“水循环”模拟实验设计与应用*

梅柏军 肖 明 黄 雷

（江苏省天一中学, 江苏 无锡 214101）

《普通高中地理课程标准（2017年版）》突出强调地理实验对于落实地理核心素养、解决地理教学中的重要问题，提高地理教学育人效果的重要性。[1]通过实验让学生在“动手”“行动”中获得直接经验，获得对真实生活的“真”认识，“真”感觉。[2]在高中地理课堂教学中，通过开展“水循环”模拟实验来达成教学目标的课例很多，也形成了多样的模拟实验装置。

在知网检索地理教育领域三大期刊中关于“水循环”实验的文章，筛选出4种最具代表性的实验装置（见图1、图2、图3、图4）。图1作者用简单的实验装置模拟海陆间循环的环节。[3]图2作者在玻璃鱼缸里模拟水循环实验，帮助学生认识水循环类型和环节。[4]图3来自于湘教版教材中的模拟实验装置，被教师在实际教学中加以运用。[5]图4作者利用生活中常见的材料和器具设计实验，该实验原理与图3相似。[6]

图1 陈同学设计的“海陆间循环”实验装置

图2 徐老师设计的微观环境下“水循环”模拟实验

图3 湘教版“模拟水循环主要环节”实验

图4 付老师设计的“水循环”模拟实验装置

在笔者学习的几节“水循环”主题公开课中，授课教师设计了不同的“水循环”实验装置（见图5、图6）。图5是2021年笔者所在学校开展的“聚焦课堂”公开课活动中，来自江苏省锡山高级中学的地理教师带来的实验。图6为2022年在江苏省江阴高级中学开展的“同课异构”教学展示中，某地理教师设计的实验。

图5 李老师设计的“水循环”模拟实验装置

图6 章老师设计的“海陆间循环”实验装置

以上模拟实验装置各有特色，最终的目的都是为了更好地达成课堂教学目标，培养学生核心素养。

1.“水循环”模拟实验1：水循环的主要环节

(1)实验用品

铁架台、恒温磁力加热套（酒精灯）、烧瓶、直行冷凝管、牛角管、2根橡胶管、带孔托盘、1个水槽、排插。

(2)实验步骤

烧瓶中加入半瓶自来水，连接好装置（见图7），将直行冷凝管的下口用橡胶管接上水龙头作进水口，上口接上橡胶管作排水口。

图7 “水循环”模拟实验原装置

用酒精灯加热烧瓶，烧瓶中的水汽经过直行管时遇冷水冷却凝结，在牛角管处形成水滴落到托盘上。

(3)实验改进（见图8）

图8 “水循环”模拟实验改进装置

按照图7的实验装置进行实验时，发现酒精灯加热较慢，难以使烧瓶中的水沸腾，导致实验效果不明显。经研究，最后选择通电加热的恒温磁力加热套。经改进后，烧瓶中水的沸腾效果较好，实验效果明显。

(4)优点与不足

与图1、图2、图5所示实验相比，本实验能够模拟水循环的环节更多，实验现象更明显、直观。与图3、图4、图6所示实验相比，首先，在加热环节上，本实验中烧瓶剧烈沸腾产生的水蒸气更多；
其次，在冷却环节上，本实验中的装置更简洁，且通过流动的自来水冷却水蒸气，使在牛角管处落下的水滴更多，实验效果更好。

本实验的不足之处在于，无法演示地表径流和地下径流汇流入海的环节，无法演示陆地内循环和海上内循环。

(5)实验目标与教学过程

①实验目标

模拟并描述实验中水的运动过程；
推测自然界水循环的主要环节；
尝试绘制水循环过程示意图。

②教学过程

教师：“实验器材已经安装好了，现在需要两位同学来讲台前观察并描述水的运动过程，观察时间1分钟。”

学生：“水在烧瓶中蒸发后进入输送管道，水汽遇到冷水凝结在另一侧托盘上空形成水滴。水滴落到地表，有的渗入水槽，有的在托盘表面流动。”

教师：“描述得非常好，大家掌声鼓励。假设烧瓶里的水是地球上的海洋，托盘表示陆地，你能根据观察到的实验现象推测地球上水循环的环节有哪些并画出示意图吗？”

学生写下“水的蒸发”“运输”“降雨”“地表流动”“渗入”。

教师：“大家画的很多环节都是对的，但是每个环节专业术语的表述还不够准确。另外，图中还缺少一些环节。表述准确、完整的水循环环节应该是蒸发、水汽输送、降水、地表径流、下渗，当然还有实验中不能体现的植物蒸腾和地下径流。”

2.“水循环”模拟实验2：不同地面的径流、下渗情况比较

(1)实验用品

铁架台、恒温磁力加热套、烧瓶、直行冷凝管、牛角管、2根橡胶管、3个带孔托盘、1个水槽、草皮、橡皮泥、透水砖、排插。

(2)实验步骤

在图8所示实验装置的基础上，准备三个带孔托盘，三个托盘内各放置草皮、橡皮泥、透水砖，分别模拟草坪地面、硬化地面和透水砖地面（见图9、图10、图11）。

图9 模拟“硬化地面”对水循环环节的影响

图10 模拟“植被覆盖地面”对水循环环节的影响

图11 模拟“透水砖地面”对水循环环节的影响

将三个托盘放在水槽上，保证托盘的坡度一致。

控制实验模拟“降水”时间为3分钟，“降水”强度一致，地表坡度相同。

观察托盘上的地表径流、下渗以及水槽的地下径流现象，完成实验情况记录表格（见表1）。

表1 不同地面的径流、下渗情况记录表

(3)实验目标与教学过程

①实验目标

模拟城市不同地面对径流和下渗的影响。观察硬化地面、植被覆盖地面、透水砖地面的地表径流量和下渗量有何差异。

②教学过程

教师：“不同的地表性质对径流和下渗的影响如何呢？下面我们通过一组实验来进行探究。现在需要4位同学来讲台协助老师完成实验。大家控制水槽上方的托盘坡度一样，托盘的孔隙一样，我需要3位同学分别以同样的“降水”强度向托盘里持续倒水3分钟，1位观察员根据实验现象记录报告。”

学生：“硬化地面的下渗明显较少，产生的地表径流多；
而植被覆盖和透水砖地面下渗多，产生地表径流少。”

教师：“回答正确。大家再注意观察硬化地面的低洼处是不是有很多积水？在城市当中，这里就是一个天然的蓄水空间。如果将其填塞会怎样？”

学生：“天上降下的雨水就会积累在地表，形成城市内涝。”

教师：“回答正确。同学们现在明白我国很多城市都进行‘海绵城市’建设的原因了吧。草坪、透水地面的下渗效果确实比较明显。”

实验教学需要不断注入课堂，促进知识落实和学生地理核心素养的培养。两组模拟实验以“城市内涝”作为主题情境，应用在“水循环”一节的教学中。从模拟实验1中可以看出，教师需要通过逐步引导将学生的生活用语转移到专业术语上，加强学生对地理事象的直观认识和对专业术语的深刻理解，以便于解释城市内涝的成因。模拟实验2探究了不同地表对水循环环节的影响，但会使学生通过实际操作获得“真”认识、“真”感觉。因此，教师在平时的课堂教学中应不断加入实验，为地理课堂教学注入新鲜“血液”。

实验教学以学生为主体，促进学生能力的发展。目前高中地理课堂中的实验以模拟实验为主，主要表现为：教师将装置拿到教室现场操作、学生观看；
教师在课前将实验拍摄成视频，在课堂上播放给学生观看。这样的实验教学被称为“演示实验”。教师在课堂教学中应让学生动手操作，让学生主动观察地理现象并加以描述。如果条件允许，教师可让学生利用所学知识主动设计实验，或与教师合作完成实验的设计。笔者所做“水循环”实验在一开始就让学生参与讨论如何设计实验装置，学生集思广益参与设计并不断改进，通过完整的实验教学，促进学生观察、动手设计及操作能力的提升。