人类脚踩的大地是时刻不停运动的,还是始终永远固定不动的?地球上地貌单元(海洋、陆地、高山等)的基本轮廓是如何形成的?这一直是十九世纪以前人们争论不休的问题。正是因为板块构造学说给了很好的解释与回答,也因此使它成为20世纪自然科学史上一次最伟大的发现之一,被公认为是地理学发展史上的一场革命。
一 板块构造学说科学发现历程给我们的启示
学习目标:学习和领悟科学家科学研究发现的一般方法,即猜想、假设与论证,培养为科学献身精神与品格;学习方法:文献法即上网或到图书馆,参观法即到地质馆看化石。
1 19世纪古生物学家和地理学家的不可思议(地质馆参观化石、查阅文献):古生物学家和地理学家通过不断艰苦的探险与考察发现,胡安、费尔南德斯群岛的植物与邻近的南美洲大陆植物没有亲缘关系,反而同被海洋相隔很远的火地岛、南极洲、新西兰有亲缘关系。这是多么不可思议的事情,难道这些大陆原来是连在一起的,后来才分开的吗?
2 魏格纳的直觉几何猜想(观察大西洋两岸大陆轮廓图,用剪纸实验法,将非洲与南美洲拼合):德国气象学家魏格纳,1910年的一天在他观看世界地图时,被大西洋两岸大陆几何轮廓相似性所吸引,他发现南美洲海岸直角突出部分与非洲西海岸直角凹进的几内亚湾,一凸一凹相互对应,似乎可以拼合起来,这个直觉印象使魏格纳猜想:非洲大陆和南美洲大陆以前会不会是贴在一起的?是不是受了某种力的作用后才断裂分开的呢?并提出了著名的大陆飘移学说。认为三亿年前的古生代后期,地球所有的大陆都联合在一起,构成一个庞大的原始联合古陆,称为泛大陆,其周围是一片辽阔的海洋,称为泛海洋。二亿年前的中生代初,这个泛大陆逐渐分裂、漂移(用微机演示联合古大陆的分裂过程)。
3 魏格纳为科学献身与大陆漂移学说的沉寂:大陆漂移学说自产生,就遭到了当时一些著名的地质学家的反对,“说他,直接证据不足,是自我陶醉,是毫无科学根据的幻想,是玩耍儿童七巧板的发明!”1930年,非常不幸的事发生了,魏格纳在寻找大陆漂移的直接证据时,也就是在他五十岁生日那天,永远长眠在荒凉的格陵兰岛的冰原上。大陆漂移学说也因此沉寂起来。
4 海底扩张学说的产生,导致了大陆漂移学说复活(微机演示大洋中脊两测磁极异常条带图和岩石年龄的对称性图)。
20世纪50年代,海洋科学研究发展迅速,人们探测到,位于大洋盆地中的海底山岭——称为大洋中脊,几乎分布在所有大洋的中部(除太平洋),是火山、地震活动最激烈的地方,且两侧分布着极性正负对称相同磁性异常条带,并且大洋中脊两测岩石的年龄也表面出惊人的对称性。于是在1961年,美国人赫斯和狄兹得出海底扩张的结论,使大陆漂移学说复活。
5 1968年,美国的勒皮雄在大陆漂移、海底扩张学说的基础上,提出了“板块构造学说”。
6 学生自我体验:科学观察、科学实测考证是科学研究的基础。没有对不同大陆植物亲缘关系和相同地层生物化石的观察事实,没有对海底岩石磁异常和年龄的对称的实测与考证,板块构造学说是不会产生的。
科学家面对众多观察的事实,用形象思维和直觉思维进行大胆的天才性“猜想”(如魏格纳面对大西洋两岸大陆的轮廓相似性,想到它们可以拼合起来),产生创造性的灵感(这些大陆原来是连在一起的,后来才分开),用逻辑思维进行“论证”(用古生物学、古地磁学、岩石年龄、火山和地震分布等众多科学证据,来推断与证明板块理论的正确性)的研究方法,是科学发现的基本方法。对于学生在现实生活中,进行一系列科学的发明与创造,无疑是最好的范例。
科学家为了寻找确凿的证据,长期远途探险与考察,那种不畏艰险不怕牺牲、忍辱负重的坚强毅志,是科学发现的不竭动力(魏格纳大陆漂移学说,受到了人们的批判与嘲弄,他两次考察格陵兰岛,并遇难于此),对培养学生为科学、为真理而献身的精神,是非常有意义的。
二 板块构造学说的观点、证据与应用
学习目标:掌握板块构造科学研究结论和成果,领悟其深刻的哲学内涵,形成辩证唯物主义的自然观。学习方法:文献法即上网或到图书馆,参观法即到地质馆看化石。
1 主要观点(微机演示板块运动过程的示意图):板块构造学说认为,漂浮于软流圈之上的地球最外层的刚性的岩石圈并非铁板一块,它被大洋中脊、俯冲带和深海沟、地缝合线等板块界线,分割成几个巨大的块体,这就是板块。全球划分六大板块:太平洋板块、亚欧板块、印度洋板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块六大板块,板块都在不停地运动,使陆地和海洋不断地生长与消亡,是形成地表各种构造活动(如山脉、高原)和形变(向斜与背斜、断层)的根本原因。板块内部,地壳比较稳定,板块边缘非常活跃,是火山、温泉与地震分布的密集区。并认为板块构造运动的动力来源是:地幔中的软流层,存在着热量对流现象,并且有多个对流中心。大洋中脊是对流上升和地热的排泄口,地幔物质不断的涌出,冷却固结形成新洋壳,并与软流圈的水平流动物质一起,驱动着大洋中脊两测的板块产生相向运动。移动着的大洋板块遇到大陆壳时,就会俯冲下降,是地壳熔化与葬身消亡的地方,俯冲带恰恰是软流圈对流下降的地方。
2 证据:世界大陆轮廓具有显著的相似性。如若将南北美洲大陆和非洲、欧洲大陆彼此相向移动,两者可拼全合在一起,不留什么空隙。
大西洋两边大陆的地层、岩石、构造遥相呼应。如非洲的开普勒山和南美洲的布宜诺斯艾利斯山,可以连接起来,视为同一地质构造的延续。
从古气候、古动物群和古植物群的分布来看,南美洲、非洲、印度半岛、澳大利亚等地在古生代和中生代初期都十分接近,到了中生代之后才有显著不同,说明这些大陆曾经连在一起,后来才渐渐分开(化石参观)。
大地测量的数据也证实,同一地点的经纬度在不停地发生着变化(实地测量)。实际测量:如大西洋中脊每年向外扩张2—4厘米,太平洋东部中脊每年向外扩张的速度是6—16厘米。
大洋中间海岭两旁的地磁异常是对称的;海岭两侧岩石的年龄也是对称分布的,并呈现出由海岭中心向其两侧由新到旧的变化规律。
3 应用:板块边缘是火山、地震和温泉产生的地带,为人类对火山和地震预测、预报和减灾作出了贡献(微机演示全球火山地震分布图)。
板块构造很好地回答了大洋的演化过程(微机图片说明)。
胚胎期:岩浆上升,大陆将发生破裂,形成裂谷,两旁陆壳将外移,谷底往往形成长条形湖泊,火山活动强烈,如东非大裂谷、贝加尔湖,是海洋刚刚产生的开始;幼年期:上升和扩展,由窄变宽,迎进海水,如红海和亚丁湾。若其扩张速率每年5厘米,最多经过一亿年即可造就一个新大西洋;成年期:扩展,加宽,如大西洋;衰退期:受挤压力为主,变窄,如太平洋;结束期:挤压上升。如地中海;遗痕(地缝合线)挤压上升,如喜马拉雅山。
回答了山脉和岛弧等地貌的成因(微机演示板块力的作用与山脉、岛孤的形成关系图)。
板块碰撞在挤压力的作用下,产生一系列高大山脉和岛孤海沟系。如纵贯美洲西部的南北科迪勒拉—安第斯山脉、东亚岛孤海沟系,以及东西向的阿尔卑斯山和我国的喜马拉雅山脉、阴山—天山脉、秦岭—昆仑山脉、南岭山脉等,是板块相撞挤压而形成的。
为人类寻找矿物创造了理论根据。如锡、铜等有色金属多分布在板块的边缘,而煤、石油等沉积矿物多分布在板块比较稳定的低洼地带。我国的大庆油田、胜利油田以及我国西部盆地内的油田的发现,是板块构造理论的贡献(微机演示有色金属分布与全球大大小小板块分布的关系)。
回答了许多生物分布的问题。因为板块运动,使寸草不生的南极洲才有了世界上最大的煤田的分布;才有了澳大利亚大陆的动物和植物具有那样的古老性和特有性。
学生体验:板块学说内在的科学魅力(大陆的运动、海洋的演化和山脉形成)和它所折射出的唯物主义自然观的光芒(世界是物质的,物质是不断运动的,运动是有规律可循的,不存在任何什么神灵与虚幻的世界),使学生领悟到,科学是最伟大的,也是最美的,培养了学生热爱科学的精神;板块构造学说,在探讨山脉和高原的成因,地震活动、矿带分布,古气候状况、生物演化等领域中的作用,使学生领悟,科学技术是第一生产力,可以极大地改善人民的生活和生产的效益,预防各种自然的灾害,保护人类安全。
三 板块构造学说留给后人的不解难题
学习目标:养成批判性继承前人知识的学风。学习方法:查找文献。
板块构造学说并不能解释所有的现象,如大洋中脊两侧的磁异常对称,有的地方并非如此,如南太平洋和北印度洋就非常不同。关于板块驱动力的问题,虽然有关学者提供了多种可能方式,如板块运动的动力源泉是地幔物质的热力对流,但人们对这种热力对流的存在还表示怀疑,没有可靠的证据。
学生体验:板块构造学说的缺点与不足,给学生留下不解难题,为有志于从事这方面研究的学生确立了今后研究的方向和埋下了伏笔,使学生感到,人类未知事物是无穷无尽的,科学研究也是无止境的,每个人只有努力,都可能创造出伟大的成绩来。
总之,板块构造学说的典型案例教学,重视学生的科学探究的过程和内心的体验,充分体现以学生为主体和以教师为主导的教学理念,将科学探究精神、科学研究的方法和科学发现的灵感播撒在学生的心灵,是学生探究素养培养与形成在教学实践中的最好尝试。
参 考 文 献
[1]李四光.地质力学概论[M].科学出版社,1973.
[2]王耀文.地震学概要[M].地质出版社,1960.
[3]中国自然地理编写组.中国自然地理[M].高等教育出版
社,1984.
[4]刘德生,等.世界地理[M].高等教育出版社,1988.