地理思维建模的实践与思考——以“全球气候变化及其对人类活动的影响”为课例，本文主要内容关键词为：建模论文,气候变化论文,思维论文,地理论文,人类论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
［问题缘起］
传统课堂教学设计深受经验主义的影响，教师一般依据教学内容组织教学，通过讲解为主的方式诠释和传播知识，教学过程是由上而下的传授，较少关注学生知识与思维能力的自我生长。同时，对学生所学知识掌握程度的检查，往往依据习题进行检测，通过对学生的解题结果与标准答案的比照加以判断。这种常规的检查反馈，只关注了结果，却不能关注到产生结果的过程。
在我国第八次课程改革的实施过程中，建构主义教学理论得到广泛认同与应用。建构主义学习观认为：知识是学生在教师的帮助和促进下主动进行的有意义的建构。那么，在实际的地理教学中，应该如何指导学生进行地理知识的自我建构？如何洞悉学生建构地理知识的思维过程？学生在建构地理知识的过程中是否存在偏差？如何让学生对偏差进行自我调整？
以上种种问题是我们将建构主义付诸实践时必须思考的，并且必须去寻找解决这些问题的钥匙。这把钥匙就是“思维建模”。知识建构的过程是一个知识内化的过程，这一过程是学生进行内在思维的过程，借助思维建模则可以将内在的思维过程外显，让思维过程可视化。
思维建模的课堂教学，教师需要站在学生的立场上去组织，需要深入剖析知识的根源，建立超越知识的元知识，教学过程是由下而上的建构，更多地关注知识的自我生长与认知思维的过程。那么，在地理课堂上，如何引导学生进行思维建模？地理思维建模有什么规律可循？带着这些问题，我们选取“全球气候变化及其对人类活动的影响”一课进行教学实验与研究。历经多次课堂观摩、研讨与修正，张剑平老师展示了如下的教学过程。
［教学现场］
师：今天我们一起探讨有关“气候变化”的问题。大家先回顾一下关于气候的相关知识，想一想我们需要从哪些方面来探讨这个问题？请大家在我所提供的框图（图1）基础上绘制一幅思维导图，要以疑问句的方式填写框图，以说明你的认识。（张老师的学生已了解思维导图的绘制方法）
图1
（学生绘图，教师巡视，个别辅导）
师：下面请两位同学投影自己的作品，并进行解释。
生（许）：我的思维导图（图2）源于英文疑问词的启发，即which，what，why，how。
图2
生（蒋）：我的思维导图（图3）主要是围绕气候变化的原因进行追问。
图3
（师生共同对两位学生的作品进行评价，略）
师：结合教材与大家提出的建议，我们可将本课探究的主题制作成如下的思维导图（图4）。
师：阅读教材（湘教版，下同）中“地质时期的气候变化图”，完成两项任务，一是在图上标示出三大冰期的时间点，总结冰期全球平均温度特征；二是说出你读这幅图后的疑问。
生1：三大冰期平均温度都是偏冷的。
生2：我不明白什么是同位素地质年龄？还有什么是冰期？
图4
生3：我不明白人们怎样得到这些数据的？区别温度冷暖的那条线是多少摄氏度？区别干湿的那条线是多少毫米的降水量？
（教师解答学生的疑问，并出示拓展性材料，提供给有兴趣的学生课后阅读）
师：关于地质时期气候变化的特点，应该清楚以下几个问题的答案：全球气候是否一直处于变化之中？变化幅度是否一致？变化的周期是否一定？气温与降水两个要素的变化是否一致？
生：全球气候一直处于变化中，幅度不一致，周期有长有短，两个要素的变化不一致。
师：下面，让我们从一万年前的地质时期走进近一万年来的历史时期。同学们阅读教材中“10000年来挪威雪线高度和近5000年来中国气温距平变化图”，根据图中的数据，你对历史时期的气候变化有哪些认识？
（教师补充讲解了雪线与气温距平变化的概念，略）
生：在历史时期，气候有两次较大的波动，一次是公元前1500年的温暖期；一次是15世纪以来的寒冷期。1500年前，挪威雪线的海拔高，中国气温距平变化比较大，说明1500年前有温暖期，15世纪以来有一个寒冷期。
师：注意表述的正确性，“气温距平变化大”到底是气温比平均温度高得多，还是低得多？可以表述为：在1500年前气温比平均温度要高出许多；15世纪以来气温比平均气温要低出许多。
师：近现代气候变化是不是历史时期气候变化的继续？请大家阅读“1860年～2002年全球平均气温距平变化图”和“1900年～2000年全球降水量变化趋势图”，归纳出近现代气候变化的特点。
生：气温升高，全球变暖，降水有的地区增加，有的地区减少。
师：气候变暖是近现代气候变化的主要特征。近百年来全球气候为什么呈现变暖的趋势？
生1：全球气候变暖既有自然原因，也有人为原因。从自然原因看，气候变化是有周期性的，也许目前正在向新的温暖期过渡，大气中二氧化碳含量增加是主要的原因；目前，大气中二氧化碳含量增加又是人为造成的。
生2：一方面，人类大量燃烧化石燃料，使得大气中二氧化碳等温室气体的含量不断增加；另一方面，植被破坏使得森林吸收二氧化碳的数量减少。
师：总之，人为原因是造成当前全球气候变暖的主要原因。那么，气候变化会对人类的生产生活产生哪些影响？
师：现在请前后两桌的四位同学组成一个合作小组，共同完成气候变化对人类产生影响的“因果推导表”。我先示范一份“因果推导表”（见下表），全球变暖是“因”，两极冰川融化是“果”；两极冰川融化是“因”，海平面上升又成为“果”；以此类推，因果、果因不断递推，形成一条因果推导链。在进行因果推导时，对由因到果的过程还必须添加一些解释和说明。
（学生绘制因果推导表，教师巡视辅导）
师：下面请三位同学投影展示小组的因果推导表，并请大家进行点评、修改。
生（李）：
生1：我觉得李同学的表填得比较好，曹同学的太简单，王同学的还可以。
生2：王同学的答案好像有错误，我认为温室气体排放应该是全球变暖的原因，而不是结果。王同学把因果关系搞错了。
生3：王同学填写的“农业生产”不完整。
师：请问曹同学，你能具体说明“灾害增多”是指什么样的灾害吗？
生（曹）：气象灾害。
师：能否再具体点？
生（曹）：暴雨、厄尔尼诺、干旱、洪涝、热浪……
师：现在我们选择其中一种具体的灾害类型来做因果推导，如“暴雨”。大家想一想，“全球变暖”和“暴雨”之间存在怎样的因果关系？
生：全球变暖、蒸发旺盛、暴雨增多。
师：非常好！全球变暖是现代气候变化的主要表现，具体指气温的变化状况，但热量和水分是紧密联系的，气温的变化会影响降水量的变化。曹同学课后完善一下因果推导表，需要写清楚“解释和说明”。
师：现在大家再来分析一下王同学的因果推导表。王同学，听到大家的建议了吗？你现在有什么想法？
生（王）：我把温室气体和全球变暖的因果关系写反了；另外，我想把“农业生产”修改为“农业减产”。
师：全球变暖一定会使农业减产吗？大家说说。
生1：全球变暖后蒸发旺盛，会产生干旱、暴雨等气象灾害，农业生产会减产。
生2：全球变暖后海平面上升，陆地面积减小，耕地面积减小，农业生产会减产。
师：都很有道理，因果推导的逻辑性很强！有没有不同的看法？
生3：我想不是所有地区都会减产，比如我国的东北平原。东北平原因为寒冷，一年只能播种一次，我想如果气温变暖了，东北平原就能一年两熟了，农业还会增产。
师：大家认为有没有道理？
生（众）：有。
师：全球变暖只是全球气候变化的一个方面，但却是当前气候变化的最重要特征。下课后，请大家将初始原因修改为“全球气候变化”，再填写一份因果推导表。现在思考另一个问题，要减缓全球气候变暖的趋势，我们应该制定什么样的对策？
生1：针对全球气候变暖，我们应该从两个方面制订应对措施。一是怎样控制气候变暖，二是如何适应气候变暖。先谈谈控制措施，气候变暖的原因是温室气体排放量增多，从吸收与减排两个角度考虑，一方面，大力植树造林可以吸收二氧化碳；另一方面，减少使用化石燃料燃烧，改变能源结构，提高能源利用效率，可以减少二氧化碳排放。关于适应气候变暖的措施，如培育新物种，改变农业产业结构，发展节水农业，修建堤坝与海防林等，都是行之有效的。（学生的回答很棒，赢得了掌声）
生2：刚才这位同学谈的都是物质形态的措施，还有非物质形态的措施，如提高节能减排意识，加强全球合作，制定相应的法律法规等。
师：同学们的思路非常开阔，提出的一些措施还富有创新意识。在此，建议大家以全球气候变暖为主题制作一期黑板报。
［研讨反思］
从张老师的教学组织看，全课的思维建模大致分为两大板块，首先是建构关于气候变化及其对人类影响的知识系统模型，然后进一步建构关于气候变化对人类活动产生影响的因果分析模型。研究小组成员一致认为，重视思维建模的课堂是对传统授课理念的变革与创新。之后，围绕着地理思维建模的类型与工具，又进行了较深入的探讨。
一、地理思维建模的意义
思维是人类特有的一种理解和解决问题的有目的的心理活动，它是一个多侧面、多形态、多水平和多关联的多维结构。地理教学不仅是为了帮助学生学习地理知识，更重要的是对学生进行思维能力的培养。从本节课看，教学就是引导学生搭建思维模型，在此过程中完成知识的自我建构，这对学生提升分析、归纳、推理等思维能力具有积极的意义。
1.思维建模有利于培养学生主动建构知识的意识
教材的知识逻辑结构是他构的，是否能够转化为学生自我的认识取决于学生已有的知识基础与思维策略。从某种程度上说，学生学习新知的过程就是对教材知识进行解构与重构的过程，思维建模的运用使得知识解构与重构过程变得清晰可见，每个学生会根据自己的理解，通过不同的系统模型表达自己的认知结构，如本课例在学习初始所设计的思维导图就是学生自我建构的知识系统，这非常有利于培养学生学习的目的性和方向性，以及思维活动的自觉性和积极性。
2.思维建模有利于培养学生逻辑推理的能力
学生在建模的过程中，需要运用情境材料，以系统化的方式搜索信息，通过分析与综合、演绎与归纳、分类与比较等思维规则，对获得的知识信息迅速做出假设、猜想或判断，并根据学习进程进行自我反思和调节，从而认识问题的本质。这对于提高学生逻辑推理能力，以及思维的准确性、系统性和批评性等都有重要意义。
3.思维建模有利于培养学生的创新能力
在建模的过程中，学生往往面临认知的矛盾、差异或突发事件，这些认知冲突可以使学习成为探究性、研究性的活动，进而增强学生的创新意识。另外，建模本身就是富有个性的创造性活动，由于思维建模没有可供遵循的现成模式，反而给了学生一个完全自主的空间，使其可以充分发挥自己独到的见解和与众不同的思考方法，设计出个性化、多样化的模型。
二、地理思维建模的主要类型
思维模式是引导思维活动演进的程序，地理思维建模就是对若干个具有相似性思维要求的地理事件与现象进行概括，归纳出普适性的分析模型。一般来说，概括的实例越多，概括化的程度越高，模型的适用范围就越广、越普遍，相应的思维水平也就越高。由于地理事件的复杂性以及个体思维的灵活性，思维模型并不固定，也不能穷尽。在此，我们粗略地将地理思维建模分为三大类型。
1.为知识系统建模
思维建模的学习不是将注意力集中在单个知识点上，而是将内容作为一个系统来学习，这样才能形成对学习内容更为整体的认识，并关注到系统以及系统内部的相互关系。如本课例中学生建立的思维导图就是知识系统的分析模型。
知识系统建模是为所学地理知识搭建逻辑结构。一般来说，所要概括的内容越多，层次越高，模型就越简略；所要概括的内容越少，层次越低，模型就越详细。如为中学地理课程内容构建的整体系统模型就比较简略（见图5，右上图），而为具体的课时内容梳理的框架结构就比较详细。
2.为解决问题建模
问题解决式学习作为一种体现建构主义教学思想的教学模式，在国内外大量的教学实践中已被证明是切实有效的。为了成功地解决问题，学生必须在心里构建一个问题空间，问题空间的建立需要通过对问题相关因素及其特定关系进行分析、筛选、推理而完成。如果将问题空间描绘成可视化的模型，则问题解决的过程，自始至终就是一个思维建模的过程，其基本流程如图6所示。学生对自己当前问题解决的过程和结果进行建模，可以深刻理解隐含在问题背后的科学知识，发展有效的问题解决技能，并达到知识经验建构，实现真正意义上的问题解决。
图5
图6
以问题解决为中心的思维建模，其关键在于将中心问题分解成各个层次的子问题，并通过系统建模理清中心问题及其子问题之间的整体与逻辑关系。如本课例中的思维导图就是围绕着问题而建立的模型，其中心问题便是“气候为什么会变化？气候变化对人类活动产生了什么影响？”
3.为认知方式建模
地理认知的思维方式既有与其他学科相似的共性要求，也有地理学科特有的要求，如整体性、系统性、空间性是地理学科的重要特性，也是地理思维建模应关注的重点。《地理教育国际宪章》指出，地理学是一门旨在解释地区特征以及人类和事物在地球上出现、发展和分布情况的科学，它所关注的是人与环境在特定地点和位置的相互作用，应该研究“它在哪里？它是什么样子的？它为什么在那里？它是什么时候发生的？它产生了什么作用？怎样使它有利于人类和自然环境？”等问题。这几个问题实际上指明了地理思维所特有的方式，我们将其概括为地理思维结构的“五W”原则，如图7所示。如果再作进一步推导，阐述地理事件与现象的“具体特征”，可从表象与本质两方面加以说明；对“地域分布”则需在了解分布范围的基础上，总结其分布规律；对“形成原因”的分析，则应该从自然原因与人文原因两方面加以探讨；对“解决措施”的思考，是指在分析地理事象产生利弊影响的基础上，再提出可持续发展的措施。
图7
回顾本课例的学习内容与过程，我们认为其很好地印证了地理认知的“五W”原则。全课首先分析了不同时期全球气候变化的具体特征，其中重点分析近现代全球气候变暖的现象，然后引导学生探究气候变暖的原因，推导气候变暖对人类与地理环境的影响，并尝试提出解决气候变暖的措施。
三、地理思维建模的常用工具
“思维建模工具”这一名词由乔纳森提出，他认为当学习者使用不同的思维工具来建构思维的模型时，有助于对自己的思维过程进行显化与协调。本课例的教学中，张老师主要使用了两种建模工具，即思维导图和因果推导表。
从地理学科自身特点出发，我们认为常用的地理思维建模工具有以下四种类型。
1.思维导图
思维导图又称为概念图（也有学者将两者严格加以区分），是表达发散性思维的有效图形工具。它运用图文并重的技巧，把各级主题的关系用相互隶属与相关的层级表现出来，把主题关键词与图像、颜色等建立记忆链接，因而是一种非常形象的呈现系统知识的图形方式。本课例中学生设计的思维导图还比较简略，但基本能够将有关气候变化知识的逻辑结构表示出来。
目前，思维导图在地理教学中的应用还处于起步阶段，相关研究成果正逐渐增多，如《中学地理教学参考》第5期的《用概念图评价课堂学习效能》与第10期的《用概念图打造智能地理课堂》这两篇文章对概念图的含义与应用都进行了介绍，在此不作赘述。
2.地图
地图是依据一定的数学法则，使用制图语言，在一定的载体上，表达地球上各种事物的空间分布、联系及发展变化状态的图形。由于地理学是研究地球空间上各个地理要素相互作用的科学，因此，地理学科成为培养空间思维能力的核心科目，地图就成为学习诸如空间位置、形状、大小、距离等地理空间要素的重要载体，被誉为地理学的第二语言，也理应成为地理思维建模的重要工具。
地图建模工具对空间定位即解决“它在哪里”的问题具有不可替代的作用。以世界气候类型的学习为例，需要观察世界气候类型分布图，了解各种气候类型所处的经纬度位置、海陆位置以及大致的区域范围，并能够绘制出理想大陆气候类型的分布模式图，进一步归纳各种气候类型的分布规律，在此基础上，才能推导出各地气候的成因及其特征。
地图建模工具能够为空间排列状态提供“参照系”。地理学习中经常需要归纳地理事物与现象在地球表面呈现的空间排列、方位顺序等规律，这就需要运用地图将具体的分布信息加以综合、抽象，筛选出可供参考的地理事物，然后概括出一般分布规律。如胡焕庸先生根据我国各县人口密度绘制出“中国人口密度分布图”后，发现了中国人口的分布规律，即以“黑河—腾冲一线”为参照界线，东部人口稠密，西部人口稀少。
总之，地理空间能力的培养要以地图为思维工具，学习过程中要尽可能地将各种空间要素落实于地图上，以增强对空间形状的敏锐性，促进空间观察、空间分析综合、空间想象及绘制地图等能力的发展。
3.统计图表
定量的数据尽管是地理事物与现象的客观、真实的描述，但却不能形成系统的认识，因此，需要对各类地理数据进行加工、分析和处理，推导出定性的结论，这是一种重要的地理思维方式，其依赖的主要工具便是地理统计图表。
作为一种思维建模工具，地理统计图表用来表示量化的地理信息，它将具体的统计数据制作成形象直观的图像或表格，以表示地理事物或现象在时间、空间方面的差异性或变化特征，揭示地理事物发生、发展的规律。如本课例中就用到了“地质时期的气候变化图”等4幅统计图辅助思考、推理。统计图的形式多种多样，大致可分为直角坐标图、正三角坐标图、四轴坐标图，扇形结构图、饼状结构图及柱状结构图等类型。
地理统计图表的应用主要包括两个方面的能力，一是对已有的统计图表进行解读，二是根据统计数据绘制图表。解读统计图要遵循“从定量到定性”的原则，不仅要能正确读出图形的数量信息，还要有较强的逻辑推理能力和综合分析能力，从而解释或说明相关地理事物的特征、原理和规律。绘制地理统计图是必备的基本技能，绘图时需要注意以下几点：①恰当、准确地设立符合题意要求的坐标系统或分割几何图形；②按照统计数据及图形特点，准确定出控制点的位置；③设计合适的图例，细心绘画图形，并添加必要的注记；④在绘制柱状图时，必须注意柱状体的宽度相等；⑤绘制曲线图时必须注意用平滑的曲线；⑥绘制折线图时两点之间必须是直线，每两条线的接合处要有折角。
4.比较表
比较法中的求同与求异思维被广泛应用于地理学习过程中，当我们需要对两种或两种以上的地理事物进行类比、分析、判断时，比较表便成为最简捷实用的思维工具。关于比较思维培养与应用的相关建议，可详见《中学地理教学参考》第9期笔者的《课堂教学中地理比较法的应用策略》一文。
本研究只是关于地理思维建模的初步实践和探索。地理课堂学习中还有哪些可视化的建模工具？如何在实际教学中更好地选择建模工具？如何引导学生更加有效地构建思维模型？解决这些问题还需要广大地理教师对思维建模给予更多的关注，以期收获更为成熟的理论和实践经验。
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