科技教育創新成果一等獎：“為什么新疆的瓜果甜”探究裝置

作者

畢金玲/山東省淄博市周村區第二中學

對初中生而言，直觀的實驗教學能更好地幫助他們理解地理原理，解決現實生活中的問題。但目前地理教材大多缺乏實驗設計，實驗器材陳舊不足，不能很好地滿足教學需求，不利于學生地理核心素養的培養。

魯教版《地理》七年級下冊第八章中關于“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系？

• 瓜果和糖料作物糖分的積累除了與晝夜溫差大有關，還受哪些因素影響？

• 世界范圍內干旱地區，比如西亞、撒哈拉地區瓜果甜度高、品質優良，是否也是這個原理？

另外，學生通過初中生物課程學習了植物光合作用和呼吸作用的原理及其在農業實踐中的應用，但在《生物學》教材上并沒有給出比較詳實完善的解釋。因此，很多學生對于新疆瓜果相比同緯度地區同品種瓜果更甜的現象產生了疑問。

為了解答學生疑問，補充完善教材解釋的不足，筆者從地理和生物學角度進行思考，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，突破教學難點，促進自制探究裝置與實驗教學的深度融合。

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種植生長的更甜，說明其體內存留了更多有機物。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，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相比，氣候不同，光照強度、溫度等存在顯著差異。

基于上述內容，結合生活經驗，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的瓜果更多。可能原因是新疆夏季晴天多，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，模擬不同溫度環境，探究溫度對作物呼吸作用強度的影響。

進一步思考關于新疆地理環境的幾個特點：①新疆夏季晴天多，導致一段時期內光照強度相對更強。如何驗證新疆比同緯度沿海地區夏季晴天多呢？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新疆位于內陸，與沿海地區相比，海陸熱力性質不同，嘗試通過模擬實驗，探究海陸不同條件下的熱力性質差異。

探究裝置構成

“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數據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疊加的局限（圖3）。依據地理環境整體性和區域性基本原理，基于圖層疊加的現代地理分析方法，輔助學生發現各地理要素之間的內在聯系，具有填圖練習、疊加分析、地圖投影等功能，有助于培養學生的地理思維能力。

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、應急探照燈模擬光照，用無光加熱燈、制冷機、溫控器調控溫度，電子數顯溫度計實時監測溫度值，計時器精確控制實驗時間，輔以人工智能離線語音設備，可在箱內模擬海陸熱力性質差異創新實驗、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系，如通過第6頁“中國政區（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（數據來源：標準地圖服務系統等權威地圖數據網站）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，將音頻導入點讀筆，每張圖層貼上對應點讀貼。

設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。設計疊加圖層封面、封底、側面，放置于A4試卷夾相應位置。

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、后擋板箱內部。

上擋板箱內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”離線智能語音設備，喇叭，2個電子數顯溫度計（水溫、沙溫），左、右加熱燈溫控器，3個電子數顯溫度計（箱內溫度、煮熟的種子溫度、萌發的種子溫度），制冷機外機。注意：“小新”離線智能語音設備安裝前需在電腦上用相關軟件簡單編程，燒錄到語音芯片中；2個電子數顯溫度計的金屬防水探頭放置于自制百葉箱內。

左側擋板箱外部安裝“小新”離線智能語音設備開關、充電寶、左分控器與遙控器，箱內安裝溫度計。右側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電源與自制制冷機控制開關。

制作計時器、電子數顯溫度計、左加熱燈溫控器等標簽，粘貼到相應位置。

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部，制作探究裝置標簽，分別粘貼到前、后擋板處。

創新性和實用性

人工智能為代表的現代新興科技與傳統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教育理念進行設計構思，突出以地理為主導的多學科交叉與融合

教具設計將信息技術、物理（光學、電學）、生物學（光合作用與呼吸作用）、化學（溶液）等相關知識與地理問題“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、海陸熱力性質差異、光合作用、呼吸作用等多個跨學科主題下的定量探究實驗（圖4）。

圖 4 學生開展實驗探究

突出科學性與嚴謹性，最大限度模擬自然環境

海陸熱力性質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出的光為平行光。將數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。

實驗環境相對封閉

多功能實驗箱密封程度較好，外界環境，對實驗影響較小，數顯溫度計所測溫度較為準確。

材料簡易、環保、安全

透明膠片、馬克筆、A4試卷夾、LED燈、應急探照燈、計時器等取材容易、造價低廉、環保安全。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計方便攜帶。

該項目獲得第 38 屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員科技教育創新成果一等獎

來源 | 《中國科技教育》2025-02

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安