，就是一些更加具体且性质比较稳定的地理物质，例如CO2、SO2和NO2等。深刻解释各种地理事象的机理、成因和过程时，具体化合物将会参与到地球表层中的各种物理过程、化学过程和生物过程，直接针对自然地理过程的物理化学发生机制。

第四，到了元素层次，问题分析层级则进一步微观化，主要针对生物地球化学等方面内容。由于其习得难度较大，通常还需借助特定的实验仪器等，该部分内容一般不在中学地理课程内容中直接体现，但是元素层次的物质仍然是一项重要内容。所以，尽管地理学科通常关注大时空尺度问题，但同时也会关注钾、钠等微观层次上的元素迁移问题。

从中学地理课程与教学角度出发，对物质体系进行梳理具有一定基础性意义，可以帮助教师厘清圈层、要素、化合物和元素等概念，引导学生准确认识地理物质体系。例如，植被作为地理要素，也是生物圈物质的重要组成部分。综合分析植被要素与土壤要素之间的关系时，宏观层面实际对应的是生物圈与岩石圈之间的关系，微观层面则是植被与土壤中的化合物之间所发生的物理、化学和生物过程。同时，在圈层组成、要素组成、化学元素组成等层次中，地理学家们认为要素组成最适于自然地理环境复杂系统的研究。[4]所以，中学地理课程内容组织时一般不强调过于宏观的圈层作用和过于微观的元素迁移，这不是说化学元素和地理圈层不重要，而是把重点落在了分析大气、地貌、水、植被、土壤等要素层面上。从教师对于课程内容理解的困惑、学科根本原理和学生学习发展的角度来看，教师需要建立准确的地理物质体系，并据此统整和审视中学地理课程内容，形成具有地理学科特点的解释，进而引导学生学会用地理的眼光看待现实世界。

通过以上问题分析和学科本质探寻，学生经过自然地理内容学习以后，应当按照“地理圈层→地理要素→化合物→元素”的认知顺序，建立起具有学科特色的地理物质认知线索，准确地从地理现象中辨识地理物质。实际上，美国2012年修订的地理课程标准，也比较注意从物质系统的角度来培养学生的地理视角。[5]

二、地理能量视角及其课程与教学意义

对于高中生而言，重力势能、动能、放射能、潮汐能、太阳能、化学能等能量形式并不陌生，因为中学物理、化学和生物课程里已经有了重点且较深入的学习。但在地理课上，还会遇到很多与能量相关的问题：常见的流水地貌也叫重力地貌，太阳辐射能对地球产生巨大影响，火山喷发会将地球内部放射性元素衰变所产生的热能带到地表等。与其他学科不同的是，地理课上虽然涉及这些能量形式，但通常并不深究其转化过程。那么，如何从学科本质角度来把握这些内容？其中反映了什么样的地理知识体系和思维方式？

学科层面上，地球表层环境的形成主要与地外系统和地内系统所提供的背景密切相关，地理学家非常重视地表系统中能量的来源。[6]地球系统中的能量在根本上来自于地球内部和外部，分别为内能和外能。一般认为，维持地表系统变化和发展的地外系统能量主要来自太阳辐射，地内系统能量则主要由各种放射性元素衰变释放出来。地理学家在看待自然地理系统中的能量传输问题时，主要把能量分为两大类：一是来自地球以外的天体，以太阳的光能和热能为主（外能），二是来自地球内部的重力和地热（内能）。[7]第一类是引起地球表层各种自然地理过程的直接动力和重要条件，第二类对于地球表层的作用多是以间接的方式和途径反映出来。[8]内能和外能在地球表层系统内的汇聚和转化是地理系统发展的根本动力。[9]外能主要为太阳辐射能，还包括微量的各种宇宙射线的辐射化学效应所导致的化学能，以及日月等星体对地表的吸引力所导致的潮汐能；内能主要包括重力能（势能）、热能和原子核能（核反应能）等，且“从自然地理学的观点来看，具有显著地理意义的地球内能应包括地热和重力”。[10]本文以地理学家刘南威等人所著的《综合自然地理学》为主要依据，将重力划入内力体系当中。

之所以如此关注能量的来源，是因为地理学家向来比较关注“驱动力源于能量的分布模式”。[11]换言之，不了解能量的来源就难以把握住地球表层系统中的驱动力。

地球系统的演化受内力作用和外力作用的共同驱动，两者从属于两个不同能量输入体系。地理学家马尔科夫针对地貌学基本问题曾指出，外力作用对于地貌发育在数量、程度、规模上与内力作用具有同等重要的意义，[12]从中可以看出内力和外力在地理学家的眼中是“平等的”，说明地球内能和外能对于自然环境的演化进程也具有同等重要的意义。在自然地理系统的两个能量输入体系中：太阳辐射能直接影响地球气候变化、生物光合作用和岩石风化剥蚀等地球表层系统过程，是外力作用最主要的能量来源；地球内部放射性物质衰变、物质向地球深部迁移释放的重力势能和矿物结晶等释放的热量，对大陆漂移、海底扩张、板块运动、岩浆活动、地震作用、变质作用和构造运动等过程产生影响，是内力作用最主要的能量来源。从这个分类体系可以看出，地理学科中的能量概念有其独特的学科属性，尽管能量很多，但立足于地球表层系统及其整体性特征，从能量的来源角度则可以划分为内能和外能两大部分。国外有地理学家在回答“‘能量’概念代表什么？”时，一个常见的答案就是“它是自然界中存在的一种物理力量”。[13]结合中学地理课程内容来说，如在“营造地表形态的力”这一部分当中提到的内营力和外营力，在根本上则是地球内能和外能的反映。学生对此内容需要有这样一种认识：沿着“驱动力”追溯到能量来源，深入到根本来认识问题。以此为基础，学习时更容易把驱动力和能量来源联结起来综合认识地球表层系统，理解营力体系与能量体系两者之间的关系，并从地理学科的角度来贯通理解能量和力这两个具有普遍意义的科学概念。

以能量为起点来统摄塑造自然环境的各种营力（主要为内营力和外营力），是一种更上位的整体驾驭，也表示对地理过程驱动力的进一步溯源、追问和认识，体现了一种深刻的、精准的学科理解。这有利于简明反映能量的本质属性、自然地理系统在地球系统中的地位及其与地球系统之间的能量联系机制，通过有限种类的能量来从根本上对多种多样的力进行本源性理解和把握，深刻认识能量是各种（自然）地理过程驱动力的本源这一关键，明晰地理学科关于能量的思想方法。

通过对以上问题的分析和学科本质探寻可知，学习自然地理内容时需要建立起具有学科特色的地理能量认知体系，据此引导学生形成地理能量视角。该体系的内容要点为：从外能和内能两个方面建构起具有学科特色的地理能量体系，进而把能量与影响自然环境的内外两大营力相关联。

三、地理“流”行为视角及其课程与教学意义

中学地理课程内容涉及大气的运动、岩石圈物质的运动、生物圈物质的运动和水圈物质的运动，以及圈层之间的相互作用，而并不把大气圈、岩石圈、生物圈和水圈物质本身内容的学习作为侧重点。地理学习的重点是地理要素本身的演化、形变、运移等运动，以及地理要素之间的相互作用，与生物和物理等课程有所区别。生物学主要学习植物的细胞组成、分子结构和种群状况等，比较侧重于自然地理植被要素本身的内在属性；中学物理课程内容则涉及到了能量的量度、转化等精细问题。地理课程内容为什么要如此关注“运动”“相互作用”和“关系”等？如何从学科本质角度来理解？这些内容与学生的学科思维养成有何关联？

归纳总结地理课程内容的布局和学习任务设置后可以发现，关注“运动”是其显著标识之一，根源在于地理学科对这些物质和能量的认识聚焦于动态变化而非静态状况，反映了物质能量传输在地理研究中的核心地位。学科本质层面上，地理与其他学科一样关注物质、能量，但前者比较侧重于物质能量的传输、流通或转换（说法不同但意思一致）。结合前面提到的地理物质体系，地理主要关注物质能量在圈层之间和要素之间以及区域之间的传输过程。

地理学家还指出，流动是世界运转的方式。[14]这里的流动，实际是一种“行为”，说的就是各种地理“流”的运动。物质能量传输过程，实际就是物质和能量及其所携带信息的流动过程等。地理学观察世界的独特视角之一就是通过空间上的“流”来观察世界的变化，包括物质流、能量流、信息流、思想流、人流、资金流等，它们是不同景观单元及其组成要素之间相互作用的具体表现。[15]地理学家进一步强调，地球表层系统的有序性、整体性等特征，主要通过系统内部的物质、能量和信息的流动得以实现的，空间联系的本质便是“流”。[16]地理学的一个侧重点就是了解这些“流”及其对地方的影响。[17]物质能量传输作为“流”及其运动方式的反映，集中体现了地理空间联系的内涵。认识过程中把握住了“流”就相当于把握住了关键。

从本体论转向认识论，既然“流”是对地理环境中各种物质和能量及其传输形式的本质概括，是一种更为抽象的概括总结。那么，一位具有良好地理素养的个体在面对诸多地理事象时则会有如下表现：能透过地理事象来抽象提取相应的地理要素，识别要素所构成的地理空间结构，发现地理要素的空间联系特征，透视空间联系背后的各种地理“流”，进而分析地理空间过程、影响及其未来发展趋势等。[18]通过从地理环境到地理圈层，再到地理事象和地理要素，认识对象不断具体化，思维也在深化发展，认知品质也趋向高阶化，“流”行为具有了归纳和统领价值。2004年人教版高中地理教材在编写过程中的指导思想之一是：注重阐明地理观念和地理视角，其中包括通过区域与区域之间的人流、物流和信息流等引导学生动态地分析问题。[19]从“流”行为出发把握各种物质和能量传输，不仅是在统领中学自然地理中的圈层联系、区域联系和要素联系等内容，更是在引导学生以一种动态的“流”行为抽象观察或透视世界。现实世界的客观和复杂现象和过程，将会通过“流”的形式转化为学生头脑中具有“地理化”的形象和记忆。

通过以上论述，教师在驾驭中学自然地理内容时有必要以“流”的运动行为看待物质能量传输过程，着重培养学生从地理“流”的角度来抽象概括物质能量传输过程。其内容要点为：不仅将物质和能量的运动与“流”及其运动相结合，还把物质和能量的传输过程视为流动行为。

深化物质能量传输的理解和认识，是实现从地理事象的观察到地理要素的识别，再到地理“流”的抽象的必经过程和认识路径。这不仅有利于认清物质能量的“流”本质，关注“流”的存在及其运移方式，在具体地理事物和现象的观察中，能够联想到其中的内在联系和机制，并从抽象中走出来回到现实具象世界中，实现地理具象与地理抽象之间的视点变换和思维转换，还有利于理解地理环境存在和发展的一个常态化特点，即自然地理系统因存在复杂物质能量运动而具有动态性且本身处在不停的变化和发展之中，[20]进而通过物质能量传输来建立起一种动态视角或观念。