[活动DIY]如何用模型学习高程图并帮助学生理解流域概念

适合年级

6—8年级

内容领域

地球空间科学

活动概述

初中阶段有一个关于地表径流的学习单元，学生要用不同模型说明流域内影响径流的各种因素。本活动主要介绍在这个单元中如何结合各种工具（包括模型、数字和纸质地图）帮助学生理解流域概念。

本活动中“模型”一词是指地形的简化表示方法，模型可以是地形图、网络地图、数字高程模型或实物模型。而“概念模型”是学生展现其现有的认知体系的绘图。

导入

美国环境系统研究所（ESRI）的数字高程工具（1课时，5060分钟）

活动开始，学生们要调查一下本地的环境情况。启动活动主要通过针对学生熟悉地区进行探索学习，并把他们先前的知识和认知理解进行衔接。我们会看看在密歇根州，一个较大的范围内水是如何流动的。

学生使用美国环境系统研究所地形剖面工具的网络电子地图平台浏览一条河流沿途的高程（网络工具的链接地址参见“资源”）。美国环境系统研究所软件的网络版可以直接在网上登录使用，不需要另安装专门的软件，但是网络版在计算机端要比平板移动端使用起来更容易。

在我们的教学案例中，是沿着河流画一条线（如图1）。这样学生可以观察到随着河流接近终点，高程在缓慢降低。

图1 美国环境系统研究所（ESRI）的地形剖面工具

美国环境系统研究所的地形剖面工具可以在线查寻地图上一条线的地形测量数据，并且可以将地图转成地形剖面图。

教师先在全班举例介绍如何追溯一条河流，然后学生分组自由研究。学生分组（35人）研究州附近的河流，并且使用美国环境系统研究所的地图工具给出的搜索关键词放大观察那个区域。

在这个活动中，学生要根据地图推测出水流动的方向，并且用河流的地形剖面图检查他们的预测是否正确。每个小组用高程检验过河流流向之后，在投影于白板上的州地图上标出他们研究检验过的河流及河水的流向。通过观察这些河流的整体趋势，可以让全班围绕着“河水如何流动”进行集体讨论。

这个活动中，学生在看到高程和水流之间的关系的同时，学生也会更关注水体本身，而不是水体流经的土地。为了让学生理解在流域内水如何到达不同地域，教师需要帮助他们弄清楚各类模型中的高程如何呈现。因此，学生要自己做一个地形模型并将其与地形图关联起来。

实验1

用实物模型建立高程图（2课时，100120分钟）

学生对理解等高线常常会有一段时间感到困难。为了帮助学生准确地看到一条等高线代表什么，可先做1个山的黏土（橡皮泥）立体模型，然后把它直接转成平面的，从而做出这个山的地形图。

这个活动从制作1个一面陡坡、另一面缓坡的单峰山体黏土模型开始。学生分小组（35人）活动，每组发1包模型黏土（812盎司），并且教师给一些简单指导，把黏土捏塑成山的形状。

实验1的材料

● 每组812盎司模型黏土或橡皮泥

● 每组2米长胶带

● 每组1根切割黏土的线

为了在活动中让山体模型始终保持对齐，学生要把山体模型南北或东西方向用笔画出垂直的虚线，以此建立一个基本坐标，并把这个坐标同时画在纸上。学生设计好山体模型后，用黏土切割线把模型切割成高度相同的一片一片。胶带可粘贴在整个山体模型上，以便在切割黏土时提供一个固定的高度（约1cm）。当从距离山体模型中心最远的那个侧面向靠近学生这一侧切割时，拉动过程匀速稳定可以使切片完整不断。学生要一片一片地把整个山体模型全部切割。之后学生把每一个切片的轮廓勾勒在纸上，勾画的时候要保证切片上的标记与纸上的坐标标记对齐。学生勾画并从纸上移开每一个切片后就做出了一幅地形图（图2）。

图2 一个被层切的山体黏土模型及其对应的地形图

相邻层切片按顺序摆放，用不同层切片轮廓勾勒出地形图。

黏土山体模型的陡坡和缓坡可以示例说明地形图是如何表现不同坡度的。这个活动还可以增加流域地貌（河流、湖泊）到学生的山体模型中，观察这些地貌特征如何在等高线中表现出来。除此之外，还可以改变等高线间隔增大或减小切片的高度。

学生要比较平面地形图和立体黏土模型，寻找高程变化如何在地形图上呈现（图3）。同时让学生演示在他们制作的山体模型上水会如何流动，可以用箭头在地形图上标示出来（图3）。当学生可以很容易地依据等高线确认出哪个区域陡，以及河流的流向后，可以让他们用更多类型的数据分析流域的边界和一个地理区域内水如何流动。学生也可以运用这些概念解释其他地区的地形图。

图3 黏土山体及其地形图

黏土山体的等高层切片被勾画成旁边相应的地形图。地形图上的箭头是学生预测的这个山上水流的方向。

实验2

纸质地形图（2课时；100120分钟）

本地的地形图可以帮助学生找出影响当地水流的主要因素。为了帮助学生提出地球表面水的流动情况的预测，并检验他们的预测，教师可打印一些地形图（取自美国地质调查局提供的地图服务；参见“资源”），覆膜处理后学生可以在地图上用马克笔书写标注（图4），亦可擦除重复使用。

图4 覆膜的地形图，标示了学生预测的水流方向

带注释的地图上，全班学生用倒V规律标示出山区，然后推测出水的流向。最后，这张标示了线的地图说明较高的高程分开了水的流向。

教师找当地的一条河，让学生找出一些不同高程的点（例如最低、最高、陡坡最高、缓坡最高），然后教师在地图上选任意一点，让学生回答该点水的流向。由于学生已经对等高线比较熟悉，而且也知道如何确定水的流向（倒V规律：当等高线地图中出现V形，且有一条河在V形的中央，则V一般指向坡度升高的方向），教师可以让学生在地图上找出一些影响水流因素的实例。作为形成性评测的一种方法，教师可让他们在地图上圈出一个例证，并标出水的流向。

实验3

数字地形图（1课时；5060分钟）

在线的地理信息系统（ArcGIS）还有一个工具，学生可以用它分析一个地区的水文情况。其中有一个工具是用户所在地区的各种各样的地图图层。地图图层能显示出各种流域的边界轮廓，能突出表现水文特征，还有一些工具可以在地图上进行测量和标注。

学生可先对当地的一条小河进行研究，用地理信息系统勾画确认出汇入这条小河的各条支流和流经的土地。之后，学生再找出小河的水输出到哪里，并且与更大的流域建立起联系。当学生们发现了一个水体如何与其他水体甚至是海洋相连之后，“网络系统是由一系列小系统共同构成一个大系统”这个概念就更容易建立起来。

拓展

数字高程模型（2课时；100120分钟）

学生把他们从在本地流域概念学习中获得的知识应用于世界其他地区，以此作为这个项目学习的最后总结。

学生任意选择一个他们感兴趣的地区，使用原来课堂上用过的工具分析该地区的地形。这些工具包括网站www.tophgraphic-map.com上的“数字高程模型”（图5），可以帮助学生进一步理解在他们不太熟悉的环境中地表水是如何运动的。学生甚至可以撰写一份那个地区的流域研究报告。

图5 数字高程模型

数字高程模型（DEM）能以彩色方式显示出一个地区与周边地区相比具有更高或更低的高程。

数字高程模型用了很详尽的高程数据信息建立高程图，图上的每一个像素或点都赋了那个区域的平均高程值。由于相同的高程使用一种颜色，这些高程数值的变化就呈现为渐变色，从而更容易区分出高程高的位置和低的位置（图5）。数字高程模型可以把学生选择研究的地区的高程变化情况快速视觉化。渐变色可使学生看清高程的变化，给出一个更清晰的直观形象，以便把他们选定研究地区的二维地图转化成一个三维模型。这个学习资源还能让使用者点击任一处就给出该点的高程，这个功能可以帮助确定水流的方向。

学生学习情况的评定可以根据他们能否识别出流域的组成（边界、输入、输出，相互作用），以及他们建立模型的质量。为了让学生了解学习的各项目标要求，教师可发给他们一个评估量表（参见在线补充材料中的量表）。

评估

了解学生的学习过程（整合贯穿到整个单元学习）

学生在这些教学活动中会被反复要求画出流域的样貌。类似提示在整个单元中会一直出现，而且还会启发学生思考他们现在所画的流域图和以前画的有什么相同和不同之处。随着时间变化，学生的绘图中会慢慢加入课堂上讲过的一些流域的组成要素。在单元结束时，作为单元测试会让学生最后绘制一张流域图说明他们对这个概念的理解（图6）。

图6学生最终形成的关于流域的概念模型

这个模型主要表现了学生画出了一个流域的边界，其中包括了许多较小的水体和周围的土地。文字标示了在这个模型中高程较高和较低的区域。

总结

本活动介绍了如何利用各类数据资料，使用不同的模型让学生理解相同的概念。学生能够利用数字化的和模拟的材料掌握同一个学习内容。为了让学生深入理解在重力作用下，高程如何影响水在地表的运动方向，弄清楚高程的各种模型呈现形式对于学生来说非常重要。

资 源

美国环境系统研究所（ESRI）的地形剖面工具

eariurl.com/elevation

美国K—12教育商店

www.esri.com/connected

美国地质局商店

store.usgs.gov（选本地7.5英寸×7.5英寸大小的地图）

美国地质局地形地图

www.topographic-map.com

在线附件

评估学生流域绘图的量表

www.nsta.org/scope1702

流域项目量表

www.nsta.org/scope1702

工作单1：美国环境系统研究所（ESRI）的地形剖面工具

www.nsta.org/scope1702

工作单2：黏土模型制作

www.nsta.org/scope1702

本活动案例改编自《中国科技教育》杂志2017年第5期NSTA专栏文章。中国青少年科技辅导员协会会员可登录杂志网站下载全文。