3.1 水循环
【教学目标和要求】
1.运用水循环示意图,识别水循环的主要环节,描述水循环的过程,指出水循环的类型。
2.结合实例,分析水循环对自然环境的影响,说明水循环的地理意义,体会水量平衡的思想。
3.结合实例,说明人类活动对水循环的影响,增强珍惜和保护水资源的意识,认同人类活动与水循环的协调观。
【教材设计思路】
依据课程标准的要求,本节教材重点落实“水循环的过程”以及“水循环的地理意义”两方面的内容,所用的方法是“运用示意图”。
教材结合“水循环示意图”主要说明以下几个方面。第一,明确水循环的发生空间。虽然水循环每时每刻都在发生,但不同空间范围内发生的水循环有显著的区别。海陆之间的水循环又称“大循环”,是全球尺度的水循环,规模较大、环节较多、影响较为深远。相比较而言,局部地区的水循环规模较小、环节较少,有些时候也会对当地自然环境造成重大影响。第二,清晰划分水循环的环节。水循环各环节紧密联系,相互影响。人类活动能够干涉或改变水循环环节。随着人类技术的进步,这种干涉或改变越来越剧烈。第三,解释水循环的动力。在常温条件下水的三态可以相互转化,使水循环成为活跃的地理过程。太阳辐射和重力作用为水循环提供了水物理状态变化和运动所需的能量。例如,太阳辐射使水蒸发;重力作用使降水沿地表流淌,形成地表径流。
说明“水循环的地理意义”,需要从以下几方面着手。第一,要在自然环境整体性的背景下理解水循环的地理意义。水循环把大气圈、水圈、岩石圈和生物圈有机联系起来,彼此之间相互影响、相互作用。第二,说明水量平衡的概念。水量平衡可以看作水循环的定量表示。长期来看,全球降水量等于全球蒸发量,全球水量保持平衡;某局部区域的降水量及流入的径流量等于蒸发量及流出的径流量,区域水量保持平衡。第三,从人类利用的角度说明水体更新速度与水资源储量的关系。如果人类合理利用水资源,水资源可以满足人类永续利用。如果人类使用水资源的速度超过了水体自身的更新速度,或者水资源遭受污染,水资源就会“短缺”。第四,说明各圈层通过水循环进行物质迁移和能量转换,尤其是海洋与大气之间的相互作用。海洋通过输送热量影响大气运动,大气运动以风的形式向海洋提供动力。
综合上述分析,本节教材为落实课程标准的要求,便于教学,分“水循环的过程及类型”“水循环的地理意义”两个标题。
在“水循环的过程及类型”部分,编排思路是“总-分-总”。开篇给出水循环的定义,在定义中说明水循环的相关环节。继而说明根据水循环发生的空间范围,可以将水循环分为海陆间循环、陆地内循环和海上内循环。阐述三类水循环时,分别详细说明了每一类水循环的过程。其中水循环的环节是明线,水循环的动力是暗线。教材通过一幅综合性较强的水循环示意图,呈现水循环的过程及类型。这里要求学生能够从空间综合的角度分析水循环的过程,体现对综合思维的培养指向。这一部分为本节的重点内容,教材在详细说明的基础上,设计题为“认识砂田影响的水循环环节”的“活动”,要求学生理解人类活动对水循环环节的影响,体现培养学生人地协调观的指向。
“水循环的地理意义”的课文共4个自然段,每自然段各从一个角度阐述水循环的地理意义。教材没有列出水循环所有的地理意义,仅列出其中具有概括性、代表性的地理意义。水循环的地理意义有很强的综合性,要求学生从空间和时间两方面综合分析,理解多地理要素的相互作用和影响。其中,理解全球水量平衡的原理需要涉及物理、生物学科的相关知识,教材仅进行概括性的描述。水循环是地球上物质迁移和能量转换的重要过程,选择性必修教材中将安排相关内容进一步阐述。
本节设计了题为“河水是从哪里来的”的“自学窗”,追溯17世纪法国水文学家发现河水来源的经过。该设计不仅扩展学生的知识面,让学生更多了解科学史的内容,而且说明科学猜想需要通过实地观测和计算来证明,鼓励学生探究地理科学问题,体现对学生地理实践力培养的指向。
本节内容结构如图3-2所示。
【内容要点说明】
情境设计
1.中国古代有许多学者对水循环现象进行描述和推测。情境设计所引用的内容来自何承天在公元442年所著的《论混天象体》一文,该文收录在《宋书·天文志》中。教材选择这部分内容,一是因为原文比较浅显易懂;二是因为这种解释将海洋与陆地紧密联系在一起,呈现朴素的水量平衡的思想。为了减少学生阅读古文的难度,教材对原文进行了简要解释。
2.本节的情境设计围绕“海水稳定性”展开。古人认为海水既不会增多也不会减少的原因是海水蒸发的消耗与河流汇入海水的补给相互抵消,保持了海水的平衡。值得肯定的是,古人注意到蒸发、地表径流等现象,提出水循环的动力是太阳加热;但古人的解释没有考虑降水、水汽输送等现象,没有解释海水蒸发后去往何处,也没有用数据证实自己的猜想。
3.情境设计最后设问“蒸发的海水去哪儿了”。教材通过水循环示意图进行回应。在海陆间循环与海上内循环中,蒸发的海水去往的空间、所经环节均有不同。
水循环的过程及类型
1.教材根据发生的空间范围将水循环分为三类。也有专家根据发生的空间尺度将水循环分为两类。海陆间循环是全球尺度的水循环,也是规模最大、空间范围最广的水循环,因此海陆间循环被称为“大循环”或“外循环”。与之相对应,较小尺度、发生在局部范围内的水循环被称为“小循环”或“内循环”。
2.海陆间循环作为大循环,包括了许多小循环。教材中所讲的陆地内循环和海上内循环就是其中两个小循环。小循环互相交织,不停地运转。虽然小循环的规模不如大循环,但小循环也可以十分活跃。例如,如果一个内陆地区河湖密布,地下水丰富,蒸发比较强烈,还有从海洋吹来的含有丰富水汽的风,那么这个地区的小循环就会比较活跃。
3.只有海陆间循环是封闭系统,其他水循环都是开放系统。由于地球与宇宙空间每年交换的水量非常有限,所以,海陆间循环可近似看作一个既无输出,也无输入的封闭系统。它由无数个不同空间尺度的小循环组成。陆地内循环和海上内循环既有水分输出也有水分输入,是一个开放系统。教材提出全球水量平衡,是以海陆间循环的封闭性为基础的。
4.水资源的更新主要依靠海陆间循环,陆地内循环对水资源的更新也有一定作用,但这种作用非常有限。在深居内陆、远离海洋的地区,陆地淡水资源的更新会较为依赖陆地内循环。
5.教材中图3.2是落实课程标准“运用示意图,说明水循环的过程”的重要抓手。图中含有完整的水循环环节,是本节教材内容的明线。图中的箭头,只表明水循环环节的方向,和参与水循环的水量没有关系。降落到地面的水,一部分蒸发,一部分被蒸发和植物蒸腾,还有一部分下渗。下渗的水,一部分以地下径流形式进入河道,成为河川径流的一部分,另一部分补充地下水。而地下水,一部分上升至地表供蒸发,一部分向深层渗透,在一定的条件下溢出成为不同形式的泉水。在教材图3.2中,分别以土壤中向上和向下的箭头表示上升至地表供蒸发的部分和下渗的部分。
6.水循环的动力是本节教材内容的暗线。在图3.2中,只标识了水循环各环节,没有说明其动力,但在相应的教材文字中,说明水是在“太阳辐射作用下大量蒸发”,以及在重力作用下“降落到地面的水”,会“沿地面流动”。理解水循环的动力,有助于理解全球水量动态平衡和水体更新周期。
7.人类能够对水循环的多个环节产生影响。人类对地表径流环节的改变是最明显的,具体包括调节地表径流的水量,改变地表径流的方向等。建造水库,可以调节地表径流。通过植树造林,发挥森林的储水功能,可以减小地表径流量。对江、河、湖、水库、水塘等进行疏浚和清淤,在低洼地带修建人工湖泊或湿地,就能提升地表的储水功能,调节地表径流量。南水北调等跨流域调水工程,通过改变地表径流,实现我国水资源的空间调配。人类也通过人工增雨改变降水环节。
8.在我国,砂田多分布在西北地区和青藏地区。这些地区的气候条件往往是冬春干旱、夏秋暴雨,蒸发强烈。砂田能够提高土壤的蓄水能力,作物产量较高,是人类改造自然环境实现区域可持续发展的典型案例,也体现人地协调发展的科学思想。“活动”提供宁夏砂田景观图(图3.3),便于不熟悉砂田的学生对砂田有直观印象。图3.4和图3.5提供数据资料,供学生对比,体会砂田对水循环环节的影响。
9.“活动”的数据来源于2010年《水土保持通报》中《宁夏中部干旱带压砂地耕作方式的生态功能》一文。文中提供的裸田、砂田蒸发量数据为2005-2009年,教材将这些数据绘制成图3.3。图3.4是根据文章提供的4月砂田和裸田不同深度土壤含水量数据绘制而成的。选择这部分数据的原因,是此时未种植农作物,土壤水分的影响因素较为单一。从平均值看,砂田不同深度的土壤含水量均高于裸田,随着深度变大,砂田与裸田的土壤含水量差距在逐渐变小。砂石覆盖层阻碍土壤表层与大气的直接接触,减少蒸发,表层土壤水分含量较多,利于作物的萌发与出苗,对干旱地区春耕十分重要。
水循环的地理意义
1.水量平衡是指一定时间段内,一个区域水量保持动态平衡。水量平衡是水文学的基本原理之一。水量平衡的研究时段可以是日、月,也可以是一年、数十年或更长的时间。水量平衡的研究区域可以是某个流域、湖泊、沼泽、海洋或某个地区,也可以是整个地球。长期来看,全球水量保持着动态平衡。
2.水体以不同的周期进行自然更新。更新周期较短的水体,如江河水、浅层地下水等,取用后容易恢复,是人类开发利用的主要对象。更新周期较长的水体,如深层地下水、冰川水等,取用后难以恢复,一般不宜作为长期稳定的供水水源。
3.教材将水资源短缺的原因归结为两类:第一,人类用水速度超过水体更新速度;第二,水体污染。第一类原因比较容易理解,人类用水过度会导致水资源枯竭,如河流断流、湖泊干涸。第二类原因也与水体更新速度密切相关。根据教材中表3.1,江河污染因更新周期较短,可以短时间完成净化,但地下水等水体一旦发生污染,在相当长的一段时间内都无法完成自身净化。这种情况下,虽然水量充沛,但人类无法利用。
4.水资源是可再生资源,既是无限的也是有限的。在人类合理用水,用水速度低于水体更新速度,不发生水体污染的情况下,水资源是无限的,可以满足人们永续使用。然而,一旦用水过度或水体被污染,水资源就是有限的,甚至会发生短缺。
5.水循环是地球上物质迁移的重要过程。一方面,通过蒸发、水汽输送和降水,海洋不断向陆地补充淡水;另一方面,通过地表径流,陆地上的物质源源不断地流向海洋。水的运动不断塑造着地表形态,例如河流地貌、喀斯特地貌、海岸地貌等的形成和演变,都与水的运动有关。具体内容将在第四章展开讲述。
6.水循环是地球上能量转换的重要过程。地球上不同纬度的热量收支不平衡,水循环通过对地表太阳辐射能的吸收、转化、传输和调节,使得低纬度地区不至于过于炎热,高纬度地区不至于过于寒冷。高低纬度之间的能量传输还通过大气环流、洋流完成。
7.水循环与大气环流、洋流的共同作用会影响全球的气候,进而影响全球的生态环境。本节以概述水循环的地理意义为主,不具体展开。
8.早在几千年前人们就开始观察水文现象,也对河水的来源、水的循环进行了各种猜测。但17世纪之前人们的所有猜测没有通过实验、测量的方法进行证明。佩罗是第一个把水文学建立在定量研究基础之上的人。据资料记载,佩罗观测的是塞纳河上游的一段流域,范围大致从塞纳河源头至巴黎。图3.6为塞纳河流入巴黎的景观。
【教学建议】
教学思路及方法建议
本节教学总体上可遵循“情境设疑-建构过程-探究意义-渗透观念”的思路展开。重在通过解决教材情境设计提出的问题,引导学生运用示意图建构水循环的主要环节、过程及类型,结合案例探究水循环的地理意义;在说明水循环“对全球地理环境产生深刻而广泛的影响”的同时,重点运用地理要素联系的观点,渗透水量平衡思想、水资源意识、环保观念以及人类活动与水循环的协调观。
本节内容是自然地理学的核心内容之一。内容跨越的空间尺度很大,联系和影响的地理要素众多且关系复杂,理解水循环的机理和水量平衡的原理需要较多的物理、生物等学科的知识储备,说明水循环的地理意义以及人类活动与水循环的关系需要较高的理性思维和逻辑表达能力。因此本节教学要充分调动和运用学生已有的知识和经验,结合教材的“活动”和其他典型案例,开展情境式教学。要引导学生紧扣地理过程,关联地理要素,说明地理意义,以此训练其综合思维,强化人地协调观。教学时,要注意以下四点。
一、从物质迁移和能量转换的角度认识水循环过程。
水循环是自然界最重要的物质循环之一,由蒸发(蒸腾)、水汽输送、降水、下渗、径流等五个基本环节组成,这些环节相互联系、相互影响、交错并存,通过物质迁移和能量转换,使自然环境成为一个有机的整体。教学中,要透过现象看本质,从水循环环节和过程中,分析其中包含的物质迁移和能量转换,理解水循环的本质和动力机制,增强综合思维能力。
二、关注资源意识、环保观念、人类活动与水循环的协调观的渗透。
无论“水循环的过程及类型”的教学,还是“水循环的地理意义”的教学,都应该在学习自然地理知识的过程中,适当增加人文关注和人文情怀,将教学的着眼点落在人类活动与水循环的协调观。例如,“海陆间循环”的教学要关注水资源得以再生;“陆地内循环”的教学要关注对水资源的更新也有一定作用;“认识砂田影响的水循环环节”的活动教学更是要落在人类活动可以利用和改造水循环环节,促进区域可持续发展;“水循环的地理意义”的教学要关注水资源是有限的,如果人类用水过度,超过了水体更新的速度,或者水资源遭受污染,就会导致水资源的短缺。
三、关注自然地理原理的“落地”。
要结合区域案例,增加区域地理背景,使自然地理教学“有理”也“有地”。教学中应达成一个基本共识:不同区域,水循环的过程和环节可能是不一样的,水循环对地理环境产生的影响可能是不一样的,人类活动影响水循环的方式和途径可能也是不一样的,应该具体区域具体分析。
四、注重课程资源的开发利用。
课标中“运用示意图”,既是对教学目标水平的限定,也是对教学方法的建议。教学中应以“水”为主题,以水循环示意图为主要载体,多角度开发利用课程资源,将视频、景观图片等资源串联起来,展示广阔的海陆空间,呈现大气圈、水圈、生物圈、岩石圈这四大圈层之间密不可分的物质和能量联系,彰显水体转换及水体与地形、大气、生物、土壤、岩石等地理要素之间相互联系、相互制约的关系。通过展示丰富的学习素材,为学生的自主、合作和探究性学习提供鲜活的地理情境。