高中地理教学中学生实验能力的培养——以人教版“必修1”为例，本文主要内容关键词为：为例论文,以人论文,能力论文,教版论文,高中地理论文，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。
高中地理新课程的基本理念之一，是培养未来公民必备的地理素养，而未来公民必备的地理素养则包括必备的地理知识和一定的地理学习能力。但在实践中，我们发现：大多数老师为完成模块教学任务或高考任务，在教学中普遍注重向学生传授作为未来公民必备的地理知识，而在一定程度上忽视了培养学生作为未来公民所必备的地理能力。在《普通高中地理课程标准(实验)》中，学生作为未来公民所必备的地理能力主要包括：调查、实验、观测、考察、比较与分析、分析与综合、推理、空间想象、表达、生存、获取与解读等。那么，如何在教学中处理好知识传授与能力培养的关系，做到知识传授与能力培养相协调？本文将以人教版“必修1”为例，探讨作为未来公民必备的地理能力之一的实验能力应如何培养。
一、培养学生实验能力的教学内容分析
在《普通高中地理课程标准(实验)》中，涉及培养学生实验能力的实验类型主要包括：地理感知性实验和地理验证性实验；涉及培养学生实验能力的实验方式主要包括：演示实验、操作实验、想象实验和模拟实验；涉及培养学生实验能力的实验内容主要集中在“必修1”，主要包括：“宇宙中的地球”标准中的地球自转、地球上水平运动物体方向的偏转、地球自转与天体周日视运动等地球自转系列实验和地球公转与黄道形成、太阳直射点的回归运动、四季形成及昼夜长短变化等地球公转系列实验；“自然地理环境中的物质运动和能量交换”标准中的太阳光直射及斜射与气温高低、大气压力、风的形成、大气环流动力、季风和海陆风的形成、水汽的凝结、大气降水和温室效应等大气系列实验，水循环、洋流形成等水系列实验，流水作用、风力作用、温差作用、泥沙沉积、石灰岩形成、褶皱、断层和火山喷发等地壳运动系列实验。这些培养学生实验能力的实验内容都是以太阳对地球的影响、地球运动的地理意义、地壳内部物质循环过程、造成地表形态变化的内力与外力因素、大气受热过程、气压带和风带的分布与移动规律及其对气候的影响、水循环的地理意义、洋流对地理环境的影响等知识内容为基础的。因此，作为未来公民所必备的地理能力之一的实验能力大多是在“必修1”自然地理知识的学习过程中获得的。
二、培养学生实验能力的教学策略
构成地理实验的要素主要包括做什么、拿什么仪器和设备做、由谁做、怎样做和结论；地理实验的本质在于操作；地理实验的过程主要是事物、观察、操作和思维，其中，思维主要表现在设计实验方案、观察和分析实验现象、得出实验结论；地理实验的特征主要是问题性、自主性、简化性、重复性和非自然性，其中，地理实验中的问题是那些有明确解决方法的结构良好的问题。因此，从地理实验的内涵、要素、本质、过程和特征可以看出，学生的地理实验能力主要包括提出假设、分解问题、设计程序、操作实验和验证假设五种能力，而且这五种能力之间是一个递进的关系，前一种能力是后一种能力的基础。本文以人教版“必修1”“地球公转与季节”的操作实验学习为例，探讨学生实验能力的培养。
1.培养学生提出假设能力的教学策略
在教学中，教师可以根据以下步骤培养学生提出假设的能力：创设情境—明确目的—介绍现象—提出假设。如在“地球公转与季节”教学前，教师在讲桌和学生的课桌上分别摆放“季节的成因”实验材料，创设实验的学习情境，引起学生学习该知识的注意力，从而激发学生探索的好奇心和学习兴趣。当学生饶有兴致地看着、摆弄着桌上的实验材料时，教师问学生：你们认为桌上的这些材料可以做什么实验？学生兴致勃勃地谈论这些材料的用途，教师说：这些材料可以向我们验证地球公转与季节的关系。教师向学生介绍本次实验的目的：感知和验证“地球公转与四季的形成”。根据实验目的，教师再向学生介绍实验所需要观察的地理现象：由于地球围绕太阳公转，地球表面得到的太阳日照量会发生变化，照射在地球表面的日影会发生变化，因此，在实验中要观察的现象是地球公转、太阳直射点的变化、昼夜长短的变化、正午太阳高度角的变化和四季的变化。最后，教师向学生介绍提出假设的方法：假设都是以变量的语言说明地理现象的特征及其关系，而变量是表明地理现象在时间、空间、数量或类别上的变动状态。教师问学生：根据提出假设的方法，你认为这个实验的假设是什么？学生们讨论后将“季节的成因”实验假设确定为：当黄赤交角存在时，地球公转导致四季的产生。教师再问学生：地球公转和四季是什么关系？学生进行讨论，回答：因果关系。教师再问学生：实验假设中的变量是什么？学生讨论后回答：时间和空间，其中空间变量是地球在公转轨道的不同位置，时间变量是两分两至日。通过对假设能力培养的教学过程，学生明确了实验的目的，确定了实验的变量，激发了学生自主学习的学习动机，吸引了学生的学习注意力，培养了学生严谨的科学态度和探究精神，提高了学生的科学素养。
2.培养学生分解问题能力的教学策略
假设一旦确定后，就要根据实验目的和实验假设，将其分解为若干待解决的子问题。这些待解决的问题是那些有明确解决方法、结构良好、需要实验者通过实验收集第一手资料来解释的问题。这些待解决的子问题，根据逻辑关系可分为相关性问题和因果性问题。因此，在教学中，教师可以根据以下步骤培养学生分解问题的能力：呈现现象—厘清关系—分解问题—确定内容。如当学生明确地球公转与四季的关系是因果关系后，教师问学生：实验中，我们要观测的地理现象是地球公转、太阳直射点的变化、昼夜长短的变化、正午太阳高度角的变化和四季的变化，它们之间的逻辑关系是什么？教师向学生讲述待解决问题的逻辑关系(相关关系和因果关系)，学生根据教师的讲述，将实验中要观测的四种地理现象确定为：因果关系，并将它们之间的逻辑线索厘清为：由于黄赤交角的存在，太阳直射点会随着地球在公转轨道上位置的变化而发生变化；由于太阳直射点发生变化，地球表面得到太阳辐射能量就会发生变化，而这种变化由昼夜长短和正午太阳高度角的变化来体现；由于昼夜长短和正午太阳高度角发生变化，产生了四季的变化。教师组织学生讨论：本次实验待解决的问题有哪些？学生们经过讨论，将本次实验的具体内容确定为：在不同的时间(两分两至日)，地球在公转轨道的不同位置，太阳直射点是如何变化？正午太阳高度角如何变化？太阳日照量如何变化？昼夜长短如何变化？四季如何变化？学生经过分解问题能力培养的教学过程后，明确了实验中要观测的现象，厘清了实验中要解决的问题和它们之间的逻辑关系，培养了学生的逻辑思维能力，不仅为学生更好地理解地球公转与季节的变化奠定了理性思维基础，同时也为实验的顺利进行指明了方向。
3.培养学生设计程序能力的教学策略
设计实验操作程序是保障实验顺利完成的关键。实验程序的设计主要指根据实验目的和实验内容，对实验的操作步骤、具体操作顺序和实验材料进行的设计。其目的在于依据实验观测现象的逻辑关系和学生的认知水平，理清实验的具体操作顺序和准备实验的材料，为实验的顺利完成明确思路和方法。因此，在教学中，教师可以根据以下步骤培养学生设计程序的能力：理解概念—运用规律—考虑方法—选择材料—设计程序。如教师首先要求学生阅读教材中呈现的“地球公转与季节”知识内容，并讨论和思考：本次“季节成因”的实验，运用了哪些概念？学生经过认真的自主学习和讨论后回答：本次“季节成因”实验要理解的概念有“地球自转”“地球公转”“黄赤交角”“太阳高度”和“正午太阳高度”。其次，教师再要求学生讨论和思考：本次“季节成因”的实验，要运用哪些地理规律？学生经过思考和讨论后回答：在不同的时间和空间，昼夜长短和正午太阳高度的变化规律。教师向学生介绍实验设计的方法：第一种方法是还原法，其主要是指借助实验仪器和材料，根据概念和规律，解释某一地理现象或事物发生、发展和变化的过程；第二种方法是模拟法，其主要是指利用模拟环境，根据原理，解释某一地理问题形成的原因。教师问学生：根据实验设计的方法，你认为应该采用什么方法设计“季节成因”的实验。学生思考后回答：还原法。教师再要求学生看摆放在桌面的实验材料：一些书本、纸张、削好的铅笔、量尺、一段长30厘米的棉线、牙签、一张画有坐标方格的保鲜膜(方格可用油性笔画)和一个标有两极和赤道的泡沫塑料球。教师要求学生根据提供的实验材料讨论和思考：根据所需理解的概念和运用的规律，你认为这些实验材料可以完成“季节成因”的实验吗？学生答：不能完成。教师要求学生再思考：为什么不能完成？如果要完成“季节成因”的实验，还需要补充哪些实验材料？学生思考后回答：因为实验材料中缺少“模拟太阳和地球是倾斜的”这一实验前提条件的材料，如要完成该实验，需增加手电筒和量角器，才能模拟地球是在倾斜23.5°的状况下围绕太阳公转这一地理现象。学生经过激烈的讨论和思考，将“季节成因”的实验程序设计如下：①将书本叠到约15厘米高，把教室内的灯光调暗；②把保鲜膜粘到手电筒玻璃上，把手电筒放在书堆上；③把铅笔小心插进那个当作地球的泡沫塑料球的南极点；④如图1所示，用量角器量一下，使地球模型以23.5°的角度(相对于过球心铅垂线)向手电筒相反方向倾斜，这里表示冬天；⑤把握铅笔，保持这个角度，并将它放在离手电筒约15厘米处，打开手电筒；⑥把保鲜膜上的坐标方格衬映在“地球”上，观测并记录在赤道和两极附近的方格的数目和大小形状；⑦约在赤道和两极距离的中间(纬度45°处)，小心地把牙签穿过一白色硬纸片(表示该地地平面)垂直插入模型，观测记录牙签影子的长度；⑧不改变倾斜度，转动铅笔使地球模型绕它的地轴旋转一周，观测记录牙签的影子是如何变化的；⑨如图2所示，使地球模型以23.5°的角度(相对于过球心铅垂线)向手电筒方向倾斜，这是夏季，分别观测记录赤道和两极附近方格的形状，观测牙签的影子是如何变化的；⑩让地球模型自转，观测地球球面上影子变化的形式。学生通过设计程序能力培养的教学过程后，能够根据所学的相关概念和规律，通过实验设计，还原或模拟地理现象或事物发生、发展的过程和变化的规律，为学生更好地理解季节的成因，奠定了分析与归纳及想象与推理等逻辑思维的基础。
4.培养学生实验操作能力的教学策略
实验操作是实验的重要步骤，是完成实验、正确获取数据的关键。地理实验的操作过程主要包括：①准确操作实验仪器；②按实验步骤进行实验；③正确观察、测量、分析和判断。地理实验的操作目的在于让学生通过动作的认知定向、联系和完善的操作过程，培养学生手、脑并用的能力。但由于高一学生在物理、化学等学科的学习中已经接触过物理、化学等实验仪器和相关操作，教师可以引导学生根据已有的实验经验进行相关操作，注重规范地理实验操作的习惯培养。因此，在教学中，教师可以根据以下步骤培养学生操作实验的能力：利用材料—还原过程—观察现象—记录数据。如在设计完实验程序后，为了让学生了解各种实验材料的用途，教师向学生讲授各种材料在实验中的作用：“一些书本”主要用于垫高手电筒，模拟太阳在宇宙中的位置；“手电筒”主要用于模拟太阳和太阳光线；“标有两极和赤道的泡沫塑料球”主要用于模拟地球和地球自转与公转；“画有坐标方格的保鲜膜”主要用于表示地球上的经纬线等。
为了让学生了解实验材料配置的顺序和方法，便于能够熟练地操作实验，教师要求学生以两人为学习小组，根据“季节成因”实验设计程序，以合作学习的方式先将书本叠到约15厘米高，再将保鲜膜粘到手电筒玻璃上和把手电筒放在书堆上，再将铅笔小心插进那个当作地球的泡沫塑料球的南极点，并调暗课室内的灯光，从而还原地球围绕太阳公转和地球自转的地理现象。然后，教师向学生讲授观测的方法：第一种方法是顺序观测法，主要是按照一定的顺序进行观测，如本实验可以先观察实验仪器，了解仪器的用途和方法，然后再注意实验过程中的条件和现象；第二种方法是分步观测法，主要是当一个现象或过程由多个变量控制时，为了厘清各种变量间的作用、性质和规律，采用突出一个变量，相对稳定其他变量，一步一步进行观测的方法。如本实验中的变量是时间和空间，可以先突出两分两至日这个时间变量，观测正午太阳高度和昼夜长短的纬度分布规律，再一步一步地根据实验程序进行观测；第三种方法是对比观测法，主要是对两个地理事物或现象进行对比，或者是某一地理现象发生变化的前后情况进行比较观测。教师问学生：根据实验程序，你认为“季节成因”实验观测可采用哪些方法？学生思考后答：可采用第一种顺序观测法和第二种分步观测法。教师要求学生以小组为单位，运用所学的观测方法注意观测以下现象：(1)观测在赤道和两极附近的方格的数目和大小、形状；(2)观测牙签影子的长度；(3)观测牙签的影子是如何变化的；(4)观测在赤道和两极附近方格的形状？(5)观测地球自转球面上影子变化的形式。最后，教师要求学生根据观测现象，设计观测记录表，并将观测数据记录在表格中。学生按照实验设计程序和观测要求，操作“季节成因”实验，其中一组学生的实验数据如表1所示。
实验中，学生发现：随手电筒距地球模型距离的不同，方格数目、大小和形状会发生变化。学生通过实验操作能力培养的教学过程后，加深了学生对“地球公转与季节”知识学习中相关概念、规律和成因的理解，培养了学生观测、分析与推理能力，训练了学生的实验操作能力。
5.培养学生验证假设能力的教学策略
验证假设的目的在于培养学生对实验现象的归纳与概括能力。因此，在教学中，教师可以根据以下步骤培养学生验证假设的能力：提出问题—分析问题—得出结论—思维迁移。如在学生完成实验数据的记录后，教师要求学生思考和讨论以下问题：①当北半球处于冬季，地球上的哪些区域获得的日照最强？当北半球处于夏季，地球上哪些区域获得的日照最强？②从你的不同观测中，比较在冬季和夏季里，太阳光是如何照射在45°N地区的；③如果透过保鲜膜投射在地球上的坐标方格变大了，那么分散在每一方格上的太阳热量有何变化？④根据你的观测结果，地球上哪些地方始终是最冷的？哪些地方始终是最暖和的？为什么？⑤在一年中的哪个时候牙签在阳光照射下的影子最长？哪个时候影子最短？⑥每个方格上得到的光和热的数量与太阳光线的入射角度有什么样的关系？⑦你怎样用从“地球—太阳”模型中得出的观测结果，来解释季节形成的原因？
学生根据教师提出的问题，分析实验所得数据，得出如下结论：①当北半球处于冬季，地球上南半球低纬度地区获得的日照最强；当北半球处于夏季，地球上北半球低纬度地区获得的日照最强；②冬季和夏季，在45°N地区的太阳光的入射角度不一样，冬季小于夏季；③透过保鲜膜投射在地球上的坐标方格变大，太阳热量分散，获得的热量减少；④地球上两极地区始终是最冷的，赤道附近始终是最暖和的，因为太阳在两极地区地面得到的太阳辐射少，在赤道地区地面得到的太阳辐射多；⑤在一年中牙签影子最长为冬至，牙签影子最短为夏至；⑥每个方格上得到的光和热的数量与太阳光线的入射角度的关系正相关；⑦从观测结果可知，由于黄赤交角的存在，全球除赤道以外，正午太阳高度随季节的变化而变化，地面得到的太阳辐射也随季节的变化呈现有规律的变化，所以形成了四季。
学生通过对实验数据的分析，逐步推导以上7个问题的结论，同时验证了假设：当黄赤交角存在时，地球公转导致四季的产生。为了引导学生的思维迁移，拓展所学知识和实验能力，教师再要求学生思考以下问题：在该实验的基础上如何可以继续观测到不同季节45°N地区的昼夜长短变化规律。这样的结果，又怎样有助于解释季节的变化？教师提示学生，要回答该问题：(1)可以在地球模型上画45°N线；(2)可以在实验操作④和⑨后分别量出45°N处昼弧和夜弧的长度(可以先画出晨昏圈，然后标出其与45°N的交点即白昼和黑夜的分界点，最后用绳子和尺子度量出长度)；(3)昼(夜)长换算公式：
学生们在教师的提示下，将测量的结果和换算的昼弧和夜弧长度记录在表2中，并得出如下结论：夏季昼弧长，白昼时间长，接受太阳光热多；冬季昼弧短，白昼时间短，接受太阳光热少。
昼夜长短随季节的变化而变化，地面得到的太阳辐射也随季节的变化呈现有规律的变化，所以形成了四季。学生通过验证假设能力培养的教学过程后，加深了对季节成因知识的理解，拓展了思维，培养了推理能力。
三、培养学生实验能力应注意的教学问题
在培养学生实验能力时，教师在教学中应注意考虑以下问题：(1)要让学生明确实验的要求和目的；(2)要注意让学生根据实验设计要求和目的，搜集和整理实验仪器和材料，按照设计的程序设置相关的实验环境；(3)要注意让学生在设计实验操作程序时，根据实验方法和实验思路建立详细的实验程序，严格注意其中的可操作性，前后顺序要严谨、准确。实验的设计程序应从实际出发，考虑自己学校、学生的条件，尽量选择日常生活中可找到的简易器材做实验，而且难度不宜过大，不能为了做实验而设计高难度的复杂实验，以免弄巧成拙；(4)要注意让学生按照实验的步骤要求放置实验器材，并做好相关数据记录，尤其是关注学生实验细节的操作规范；(5)在学生获得实验结论时，教师要注意引导学生确定收集的数据是否支持原先的假说，并且指导学生重复进行实验，得出最后的结论，并对实验进行多角度、全方位的分析讨论。在实验结果表述中，有时要用到其他学科的方法，使实验结果得以明朗化；(6)要注意引导学生面对失败的实验。教师面对现象不明显，或者与应有结果差异很大的实验，可以引导学生反思原因，设想改良措施，充分利用“失败”这种教学资源，启发学生从侧面理解地理知识；(7)在评价学生实验能力时，教师要注意了解学生是否能使用有关仪器进行测量，是否按步骤做实验、认真记录和收集实验信息，是否能够利用图表展示数据得出与之相关的规律以及对其规律作出适当的解释，是否对失败的实验可以分析原因，并提出改良的建议；(8)由于地理实验与理化生实验不同，许多地理实验并不需要精确的实验数据，只是地理现象和规律的模拟，因此，教师对实验结果的分析既要严谨又要灵活，以便引导学生从宏观上分析地理原理和地理规律。
综上所述，在高中地理教学中培养学生的地理实验能力，不仅有利于培养学生的想象能力和创新能力，而且有利于培养学生的观察能力和分析、比较、判定、推理等逻辑思维能力及实际操作能力，更有利于学生将所学的地理概念和规律灵活运用到实验中，解释生活中的地理现象，发展学生的地理能力，为培养未来公民必备的地理素养奠定坚实的基础。