科技教育创新成果一等奖：“为什么新疆的瓜果甜”探究装置

作者

毕金玲/山东省淄博市周村区第二中学

对初中生而言，直观的实验教学能更好地帮助他们理解地理原理，解决现实生活中的问题。但目前地理教材大多缺乏实验设计，实验器材陈旧不足，不能很好地满足教学需求，不利于学生地理核心素养的培养。

鲁教版《地理》七年级下册第八章中关于“为什么新疆的瓜果甜”的表述为“夏季昼夜温差大，有利于瓜果和糖料作物糖分的积累，因此这里的瓜果特别甜”。对于这种说法，学生存在几点疑问：

• 为什么新疆夏季的昼夜温差大？

• 新疆昼夜温差大与瓜果、糖料作物糖分的积累之间存在什么因果关系？

• 瓜果和糖料作物糖分的积累除了与昼夜温差大有关，还受哪些因素影响？

• 世界范围内干旱地区，比如西亚、撒哈拉地区瓜果甜度高、品质优良，是否也是这个原理？

另外，学生通过初中生物课程学习了植物光合作用和呼吸作用的原理及其在农业实践中的应用，但在《生物学》教材上并没有给出比较详实完善的解释。因此，很多学生对于新疆瓜果相比同纬度地区同品种瓜果更甜的现象产生了疑问。

为了解答学生疑问，补充完善教材解释的不足，笔者从地理和生物学角度进行思考，制作了“为什么新疆的瓜果甜”探究装置，目的是通过实验的方式探究问题，突破教学难点，促进自制探究装置与实验教学的深度融合。

原理思路

相同品种的水果，在新疆种植比在同纬度沿海地区种植生长的更甜，说明其体内存留了更多有机物。植物有机物的合成与消耗与植物光合作用和呼吸作用有关，白天植物光合作用强度大于呼吸作用，有机物积累增多；夜晚植物只进行呼吸作用，消耗有机物。温度、光照强度等因素会影响植物光合作用，温度还会影响植物呼吸作用。新疆与同纬度沿海地区相比，气候不同，光照强度、温度等存在显著差异。

基于上述内容，结合生活经验，探究新疆瓜果更甜的原因的实验思路如下。

白天，新疆瓜果积累的有机物比沿海地区的瓜果更多。可能原因是新疆夏季晴天多，白天光照强，升温快，有利于光合作用，合成了更多有机物。尝试通过自制探究装置，开展模拟实验：①模拟不同光照强度条件，探究光照强度对作物光合作用强度的影响；②模拟不同温度环境，探究温度对作物光合作用强度的影响。

新疆夜间气温低，呼吸作用弱，有机物消耗少，有利于有机物积累。尝试通过自制探究装置，模拟不同温度环境，探究温度对作物呼吸作用强度的影响。

进一步思考关于新疆地理环境的几个特点：①新疆夏季晴天多，导致一段时期内光照强度相对更强。如何验证新疆比同纬度沿海地区夏季晴天多呢？尝试通过GIS 软件制作等比例尺的地理叠加图层，分析对比新疆降水情况。②新疆位于内陆，与沿海地区相比，海陆热力性质不同，尝试通过模拟实验，探究海陆不同条件下的热力性质差异。

探究装置构成

“为什么新疆的瓜果甜”探究装置分为两部分。分别为“为什么新疆的瓜果甜”专用地理叠加图层（图1），以及“为什么新疆的瓜果甜”多功能实验箱（图2）。

图 1 地理叠加图层

图 2 多功能实验箱

“为什么新疆的瓜果甜”专用地理叠加图层

该图层采用GIS数据使图层的比例尺相同，每个图层均可任意叠加，打破了教材中地图因比例尺大小不同无法科学叠加的局限（图3）。依据地理环境整体性和区域性基本原理，基于图层叠加的现代地理分析方法，辅助学生发现各地理要素之间的内在联系，具有填图练习、叠加分析、地图投影等功能，有助于培养学生的地理思维能力。

图 3 地理图层

“为什么新疆的瓜果甜”多功能实验箱

该实验箱用LED灯、应急探照灯模拟光照，用无光加热灯、制冷机、温控器调控温度，电子数显温度计实时监测温度值，计时器精确控制实验时间，辅以人工智能离线语音设备，可在箱内模拟海陆热力性质差异创新实验、改进实验，探究光照强度对光合作用强度的影响、温度对光合作用强度的影响、温度对呼吸作用强度的影响等多种实验。

探究装置中地理叠加图层与多功能实验箱相辅相成，不可或缺。地理叠加图层主要用于分析地理要素间的关系，如通过第6页“中国政区（彩色）1 号”和第17 页“中国年降水量线的分布”可知：新疆气候干旱、降水稀少、晴天多、光照强、光照时间长、光照充足。

制作过程

地理叠加图层

利用Arc GIS对中国轮廓图和不同地理要素分布图（数据来源：标准地图服务系统等权威地图数据网站）进行处理, 比例尺为 1∶22 300 000，按图层分别输出png格式图片。

用马克笔在透明胶片上描绘出地理要素图层，每种图层1张涂为彩色（1号），1张空白（2号）。

用软件制作图层介绍音频，将音频导入点读笔，每张图层贴上对应点读贴。

设计叠加图层使用说明、组成部分、目录，与图层一起放入A4试卷夹中，贴上页码，后附书签放大镜。设计叠加图层封面、封底、侧面，放置于A4试卷夹相应位置。

用亚克力板制作一个简易凹槽，用于放置点读笔，并用理线粘绳粘住。

多功能实验箱

用雪弗板、透明亚克力板搭建箱体。将2套连接分段控制器的12 W、24 W、36 W LED灯分别安装在左、右、后挡板箱内部。

上挡板箱内部从左到右依次安装2个50 W凹面镜探照灯、2个200 W黑色无光加热灯（外套防烫伤金属灯罩）、1个10 W人工智能语音控制灯泡、1个20 W智能便捷语音控制灯泡、制冷机风扇。

上挡板箱外部从左到右依次安装计时器，“小新”离线智能语音设备，喇叭，2个电子数显温度计（水温、沙温），左、右加热灯温控器，3个电子数显温度计（箱内温度、煮熟的种子温度、萌发的种子温度），制冷机外机。注意：“小新”离线智能语音设备安装前需在电脑上用相关软件简单编程，烧录到语音芯片中；2个电子数显温度计的金属防水探头放置于自制百叶箱内。

左侧挡板箱外部安装“小新”离线智能语音设备开关、充电宝、左分控器与遥控器，箱内安装温度计。右侧挡板箱外部安装制冷机温控器、右分控器与遥控器。后挡板箱外部安装制冷机开关电源与自制制冷机控制开关。

制作计时器、电子数显温度计、左加热灯温控器等标签，粘贴到相应位置。

重新组装箱体，用螺丝固定。将地理叠加图层放置于多功能实验箱内部，制作探究装置标签，分别粘贴到前、后挡板处。

创新性和实用性

人工智能为代表的现代新兴科技与传统实验教具装备有机融合

点读笔点击播放每个图层信息，智能离线语音芯片提示操作者如何正确使用装备，智能语音控制灯泡可远距离控制光照强度，提高了实验效率与乐趣。

采用STEAM教育理念进行设计构思，突出以地理为主导的多学科交叉与融合

教具设计将信息技术、物理（光学、电学）、生物学（光合作用与呼吸作用）、化学（溶液）等相关知识与地理问题“为什么新疆的瓜果甜”巧妙融合，可以进行地理要素图层叠加、海陆热力性质差异、光合作用、呼吸作用等多个跨学科主题下的定量探究实验（图4）。

图 4 学生开展实验探究

突出科学性与严谨性，最大限度模拟自然环境

海陆热力性质实验中凹面镜探照灯和3组LED灯模拟太阳辐射，其中凹面镜探照灯发出的光为平行光。将数显温度计的金属探头放置在自制纸壳百叶箱里，测量的是盐水与干燥土壤和细沙混合物表面的空气温度。

实验环境相对封闭

多功能实验箱密封程度较好，外界环境，对实验影响较小，数显温度计所测温度较为准确。

材料简易、环保、安全

透明胶片、马克笔、A4试卷夹、LED灯、应急探照灯、计时器等取材容易、造价低廉、环保安全。顶部和正面的透明亚克力板便于观察实验情况，多功能实验箱的提手设计方便携带。

该项目获得第 38 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖

来源 | 《中国科技教育》2025-02

编辑 | 孟想

审校 | 若惜、朱志安