地理模拟实验纸笔测试的实践探索与教学建议

张文军 汤国荣

摘 要：地理实践力素养的考查如何有效地落实在纸笔测试中，这是高中地理教师面临的新课题。本文以地理模拟实验“大气受热过程”纸笔测试题的设计为主线，阐述基于地理实践力考查的模拟实验类试题命题方向及设计原则，评价学生的测试结果，并提出相关教学建议。

关键词：地理模拟实验;试题设计;教学建议

中图分类号：G633.55        文献标识码：A        文章编号：1005-5207（2022）08-0029-05

地理模拟实验指采用某种实验方法，借助实验仪器、设备、模型，模拟自然地理事物或现象产生、变化、作用等的实验。地理模拟实验能够在一定程度上再现某些自然地理事象的变化过程，有助于形象直观地阐释自然地理原理。地理模拟实验在高中地理教学中应用广泛，尤其是各类演示实验，如水土流失、热力环流、土壤侵蚀等模拟演示。

一、地理模拟实验试题命题方向及设计原则

1.地理实践力素养水平划分

地理实践力是人们在地理实践活动中所具备的意志品质和行动能力[1]，就地理模拟实验而言，其素养水平可细化为表1所示的四个等级水平。

2.地理模拟实验纸笔测试方向

纸笔测试背景下很难对学生地理模拟实验的具体操作行为进行评价，但可以通过一定的途径测评其两方面的素养。一是模拟实验的操作技能和方法;二是模拟实验活动中的科学探索精神。地理模拟实验的纸笔测试方向可以考虑以下五个方面。

（1）实验设计

主要考查学生的实验设计能力，包括设计某一项模拟实验需要哪些材料，设计何种装置，考虑哪些变量，设想有哪些操作步骤，需要注意哪些实验操作安全问题等。

（2）实验观察

主要考查学生对地理模拟实验过程的观察和记录能力，包括能否全程无误地进行实验观察，能否正确描述实验现象，能否科学记录实验数据等。

（3）實验分析

主要考查学生对地理模拟实验数据的收集和分析能力，包括如何正确获取实验数据，如何将数据转化为表格或图表，如何对数据进行正确的分析，如何发现实验过程中可能存在的问题，如何将分析得出的结论与之前的假设进行对比研究等。

（4）实验创新

主要考查学生对原有地理模拟实验的创新改进能力，即能否设计出更科学有效且凸显地理核心素养培养的新实验，包括实验器材的创新、实验环节的创新、实验分析的创新和实验报告的创新等。

（5）实验应用

主要考查学生将地理实验原理应用于实际的能力，即在实验结束后，能否对实验结果进行生产、生活方面的应用。如“水土流失”模拟实验的结论，能否在城市建设、农田建设中进行应用，又该如何具体应用等。

3.地理模拟实验试题设计原则

一是学科性。所考查的模拟实验试题必须指向地理学科，且以自然地理为主，考查学生地理模拟实验的观察、分析和设计能力，以及理解相关自然地理原理和规律的能力水平。

二是典型性。试题主要针对自然地理知识的重、难点选取典型实验进行命题设计，能够促使学生对地理模拟实验进行深入探究，举一反三地理解与之相关的地理知识和原理。

三是可操作性。精心选取学生认知范围内、能够动手参与、且实验效果的可视化程度高、与预期探究结论的吻合度高的地理模拟实验作为试题素材进行命题设计。

四是探究性。试题能层层深入、逐步探究地理模拟实验现象背后的地理原理和规律，能考查学生的地理综合思维、人地协调观等核心素养。

二、“大气受热过程”模拟实验纸笔测试的实践尝试

在大气模块的专题复习中，对照地理实践力素养水平等级，根据地理模拟实验试题的命题方向和设计原则，专门命制了一份地理模拟实验测试卷。其设计思路是通过四组实验，考查学生对大气受热过程中相关地理原理的分析、理解和应用，具体如下。

【实验一】

浙江一所高中某地理实践小组同学将三支温度计分别悬挂在铁架台上距离地面20厘米、70厘米和120厘米高处（图1），于夏季某日上午10∶15从室内平移至晴朗无风的室外，在太阳下放置15分钟后测得三支温度计的数值如表2所示。

[时间 温度计A 温度计B 温度计C 10∶15 26℃ 26℃ 26℃ 10∶30 28℃ 28.5℃ 29℃ ][表2 三支温度计不同时刻的气温]

（1）归纳实验数据规律，并分析说明该实验反映的地理原理。（4分）

（2）若在阴雨天同一时间进行同样的实验操作，其数值可能出现怎样的变化，为什么？（4分）

（3）对流层局部范围可能会出现气温随高度增加而升高的现象。请指出该现象对大气环境造成的有利和不利影响。（2分）

【实验二】

甲、乙两个相同规格的敞口玻璃箱，箱内均放置温度计，甲上面覆盖透明薄膜，乙上面无透明薄膜（图2）。夏季某日晴天上午同时把两个玻璃箱从室内平移至室外日光下，在两次20分钟后，同时测得玻璃箱里的气温数值如表3所示。

（1）请用柱状图形式绘制出甲、乙的温度变化情况。（4分）

（2）简析该实验反映的地理原理。（2分）

（3）该地理实验结论在农业生产中的主要应用是兴建温室大棚。分析温室大棚对农作物生长的影响。（4分）

【实验三】

甲、丙两个相同规格的玻璃箱，上面均覆盖透明薄膜。甲底部不放任何东西，丙底部放一些泥土（图3）。夏季某日晴天上午同时把两个玻璃箱从室内平移至室外日光下，在两次20分钟后，同时测得玻璃箱里的气温数值如表4所示。

选择题，每小题2分。

（1）该实验的主要结论是

A.大气主要靠太阳辐射加热

B.下垫面是大气的直接热源

C.晴朗天气不存在削弱作用

D.土壤吸收的大气辐射较少

（2）该实验装置还可以用来验证

A.最高气温多出现在午后

B.不同纬度存在气温差异

C.沿海地区海陆风的形成

D.大气削弱作用强弱成因

（3）若要使丙玻璃箱内气温上升得更高一些，想一想有哪些方法可以实现，请说出三种。（6分）

【实验四】

丙、丁两个相同规格的玻璃箱，上面均覆盖透明薄膜。丙底部放一些泥土，丁底部放一些水（图4）。夏季某日晴天上午同时把两个玻璃箱从室内平移至室外日光下，在两次20分钟后，同时测得玻璃箱里的气温数值如表5所示。

（1）该组对比实验能够验证的地理原理主要是     （  ）差异。（1分）

（2）如何通过改变丙箱内的下垫面，使其增温幅度减缓，请说出两项措施并分析原因。（3分）

（3）在10∶50之后，将上述两个玻璃箱同时搬至室内阴凉处，推测40分钟内两支温度计的数值变化特征并分析原因。（8分）

（4）在另一天相同的模拟实验中，发现两支温度计所测数值有较大的出入，试推测温度值产生误差的两条可能原因。（4分）

（5）我国江淮地区冬春季节经常受到寒潮袭击，农作物受到冻害影响损失严重。请你根据上述实验的相关原理设计一个防寒潮冻害的农庄。在图5右框内设计适当的图例并体现在左侧农庄示意图上，同时说明设计理由。（12分）

三、地理模拟实验纸笔测试题的评价及教学建议

1.试题评价

笔者对所任教某班的33位学生进行限时测试，批阅后认为学生的完成情况总体尚佳，一方面说明学生对大气受热过程相应的知识和原理有较好的理解，综合思维能力较强;另一方面也说明学生对地理模拟实验试题的适应性较强。下列题组反映出学生具有较强的实验观察和分析能力。

实验一的第（1）问：归纳实验数据规律，并分析说明该实验反映的地理原理。

【学生答题评析】本题考查学生地理实验数据的分析能力。超过半数的学生对实验数据规律的概括并不仅仅局限于数据的静态描述——“距离地面越近，气温越高”，而是能够进一步描述出实验数据的动态变化——“在相同的时间内，距离地面越近，气温上升越快”。对应的原理也说明得比较完整——“对流层大气的直接热源来自地面，离地面越近，得到的地面辐射越多，升温越快，气温越高”。这些答案体现了综合思维中的时空综合，值得肯定。

实验三的第（3）问：若要使丙玻璃箱内气温上升得更高一些，想一想有哪些方法可以实现，请说出三种。

【学生答题评析】本题考查學生的实验创新能力。学生对该题的回答不仅仅局限在常规的实验操作角度，如增加太阳辐射量、调整下垫面性质、改变玻璃箱性质等，而且还能充分考虑其他设计角度。如有的学生能更细致地考虑温度计的位置，回答“可以把温度计放在更靠近泥土的位置”，这一点其实就是实验一的结论应用。又如，有的学生回答“往丙箱内加注大量二氧化碳气体[2]”，想法具有创造性，但这需要更精准的实验予以验证。同时，常规角度的答案也是百花齐放。如对于“增加太阳辐射量”，学生答案有：①延长在阳光下暴晒的时间;②将实验时间调整到午后太阳辐射更强的时候;③调整装置与太阳光线的位置使之垂直射入地面等。对于“调整下垫面性质”，学生答案有：①考虑在丙玻璃箱内添加更多的土壤;②使用更干燥的泥土;③将泥土换成混凝土地面或砂石等。对于“改变玻璃箱性质”，学生答案有：①可以用黑色薄膜包裹住丙玻璃箱的四周;②用棉被围住丙玻璃箱的四周;③将玻璃箱的四壁涂成黑色等。这些答案反映出学生对地理模拟实验的原理理解透彻，可以自行修改变量或条件加以分析，具备较强的创新能力。

当然，多个题组的测试结果也暴露出学生缺乏相应的地理实践力素养。

实验二的第（1）问：请采用柱状图形式绘制出甲、乙的温度变化。

【学生答题评析】本题要求学生将实验数据用图表形式进行可视化处理，强调坐标规范、单位注明、图例完整、柱状显示。但学生在处理中出现了如下问题：①未用铅笔和直尺绘图;②纵坐标未标注“单位：℃”;③将“℃”标在纵坐标的每个数值上;④纵坐标起点从0开始标注，变化趋势不明显;⑤缺失图例;⑥甲、乙分开来画了两张坐标图。这些问题反映出学生的绘图能力较弱，平时对各类地理图表重视程度不足，在自己绘图时不够细致和严谨。笔者还发现绝大多数（94%）学生习惯采取同一时间的甲、乙对比（图6），而仅有6%的学生按照甲、乙各自随时间变化绘制气温变化图（图7）。事实上，根据表格材料，图7更加符合题意。

实验四的第（3）问：在10∶50之后，将上述两个玻璃箱同时搬至室内阴凉处，推测40分钟内两支温度计的数值变化特征并分析原因（表6）。（8分）

【学生答题评析】本题考查学生实验观察和分析能力，并能检验学生平时是否真正做过这类地理模拟实验。如果想当然就回答的话，只会根据所学的知识粗略推测实验结果。33位学生回答体现的水平等级如图8所示，总体而言水平等级偏低。

实验四的第（5）问：题目见上。

【学生答题评析】本题考查学生的实验应用能力，部分学生的解答暴露出学以致用能力的欠缺。存在的问题主要有：①无法将实验结果与防寒潮冻害农场产生联系;②知道一些防寒潮冻害的地理原理，但无法在图中设计;③不会自创图例;④未能将图例正确绘制到农场的具体位置;⑤未考虑到分值设置，只能设计出一两种方法;⑥未能正确或清晰地解释设计理由。

当然，部分学生也能设计出比较合理的防冻害措施，且其思维具有开放性。有的学生考虑到了寒潮来临前夕可以采取的措施，如“①寒潮来临，在农庄西北侧的荒地上燃烧烟雾，增强大气逆辐射，减少夜晚地面辐射损失的热量，对地面起到保温作用，可防御冻害;②引河流水建水渠流入农田，增加近地面空气湿度，利于大气吸收地面辐射，增强大气逆辐射，而且水的热容量大，降温慢，农田温度不会很快下降;③利用稻草、地膜等物品覆盖农田作物，起到保温作用”。有的学生也能够考虑到平时就可以做好的防冻害措施，如“部分农田改建成温室大棚”“荒地上建太阳能集热器，除平时供能外还可以在寒潮时给农田供暖”“在西北侧荒地上种植常绿树木，阻挡冷空气”“在荒地上开挖池塘”等。图9是某位学生的绘图答案，体现出较强的实验应用能力和地理绘图能力。

2.教学建议

针对学生在地理模拟实验测试卷中存在的问题，提出以下教学建议。

①规范操作。针对课堂内外进行的地理模拟实验，都要强调对实验原理、实验材料、实验过程、实验结论、实验报告等进行认真处理和分析。实验的每一个环节都要规范操作，因为它们都可以命制成相应的试题进行地理实践力考查。

②拓展分析。教学中不要拘泥于所操作的地理模拟实验，还可以让学生尝试挖掘新的问题。如在“流水对土壤的侵蚀”实验中，探究的是不同土壤类型对流水侵蚀的影响，但在实验后教师可以指导学生对同种土壤的厚度、疏松度、干燥度等指标进行进一步的实验探究，并对其他影响因素及下一级因素进行总结提炼[3]，有利于培养学生的综合思维能力和动手实践能力。

③反思改进。学生动手做实验固然重要，但反思和改进更能体现多项地理核心素养。不管是观察过程，还是实验数据，都可以挖掘反思改进的内容。不要满足于做过了实验或做成功了实验，有时实验没有成功，经过反思改进后取得成功的过程更有收获。

④学以致用。激发学生对模拟实验原理学以致用。如果学生能通过模拟实验的体验过程清楚理解之前困惑的一些地理问题，或将实验的分析结果整理为科学合理的建议提供给相关部门等，这将是地理模拟实验教学最成功之处。

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）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 项爱明，羊大方.“二氧化碳温室效应”模拟实验[J].地理教育，2020（3）：58-60.

[3] 张文军.基于思维结构评价的地理模拟实验方案设计与评析[J].地理教学，2021（10）：22-25.