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【教学分享】科学探究要素解构下的高中地理实验试题分析与教学建议
发布时间:2026-09-20 19:13:32 最近访问:2026-09-20 19:13:32
【教学分享】科学探究要素解构下的高中地理实验试题分析与教学建议

(图片来自原文)
本文发表在中文核心期刊《教学与管理》2026年9月,第一作者为云南省昆明市官渡区第六中学的李敏。
论文题目:科学探究要素解构下的高中地理实验试题分析与教学建议
论文链接:
https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=ArPsT4H1yBPEs_KTYxNVVJ_9Re8U__uPq4cjNkbqjef_MMD1yhJg_e9qlIr1m916RY-gpXz7oW3LPqxReyt9sd7vBTWDPGIXC0CI-q5-75pUxt6pkiKstiokg1-l-jE5vzc1pb_fFVpvkBgH57dZV7SRCqhPa2go&uniplatform=NZKPT
地理实验是开展科学探究、培育学生科学素养与地理实践力的关键载体。基于问题、证据、解释和交流等科学探究要素框架,系统分析了近年来具有代表性的地理实验类试题的考查维度,并提出指向科学探究能力培养的高中地理实验教学优化路径:从生活现实中发现可探究的问题,以规范设计与跨学科工具保障数据质量,运用科学思维构建从数据到结论的因果链条,在反思与迭代中实现探究能力的进阶,进而助力地理实验教学与创新人才培养。
2025年,中共中央、国务院印发的《教育强国建设规划纲要(2024—2035年)》明确指出,要着力加强创新能力培养,面向中小学生实施科学素养培育“沃土计划”。《普通高中地理课程标准日常修订版(2017年版2025年修订)》强调,通过地理实验等实践性活动,推动学生学习方式的转变和综合素养的提升。地理实验作为连接理论与实践的桥梁,已成为深化课程改革、落实素养导向教学的关键路径。
高考命题对教学实践具有重要的引导作用。近年来,以科学素养为导向的高考地理实验试题,不仅具有地理拔尖创新人才选拔的作用,更对中学教学起到了积极的导向作用,例如,刘岩等构建的“教学目标—教学环节—教学评价”贯通式实验教学设计框架,为素养导向的实验教学提供了可操作的评价工具参照。科学探究作为科学素养的核心维度,是学生形成地理科学观念、发展科学思维、涵养科学态度和责任的核心载体和重要途径,也自然成为高中地理实验试题设计和教学改革深化的中心线索。前期,从科学教育视域出发,以“热力环流”为例探讨了地理实验教学设计中科学探究要素的渗透路径,本研究进一步从科学探究要素解构的视角聚焦高考实验试题的考查维度。科学探究由“问题、证据、解释、交流”四要素构成逻辑闭环。地理实验将其转化为实践情境,使学生亲历“提出假设—获取数据—分析推理—反思优化”的完整过程。高中地理实验试题以真实情境考查学生科学探究素养,是落实地理实践力、衔接创新人才选拔的关键载体。
科学探究是运用科学思维和科学方法,通过实验论证、调查研究、建立模型等方式探索自然现象和解决实际问题,以验证科学知识和原理或发现新的科学知识和规律的实践活动,它是人类认识现实世界的重要方式。完整的科学探究过程包括四个基本要素:一是问题,即基于观察和思考提出具有探究价值的地理问题,并作出猜想或假设;二是证据,通过设计实验方案和实验操作,获取数据,形成支撑结论的客观依据;三是解释,对数据进行科学处理,运用科学思维方法和地理原理分析证据与问题的内在联系,得出结论,形成逻辑闭环;四是交流,通过恰当的形式,以规范的地理语言呈现探究过程与结论,并接受检验与完善。具体内容见表1。地理实验是地理学科中进行科学探究的主要方式,它将抽象的地理规律、原理转化为可操作的实践情境,使学生得以在亲历“提出问题和假设—设计验证—分析推理—反思优化”的科学探究完整过程中,发展地理实践力与综合思维,从而深化地理核心素养的培育。高中地理实验试题通过真实的问题情境,创设具有科学探究性的任务,不仅能够考查学生对地理基础知识、基本规律和基本原理的掌握程度,也能有效检测学生的科学探究素养,包括提出问题的能力、获取证据的能力、逻辑分析的能力和表达交流的能力。地理实验试题的命题对高中地理教学具有显著的导向作用,旨在推动教学向素养培育转型,助力学生形成科学的地理思维方式与探究能力。高中地理实验试题聚焦现实地理问题,在考查地理核心素养的同时,突出考查实验方法、数据逻辑、科学思维及实验反思优化能力,具有鲜明的科学教育导向。本研究选取具有代表性的高考地理实验试题——2025年湖南地理卷19题(以下称湖南卷)“沙垄土壤水分调查”试题(野外调查实验类)、2025年河南地理卷11~13题(以下称河南卷)“小流域模拟降雨”试题(控制实验类)、2024年全国文科综合甲卷44题(以下称全国甲卷)“灌草条带防风阻沙设计”试题及2026年北京地理卷16题(以下称北京卷)“设计坡地集水量试验”试题(方案设计类),从基于科学探究要素解构的“问题—证据—解释—交流”视角深入分析高中地理实验试题的考查维度。
问题是探究的起点。高中地理实验试题的问题设计源于现实,具有鲜明的指向性和实践性。核心问题常被分解为递进性子问题,形成“总问题统领、子问题支撑”的探究链条,引导学生沿“现象识别—规律归纳—原理分析—优化应用”路径深入。例如,2025年湖南卷“沙垄土壤水分调查”试题围绕“我国西部某沙漠一条典型沙垄不同地貌部位(垄间A、垄坡B、垄顶C)表层土壤水分与植被生长的关系”这一核心问题展开。该问题的提出是基于干旱区生态恢复中的“水分—植被”耦合机制这一关键科学问题,具有鲜明的区域特点和重要的实践价值。在核心问题的统领下,试题进一步将其拆分为“数据—规律—原理—方案”的递进性子问题作为考查任务,形成完整探究逻辑链条:子问题1指向证据的检验与批判;子问题2指向规律的归纳与表达;子问题3指向原理的调用与因果推理;子问题4指向探究过程的反思与迭代。四个子问题共同服务于“理解土壤水分与植被生长关系”的总目标,形成完整的探究逻辑闭环,如图1所示。证据是科学探究的基础,其客观性与有效性直接决定结论的可信度。从考查特点看,地理实验试题在证据要素上主要从三个层面展开设问:一是方案设计的科学性,特别是控制变量法的应用;二是操作实施的规范性,包括采样方法、重复原则、误差控制等;三是数据呈现的合理性,要求学生对表格、统计图等证据载体进行准确解读或批判性看待。在方案设计层面,湖南卷试题明确展示了科学实验的变量控制逻辑:自变量(同一沙垄不同部位、植物生长阶段)、因变量(土壤含水量、植被覆盖度)和控制无关变量(采样深度、采样方法),有效避免了无关变量的干扰,保证实验的科学性和有效性。河南卷试题中自变量(初始土壤含水量、降雨过程),因变量(形成相同洪峰流量的降雨总量),控制变量(初始土壤含水量、流域类型),符合科学探究单一变量的原则。北京卷16(2)题的变量控制则进一步体现了野外地理实验的复杂性,要求学生在坡地集水量试验中明确自变量(植被条件)、因变量(坡地集水量),同时控制无关变量(坡度、坡向、坡长、坡形等地形特征,土壤类型、质地、厚度,降雨和温度、风力等实验环境)。在操作实施层面,试题同样注重对实验规范性的考查。例如,湖南卷试题,采样时间选择包含植被从萌发到枯萎的完整周期的4至7月,采样深度选择符合植被浅根系分布特征的20cm深土壤;按同样的方法进行重复采样,并密封后送实验室测量样品土壤含水量,可以防止样品运输过程中水分流失。在数据呈现层面,试题注重考查学生对证据的批判性审视能力。例如,湖南卷试题第(1)问要求“指出A样地折线图中的错误”,这正是对证据要素中“数据有效性检验”能力的考查。学生需要识别出折线图可能存在的过失误差(如数据点标错、坐标轴单位遗漏、变化趋势与表格数据不符等),从而养成对实验数据保持敏感和质疑的科学态度。这种设问方式突破了传统试题中“直接读取数据”的浅层考查,将证据要素的考查提升到了“元认知”层面。解释是科学探究的核心环节,要求学生处理数据、分析证据、发现规律并构建因果链。地理实验试题在解释要素上的设问涵盖三个层次:数据处理与转换、规律归纳与概括、机理剖析与阐释。观察实验获取的数据通常用数学和计算机工具进行统计和处理,为更好地进行科学解释打下基础。常见数据呈现形式有表格和统计图。如何获取足够的有效证据、减少误差是实验过程中必须思考和注意的问题。实验数据误差主要来自实验操作。即数据采集过程中产生的误差和数据处理不当产生的误差,包括系统误差、随机误差和过失误差。例如,湖南卷试题第(1)问虽以“指出错误”的形式呈现,实则是对数据呈现规范性的深度考查。学生需要理解:实验数据在从原始记录到最终图表的转换过程中,可能因疏忽或方法不当而产生“过失误差”,如折线图中某个月份的数据与表格不符、纵坐标刻度不连续导致视觉误导等。这一设问引导学生关注数据处理的严谨性,体现了科学探究中对“数据—图表”转换逻辑的重视,引导学生在实验的过程中养成严谨认真的科学态度。获得和处理数据后,需要采用分析与综合、抽象与概括、比较与判断、归纳与演绎等科学思维对实验现象或数据进行逻辑推理,从定量数据中提炼地理规律,得出结论,实现数据到现象的转化。湖南卷试题第(2)问要求分析沙垄植被覆盖度时空总体变化特征,需要从表中所给出的数据进行归纳推导,因为有两个变量(时间变量和空间变量),进行归纳推理时应遵循单一变量原则,先控制一个变量:归纳时间变化规律,先控制空间变量(表中植被覆盖度数据竖着看),分别从垄顶(A)、垄坡(B)和垄间(C)归纳推导植被覆盖度的时间变化规律,三地植被覆盖度的时间变化规律都是从4至5月增大、5至7月减小,这种时间变化规律与区域植被生长周期(4至6月发芽生长、7月枯萎)匹配;归纳空间变化规律,先控制时间变量(表中植被覆盖度数据横着看),每个采样时间内的空间上植被覆盖度都是垄顶(A)<垄坡(B)<垄间(C),这与垄间地势低易汇集水流的水分分布规律吻合。实验归纳的结论与“水分—植被”的耦合理论相一致,数据支撑充分。北京卷16(2)题要求在坡地集水量试验中依据实测数据自主绘制统计图,并归纳不同土地利用方式(草地、灌丛、林地)下集水量的差异规律,将“数据整理→图表转换→规律概括”融为一体,体现了从定量数据中提炼地理规律的科学思维过程。对于实验现象或结果需依据地理学科逻辑进行因果推理解释,将地理原理与具体情景相结合,构建从原理到现象的因果关系链。湖南卷试题第(3)问,“分析C样地土壤含水量变化趋势原因”需要结合积雪融水补给为主的区域背景,调用地理环境整体性原理和水量收支平衡原理进行逻辑推导:4月中上旬气温升高、积雪融水补给增加,蒸发和植被吸收还相对较弱,导致土壤含水量增加;4月下旬后,积雪融水减少、停止,气温升高,蒸发增强,植被覆盖度提升后耗水增加,导致土壤含水量减少。河南卷第12题、13题,需结合水循环和水量平衡原理,构建“降雨总量=地表径流量+下渗量(实验中蒸发量差异小,可忽略)”模型,结合“相同洪峰流量”这一控制变量,可判断下渗量是影响降雨总量的关键因素,进而推理得出“初始土壤含水量偏高时形成相同洪峰流量所需降雨总量减少”的结论。由此可见,结合地理原理进行解释需要遵循“实验证据→逻辑推理→科学结论”的推导路径,体现了地理实验从现象到本质的科学推理过程。交流是科学探究的最终环节,也是学生探究能力形成的标志,要求学生规范呈现、反思并优化探究过程与结果。地理实验试题在交流要素上的设问主要有三种形式:批判性评价、图文转换表达、反思优化或方案设计。例如,湖南卷试题第(1)问“指出A样地折线图错误”本质上是对“数据呈现规范性”的批判性评价,属于交流要素中的“评估”层面。学生需要运用科学交流的基本规范(如坐标轴标注完整、数据点与表格一致、图例清晰等)去审视已有的图表呈现,发现其中的问题并予以指正。第(2)问“描述沙垄植被覆盖度时空总体变化特征”则属于交流要素中的“表达”层面,要求学生将表格数据转化为规范的地理语言描述,做到“时间变化”与“空间变化”分述清晰、术语准确(如“先增后减”“垄间高于垄顶”等)。第(4)问“对调查方案提出优化措施”则进阶到交流要素的“反思与迭代”层面,学生需要从实验设计、采样方法、数据分析等环节反思现有方案的不足,并提出具体的改进建议,如“增加采样深度梯度”“延长观测时间周期”“引入遥感数据辅助验证”等。这一设问将交流从“单向表达”提升为“双向对话”,体现了科学探究的开放性和发展性。全国甲卷试题则进一步将交流要素的考查推向综合化。该试题要求学生“设计实验探索最佳阻沙效果的灌草种植方式”,实质上是一份微型实验研究方案的撰写任务。学生需要按照科学交流的规范格式,依次阐述:实验目的(明确自变量、因变量、控制变量)、实验场地(选择地形、土壤、风况条件均一的区域)、实验器材(风速仪、集沙仪、标尺等)、实验条件(控制灌草种类、灌溉量以匹配当地水资源约束)、实验操作步骤(设置不同种植方式样方、重复测量)、数据处理方法(对比分析阻沙率)、预期结论及可能的应用价值。这种综合性的实验设计任务,全面考查了学生运用科学探究语言进行规范交流的能力,同时也检验了其对整个探究流程的系统理解。北京卷16(3)题要求学生基于前两问的水资源数据与试验结论,探讨三川河流域煤炭产业转型方向,形成涵盖“生态约束—产业选择—空间布局”的综合建议,将交流表达从实验报告撰写延伸至面向真实问题的决策论证。基于对典型地理实验试题的科学探究要素解构结果表明,高质量实验试题围绕“问题—证据—解释—交流”链条系统设计。地理实验教学应以科学探究要素为主线,从问题、证据、解释、交流四个维度推进,实现从“验证性实验”向“探究性实验”转型,培育学生科学素养与创新能力。
1.聚焦“问题”要素:从生活现实中发现可探究的问题科学探究始于问题。当前实验教学中,问题常过于宽泛或缺乏探究价值,难以激发学生动机。教师应从以下三方面优化问题要素教学。教师可选取校园或社区中的真实地理现象作为问题源,如“雨后操场的积水为什么在不同位置深浅不一”。通过呈现现象视频、照片或现场观察记录,引导学生从“是什么”走向“为什么”,进而提出可检验的假设。例如,在“热力环流”教学中,教师可先播放蒸包子时水蒸气上升的视频,让学生描述现象后提出问题:“空气为什么会产生这样运动?”再引导学生结合已有知识做出假设:“可能跟温度差异有关。”把问题提出的主动权还给学生。借鉴湖南卷试题的设计逻辑,教师应引导学生在提出核心问题后,进一步将其拆解为若干可逐步解决的子问题。例如,针对“校园不同下垫面地表温度是否存在差异”核心问题,可引导学生分解为:①如何选择具有代表性的下垫面类型(草地、水泥地、沙土地等)?②需要测量哪些时间点(一天中何时差异最显著)?③需要控制哪些无关变量(天气状况、测量高度等)?④数据如何记录和比较?⑤差异背后的原理是什么?⑥研究结论对校园绿化有什么启示?通过这样的分解,学生在明确探究路径的同时,对证据获取和结论解释也产生了兴趣。教师应要求学生用“如果……那么……”或“在……条件下,……越……,……越……”的句式表述假设。例如,与其说“坡度会影响径流速度”,不如说“在其他条件(土壤类型、植被覆盖度、降雨强度)相同时,坡度越大,地表径流流速越快”。这种规范性训练有助于学生明确自变量、因变量和控制变量,为后续实验设计奠定基础。2.夯实“证据”要素:以规范设计与跨学科工具保障数据质量证据的客观性与有效性是科学探究的关键。当前学生在证据获取中常存在控制变量意识缺乏、数据采集不规范、随意舍弃异常数据等问题,教师应有针对性地加强教学。在每次实验设计阶段,教师都应引导学生明确回答三个问题:本实验的自变量是什么(我要改变什么)?因变量是什么(我要观测什么)?控制变量有哪些(我要保持什么不变)?例如,在设计“植被覆盖度对水土流失的影响”实验时,学生应能指出:自变量是植被覆盖度(设置0%、30%、60%、90%等梯度),因变量是水土流失量(可通过收集径流中的泥沙质量来量化),控制变量包括土壤类型、坡度、降雨强度和历时、实验容器规格等。教师可提供“实验变量记录表”作为脚手架,让学生在动手操作前先完成表格填写,培养其严谨的设计习惯。地理实验往往涉及物理、化学、生物乃至信息技术等多学科知识和工具,教师应有意识地引导学生选用适宜的工具获取证据。例如,在测定植被覆盖度时,传统的目测估计法主观性强、误差大,可引导学生使用手机拍照后通过Canopeo图像识别软件进行定量分析,获取覆盖度百分比数据;在测定土壤含水量时,除传统烘干称重法外,可介绍土壤水分传感器快速读取的原理与使用方法;在测定空气温湿度、风速等气象要素时,可引入便携式气象站或Arduino开源硬件搭建简易数据采集系统。此外,Excel、SPSS等数据处理软件应成为学生处理实验数据的常规工具,而非大学阶段才接触的“高级技能”。通过这些跨学科工具的介入,学生能够获得更精确、更可靠的证据,同时也体会到现代科学技术对地理研究的支撑作用。教师在实验教学中不应只关注“成功”的实验结果,而应有意设置或引导学生发现异常数据。例如,可以提供一份含有明显错误(如某组数据与其他组差异过大、折线图与数据表不一致)的实验记录,让学生扮演“审稿人”角色,找出问题并分析可能原因(仪器故障、读数错误、记录笔误等)。这种训练能够培养学生对证据质量的批判意识,使其明白“并非所有数据都可信”“数据需要经过检验才能成为证据”。3.深化“解释”要素:运用科学思维构建从数据到结论的因果链条解释是连接证据与结论的桥梁,也是地理实验教学中相对薄弱的环节。许多学生在实验结束后只会简单复述“数据增加了”“数据减少了”,却无法揭示背后的规律和原理。教师应从数据处理、规律归纳、原理解释三个层次系统培养学生解释能力。在获取实验数据后,学生需要学会用数学工具对数据进行整理和初步分析。教师应教授以下基础操作:①计算平均值、中位数、极差等描述性统计量,用于概括数据集中趋势和离散程度;②绘制折线图、柱状图、散点图等,用于可视化呈现数据的变化趋势或变量间关系;③使用Excel的“趋势线”功能初步判断变量间的正相关或负相关关系。对于学有余力的学生,可简要介绍相关系数的概念,如周宏飞等研究发现古尔班通古特沙漠土壤水分与冬季雪融水转化的相关性为0.78,让学生理解“相关程度”是可以量化的,从而提升解释的严谨性。当实验数据涉及两个或以上变量时(如不同时间、不同地点),学生常因不知从何入手而陷入混乱。教师应传授“单一变量原则下的分步归纳法”:先固定其他变量,逐一考察每个变量的影响。以“不同坡向、不同月份土壤温度变化”数据为例,可先固定坡向(如阳坡),归纳土壤温度随月份的变化规律;再固定月份(如7月),归纳土壤温度随坡向的变化规律。这种“先分后总”的归纳方法,能够帮助学生系统地从多维数据中提炼出清晰的地理规律,避免模糊概括。在归纳出规律后,学生还需运用地理原理解释“为什么会呈现这样的规律”。教师应引导学生建立一个固定的推理表达模板:“证据显示……(数据规律);根据……原理(地理概念与理论),可以推断……(因果联系);因此,……(结论)。”例如,在解释“山坡上部土壤厚度小于下部”这一现象时,可构建如下推理链:证据显示山坡上部土壤厚度普遍在10~20cm,下部在30~50cm;根据重力侵蚀和坡面径流搬运原理,山坡上部的风化物在重力和流水作用下会向下迁移;因此,山坡上部土壤流失大于积累,导致厚度较小,而下部接受堆积,厚度较大。通过反复训练规范化的因果表达,学生能够将地理原理真正内化为解释现实问题的思维工具。科学精神的“理性思维”维度要求解释过程遵循逻辑与证据,这恰对应“证据—原理—结论”因果推理框架。4.完善“交流”要素:在反思与迭代中实现探究能力的进阶交流不仅是呈现成果,更是对探究过程的审视与优化。实验教学中交流常被简化为报告提交,格式随意、内容雷同、缺乏反思。教师应从规范表达、批判互评、迭代优化三层面提升交流教学质量。教师应提供统一的实验报告模板,要求学生按照“实验目的(含假设)—实验材料与设备—实验步骤—原始数据记录—数据处理与图表—结论与解释—反思与改进”的完整结构撰写报告。在语言表达上,要求学生使用规范的地理术语(如“下渗率”“径流系数”“蒸腾强度”而非“水渗下去了”“水流走了”“植物喝水”),数据呈现要求图表自明(图表的标题、坐标轴标注、单位、图例完整),结论部分要求与假设呼应(“验证了假设或与假设不符,可能原因是……”)。这种规范性训练是科学交流的基础。教师可将学生分为若干小组,每组完成实验后制作展板或PPT进行汇报,其他小组从“问题合理性、证据可靠性、解释逻辑性、表达规范性”四个维度进行评价和提问。例如,提问可以包括:“你的实验是否控制了所有关键变量?”“你的数据中有没有异常值?你是如何处理的?”“你的结论是否超出了数据所能支持的范围?”这种同伴互评和答辩的形式,不仅锻炼了学生的批判性思维,也使其在回应质疑的过程中加深了对自身探究过程的理解。科学探究是在反复“假设—检验—反思—修正”中不断逼近真相的过程。罗高斌等的冰川地貌模拟实验表明,经历“完成—评价—反思—再实验”闭环的学生,对地理原理的理解深度显著提升。教师应在教学结束后,预留时间让学生根据互评意见和教师反馈,对实验方案进行修改完善,甚至重新进行部分实验。例如,学生在初次实验后发现“数据波动太大,规律不明显”,教师可引导其反思:是否控制变量执行不到位?是否测量工具精度不足?是否样本数量太少?在此基础上,学生提出改进方案(如增加重复次数、改用更精密的仪器、延长观测周期)并付诸实施。这种“完成—评价—反思—再实验”的循环,正是科学探究的真实样态。如图2所示,展现了学生在一次次交流反思中,从“按步骤操作”到“独立设计”再到“创新优化”的能力进阶路径,教师应以此为参照,设计阶梯式的实验教学序列,让交流真正成为探究能力发展的引擎。综上,本研究基于“问题—证据—解释—交流”科学探究要素框架,系统解构了代表性高考地理实验试题的考查维度。研究发现,高质量实验试题围绕科学探究完整链条系统设计:问题要素指向真实情境与探究价值;证据要素强调控制变量逻辑与数据规范性;解释要素侧重从数据规律到地理原理的因果推理;交流要素体现反思评价与迭代优化能力。基于此,高中地理实验教学应实现从“验证性实验”向“探究性实验”转型,通过创设真实情境培养问题意识、强化跨学科工具应用保障数据质量、搭建“证据—原理—结论”因果推理框架、组织实验互评与迭代优化活动,切实培育学生科学素养与探究能力,为地理拔尖创新人才培养提供支撑。李敏,范天兰,周艳芳,等.科学探究要素解构下的高中地理实验试题分析与教学建议[J].教学与管理,2026,(25):80-85.DOI:10.26993/j.cnki.jxygl.2026.25.014.
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