“分形理論”在高中地理教學實踐中的應(yīng)用 論文

“分形理論”在高中地理教學實踐中的應(yīng)用摘要：本文旨在討論“地貌分形理論”在高中地理教學實踐中的應(yīng)用，通過該理論解構(gòu)部分具有階段性和結(jié)構(gòu)性的高中地理課程，能夠幫助師生從理論層建構(gòu)知識框架，提高教學和應(yīng)考的有效性。關(guān)鍵詞：分形理論；高中地理；教學方法一、分形理論美國著名數(shù)學家Mdandelbrot在20世紀70年代創(chuàng)立了分形學理論，首次將統(tǒng)計自相似性與分數(shù)維度引入到地學研究[1-2]。該理論認為不同地域的環(huán)境要素具有明顯的差異，導致同一地理事件存在多種分形結(jié)構(gòu)，如每一種地貌的形成都是由特定地區(qū)的氣候、巖性、構(gòu)造運動、人類活動等因素綜合作用的結(jié)果。同時，隨著地貌演化過程的推進，其形態(tài)特征也在地形坡度、海拔高度、侵蝕程度等方面存在差別，對應(yīng)演化條件和地貌特征的分維數(shù)也不同，即通過分維特征分析可以在一定條件下推演地貌形態(tài)的自然演化過程。地貌演化過程是多尺度環(huán)境系統(tǒng)作用的結(jié)果，具有明顯的分形結(jié)構(gòu)[3]。通過構(gòu)建分形結(jié)構(gòu)，一方面，可以針對地貌演化過程中的某一階段，對其成因機制及特征進行分析；另一方面，也可以根據(jù)某一地貌特征的分維值推斷地貌演化的先后序列。因此，分形理論在研究地貌發(fā)育時空演化過程方面具有廣泛的應(yīng)用價值。地理學本身是研究地理事像時空演變規(guī)律的學科。因此，將“分形理論”引入到高中地理教學并形成一種教學范式，可以從理論層面幫助師生加深對一些高中地理知識的理解。二、“分形理論”在高中地理課程解構(gòu)中的應(yīng)用1.喀斯特地貌發(fā)育喀斯特地貌發(fā)育過程是高中地理必修1的第四章第一節(jié)內(nèi)容。在歸納演化過程時，師生一般會根據(jù)不同階段的代表性地貌景觀標定發(fā)育的先后順序，如將峰叢（伴隨洼地）、峰林（伴隨壩子和平地）、孤峰分別代表地貌發(fā)育的青年、壯年和老年階段，缺少相應(yīng)的階段性特征評價。表1喀斯特地貌演化的分形結(jié)構(gòu)表發(fā)育階段地貌景觀地貌特征分形結(jié)構(gòu)侵蝕程度相對高度起伏程度破碎程度青年階段溶溝弱→強低→高→低小→大→小壯年階段洼地峰叢峰林老年階段孤峰殘丘小→大→小那么，結(jié)合“分形理論”和喀斯特地貌演化的一般過程，我們可以引入第二節(jié)《地貌觀察》的相關(guān)重點，根據(jù)觀察地貌的要點構(gòu)建分形結(jié)構(gòu)，將相對高度、起伏程度、侵蝕程度等作為分維數(shù)，增添階段性地貌形態(tài)特征描的述，以完善演化過程的歸納（如表1所示）。2.城鎮(zhèn)化發(fā)展過程城鎮(zhèn)化發(fā)展過程研究是高中地理必修二第二章第二節(jié)的內(nèi)容。綜合世界各國城鎮(zhèn)化發(fā)展狀況，各國城鎮(zhèn)化水平可以按城鎮(zhèn)人口比例分為“初期階段（水平低，速度慢）—中期加速階段—后期成熟階段（水平高，速度慢）”，隨時間的變化可以歸納為一條稍被拉平的“S”形曲線。表2城鎮(zhèn)化進程的分形結(jié)構(gòu)表發(fā)育階段社會經(jīng)濟發(fā)展水平城鎮(zhèn)化特征分形結(jié)構(gòu)城市數(shù)量城市規(guī)模城市人口數(shù)量城市人口比例城市服務(wù)功能初期階段發(fā)展中國家少→多小→中→大少→多低→高中期加速階段發(fā)達國家后期成熟階段弱→強社會經(jīng)濟發(fā)展水平是促進城鎮(zhèn)化水平提高的主要驅(qū)動力，發(fā)展中國家和發(fā)達國家所處階段及城鎮(zhèn)化特點差異明顯。通過引入“分形理論”，根據(jù)城鎮(zhèn)化的主要特征構(gòu)建分形結(jié)構(gòu)，不但能夠歸納不同地區(qū)城鎮(zhèn)化進程的時空差異，而且能夠進一步闡述不同階段的城鎮(zhèn)化發(fā)展特點（如表2所示）。3.中國糧食安全此外，除了可以表達地理事像演化過程的階段性特征之外，“分形理論”也可以應(yīng)用于地理事像的結(jié)構(gòu)性分析。中國糧食安全是高中地理選擇性必修3的第二章第三節(jié)內(nèi)容，教材將“中國糧食安全”分為三個層次進行討論，分別是資源基礎(chǔ)、供應(yīng)途徑和未來安全保障。通過對糧食保障途徑構(gòu)建分形結(jié)構(gòu)，既能幫助師生理解教材的框架結(jié)構(gòu)，同時也總結(jié)了保障中國糧食安全的主要方法（如表2所示）。表3糧食安全的分形結(jié)構(gòu)糧食安全水平糧食保障途徑的分形結(jié)構(gòu)資源基礎(chǔ)供應(yīng)途徑未來安全保障人均耕地耕地質(zhì)量空間分布糧食產(chǎn)量糧食流通糧食儲備自然環(huán)境科學技術(shù)政策保護意識水平供應(yīng)短缺少→差→良多不→優(yōu)均→低產(chǎn)→高均勻差差→好產(chǎn)短缺→充惡化足→改低低→高善弱低→高供應(yīng)充足三、“分形理論”在高中地理解題中的應(yīng)用(2020年全國Ⅰ卷)玄武巖的巖漿流動性好，噴出冷凝后，形成平坦的地形單元。如圖6所示，海拔500米左右的玄武巖臺地上，有較多海拔700米左右的玄武巖平頂山，及少量海拔900米左右的玄武巖尖頂山。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成臺地、平頂山、尖頂山的玄武巖分別形成于不同噴發(fā)時期。（1）指出玄武巖臺地形成以來因流水侵蝕而發(fā)生的變化。（2）根據(jù)侵蝕程度，指出構(gòu)成臺地、平頂山、尖頂山的玄武巖形成的先后次序，并說明判斷理由。（3）說明玄武巖臺地上有平頂山、尖頂山分布的原因?！敬鸢浮浚?）臺地被流水侵蝕、切割，起伏加大，面積變小。（2）形成先后次序：構(gòu)成尖頂山的玄武巖，構(gòu)成平頂山的線玄武巖，構(gòu)成臺地的玄武巖。地貌侵蝕成都越嚴重，說明巖石暴露時間越長，形成時間越早，臺地受侵蝕輕，構(gòu)成臺地的玄武巖形成時間最晚，平頂山保留臺地部分特征，構(gòu)成玄武巖形成時間較晚；尖頂山已經(jīng)沒有臺地特征，構(gòu)成尖頂山玄武巖形成時間最早。（3）早中期噴出的巖漿冷凝成玄武巖臺地后，大部分被侵蝕，殘留的部分為山體。最新（晚）一期噴出的巖漿未能完全覆蓋殘留山體，冷凝成玄武巖臺地，其上仍保留了原有山體。以上題為例，先根據(jù)題目（1）“因流水侵蝕而發(fā)生的變化”中“變化”確定描述要點，用以構(gòu)建地貌演化的分形結(jié)構(gòu)；再將題目（2）中侵蝕程度作為判斷依據(jù)，結(jié)合分維數(shù)的變化狀況，完成臺地、平頂山、尖頂山三種地貌景觀形成的時序推論；最后根據(jù)題目（2）確定地貌演化順序，輔以題目（1）中的階段特征的分維數(shù)，完成題目（3）地貌演化的過程性歸納。通過對比臺地、平頂山、尖頂山的地貌形態(tài)特點，發(fā)現(xiàn)其在坡度、面積等方面存在明顯差異。因此，在構(gòu)建地貌演化的分形結(jié)構(gòu)時，可以將起伏程度、面積大小作為分維數(shù)，確定地貌演化的時序性及階段特征。即起伏程度越明顯，面積越小，其分別對應(yīng)的分維數(shù)越大，說明受流水侵蝕越強烈，形成時間越早。因此，尖頂山玄武巖的形成年代最早，依此是平頂山玄武巖和臺地玄武巖。四、“分形理論”在高中地理教學中的注意事項如前文所述，每一種地貌形成都是由對應(yīng)區(qū)域內(nèi)多種要素綜合作用的結(jié)果?！暗孛卜中卫碚摗敝饕铝τ诘孛残螒B(tài)的描述，但對于動力學機制的研究比較薄弱[4]。相較于動力學機制研究，分形理論主要是根據(jù)地貌形態(tài)的特征推斷地貌演化過程。如果用單一標度的分維數(shù)描述一個經(jīng)歷復(fù)雜演化過程的地理現(xiàn)象時，往往很難面面俱到。因此，針對不同的地理物象，需要構(gòu)建多重分形結(jié)構(gòu)，即選擇多種指標描述更多細節(jié)，提高推論的準確性。（2021年莆田一中高三模擬）泥沙淤積與海潮侵蝕的對比關(guān)系影響著河口三角洲岸線的變化成陸的泥沙主要來自河流與潮流（潮流指海水受潮沙影響所產(chǎn)生的周期性流動）。1981年后，長江入海泥沙開始呈現(xiàn)減少趨勢，2016年長江口南岸灘涂仍處于淤漲狀態(tài)，但以2003年為時間節(jié)點，泥沙來源已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。下圖示意1985年和2016年長江口三角洲的形態(tài)。（1）指出1985年后長江口水下三角洲的面積變化并說明原因。（2）說明2003年以前與2003年以后長江口南岸灘涂沉積的泥沙主要來源的差異?！敬鸢浮浚?）變小。原因：1985年以后,長江人海泥沙不斷減少，長江口水下三角洲的海潮侵蝕逐漸大于泥沙淤積，導致長江口水下三角洲面積變小。（2）2003年以前，南岸灘涂沉積泥沙主要來自于長江攜帶到江口的泥沙；2003年以后，潮流帶來的泥沙多于河流，成為南岸灘涂沉積泥沙的主要來源。河口位于河流和海洋的交匯處，自然環(huán)境復(fù)雜多變，導致僅憑一種地理要素的分析很難準確地闡述該地區(qū)各種地理事像的發(fā)展、演化規(guī)律。因此，在構(gòu)建其多重分形結(jié)構(gòu)時，需要結(jié)合河流和海洋兩種動力機制，即河流的“侵蝕-搬運-堆積”機制和海水（潮流）的“侵蝕-搬運-堆積”機制。以上就是“分形理論”在高中地理課程解構(gòu)及試題剖析方面的案例分析。從中可以看出，在高中地理課程的教學實踐中，如果能夠注重理論層面的歸納，找出課程內(nèi)容和試題解析中的共性，有助于提高師生的教學效率，值得更進一步地探討。參考文獻[1]Mandelbrot,Benoit,B.TheFractalGeometryofNature[J].Am.j.phys,1