谭杏新
（广东省中山市龙山中学, 广东 中山 528471）
高二复习“地球公转的地理意义”专题时，对于问题：“太阳辐射在一年中呈现有规律的变化，形成了四季，那什么原因导致太阳辐射在一年中存在差异”，一部分同学脱口而出：“因为日地距离的远近引起太阳辐射存在差异而产生四季。”经过教师再次询问后，部分学生回答：“因为一年内正午太阳高度角和昼长时间有差异。”地理学科是一门实践性很强的学科，部分自然现象和规律，即使教师通过绘图和播放多媒体的方式进行授课，学生也难以理解。教材中对该部分内容的处理只是通过文字描述和图像表达，很难让学生理解太阳辐射量、纬度和太阳高度角三者之间的关系，此外学生缺乏切身的体验也难以构建正确的因果关系，所以经常把四季冷暖变换的原因误解为日地之间的远近而非太阳高度角。在本案例中，当学生已有的认知是日地距离的远近导致太阳辐射的差异从而产生四季的变换，与新的知识产生冲突时，教师可以以此冲突为契机引导和帮助学生化解矛盾，主动构建知识，将有利于学生创造性思维的发挥，提高地理核心素养。
传统的地理教学以讲授知识点为主，学生通过观察图、绘图、阅读文字、强化训练等手段是无法感知到日地距离和太阳高度角两者对地球表面获得的太阳辐射的差异，无法感知就无法构建完整的知识体系。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，其教育理念是强调科学、技术、工程和数学的跨学科整合，致力于加强各个学科之间的有机联系，倡导学生跨学科解决现实问题。开发STEM课程应用于地理教学中，为学生解决地理实践活动遇到的问题提供了理论知识、工具和手段，是一种创新解决地理实际问题的模式。本案例中运用STEM理念开发的实验课程，可以模拟日地距离和太阳高度角两者对地球表面获得的太阳辐射的差异。实验数据可视化，不仅让学生直观感受太阳辐射的变化过程，也培养了学生利用数据分析和解释问题的科学精神，大大提高了学生的学习积极性和学习效率。
本文以“探究四季更替的原因”一课为例，通过设计具体的教学过程，以基于STEM教育理念设计的实验教学为主，建立太阳高度角和太阳辐射，日地距离和太阳辐射之间的数量关系，学生通过收集实验数据后分析并总结影响四季更替的主要原因。
1.教学目标
（1）人地协调观：通过分析太阳辐射时空差异和人类活动之间的关系，增强学生的人地协调观，科学认识太阳辐射时空差异对地球及人类活动的影响。
（2）区域认知：从全球的角度和具体地区角度探讨太阳辐射的时空变化，尺度从宏观到微观，并且通过区域对比的方法来培养学生区域认知能力。
（3）综合思维：从时空的多要素、多角度分析影响太阳辐射强弱的因素，培养学生的综合思维能力。
（4）地理实践能力：通过观察和操作实验，讨论太阳能板的安装，简易量角器的设计，观察身边发生的现象等，不断提高学生的地理实践力。
2.实验教学过程的设计
(1)环节一：创设情境，提出地理问题
展示两张不同月份的学生活动图片。教师提问：“同学们还记得8月军训时大家都大汗淋漓。到了12月开校运会时，明显感觉到丝丝寒意，已经披上了风衣。8月和12月气温不同是因为地面获得的太阳辐射不同，从而产生了季节。上节课我们学习了太阳高度的变化和昼夜长短的变化，他们都会影响地面得到的太阳辐射量，昼越长，地面获得的太阳辐射量越多。那太阳高度的大小和地面得到的太阳辐射量的关系如何？除了昼夜长短、太阳高度，还有什么因素也会影响到太阳辐射量的大小？其中哪些才是影响四季变化的主要原因？”
学生以小组合作的形式讨论以上三个问题。通过讨论学生认为：“太阳高度角、昼长时间、日地距离、大气状况都是影响太阳辐射量的主要因素。一部分学生认为产生四季变换的主要原因是日地距离的远近，还有一部分学生认为是因为季节性的太阳高度角变化而产生了四季。”为了验证以上的猜想，学生们通过实验装置进行数据探究。
(2)环节二：设计装置，引入工程与技术
本套实验装置主要分成三部分：用一个可以调节强度的LED手电筒来模拟太阳光；
电压表连接太阳能电板，通过读取电压值来模拟地面获得的太阳辐射量；
在可调节角度的支架上固定一块白板，制作一个简易量角器，可以便捷测定光线与太阳能电板之间的角度，模拟太阳高度（见图1）。
图1 实验器材
四季是随着时间（季节）变化，到达地面的太阳辐射产生的差异而出现的地理现象，因时间变化的因素有太阳高度角、昼夜长短、日地距离。太阳高度角为太阳光线与地面的夹角，太阳高度角越大，地面接收到的太阳辐射越多，正午时刻为一天中太阳高度角最大的时刻，一般用正午太阳高度角衡量某地的太阳辐射的强弱。实验中可以通过调节三脚架的角度，从而改变入射光线和太阳能板的角度，模拟某地不同时间的正午太阳高度角，通过读取电压值找出正午太阳高度角与太阳辐射之间的关系。
地球公转轨道是近似正圆的椭圆轨道，太阳位于椭圆的一个焦点上，每年的1月初，地球距离太阳最近，日地距离约1.471亿千米，该位置叫近日点；
每年的7月初，地球距离太阳最远，日地距离约1.521亿千米，这个位置叫远日点。以北回归线为例，远日点出现在7月初，此时北回归线上的太阳高度约为90°，近日点在1月初时北回归线上的正午太阳高度约为43°。实验中可以调节手电筒和太阳能板之间的距离，模拟不同的日地距离；
并相应调节三脚架的角度产生对应的正午太阳高度角；
读取北回归线在远、近日点时不同太阳高度角对应的太阳辐射，这样就可以对比日地距离和太阳高度角中，哪个因素对四季的影响更显著。
(3)环节三：实验探究，用数据解决问题
实验探究1：探究太阳辐射强度和正午太阳高度角之间的关系。
【实验过程】
手电筒和太阳能板间的距离固定，通过调节三角架的角度，从而改变入射光线和太阳能板的角度，模拟产生不同的正午太阳高度角，电压示数随着太阳高度角的变化而变化，从而直观呈现太阳高度角和太阳辐射量之间的数量关系，记录数据并分析数据（见图2）。
图2 探究太阳辐射强度和正午太阳高度角之间的关系
【实验结论】
第一组实验测量数据及结论（见表1）。
表1 实验记录单1
随着太阳高度角的增大，太阳辐射越强。因此得到结论一：太阳高度角越接近90°，太阳辐射量越大，所以太阳辐射和太阳高度角之间是正相关的关系。
探究实验2：探究日地距离（远、近日点）对太阳辐射强度的影响。
【实验过程】
入射光线和太阳能板之间的角度固定为90°，对手电筒的位置进行调节，假设将远日点设为500厘米，根据远近日点的距离比，算出近日点应该位于距离太阳能板483.5厘米处。记录第一次数据。
此外，远日点出现在7月初，此时北回归线上的正午太阳高度约为90°，近日点在1月初，此时北回归线上的正午太阳高度约为43°，分别在远日点和近日点处调节入射光线的角度，模拟北回归线上的正午太阳高度角，再次读取电压值，记录第二次数据（见图3）。
图3 探究日地距离（远、近日点）和太阳辐射强度的关系
【实验结论】
第二组实验测量数据及结论（见表2）。
表2 实验记录单2
记录数据并进行分析：以北回归线作为研究对象，当太阳高度角同为90°时，远日点和近日点得到的电压差值只有0.04；
当考虑了实际情况后，加入了正午太阳高度角因素后，北回归线上因为太阳高度角的差异得到的电压差值却有0.22，远远大于日地距离引起的电压差值。虽然日地距离的变化能引起太阳辐射的强度，但是太阳高度的变化对太阳辐射的影响更显著，所以得到结论二：日地距离越近，太阳辐射能量越大，但并非四季变化的主要原因，太阳高度角变化才是影响四季产生的主要原因。
(4)环节四：归纳总结，解决认知冲突
上述两组实验模拟了太阳高度的年变化和日地距离的年变化对太阳辐射的影响，学生通过数据分析，不仅理解了太阳辐射量和太阳高度角之间的相互关系，也能通过数据对比的方法理解了日地距离对四季产生只有细微的变化，能有效地解决了学生认知冲突，总体而言，太阳高度角的年内变化能引起太阳辐射的明显变化，日地距离虽然也会引起太阳辐射的变化，但是变化不明显。因为昼夜长短和正午太阳高度角随时间变化，到达地面的太阳辐射随时间发生变化，这就是四季更替的原因。以北半球为例，夏季白昼最长，正午太阳高度最大，地面得到太阳辐射最多，而冬季白昼最短，正午太阳高度最小，地面得到的太阳辐射最少。为了使季节与气温变化相符合，北温带的许多国家在气候统计上把3、4、5三个月划为春季，6、7、8三个月划为夏季，9、10、11三个月为秋季，12、1、2三个月分为冬季。
(5)环节五：反思评价，拓展思维
实验结束后，教师作简要总结并提出问题：“实验中大家发现有什么不足吗？”小组成员展开了热烈的讨论，在教师的引导下进行反思，最后得出结论：本实验能够直观地展示太阳辐射量和太阳高度角之间的关系，但是外界的光源影响较大，实验装置中有一些需要改善的地方。例如可以将太阳能板的外围封闭起来，只能接受LED手电筒的光线，这样可以减少外界光线对实验过程的干扰就能减少误差；
实验中模拟的远日点和近日点中没有考虑到地球外部大气层的状况，还需要对数据进行修正。虽然以上问题尚未通过实验去解决，但是通过类似的实验探究课程，学生不仅学会化抽象为具体，有效地提高了学习效果，而且使得学生的思维更加发散，更好地培养了学生的地理学科核心素养。