指向地理科學(xué)素養(yǎng)培育的高中地理教學(xué)探索與實踐
——以“地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)”為例

張 健

（上海市大同中學(xué), 上海 200011）

科學(xué)素養(yǎng)是青少年綜合素質(zhì)中重要的組成部分，地理科學(xué)素養(yǎng)的培育是地理教育的重要目標(biāo)之一?！镀胀ǜ咧械乩碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中指出：“普通高中的培養(yǎng)目標(biāo)是進(jìn)一步提升學(xué)生綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)，使學(xué)生具有理想信念和社會責(zé)任感，具有科學(xué)文化素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)能力，具有自主發(fā)展能力和溝通合作能力?！盵1]課堂教學(xué)是培育學(xué)生地理科學(xué)素養(yǎng)的主要方式，本文以上海版高中必修《地理1》主題2“地球的圈層結(jié)構(gòu)”為例，通過教學(xué)設(shè)計與實踐，激發(fā)學(xué)生好奇心和探知欲，增加學(xué)生地理科學(xué)知識，提升學(xué)生對科學(xué)的興趣，形成地理科學(xué)思維方法，弘揚(yáng)勇于探索、求真求實的科學(xué)精神。

一、基于地理科學(xué)素養(yǎng)內(nèi)涵的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

1.課程標(biāo)準(zhǔn)解讀

課程標(biāo)準(zhǔn)與本部分教學(xué)內(nèi)容相對應(yīng)的是“運(yùn)用示意圖，說明地球的圈層結(jié)構(gòu)”。其中，“運(yùn)用示意圖”是主要的教學(xué)方法和手段，行為動詞“說明”既是學(xué)生要發(fā)生的學(xué)習(xí)行為，也表明學(xué)生能力要達(dá)到的層次水平；“地球的圈層結(jié)構(gòu)”既是要說明的對象，也是本節(jié)課要學(xué)習(xí)的知識內(nèi)容與核心概念。

2.教材分析

與本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)的教材內(nèi)容是必修《地理1》主題2“地球的圈層結(jié)構(gòu)”中的“地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)”。教科書采取了“正文＋閱讀＋探究＋活動”的方式展示本部分內(nèi)容，均以文本和示意圖相結(jié)合的形式說明。其中，正文文本按照“總—分”的順序介紹了地球內(nèi)部總體分層情況和各圈層主要特征，圖像用嵌套式立體結(jié)構(gòu)圖，從不同空間視角和空間尺度直觀地展現(xiàn)了地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)?！伴喿x”和“探究”部分介紹的是地震波的特點(diǎn)及根據(jù)地震波傳播特點(diǎn)界定莫霍、古登堡兩個界面的方法，從而為地殼、地幔、地核三個圈層的劃分提供依據(jù)。活動部分設(shè)計了“地心穿越之旅”的活動，并通過問題設(shè)置引發(fā)思考。

3.教學(xué)目標(biāo)（見表1）

表1 基于地理科學(xué)素養(yǎng)內(nèi)涵的教學(xué)目標(biāo)

二、指向地理科學(xué)素養(yǎng)培育的教學(xué)流程設(shè)計

地震波是科學(xué)家們認(rèn)識地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的主要方法，教學(xué)流程以“地震波”為設(shè)計的關(guān)鍵，以“認(rèn)識地震波—根據(jù)地震波的特征提出假設(shè)—驗證并得出結(jié)論—應(yīng)用地震波”為設(shè)計主線，通過任務(wù)設(shè)計引領(lǐng)教學(xué)（見圖1）。

圖1 指向地理科學(xué)素養(yǎng)培育的教學(xué)流程圖

三、指向地理科學(xué)素養(yǎng)培育的教學(xué)實施

1.導(dǎo)入：好奇心是科學(xué)研究的開始——猜“盲盒”

教師活動：課前，教師在每個小組桌上放一個“盲盒”——不透明的盒子。教師提前在盒子內(nèi)放入不同的物品，如棉花、沙子、彈珠、乒乓球、小石塊等，要求學(xué)生在不打開盒子的情況下猜測盒內(nèi)的物品并說明判斷的依據(jù)。

學(xué)生活動：學(xué)生通過搖、聞、聽、掂等方式分析物品的特征，推測盒內(nèi)的物品，最后打開盒子進(jìn)行驗證。教師引導(dǎo)學(xué)生思考，科學(xué)家在無法打開地球的情況下如何研究地球的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)？

教師活動：深井鉆探是學(xué)生最先想到的研究方法，教師介紹克拉鉆井工程的成就與局限性，引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考。

設(shè)計意圖：人類強(qiáng)烈的好奇心和問題往往是科學(xué)研究的觸發(fā)點(diǎn)。地球是一個巨大的不透明球體，人類無法打開地球窺視其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師將“盲盒”類比地球，引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生好奇心和探究欲望。

2.環(huán)節(jié)一：地理科學(xué)知識——探究地震波的主要特征

教師活動：通過超聲波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用引入地震波的概念與類型，要求學(xué)生閱讀地理事實和數(shù)據(jù)，對比分析縱波和橫波傳播特征的異同點(diǎn)。

學(xué)生活動：觀看某次地震時房間內(nèi)的視頻，完成學(xué)習(xí)任務(wù)一（見圖2）。

圖2 學(xué)習(xí)任務(wù)一

設(shè)計意圖：科學(xué)研究往往從現(xiàn)象入手。地震波是科學(xué)家研究地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的重要方法，但學(xué)生無法直接觀察到地震波，只能觀察到地震波所帶來的現(xiàn)象或地震儀監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。因此，本環(huán)節(jié)基于對地理現(xiàn)象、事實和數(shù)據(jù)的分析，讓學(xué)生歸納總結(jié)橫波與縱波的主要特征，增加地理科學(xué)知識，加強(qiáng)地理科學(xué)思維，為探究地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

3.環(huán)節(jié)二：地理科學(xué)思維與探究——繪制地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)

教師活動：引導(dǎo)學(xué)生理解不連續(xù)面的存在為地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分提供了強(qiáng)有力的科學(xué)證據(jù)，要求學(xué)生畫出與地表平行的不連續(xù)面并標(biāo)注不連續(xù)面的大概深度。

學(xué)生活動：理解不連續(xù)面的含義，小組討論交流完成學(xué)習(xí)任務(wù)二（見圖3）。匯報展示繪制的結(jié)果并說明依據(jù)。

圖3 學(xué)習(xí)任務(wù)二

教師活動：引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同小組畫出的不連續(xù)面與教科書并不完全一致，但這些地方的波速的確出現(xiàn)了較為明顯的變化。

學(xué)生活動：思考出現(xiàn)上述情況的原因。

教師活動：不連續(xù)面分為一級界面和二級界面，教科書中的地球圈層結(jié)構(gòu)示意圖僅僅標(biāo)注了一級界面，而通過任務(wù)二，我們已經(jīng)實現(xiàn)了對地球圈層結(jié)構(gòu)的精細(xì)劃分。

設(shè)計意圖：地球物理學(xué)家在對大量地震波傳播數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，得出了從地表到地心的地震波曲線。學(xué)生根據(jù)地震波的傳播特征，分析地震波的信號，尤其是波速的變化，就可以研究地球內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)、深度和形態(tài)等。本環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生體驗科學(xué)家利用科學(xué)數(shù)據(jù)解決科學(xué)問題的過程，發(fā)展地理科學(xué)思維，提升地理實踐力。

4.環(huán)節(jié)三：地理科學(xué)觀念——地震波與人類活動

教師活動：地震波幫助人類認(rèn)識了地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的同時，在認(rèn)識地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制和勘探礦產(chǎn)資源方面得到了廣泛的應(yīng)用。要求學(xué)生討論地震波應(yīng)用的原理。

學(xué)生活動：通過討論交流，回答以下問題。

問題一：2022年9月5日12時52分在四川甘孜州瀘定縣發(fā)生6.8級地震，震源深度16千米，多地民眾通過手機(jī)等提前接收到了地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出的地震預(yù)警，地震發(fā)生時重慶市江北區(qū)市民接收到的地震預(yù)警信息如下（見圖4）。你能夠應(yīng)用地震波的知識說明地震預(yù)警的原理嗎？

圖4 地震發(fā)生時重慶市江北區(qū)市民接收到的地震預(yù)警信息

問題二：2021年4月，湖南科技大學(xué)領(lǐng)銜研發(fā)的我國首臺“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機(jī)系統(tǒng)，在南海超2000米的深水海底，成功下鉆231米，取得這一深度的可燃冰（由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀結(jié)晶物質(zhì)）樣品，刷新了世界深海海底鉆機(jī)鉆探深度。下圖為海洋地質(zhì)Ⅱ號科考船開采示意圖（見圖5）。請思考地震波是否可以探測海底可燃冰礦藏狀況，并說明理由。

圖5 “海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機(jī)系統(tǒng)

設(shè)計意圖：早期科學(xué)家主要借助天然地震的地震波波譜信息研究地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)，但天然地震在研究發(fā)生時間、空間分布、震源深度、震級等方面存在不足。人工地震擺脫了自然地震空間分布不均、震源不明等劣勢，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)研究和軍事領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。教學(xué)過程中，教師應(yīng)解釋自然地震到人工地震的變化，讓學(xué)生對其形成更為科學(xué)全面的認(rèn)識，體會地球科學(xué)研究方法的進(jìn)步。本環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用地理科學(xué)知識和思維方式分析問題的能力，使學(xué)生認(rèn)識科學(xué)發(fā)展的重要意義，形成科學(xué)的價值觀，正確認(rèn)識科學(xué)與人類生產(chǎn)生活之間的關(guān)系。

5.環(huán)節(jié)四：地理態(tài)度責(zé)任——地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的科學(xué)史

教師活動：教師呈現(xiàn)地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的發(fā)展史和現(xiàn)代技術(shù)對地球內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的精細(xì)劃分（見表2）。

表2 探索地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的科學(xué)發(fā)展史

學(xué)生活動：學(xué)生了解地球圈層結(jié)構(gòu)的形成發(fā)展過程和現(xiàn)代技術(shù)對地球內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的精細(xì)劃分，體會科學(xué)家勇于探索、不斷求真的精神。

設(shè)計意圖：教學(xué)中融入地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的科學(xué)史，有助于學(xué)生從歷史角度認(rèn)識科學(xué)知識的形成與發(fā)展過程。學(xué)生體會到科學(xué)的發(fā)展不是一蹴而就的，是經(jīng)過了一代又一代科學(xué)家的刻苦鉆研。同時，本環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生體會到科學(xué)技術(shù)是在不斷發(fā)展的，在科技非常發(fā)達(dá)的今天，人類也沒有完全認(rèn)識地球內(nèi)部。這利于鼓勵學(xué)生投身科學(xué)探索，發(fā)現(xiàn)問題、探索問題，保持求真求實的科學(xué)態(tài)度。

四、指向地理科學(xué)素養(yǎng)培育的實踐總結(jié)與反思

1.從興趣到問題，激發(fā)好奇與思考

本節(jié)課用“盲盒”游戲引入教學(xué)，學(xué)生參與熱情高，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的探究欲望。這不僅激活了課堂的氣氛，也激發(fā)了學(xué)生對于“人類通過什么方式去認(rèn)識地球內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)”問題的思考，為本節(jié)課的教與學(xué)奠定了基礎(chǔ)。強(qiáng)烈的好奇心和對問題的思考是一切科學(xué)研究的開始。通過情境的創(chuàng)設(shè)激活學(xué)生的好奇與思考對科學(xué)素養(yǎng)的培育是非常重要的。

2.從案例到范式，形成地理科學(xué)思維

地理科學(xué)思維是地理科學(xué)素養(yǎng)培育的關(guān)鍵與難點(diǎn)。地理科學(xué)思維可分為觀察與提出地理問題、形成假設(shè)和驗證并得出結(jié)論三個步驟。觀察與提出地理問題是通過觀察獲取大量信息，并從中篩選出關(guān)鍵性的地理問題；提出問題之后，就要針對它提出假設(shè)，最后通過驗證假設(shè)得出結(jié)論。地理科學(xué)思維的過程和形成特點(diǎn)要求教師更多地采用探究式教學(xué)或?qū)嶒灲虒W(xué)，在參與體驗的過程中逐步形成地理科學(xué)思維。

基于地理科學(xué)思維的形成特點(diǎn)和教學(xué)要求，本研究提煉出“任務(wù)線—問題線—素養(yǎng)線”的教學(xué)范式（見圖6）。任務(wù)線是學(xué)生課堂中需要完成的學(xué)習(xí)任務(wù)；每個任務(wù)的背后是由教學(xué)內(nèi)容提煉的問題，一系列的問題組成了問題線；每個任務(wù)和問題的背后體現(xiàn)了想要達(dá)成的素養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)成了素養(yǎng)線。該教學(xué)范式融入了“雙新”課程改革所提倡的任務(wù)教學(xué)和問題教學(xué)，三條線相互融合，相互影響。素養(yǎng)線引領(lǐng)任務(wù)線與問題線的設(shè)計，任務(wù)線和問題線指向?qū)W生地理科學(xué)素養(yǎng)的培育，最終指向地理核心素養(yǎng)的培育。目標(biāo)引領(lǐng)任務(wù)，任務(wù)引領(lǐng)教學(xué)，既有橫向的協(xié)同并進(jìn)，又有縱向的深入探索，凸顯良好的教學(xué)結(jié)構(gòu)與流程，體現(xiàn)有規(guī)劃力的課堂教學(xué)。

圖6 “任務(wù)線－問題線－素養(yǎng)線”教學(xué)范式結(jié)構(gòu)圖

3.從課堂走向課外，加強(qiáng)實踐培育

目前，課堂教學(xué)是地理科學(xué)素養(yǎng)培育的主陣地，但受時空限制較為明顯。教師在加強(qiáng)課堂教學(xué)設(shè)計的同時應(yīng)拓展課外的實踐活動，如野外考察、研學(xué)活動、科學(xué)家講座、場館參觀等。這有利于拓寬學(xué)習(xí)領(lǐng)域和視野，啟發(fā)學(xué)生思考，凝練科學(xué)問題，加強(qiáng)研究性學(xué)習(xí)并轉(zhuǎn)化為科學(xué)成果，進(jìn)一步凸顯地理科學(xué)素養(yǎng)的實踐性特征，提升學(xué)生的地理實踐力。

國務(wù)院發(fā)布的《全民科學(xué)素質(zhì)行動規(guī)劃綱要（2021—2035年）》提出到2025年我國公民具備科學(xué)素質(zhì)的比例要超過15%，到2035年我國公民具備科學(xué)素質(zhì)的比例要達(dá)到25%。青少年是祖國的未來、民族的希望，科學(xué)素質(zhì)對他們的意義更加重大。在地理教學(xué)中有效落實地理科學(xué)素養(yǎng)是一個漫長且艱巨的任務(wù)，希望本研究能夠給地理教師帶來啟發(fā)。