第五章《植被与土壤》影响土壤对雨水渗蓄能力的因素实验 课件 人教版（2019）必修一2024-2025学年高一上学期

影响土壤对雨水渗蓄能力的因素实验 高中地理 01. 实验基本信息 02. 实验设计思路与创新点 03. 实验原理 04. 实验目标 05. 教学过程 06. 实验效果评价 实验基本信息 01 实验基本信息 实验“影响土壤对雨水渗蓄能力的因素”是人教版教材高中《地理》必修第一册（2019年版）第五章《植被与土壤》的"问题研究"部分，如何让城市不再“看海”教学内容中一部分。 课标内容： 运用示意图，说明水循环的过程及其地理意义；城镇化的利弊 课标解读： 水循环由不同的环节共同组成，城市化过程中人类对自然土壤的改造影响了土壤对雨水的渗透和蓄积能力，当强降雨天气出现时不能及时排走或下渗的雨水在城市中聚集并形成城市内涝，是城市化进程中常出现的问题，本堂实验课设计主要是讨论城市化进程中土壤性状改变对水循环中下渗环节的影响，进而影响到雨水转化为地下水和地表径流量的差异，引发城市内涝问题 情境设计： 以"绵阳城市内涝"为案例，运用绵阳城市内涝与学校雨季积水的资料与我国海绵城市的资料，以真实案例问题为导向，探索导致城市内涝的下垫面因素，通过实验对比城市不同种类下垫面对下渗的影响，探究防治城市内涝的解决措施---海绵城市，培养人地协调观 学情分析 【认知水平分析】 经过较长时间的地理课程学习后，学生已经具备一定的分析与解决地理问题的能力。在此之前，学生已经进行了土壤、植被和水土保持等内容的学习，对土壤、植被、水循环与城镇化的关系有了一定的了解。 【生活经验分析】 “城市内涝”就发生在学生身边，并且学生在日常生活中可以见到屋顶花园、渗水砖、下凹的绿地等蓄排水设施，但是很少从地理角度对其进行探究；部分学生听过“雨水花园""海绵城市"等概念，但不熟悉其具体原理。 实验设计思路与创新点 02 实验设计思路 土壤对雨水有渗透、净化、蓄积等作用，不同的土壤状况渗蓄能力也会有很大的差异，城市化进程中人类活动对自然土壤的改造是多样的，常见的有水泥硬化路面、绿地、公园湿地、渗水砖铺设的人行道、沥青路面等。这些不同的土壤状态在城市内涝问题中扮演着什么样的角色呢？是加剧内涝还是缓解内涝？本堂课实验就分小组模拟这些不同状态下的土壤，在同样的降水条件下，分别测量出降水转化为地下水和地表径流的水量，以此分析出影响土壤渗蓄能力的因素，并进一步探究解决城市内涝问题的具体措施。具体思路如下： ①分7个小组分别代表城市中7种不同的地表状况，模拟真实城市情境，有自然土壤、薄土层、砂砾土、湿土、植被覆盖的土壤、水泥硬化后的地表、渗水砖。 ②各小组模拟降水量都为500mm，通过量杯测量降水转化为地表径流的量，并记录。 ③降水量减去地表径流量即为该种地表状况对雨水的渗蓄量。 ④通过分析降水量转化为地表径流的实验数据得出不同性质地表对雨水的下渗和蓄积能力的差异。 ⑤模拟“雨水花园”的土壤结构，测量同样降水条件下“雨水花园”发挥的作用，体现其渗透蓄积和净化水质的能力。 实验亮点与创新点 ①实验分组中所模拟的地表状况在我们生活的城市中和身边的校园里都能找到对应的真实场景，吸引学生兴趣，学习生活中的地理。 ②我们所生活的城市--绵阳，由于季风气候夏季多暴雨且地势低平，城市内涝问题时常出现于同学们日常生活中，其中土壤的渗透和蓄水能力在解决城市内涝问题中扮演着重要角色。真实的生活实践情境增加了本次实验探究活动的实用性。 ③用镜头记录下一次降雨后校园内真实的积水状况，将实验的结果用于分析校园内积水状况差异的原因，学以致用，联系生活实际。 ④城市中土壤状态多种多样，为尽可能多的体现出土壤对雨水渗蓄能力的差异并分析出影响土壤渗蓄能力的因素，所以本次实验设计了7种不同的场景来展示差异。 ⑤解决城市内涝问题的有效途径之一“雨水花园”具体功效如何，通过实验的方式抽象的知识可视化。学生通过自己的动手操作，理解“雨水花园”如何将浑浊的大量的雨水渗透蓄积起来，并实现净化再利用。 实验原理 03 实验原理 水循环根据空间差异可以分为海上内循环、海陆间循环和陆地内循环，每个循环由不同的环节共同组成，如左图所示。 实验原理 降水到达地面后，一部分是在重力作用下沿地表汇入河道，即“地表径流”。一部分则以下渗的形式进入土土壤，形成“壤中流”。还有部分降水则渗入地下达到地下含水层，形成“地下径流”（如下图所示）。降水(P)转化为地表径流的比例和速度受到降水强度、地形坡度、土壤孔隙度、植被覆盖度等因素共同影响，本次实验探究是在其他条件一致的前提下，研究土壤性状对雨水渗蓄能力的影响。 实验原理 城市内涝是指由于降水强度大或连续性降水超过城市排水和蓄水能力使城市内积水形成灾害的一种现象。城市化进程中，人类活动对自然土壤的某些改造活动（如道路房屋建设、路面硬化）导致土壤对雨水的下渗能力和蓄积能力下降，转化为壤中流和地下径流的比例减少，更多的降水直接转化为地表径流，致使城区内积水成灾。 影响降水转化比例分配和土壤渗蓄能力的因素多样，如土壤的植被覆盖度，土壤孔隙度、土壤现有含水量、地表坡度等。 本堂课设计实验探究是在假设降水强度，地表坡度等土壤外因素一致前提下，通过测量降水到达地表后转化为地表径流的水量，并以此计算出下渗的水量。分小组对7种不同土壤状态的实验来分析出影响土壤渗透和蓄积能力的因素有哪些。7组实验样本分别为自然土壤、厚度较薄的土层、砂砾石为主的土层、含水量已接近饱和的湿润土壤、植被覆盖高的土壤；水泥硬化的地表； 铺设渗水砖的地表。为尽量减小实验误差，7组实验样本的地表坡度、地表径流导水管位置和每个样本中的自然土壤部分的土壤质地一致，除厚度较薄的土层样本外，其余实验样本的土层厚度一致。 通过对实验结果中对数据的分析对比可以得知：土层厚度、孔隙度、植被覆盖率与土壤渗蓄力呈正相关关系，土壤水分饱和度、地表硬化程度与土壤渗蓄力呈反相关关系。 实验教学目标 04 实验教学目标 ①理解水循环的具体环节和每个环节间的相互关系，尤其是海陆间循环中降水、下渗、地表径流、地下径流的相互关系，分析出下渗和地表径流存在此消彼长的关系 ②掌握城镇化进程中人类活动对土壤不同形式的改造对水循环各环节产生的影响 ③学会分析影响土壤渗蓄能力的因素和“雨水花园”的具体功能 ④分析城市内涝的原因并结合生活实际提出具体解决措施 实验教学过程 05 导入 人教版（2019）高中地理必修一 展示城市内涝图片及视频 提出疑问： 1.什么是城市内涝？ 2.内涝的原因是什么？ 3.我们学校会内涝吗？ 创设情境 思考： 校园内这些路面有什么共同特点？ 与地表积水有什么关系？ 创设情境 土壤截留的降水越多，降水通过它流到河流所需要的时间就越长，削减了洪峰，因此降低了洪灾的风险。1米厚的多空隙土壤截留300毫米的降水量。 用沥青或者混凝土之类的不透水层覆盖的土地，降水无法向土壤下渗。城市中大面积的土地表面被硬化，一旦发生强降雨，产生的径流量很容易超过排水系统的排水能力，积水成涝。 【资料分析】 1.说明地表状况差异对水循环环节产生的影响。 2.影响土壤下渗和蓄水能力的因素有哪些。 人教版（2019）高中地理必修一 实验设计 实验主题：探究影响土壤下渗蓄水功能的因素材料准备：透明方形盒子7个；量杯7个；500mL水；泥土；砂石；草皮；渗水砖；不透水砖一块；橡皮泥；洒水壶7个；短吸管7只；直尺；记号笔；铁棍；打火机。实验要求：1. 每个实验2分钟（模拟降雨1分钟，观察数据1分钟）；模拟降水量等量500mL。2. 小组成员分工合作完成。3. 实验过程中注意实验安全和卫生。实验分组和任务分配： （1）实验任务分配：①号组：自然土壤； ②号组：薄土层； ③号组：砂砾； ④号组：湿土；⑤号组：植被覆盖； ⑥号组：地表硬化； ⑦号组：渗水砖； （2）组内成员分配： ①号、②号：摆放实验器材； ③号：模拟降水； ④号：用量杯接通过导管流出的水 ⑤号：观察并记录地表径流形成时间 ⑥号：观察土壤渗水蓄水情况并记录数据 实验样本准备 人教版（2019）高中地理必修一 第一步：准备7个同规格长方体塑料盒，其中6个盒子两端的分别用记号笔标记一高一低两个高度，另1个代表薄土层样本的盒子两端分别低于其他盒子的高度做好标记，但两端的高度差所有盒子必须保持一致。（教师可根据实验盒子规格确定高度和高差）。 第二步：在每个盒子低的一端用打火机烧红铁棍打孔，接入小段吸管做导水管，并用橡皮泥密封导管周边缝隙，防止漏水。 第三步：将土壤、砾石、草皮、橡皮泥（代替水泥）、渗水砖等材料分别装入实验盒。 第四步：调整每个实验盒子中样本的最高和最低位置，保持与标记高度一致。 第五步：渗水砖边缘用橡皮泥密封，防止水从砖块边缘漏走。 实验步骤 人教版（2019）高中地理必修一 第一步：根据小组内成员分工编号，由①号和②号同学负责实验器材摆放：将实验托盘水平放置于操作台，土壤样品盒中有导管一端放置于托盘外侧边缘，量杯放置于托盘中合适位置以便于完整接住模拟降水后通过导管流出的雨水。保证测量数据的准确性，减小误差。器材摆放如下图所示： 第二步：由组内③号同学模拟降水。为尽量缩小降水误差，每个小组都使用统一样式洒水壶模拟降水，用量杯准确测量500mL自来水转入壶中，同时对7名模拟降水员在实验前进行统一训练，1分钟时间匀速洒完壶内500mL自来水，并且要求洒水壶的高度和洒水落入实验样本盒的位置点相同，保证每个小组的降水强度和降水持续时间一致。 第三步：④号同学在模拟降雨开始时用量杯完整接住通过导管流出的水。 第四步：⑤号同学观察模拟降雨开始后雨水转化为地表径流的速度，并记录导管有水开始外流的时间（即形成地表径流的时间）。 第五步：⑥号同学观察下渗情况，读取并记录模拟降水完成后量杯内水量。 第六步：汇总并展示各小组实验数据，组内成员交流实验观察心得，讨论分析总结。 实验步骤 人教版（2019）高中地理必修一 实验记录表 ①自然土壤 ②薄土层 ③砂砾土 ④湿土 ⑤植被覆盖 ⑥地表硬化 ⑦渗水砖 模拟降水量 500mL 500mL 500mL 500mL 500mL 500mL 500mL 地表径流量 土壤渗蓄量 开始形成地表径流时间 小组讨论与互评： 1.这个实验想要说明什么？ 2.分析影响土壤下渗与蓄水量的因素及其所产生的具体影响。 实验过程实录及数据 人教版（2019）高中地理必修一 ①自然土 ②薄土层 ③砂砾 ④湿土 ⑤植被覆盖 ⑥地表硬化 ⑦渗水砖 模拟降水量 500mL 500mL 500mL 500mL 500mL 500mL 500mL 地表径流量 160mL 270mL 100mL 450mL 95mL 480mL 137mL 土壤渗蓄量 340mL 230mL 400mL 50mL 405mL 20mL 363mL 开始形成地表径流时间 降水开始后25秒 降水开始后13秒 降水开始后31秒 降水开始后8秒 降水开始后31秒 降水开始后 2秒 降水开始后28秒 注：数据仅代表本次实验结果 实验操作过程的教师指导与实验结论 人教版（2019）高中地理必修一 实验操作过程中的教师指导： 1.实验物品摆放时教师实时指导位置调整，既能方便③号同学模拟降水员操作模拟降水，又能方便④号同学用量杯接住从盒子内通过导管导出的水，同时注意不遮挡实验盒子，便于同学们观察完整的实验过程。 2.实验倒计时前调整7位模拟降水员拿洒水壶的位置和高度一致，并强调模拟降水时洒水壶的倾斜角度。倒计时开始后实时监控，及时调整，尽可能保证降水强度和降水持续时间一致。 3.提醒⑤号同学记录时参照白板中倒计时来计算出地表径流开始形成的时间。 4.教师观察⑥号同学读取量杯数据时实验样本盒子内的地表径流部分已全部流出并及时提醒，保证实验数据的准确性。 5.读取量杯数据时教师观察各小组操作是否规范，需要将量杯水平放置于操作台，保持视线与量杯内水面平行。 课堂小组讨论与小组互评得出结论： 1.通过对七个实验样本对比分析得知，与自然土壤土壤相比，薄土、砂砾土、湿土、植被覆盖地、硬化地表和渗水砖分别在土层厚度、孔隙度、水分饱和度、植被覆盖度等特征上存在差异。 2.土层厚度、孔隙度、植被覆盖率与土壤渗蓄力呈正相关关系，土层厚度越大、土壤孔隙度越大、植被覆盖率越高，土壤对雨水的渗蓄能力越强，降水形成地表径流的时间越慢。 3.土壤水分饱和度、地表硬化程度与土壤渗蓄力呈反相关关系，土壤水分饱和度和地表硬化程度越高，土壤对雨水的渗蓄能力越差，降水形成地表径流的时间越快。 【联系生活实际】 校园中的不同土壤状况 思考： 这些场景中的土地状态对雨水的渗蓄能力如何？为什么会有这样的差异 【联系生活实际】 城市中的不同土壤状况 思考： 这些场景中的土地状态对雨水的渗蓄能力如何？为什么会有这样的差异 实验：模拟“雨水花园” 实验准备： 1.“雨水花园”实验样本盒自下而上分别由底部导水孔、滤网、砾石、细沙、土壤、草皮、上部导水孔（最大蓄水高度）组成，样本盒子内模拟地表的坡度为零。 2.用量杯盛500ml自来水并掺入泥沙（模拟雨后浑浊的地表径流）。 实验过程： 1.将量杯放置于操作台，实验样本盒置于量杯上部并保证底部导水孔对准量杯。 2.将500ml浑水倒入样本盒，学生观察样本盒中水的下渗情况。 3.渗漏结束后展示量杯，经过模拟雨水花园的渗蓄和净化作用，水量减少，并且由浑水变为清水。 小组合作 思考探究 1.雨水花园自上而下分为哪些层？ 2.各层的主要功能有哪些？ 3.导水管的作用是什么？ 4.为何要设置最大蓄水高度？ 5.雨水花园对雨水有哪些作用？ 【联系生活实际】城市中的雨水花园 实验效果评价 06 实验效果评价 ①课堂中，学生按照实验步骤进行实际操作，过程简单流畅且降水转化的地表径流用量杯测量，数据准确易观察。通过学生自主操作完成实验，体验实验课堂的乐趣，充分调动学生学习的积极性和主动性，参与课堂，高效完成实验，能很好的实现教学目标。 ②通过提问“该实验要说明什么？”让学生对实验的主题“探究影响土壤下渗蓄水功能的因素”能更深刻的理解，学生自主思考和小组讨论的过程利于知识内化。学生积极参与，踊跃的提出自己想法，小组合作讨论，小组间相互评价，营造出平等、开放、合作、和谐的课堂氛围。 ③学生通过不同小组实验数据的对比，分析出影响土壤下渗与蓄水量的因素包括土层厚度、孔隙度、水分饱和度、植被覆盖率、地表硬化程度等，通过实验的方式很好的让学生理解水循环各环节间的相互关系，特别是下渗和地表径流的关系，并且能联系生活实际思考城市内涝的发生与人类活动的关系，感悟出人类发展过程中应该尊重自然，顺应自然规律去改造自然，和谐才能共生的道理，实现情感升华。 谢谢! 2024.06 中国·绵阳 Lavf58.20.100 $$