大概念统摄下自然地理问题的重构*——以高三“气温”专题复习为例

林琛琛 陈诗吉 姚培泰

（1.厦门实验中学, 福建 厦门 361100; 2.厦门市教育科学研究院, 福建 厦门 361003; 3.福建省厦门第一中学,福建 厦门 361001）

心理学和教育哲学等领域已有对大概念关系与结构、层次与类型的相关研究。《普通高中地理课程标准（2017年版）》（以下简称“课程标准”）指出，要“重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实”。[1]地理学科大概念在大量地理知识的基础上也概况出多种内涵和形式。如有学者认为大概念的“大”并非仅就其统摄内容的范畴而言，其本质是一种关于“知识应该用于解决什么问题”的观念。[2]基于此，地理大概念对于地理事象认知和问题解决有上位统摄的作用，对高考评价体系、学科核心素养、学科育人价值的落地具有重要意义。此外，“一核、四层、四翼”高考评价体系无论是对关键能力的考查还是核心素养的评价都提出了新要求——由要素、过程分析向地域和时段多维度融合分析拓展。这与自然地理（过程）相关的“物质运动和能量交换”大概念所体现的综合性、动态性与循环性等特点契合。[3]

近年来，高考地理试题对综合思维的考查提出了更高的要求，使得大概念统摄下的自然地理多要素综合和要素重构显得尤为必要。为此，需要进行基于“物质运动和能量交换”大概念统摄下自然地理问题的重构，将自然地理知识和原理融入真实情境。设计与真实情境、学科大概念相关联的大任务，引发学生思考，让学生自主感受知识的发生过程，建构分析问题的思维路径，发挥学科育人价值。[4]

为此，本文在“物质运动和能量交换”大概念统摄下重构“气温”分析思路，从系统视角审视思维结构，进而归纳、搭建相应大概念的总体思路框架。最后再迁移应用到其他自然地理问题的重构过程，尝试探索地理大概念、存量知识、思维模型及结构的相互关系，为高三复习备考提供新思路，助力提升学生的问题解决能力和实现学科育人价值。

一、解决“气温”问题常规思路的局限性

1.解决大尺度区域问题的思维定势和套路化

在解决大尺度区域气温相关问题时，如“为什么7月全球最冷的地方在南极地区”，由于其具有大尺度一般性规律，较易解决。但当问及“为什么南极地区气温较北极地区低”时，学生常常只聚焦在“纬度、海陆位置和地形”等因素解释成因，而忽略两个地区受洋流影响导致的气温差异。同理，在回答“为什么冬季我国南北温差很大”时，常规思路通常是从经验性总结的“纬度、大气环流、地形、海陆位置、洋流”等角度分要素、无结构的直接记忆性分析，学生所达到的认知与素养水平较低，缺乏正确的认识路径，从而无法迁移应用到其他问题的分析与解决上。

2.解决小尺度区域问题的思路模糊和复杂化

上述“气温”分析的常规思路在小尺度区域探究中局限性更加凸显。如2015年高考地理海南卷第23题“分析死谷夏季炎热的原因”，如果用“纬度、大气环流、地形、海陆位置、洋流”模板套路作答，显然是不够严谨科学的。同理，在解决气温、水温的垂直递变特点及成因问题时，题中四个选项若从“纬度、大气环流、地形”等角度进行对照分析，显然均无从下手。目前高考试题侧重考查复杂、不良结构、真实情境下的逻辑推理性问题，试题风格也注重小切口、纵深入、以中小尺度区域为主。因此，常规思路一定程度可解决大尺度区域的一般性问题，但小尺度区域和短时间尺度的特殊性问题则无法分析到位。

【例1】（2016厦门质检10～11题）

纳木错位于藏北高原，每年12月至次年4月湖面封冻，冰面厚达2米。7月，某科考队前往纳木错考察湖泊的水温的垂直变化。科考队员绘制了某观测点7月水温垂直变化（见图1）。读图完成第（1）题。

图1 某观测点7月水温垂直变化

（1）图中7月水温从表层到水深15米处变化小的原因主要是________

A.光照强烈且水质好

B.蒸发消耗表层热量

C.地表径流汇入量大

D.表层受风力影响小

二、大概念统摄下自然地理问题的重构

基于大小尺度区域气温问题常规解决思路的局限性，解决气温问题需要从气温概念出发，剖析相应的本质原理，对标相应的大概念，形成气温问题科学的逻辑结构。由于自然地理环境是由各圈层及各地理要素构成的一个复杂的巨系统，在该系统中，物质是能量传输的载体，而能量是物质运动的动力。气温既是表示空气冷热程度的物理量，也在自然地理（过程）“物质运动与能量交换”大概念范畴里。在此大概念统摄下重构“气温”问题，才能把握问题实质，为相关地理要素的思维建构奠定基础。其效果远好于直接记忆气温的影响因素而没有理清因素间的关系，有助于提高学生的认知与素养水平，并能够将认识路径迁移应用到其他问题的分析与解决中。

1.建立“地—气”系统，重构“气温”思路

重构“气温”问题思路是在大概念统摄下，通过拆解、重构思路，还原知识的本质“拼图”，再将知识不断向上收敛，提升到地理事象的大概念。

地球表层系统是由大气圈、水圈、岩石圈、生物圈相互作用构成的复杂有机整体。地球表层系统的建立包括两大体系——系统和环境、三大范畴——系统与环境之间的输入、变换和输出。物质迁移、能量交换和信息传递是地球表层系统发展演化（地理过程）的本质，也是圈层间相互联系的纽带和相互作用的桥梁。系统维持稳定的本质原因是物质和能量守恒，从多年平均状况看，其收入项与支出项基本相等；系统平衡的打破，是收支项发生变化的结果。

【例2】（2018全国高考乙卷地理第37题）

乌裕尔河原为嫩江的支流。受嫩江西移、泥沙沉积等影响，乌裕尔河下游排水受阻，成为内流河。河水泛滥，最终形成面积相对稳定的扎龙湿地（图略）。扎龙湿地面积广大，积水较浅。

（1）分析从乌裕尔河成为内流河至扎龙湿地面积稳定，乌裕尔河流域降水量、蒸发量数量关系的变化。

当乌裕尔河流域系统边界发生变化，导致系统水量收支关系发生变化（见图2）。

图2 乌裕尔河流域（系统）水量收支关系演化建构

气温是表示空气冷热程度的物理量（即对空气所获得热量的度量）。空气的冷热程度，实质上是空气分子平均动能的表现。当空气获得热量时，其分子运动的平均速度增大，平均动能增加，气温也就升高。反之当空气失去热量时，其分子运动平均速度减小，平均动能随之减少，气温也就降低。

(1)建立能量交换系统（见图3）

图3 能量交换系统

①当系统能量输入I＞输出O时，动能增大，气温T升高；

②当系统能量输入I＜输出O时，动能减小，气温T降低；

③当系统能量输入I=输出O时，动能不变，气温T恒定。

(2)建立“地—气”系统→近地面大气系统

当把“地—气”当成整体系统时，系统外部环境为宇宙和高空大气（见图4a）。当把近地面大气单独作为系统时，则构成系统外部环境为宇宙、地面和高空大气，系统的能量收支途径多了地面（见图4b）。针对不同气温问题，选择不同系统进行分析的效果不同。

根据中国多年平均年太阳辐射总量（亿焦耳/平方米）分布情况，如果需要分析夏季内蒙古自治区和西藏自治区两地气温的差异及其原因，可将地面和近地面大气当成整体，建立“地—气”系统（见图5）。内蒙古自治区和西藏自治区两地在夏季太阳高度均较大，输入到两地“地—气”系统的能量I甲≈I乙，但是西藏海拔远高于内蒙古，空气稀薄，导致西藏“地—气”系统输出的能量O甲＞O乙，近地面气温T甲＜T乙。

图5 地—气系统能量收支建构

2.理清能量交换方式，建构物质和能量流

（本地）能量交换方式主要有三种：①热辐射；②热对流；③热传导。首先是近地面大气与地面间能量交换，以热辐射方式进行（见图6）。当ΔT地-气=T地温-T气温＞0，发生地面辐射，地面辐射强度由ΔT地-气决定；当ΔT地-气=T地温-T气温=0，达到能量交换的动态平衡；当ΔT地-气=T地温-T气温＜0，发生大气逆辐射。地温主要受（到达地面的）太阳辐射、大气逆辐射、地面性质和地热能影响。

图6 “地-气”系统热辐射交换建构

能量交换方式1：热辐射。

【例3】（2017全国高考I卷）我国某地为保证葡萄植株安全越冬，采用双层覆膜技术（两层覆膜间留有一定空间），效果显著。当地寒冷期（12月至次年2月）丰、枯雪年的平均气温日变化和丰、枯雪年的膜内平均温度日变化（见图7）。

图7 丰、枯雪年均温日变化和膜内均温日变化

（1）图中表示枯雪年膜内平均温度日变化的曲线是______

A.① B.② C.③ D.④

材料中提到“当地寒冷期（12月至次年2月）”，表明能量处于亏损状态，处于降温过程，地面作为冷源（T地＜T气）。覆膜阻隔了“地—气”之间联系，从而加大膜内外温差。再根据太阳辐射和气温日变化规律相似进行相应分析，得出相应结论。

能量交换方式2：热对流。

（本地）能量交换的另一种方式是热对流，是近地面大气与高空进行能量交换的主要方式（见图8）。当近地面气温T近气＞高空气温T高气时，发生对流（上升）运动，对流的强度与大气垂直温差呈正相关，与大气垂直高度差呈负相关。此外，从能量收支来看，近地面大气能量散失到宇宙，也会导致近地面大气温度变化。散失到宇宙能量大小主要取决于海拔、天气状况（云量）、沙尘等因素决定）。值得注意是，对流是一个小尺度的概念，时间尺度为“日”，不参与大尺度的气压带与风带形成。

图8 “地-气”系统热对流交换建构

【例5】（2015高考地理海南卷）死谷长约225千米，宽8～24千米，低于海平面的面积达1408平方千米（见图9a）。该地夏季气温经常超过49℃，最高曾达57℃，是北美洲夏季最炎热的地区。分析死谷夏季炎热的原因。

图9a 死谷位置

从能量交换角度来看，死谷因夏季受副高控制，盛行下沉气流，水平气流弱，水平方向能量交换较少（见图9b）。其次，空气对流弱，能量也不易扩散。此外，下沉气流也会导致地面水分蒸发弱，地面热量传输给大气较少，进而可以更全面严谨地把握问题实质。

图9b 死谷能量交换建构

能量交换方式3：（外地）热量输送。

从“物质运动和能量交换”的视角来看，热量输送是近地面大气获得能量的重要方式（见图10），主要是以风和洋流（物质运动）为热量输送的媒介（载体）。风在进行热量输送过程中，需要考虑沿途地形对气流的集聚、阻挡、下沉作用。洋流则通过影响水温，从而间接影响气温变化。

图10 外地热量输送建构

【例6】读中国1月平均气温图（图略）思考，为何冬季我国南北温差较大？

根据外地能量输送建构可知（见图11），从外地热量输送来看，冬季风南北沿途距离远且到南方沿途受地形阻隔。其次，从本地热源来看，我国南北纬度跨度大，冬季北方太阳光照强度和光照时长均比南方小，太阳辐射量（等于光照强度乘以光照时长）小于南方，即南北太阳辐射量差异大使我国冬季南北温差大。

图11 外地能量输送建构

能量交换方式4：人为热源。

在地表自然系统中，叠加人类活动干扰可以看出：人为能量主要来自于人类活动排放的废热。此外，人类活动通过改变地面性质影响地面辐射，导致气温的变化；通过增加地表阻力改变风力大小，从而影响热量输送；通过增加地表覆盖物（如秸秆、地膜等）阻隔地气联系，增加地表与空气的温差；通过排放大气污染物、沙尘等降低大气透明度，从而削弱太阳辐射或保温的作用（见图12）。

图12 人为热源在近地面大气系统中能量交换建构

3.归纳气温要素关联，提升大概念总思路

根据上述分析过程建构了“物质运动和能量交换”大概念统摄下“气温”问题总思路（见图13）。从系统视角，主要分为本地热源和热量输送两大收支项。在本地热源收支项中，收入项①为地面辐射，主要受（到达地面的）太阳辐射、地面性质和收入项②地热能的影响；收入项③为大气对流，主要由垂直大气的温差和高度差决定；收入项④为人类活动排放的废热；此外，人类活动还可以通过改变地面性质等间接改变气温。支出项①为大气逆辐射，主要受大气状况和“地—气”温差的影响；支出项②为散失到宇宙的能量，受大气状况的影响。在热量输送的收支项中，收入项⑤和⑥是以风和洋流为载体的外地热量输送，其中，风在输送热量时，受沿途地形集聚、阻挡、下沉的影响，而洋流则通过影响（本地）水温，从而间接影响气温变化。此重构思路相较于直接性记忆“纬度位置、大气环流、地形、海陆位置洋流、人类活动”等气温影响因素，所达到的认知与素养水平更高，更容易进行知识迁移应用，提高问题解决能力。

图13 “物质运动和能量交换”大概念统摄下气温建构总思路

4.迁移大概念总思路，剖析自然地理过程

搬运过程伴随着物质运动和能量交换，同样在此大概念统摄下建构搬运过程思路（见图14）。具体思路如下：当流域中岩石暴露在大气中时，由于受到大气能量如昼夜温差变化影响，产生风化与侵蚀产生的碎屑物。碎屑物被从原位置搬运到新位置的过程中，需要满足搬运动力大于碎屑物阻力和重力的条件；碎屑物所受到的阻力主要和地表粗糙度（含植被覆盖情况）、碎屑物干湿度等因素有关。搬运的载体主要是由太阳辐射能产生的风、流水和冰川。风的搬运作用主要是通过风沙流即挟带沙粒气流的运动实现的，当风速超过起沙风速，地表沙粒开始被搬运。河流搬运能力高低受流量与流速影响。流水沉积物颗粒随流速的减慢而由大到小顺次排列，呈现较好分选性。

图14 “物质运动和能量交换”大概念统摄下搬运过程建构思路

同理，侵蚀和沉积过程、大气受热过程、降水形成过程、地表径流下渗过程、岩浆活动过程等自然地理过程同样可以在“物质运动和能量交换”大概念统摄下围绕物质来源和动力条件两个维度进行思路建构，并聚焦系统物质和能量的收支平衡问题认识自然地理现象。