地理科学模型及教学建议

地理科学模型及教学建议

陈苍鹏

杭州市十三中教育集团（总校） 浙江杭州

【内容摘要】地理科学是一门综合学科，涉及诸多的因素，地理系统内容复杂多样，地理模型能从本质上认识问题、分析问题并解决问题，引入模型的教学方法，有效帮助学生深入认识、探究地理原理与规律，同时，地理建模为学生提供了一个思考问题的框架，使思维得到深入与强化，也有利于学生置身于科学探究之中。

【关键词】地理模型；建模方法；教学建议

地球表面各圈层是一个复杂的巨系统，其各个子系统、要素相互作用机制与过程非常复杂，应该充分利用各种教学方法来研究与理解地理科学。其中，地理模型的建立与运用，无论在思想创新，还是方法技术创新方面都具有不可替代的作用。在地理教中，模型的作用是十分重要的，它是认识地理问题的桥梁，是解决地理问题的抓手，模型的作用是不可替代的。

一、地理模型及其类型

地理模型是对地理原型（过程、系统）的抽象或模仿，常用实物、逻辑符号、图形、表格、文字、数学公式及计算机图像来表示。ⁱ如地貌系统、气候系统、水文系统、土壤系统、生态系统、地貌演化过程、气候变化过程、径流过程、生态演替过程、污染扩散过程等，都可以用地理模型来表示。

任何一个地理模型，都是对一个地理原型的本质描述，是对原型的深入认识与概括，可以这么认为地理模型代表着一种地理思维方法与哲学思考。地理模型是对地理原型的抽象描述，是对地理原型的实质性和关键性环节的描述，摒弃次要因素及非关键环节和过程，探求地理系统内在的规律。由此可见，在地理学研究中，特别是在多要素、多层次的复杂地理系统分析中，利用模型和建构模型具有十分重要的意义。地理模型是对地理系统或地理过程的某一个方面进行描述，地理模型的分类方法有多种，如果按照模型的特性分，可以把地理模型进行如下分类：

实物模型：一般是对原型的按比例缩小的模型。 在教学中典型的有地球仪、天球仪、地形模型、风沙模拟、风洞模型、土壤模型。

图形模型：根据一定的科学原理与方法，运用符号、线条等，按照一定形式组合起来对原型的描述，该模型可以是图形、变化过程等。例如，矿产资源图、地形图、政区图、天气图、水循环模型、天气云图，季风路径、地球公转模型、太阳系模型等。

数学模型：通过抽象和简化，运用数学的方法对地理现象做一个近似的表达，是对象的内在特征的揭示。一般形成数学图形、数学公式、函数图像等。例如，地球作为正球体处理时的半径为R= ；正午太阳高度公式：h= 90°- ｜φ-δ｜；描述人口随时间自由增长的数学模型等等。数学模型使是对地理信息进行定量分析和模拟计算的工具，是对地理系统最基础、最深刻的描述。

当然，还有其他不同的分类方法，但无论那一种模型，都是对地理系统的抽象描述，关注地理的本质以及关键要素，舍弃了次要因素。

二、地理模型的教学功能

地理模型是地理教学中常用的一种科学方法，是把抽象复杂的地理对象转化为具体直观的方法，就地理而言，能揭示地理系统的结构与功能，模拟地理过程，以及认识地理各要素之间的相互联系的一个载体。具体说，地理模型的教学功能主要有如下几个方面。

1.认识地理问题

模型是原型的简化了的映像。地理模型能从本质上认识问题、分析问题并解决问题。地理模型教学，为了揭示其内在机制及其演化规律，通过模型来寻找其本质特征，来解释各种地理现象、地理过程相互作用的内在机制。地理模型不仅具有直观、生动和鲜明的启发性特点，还具有对地理系统中的因果关系、结构、功能属性、起源和发展做出合理的说明，起到科学解释作用。^[1]因此，在地理概念、科学理论教学的过程中，运用模型教学可以充分发挥思维的力量，指引学生思考问题的方向，培养学生预测问题、解释问题和解决问题的能力。

2.探究地理问题

在地理探究教学中，通常采取如下路径进行教学：情境呈现——问题的产生与提出——寻找相关事实与证据——归纳、概括建立理论——解释地理现象——理论应用。而地球表面各圈层和系统是一个复杂的巨系统，单凭课件、教师讲解这个传统方法，很难产生新的认识和新的发现，因此，需要在此基础介入新的教学方法。地理模型的建立与运用过程中，要求学生学会观察、归纳、演绎、假设、近似等方法，有助于培养理解科学本质、培养学生的创新能力。因此，地理模型无论在教学思想、还是技术方法都是很有创新性的，地理模型也是地理探究教学的基本工具。

3.综合分析问题

地理是一门综合性学科，它是研究各种地理系统、地理要素之间的相互作用、相互关系及其时空变化规律。从教学来看，综合性的问题是教学中重点与难点，更需要通过模型的建立与使用，才能帮助学生更好地理解、认识和解决综合性的问题。地理的综合性可以分为多个层次，有的是对两个因素之间的研究，比如气候与植被、气候与土壤等属于低层次的综合；有的是多个因素的综合，比如土壤与植被、气候、人类活动、水文等等因素的关系，则属于中等层次的综合；如果是对所有因素的研究，则是高层次的综合。即使我们对某一个问题进行教学，也是要在地理综合的基础上进行，这是地理学科本身的特质所决定。

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三、地理模型教学建议

模型是地理学认识由唯象理论过渡到动力学理论的重要环节，模型实现了地理知识由具体到抽象的置换，使教学情景的创设与发生，有利于学生产生认知冲突，使思维得到深入与强化，也有利于学生置身于科学探究之中。

1.培养学生观察与分析模型的能力

在教学中，有的学生观察模型的时候，不能提出一些可疑的问题，更谈不上揭示模型的本质内涵。这个原因当然有学生对模型观察不够细致与不够耐心的一面，也有不少的学生对模型不会观察，认为地理的内容只需要记记背背就行。巴甫洛夫层说过，对于事物需要观察、观察、再观察。观察是打开知识大门的手段，而模型是通往知识殿堂的扶手。

例如，我们在教学“板块构造学说”时，会组织学生观察地球上的六大板块。板块构造说认为，这六大板块是被海岭、海沟和巨大的山脉分割而成的。学生在观察这个模型图时，看不懂其中的模型信息，比如“生长边界与消亡边界”就不会很懂，由于海岭、海沟与山脉在这幅图中没有显示出来，具有“隐含性”，需要教师进一步诱导与分析海岭、海沟与山脉的分布与形状。同时，就是还要设计一定问题引起学生的思考，比如请指认全球的个大板块，各大板块分布在哪里？包含哪些大陆与海洋？是什么力量使得板块发生移动？板块是怎么运动的呢？板块运动的过程中会产生哪些现象？有哪些证据？地幔中的对流圈被认为是板块运动的驱动机制，其机制是什么呢？还有许多悬而未决的问题，学生能否从本模型中提出来？比如地幔中的对流圈是否长期存在？什么因素可使对流停止下来？对流作用只发生在上地幔吗？还是这些巨大的对流圈也存在于下地幔吗？这些问题，不仅能使学生深入思考，而且鼓励学生要继续探究相关问题，进一步理解“大板块构造说”。这也说明了，一个模型不可能详尽地把所有的地理系统里的问题全部搞得一清二楚，本模型只是重点突出六大板块的分布以及生长边界与消亡边界等主要的信息。

2.培养学生建立模型的能力

建模的过程为我们提供了一个思考问题的框架，不仅能够帮助我们成功建立有关的地理模型，而且当你面对一个地理事件感到困惑而无法下手建模时，它将为你提供一个思考与理解的框架。^[2]模型的建立与你建模的目的、视角、手段有关，在教学中可以根据自己教学目标与教学内容进行建模。

如，对众多的知识或现象，需要对其进行复述、精加工和组织，将分散的、孤立的知识集合成一个知识图式，使知识形成因果、主次、隶属、对比等有机协调的学科知识逻辑体系，提高其学科知识的组织化程度，形成有量、质、类的按层次性结构方式组织起来的高度抽象与概括的模型。ⁱⁱ例如，对于岩石的转化关系，也是较为复杂的关系，可以引导学生进行建模，有助于对岩石这一知识的深入理解。

对某种地理事物进行推测与猜想。比如，毕达哥拉斯根据自己对数学的研究，认为圆形是一个最美的图形，结合自己的观察结果提出地球是一个球形的设想；再如托勒密的“地心说”宇宙模型；哥白尼的“日心说”模型；魏格纳的大陆漂移说模型；等等，都是假说模型的建构。

对于某些复杂的地理现象，通过研究略去某些次要的因素，得到一种简化模型，将会大大有助于人们对地理系统的了解与应用。例如，埃拉托色尼通过对现实世界的分析与整合，利用数学定位的方法，埃氏首次利用经纬网标示地图，他选定六七条经纬线，但这些线之间距离不等，绘制了一幅世界地图，而后，喜帕恰斯将经纬网的思想进一步完善，为世界建立了一个统一地图体系。

3.建立模型并进行模型解释

初中地理教学，主要还是能利用地理知识来解决实际生活、生产的问题，初中科学中的地理部分，就是将生产与生活中的问题抽象为相关的地理理论与规律，但是学生涉世不深实践经验不足，在理解这些地理知识的时候，往往会很困难，教师就需要根据学生的实际以及教材的特点，进行模型教学。通过教师对地理知识的理解与概括，建立相应的地理模型，给学生以引导，促使学生深入理解地理知识，以增强学学习的主动性与积极性，改变以往只是死记硬背被动接受的教学方式，以提高学生对相关知识的理解与把握。

例 如，沉积岩是三大岩类的之一，也称为水成岩，沉积岩主要包括石灰岩、砂岩、页岩等。沉积岩的沉积物最初来源于暴露在地表的岩石经风化作用和剥蚀作用所成的破坏产物、动植物的遗体、遗物、遗迹以及火山爆发产物，在地表低洼处沉积下来，经过水流或冰川的搬运、沉积、成岩作用形成的岩石。这里形成的过程也较为复杂，就是帮助学生树立知识，建立沉积岩形成过程的模型。在以上沉积岩形成的科学事实的基础之上，教师利用归纳与概括的方法，建立三大岩石相互转化的模型，如图所示。

对于上述模型，教师引导学生进一步解释与深化：暴露在地表成岩首先遭到破坏，即风化用和剥蚀作用，然后经过搬运作用、沉积作用，再经过压固、脱水、胶结等成岩作用形成沉积岩。这些过程绝非独立的，而是错综复杂的关系，如岩石风化为剥蚀作用创造条件，而岩石剥蚀后裸露新鲜岩石为进一步风化提供条件；风化和剥蚀为搬运作用提供物质，岩石碎屑在搬运过程中促进剥蚀作用，如此循环互为条件。

在建构了这个模型后，可以进步思考，由于地表十分复杂，沉积岩不可能沉积于同一个年代和同一个区域，可以利用沉积岩的不同层次的岩石，可以推测当时的环境信息，是研究地表变迁的及其重要的证据。

地理学以地球表层空间系统为研究对象，核心是人地关系，所研究的问题涉及众多因素，而且多不可控制，明显区别于其他学科。为了探索地理学中的空间结构、时间过程、人地关系、时空耦合等对象，人们利用多种不同的方法与技术手段，甚至利用一切可能的工具，完成对地理学的认识。地理模型是以问题分析为主体，使用的方法包括了逻辑分析方法、物理学方法、统计分析方法、模糊数学方法以及动态数据分析和空间数据分析方法等，对地理问题进行分析和解释，有利于教学的有效深入与推进。

参考文献：

[1]徐建华.地理建模方法[M].北京：科学出版社,2010：5-7

[2] 蔡铁权.物理教学丛论[M].北京：科学出版社，2005:230-231

[3] 吴国平，宋崇辉，汪煜.地理建模[M].东南大学出版社，2012:7-8

[4] 宋春青，邱维理，张振春.地质学基础[M].北京：高等教育出版社，2005:103

i[] 徐建华.地理建模方法[M].北京：科学出版社，2010:2

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