作者

畢金玲/山東省淄博市周村區(qū)第二中學(xué)

對初中生而言，直觀的實驗教學(xué)能更好地幫助他們理解地理原理，解決現(xiàn)實生活中的問題。但目前地理教材大多缺乏實驗設(shè)計，實驗器材陳舊不足，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”。對于這種說法，學(xué)生存在幾點疑問：

• 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)實踐中的應(yīng)用，但在《生物學(xué)》教材上并沒有給出比較詳實完善的解釋。因此，很多學(xué)生對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，補充完善教材解釋的不足，筆者從地理和生物學(xué)角度進行思考，制作了“為什么新疆的瓜果甜”探究裝置，目的是通過實驗的方式探究問題，突破教學(xué)難點，促進自制探究裝置與實驗教學(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)存留了更多有機物。植物有機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度大于呼吸作用，有機物積累增多；夜晚植物只進行呼吸作用，消耗有機物。溫度、光照強度等因素會影響植物光合作用，溫度還會影響植物呼吸作用。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，探究新疆瓜果更甜的原因的實驗思路如下。

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

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

進一步思考關(guān)于新疆地理環(huán)境的幾個特點：①新疆夏季晴天多，導(dǎo)致一段時期內(nèi)光照強度相對更強。如何驗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，嘗試通過模擬實驗，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”多功能實驗箱（圖2）。

圖 1 地理疊加圖層

圖 2 多功能實驗箱

“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”多功能實驗箱

該實驗箱用LED燈、應(yīng)急探照燈模擬光照，用無光加熱燈、制冷機、溫控器調(diào)控溫度，電子數(shù)顯溫度計實時監(jiān)測溫度值，計時器精確控制實驗時間，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)新實驗、改進實驗，探究光照強度對光合作用強度的影響、溫度對光合作用強度的影響、溫度對呼吸作用強度的影響等多種實驗。

探究裝置中地理疊加圖層與多功能實驗箱相輔相成，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”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、光照時間長、光照充足。

制作過程

地理疊加圖層

利用Arc GIS對中國輪廓圖和不同地理要素分布圖（數(shù)據(jù)來源：標準地圖服務(wù)系統(tǒng)等權(quán)威地圖數(shù)據(jù)網(wǎng)站）進行處理, 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），1張空白（2號）。

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

設(shè)計疊加圖層使用說明、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簡易凹槽，用于放置點讀筆，并用理線粘繩粘住。

多功能實驗箱

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50?W凹面鏡探照燈、2個200?W黑色無光加熱燈（外套防燙傷金屬燈罩）、1個10?W人工智能語音控制燈泡、1個20?W智能便捷語音控制燈泡、制冷機風(fēng)扇。

上擋板箱外部從左到右依次安裝計時器，“小新”離線智能語音設(shè)備，喇叭，2個電子數(shù)顯溫度計（水溫、沙溫），左、右加熱燈溫控器，3個電子數(shù)顯溫度計（箱內(nèi)溫度、煮熟的種子溫度、萌發(fā)的種子溫度），制冷機外機。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個電子數(shù)顯溫度計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。右側(cè)擋板箱外部安裝制冷機溫控器、右分控器與遙控器。后擋板箱外部安裝制冷機開關(guān)電源與自制制冷機控制開關(guān)。

制作計時器、電子數(shù)顯溫度計、左加熱燈溫控器等標簽，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驗箱內(nèi)部，制作探究裝置標簽，分別粘貼到前、后擋板處。

創(chuàng)新性和實用性

人工智能為代表的現(xiàn)代新興科技與傳統(tǒng)實驗教具裝備有機融合

點讀筆點擊播放每個圖層信息，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距離控制光照強度，提高了實驗效率與樂趣。

采用STEAM教育理念進行設(shè)計構(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)知識與地理問題“為什么新疆的瓜果甜”巧妙融合，可以進行地理要素圖層疊加、海陸熱力性質(zhì)差異、光合作用、呼吸作用等多個跨學(xué)科主題下的定量探究實驗（圖4）。

圖 4 學(xué)生開展實驗探究

突出科學(xué)性與嚴謹性，最大限度模擬自然環(huán)境

海陸熱力性質(zhì)實驗中凹面鏡探照燈和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沙混合物表面的空氣溫度。

實驗環(huán)境相對封閉

多功能實驗箱密封程度較好，外界環(huán)境，對實驗影響較小，數(shù)顯溫度計所測溫度較為準確。

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、計時器等取材容易、造價低廉、環(huán)保安全。頂部和正面的透明亞克力板便于觀察實驗情況，多功能實驗箱的提手設(shè)計方便攜帶。

該項目獲得第 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

來源 | 《中國科技教育》2025-02

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安