作者

畢金玲/山東省淄博市周村區(qū)第二中學(xué)

對(duì)初中生而言，直觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能更好地幫助他們理解地理原理，解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題。但目前地理教材大多缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)器材陳舊不足，不能很好地滿足教學(xué)需求，不利于學(xué)生地理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

魯教版《地理》七年級(jí)下冊第八章中關(guān)于“為什么新疆的瓜果甜”的表述為“夏季晝夜溫差大，有利于瓜果和糖料作物糖分的積累，因此這里的瓜果特別甜”。對(duì)于這種說法，學(xué)生存在幾點(diǎn)疑問：

• 為什么新疆夏季的晝夜溫差大？

• 新疆晝夜溫差大與瓜果、糖料作物糖分的積累之間存在什么因果關(guān)系？

• 瓜果和糖料作物糖分的積累除了與晝夜溫差大有關(guān)，還受哪些因素影響？

• 世界范圍內(nèi)干旱地區(qū)，比如西亞、撒哈拉地區(qū)瓜果甜度高、品質(zhì)優(yōu)良，是否也是這個(gè)原理？

另外，學(xué)生通過初中生物課程學(xué)習(xí)了植物光合作用和呼吸作用的原理及其在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的應(yīng)用，但在《生物學(xué)》教材上并沒有給出比較詳實(shí)完善的解釋。因此，很多學(xué)生對(duì)于新疆瓜果相比同緯度地區(qū)同品種瓜果更甜的現(xiàn)象產(chǎn)生了疑問。

為了解答學(xué)生疑問，補(bǔ)充完善教材解釋的不足，筆者從地理和生物學(xué)角度進(jìn)行思考，制作了“為什么新疆的瓜果甜”探究裝置，目的是通過實(shí)驗(yàn)的方式探究問題，突破教學(xué)難點(diǎn)，促進(jìn)自制探究裝置與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合。

原理思路

相同品種的水果，在新疆種植比在同緯度沿海地區(qū)種植生長的更甜，說明其體內(nèi)存留了更多有機(jī)物。植物有機(jī)物的合成與消耗與植物光合作用和呼吸作用有關(guān)，白天植物光合作用強(qiáng)度大于呼吸作用，有機(jī)物積累增多；夜晚植物只進(jìn)行呼吸作用，消耗有機(jī)物。溫度、光照強(qiáng)度等因素會(huì)影響植物光合作用，溫度還會(huì)影響植物呼吸作用。新疆與同緯度沿海地區(qū)相比，氣候不同，光照強(qiáng)度、溫度等存在顯著差異。

基于上述內(nèi)容，結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，探究新疆瓜果更甜的原因的實(shí)驗(yàn)思路如下。

白天，新疆瓜果積累的有機(jī)物比沿海地區(qū)的瓜果更多?？赡茉蚴切陆募厩缣於啵滋旃庹諒?qiáng)，升溫快，有利于光合作用，合成了更多有機(jī)物。嘗試通過自制探究裝置，開展模擬實(shí)驗(yàn)：①模擬不同光照強(qiáng)度條件，探究光照強(qiáng)度對(duì)作物光合作用強(qiáng)度的影響；②模擬不同溫度環(huán)境，探究溫度對(duì)作物光合作用強(qiáng)度的影響。

新疆夜間氣溫低，呼吸作用弱，有機(jī)物消耗少，有利于有機(jī)物積累。嘗試通過自制探究裝置，模擬不同溫度環(huán)境，探究溫度對(duì)作物呼吸作用強(qiáng)度的影響。

進(jìn)一步思考關(guān)于新疆地理環(huán)境的幾個(gè)特點(diǎn)：①新疆夏季晴天多，導(dǎo)致一段時(shí)期內(nèi)光照強(qiáng)度相對(duì)更強(qiáng)。如何驗(yàn)證新疆比同緯度沿海地區(qū)夏季晴天多呢？嘗試通過GIS 軟件制作等比例尺的地理疊加圖層，分析對(duì)比新疆降水情況。②新疆位于內(nèi)陸，與沿海地區(qū)相比，海陸熱力性質(zhì)不同，嘗試通過模擬實(shí)驗(yàn)，探究海陸不同條件下的熱力性質(zhì)差異。

探究裝置構(gòu)成

“為什么新疆的瓜果甜”探究裝置分為兩部分。分別為“為什么新疆的瓜果甜”專用地理疊加圖層（圖1），以及“為什么新疆的瓜果甜”多功能實(shí)驗(yàn)箱（圖2）。

圖 1 地理疊加圖層

圖 2 多功能實(shí)驗(yàn)箱

“為什么新疆的瓜果甜”專用地理疊加圖層

該圖層采用GIS數(shù)據(jù)使圖層的比例尺相同，每個(gè)圖層均可任意疊加，打破了教材中地圖因比例尺大小不同無法科學(xué)疊加的局限（圖3）。依據(jù)地理環(huán)境整體性和區(qū)域性基本原理，基于圖層疊加的現(xiàn)代地理分析方法，輔助學(xué)生發(fā)現(xiàn)各地理要素之間的內(nèi)在聯(lián)系，具有填圖練習(xí)、疊加分析、地圖投影等功能，有助于培養(yǎng)學(xué)生的地理思維能力。

圖 3 地理圖層

“為什么新疆的瓜果甜”多功能實(shí)驗(yàn)箱

該實(shí)驗(yàn)箱用LED燈、應(yīng)急探照燈模擬光照，用無光加熱燈、制冷機(jī)、溫控器調(diào)控溫度，電子數(shù)顯溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度值，計(jì)時(shí)器精確控制實(shí)驗(yàn)時(shí)間，輔以人工智能離線語音設(shè)備，可在箱內(nèi)模擬海陸熱力性質(zhì)差異創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響、溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響、溫度對(duì)呼吸作用強(qiáng)度的影響等多種實(shí)驗(yàn)。

探究裝置中地理疊加圖層與多功能實(shí)驗(yàn)箱相輔相成，不可或缺。地理疊加圖層主要用于分析地理要素間的關(guān)系，如通過第6頁“中國政區(qū)（彩色）1 號(hào)”和第17 頁“中國年降水量線的分布”可知：新疆氣候干旱、降水稀少、晴天多、光照強(qiáng)、光照時(shí)間長、光照充足。

制作過程

地理疊加圖層

利用Arc GIS對(duì)中國輪廓圖和不同地理要素分布圖（數(shù)據(jù)來源：標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)等權(quán)威地圖數(shù)據(jù)網(wǎng)站）進(jìn)行處理, 比例尺為 1∶22?300?000，按圖層分別輸出png格式圖片。

用馬克筆在透明膠片上描繪出地理要素圖層，每種圖層1張涂為彩色（1號(hào)），1張空白（2號(hào)）。

用軟件制作圖層介紹音頻，將音頻導(dǎo)入點(diǎn)讀筆，每張圖層貼上對(duì)應(yīng)點(diǎn)讀貼。

設(shè)計(jì)疊加圖層使用說明、組成部分、目錄，與圖層一起放入A4試卷夾中，貼上頁碼，后附書簽放大鏡。設(shè)計(jì)疊加圖層封面、封底、側(cè)面，放置于A4試卷夾相應(yīng)位置。

用亞克力板制作一個(gè)簡易凹槽，用于放置點(diǎn)讀筆，并用理線粘繩粘住。

多功能實(shí)驗(yàn)箱

用雪弗板、透明亞克力板搭建箱體。將2套連接分段控制器的12?W、24?W、36?W LED燈分別安裝在左、右、后擋板箱內(nèi)部。

上擋板箱內(nèi)部從左到右依次安裝2個(gè)50?W凹面鏡探照燈、2個(gè)200?W黑色無光加熱燈（外套防燙傷金屬燈罩）、1個(gè)10?W人工智能語音控制燈泡、1個(gè)20?W智能便捷語音控制燈泡、制冷機(jī)風(fēng)扇。

上擋板箱外部從左到右依次安裝計(jì)時(shí)器，“小新”離線智能語音設(shè)備，喇叭，2個(gè)電子數(shù)顯溫度計(jì)（水溫、沙溫），左、右加熱燈溫控器，3個(gè)電子數(shù)顯溫度計(jì)（箱內(nèi)溫度、煮熟的種子溫度、萌發(fā)的種子溫度），制冷機(jī)外機(jī)。注意：“小新”離線智能語音設(shè)備安裝前需在電腦上用相關(guān)軟件簡單編程，燒錄到語音芯片中；2個(gè)電子數(shù)顯溫度計(jì)的金屬防水探頭放置于自制百葉箱內(nèi)。

左側(cè)擋板箱外部安裝“小新”離線智能語音設(shè)備開關(guān)、充電寶、左分控器與遙控器，箱內(nèi)安裝溫度計(jì)。右側(cè)擋板箱外部安裝制冷機(jī)溫控器、右分控器與遙控器。后擋板箱外部安裝制冷機(jī)開關(guān)電源與自制制冷機(jī)控制開關(guān)。

制作計(jì)時(shí)器、電子數(shù)顯溫度計(jì)、左加熱燈溫控器等標(biāo)簽，粘貼到相應(yīng)位置。

重新組裝箱體，用螺絲固定。將地理疊加圖層放置于多功能實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部，制作探究裝置標(biāo)簽，分別粘貼到前、后擋板處。

創(chuàng)新性和實(shí)用性

人工智能為代表的現(xiàn)代新興科技與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具裝備有機(jī)融合

點(diǎn)讀筆點(diǎn)擊播放每個(gè)圖層信息，智能離線語音芯片提示操作者如何正確使用裝備，智能語音控制燈泡可遠(yuǎn)距離控制光照強(qiáng)度，提高了實(shí)驗(yàn)效率與樂趣。

采用STEAM教育理念進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)思，突出以地理為主導(dǎo)的多學(xué)科交叉與融合

教具設(shè)計(jì)將信息技術(shù)、物理（光學(xué)、電學(xué)）、生物學(xué)（光合作用與呼吸作用）、化學(xué)（溶液）等相關(guān)知識(shí)與地理問題“為什么新疆的瓜果甜”巧妙融合，可以進(jìn)行地理要素圖層疊加、海陸熱力性質(zhì)差異、光合作用、呼吸作用等多個(gè)跨學(xué)科主題下的定量探究實(shí)驗(yàn)（圖4）。

圖 4 學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究

突出科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，最大限度模擬自然環(huán)境

海陸熱力性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中凹面鏡探照燈和3組LED燈模擬太陽輻射，其中凹面鏡探照燈發(fā)出的光為平行光。將數(shù)顯溫度計(jì)的金屬探頭放置在自制紙殼百葉箱里，測量的是鹽水與干燥土壤和細(xì)沙混合物表面的空氣溫度。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境相對(duì)封閉

多功能實(shí)驗(yàn)箱密封程度較好，外界環(huán)境，對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較小，數(shù)顯溫度計(jì)所測溫度較為準(zhǔn)確。

材料簡易、環(huán)保、安全

透明膠片、馬克筆、A4試卷夾、LED燈、應(yīng)急探照燈、計(jì)時(shí)器等取材容易、造價(jià)低廉、環(huán)保安全。頂部和正面的透明亞克力板便于觀察實(shí)驗(yàn)情況，多功能實(shí)驗(yàn)箱的提手設(shè)計(jì)方便攜帶。

該項(xiàng)目獲得第 38 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)

來源 | 《中國科技教育》2025-02

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安