03 第三章
CHAPTER 3
第一节　环境考古：探究人地关系的奥秘
第二节　聚焦全球气候变化
第三节　神奇的“麦草方格”
第四节　太阳系外行星
第五节　揭秘FAST
地球与宇宙前沿
82 科技前沿与科学教育
第一节　环境考古：探究人地关系的奥秘
链接科技前沿
2019 年良渚古城遗产入选世界文化遗产名录
北京时间2019 年7 月6 日下午，在阿塞拜疆首都巴库举行的第43 届联合国教科
文组织世界文化遗产委员会会议上，来自中国浙江的良渚古城遗址（图3-1）顺利通
过审议，列入《世界遗产名录》，成为我国第32 项世界文化遗产。至此，中国世界遗
产总数达55 处，超过意大利位居世界第一。此次申遗成功，标志着中华五千年文明
史得到国际社会的认可。
图3-1　良渚古城遗址遗产提名地俯瞰
（资料来源：国家文物局）
为何一座古城遗址能够被列入世界文化遗产？古城遗址有什么特点？古城遗址是
如何发现的？那时的人们是如何生活的？古城周边的环境如何？这一系列问题成为公
众关注的话题。探究这一系列问题的钥匙除了传统意义的考古发掘以外，还必须依赖
地理学等其他学科的优势进行综合分析与研究，因此环境考古就成为最佳的结合研究
方式。
古城遗址
教学资源
第三章　地球与宇宙前沿 83
一、什么是环境考古
1. 环境考古
不同于传统意义上的考古学，环境考古是揭示人类社会及其文化形成的环境。它
以考古相关资料背景为依托，结合过去人类活动的各种遗迹，借助地球科学研究思
路、方法及现代分析技术探究历史时期人地关系的奥秘。
2. 环境考古研究的主要方法
1）年代确定
对于古人类生活的遗址，测定年龄有助于帮助学者建立遗址的时代体系，进行
对比分析和关联分析。除了遗址中明确的纪年遗迹定年外，常见的定年方法有以
下几种。
（1）同位素碳-14 测年
根据同位素碳-14 衰变的程度来计算出样品大概年代的一种测量方法。其关键在
于选取合适的测年材料，测年材料包括木炭、木材、树枝、种子、骨头、贝壳、皮
革、纸等有机物质，这些均能够从遗址中获取。
（2）光释光测年
激发石英等矿物晶体里面的光敏信号，利用这种信号进行测量年龄的一种技术。
测年材料主要为沉积物中的石英和长石，并且取样时要进行避光处理。
2）古环境分析手段
伴随着时代的变迁，直接获取原始环境信息存在很大困难，尤其是植被、气候等
信息。为了复原古人生存的环境信息，可以借助微体古生物数量大、抗腐蚀、易保存
等优势，借助微体古生物反演古环境、古气候。除此之外，地学相关要素的分析对了
解古人生存环境也起到重要作用。
（1）微体古生物分析
① 孢粉分析：对一定层位样品中的孢子和花粉进行离析、鉴定、统计，以研究其
组合特征和百分含量及其化规律。借助孢粉的组合及其变化规律分析研究区域的植被
变化状况，以探究古人的生存环境。
② 植硅体分析：植硅体是指某些高等植物从地下水中吸取可溶性二氧化硅而后沉
淀于植物细胞内或细胞外部位置，由此形成的含水非晶态二氧化硅颗粒。植硅体分析
就是利用植硅体的原地沉积及其形态上的种间差异等独特优势，对比分析土壤中所含
84 科技前沿与科学教育
植硅体的大小、形状、种类及丰度，并依此推断其母源植物的种类和（或）产量，复
原古代植被环境、农业活动以及探索人类活动对环境影响的一种方法。
（2）地学相关分析
地形地貌、河流水系、植被等是地学关注的核心要素。通过各要素的单一和综合分
析，可以了解本地区整体状况，为解释人类活动遗址环境背景信息提供了科学的理论
依据。
二、环境考古对于探究人地关系的意义
传统考古学通过发掘文物说明文化存在并构建时代框架，但是其不能很好地指出
产生这种文化的原委，以及古人的生存环境。大量学者研究表明，古代的自然环境面
貌也发生过复杂的演变。古代人类居住和活动区域内的自然环境如何？发生了什么样
的变化？古代的自然环境同当时当地的人类活动发生了何种关系？这些问题的提出成
为环境考古产生的思想渊源。中国环境考古先驱周昆叔教授经过30 多年的实践与探
究指出，只有研究这些古人的生活/生存环境，即他们所受的环境制约及其对环境的影
响才能阐明古人类创造文化的缘由。不仅如此，现在人类面临日益严峻的生存环境，
人类要恢复和拯救所处的生态环境也只有从人与环境的历史中认识现今并预测未来。
由此可见，环境考古对人类来说至关重要，不仅可以让我们了解古人的生存智慧，更
能帮助现在的人类更好地与自然和谐相处，持续发展。
触摸科技前沿
一、大概念
● 科学是在研究其所以，或是发现自然现象的原因。
● 将科学研究中得到的知识运用于工程和技术，以创造服务于人类的产品。
二、与中小学课程标准的对接
中小学课程标准中与“环境考古：探究人地关系的奥秘”相关的主要概念见表3-1。
古代文化
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第三章　地球与宇宙前沿 85
表3-1　科技前沿与中小学课程标准的对接
中小学课程标准主 要 概 念
《义务教育小学科学
课程标准》2017 版
认识人类与环境的关系，知道地球是人类应当珍惜的家园。
《义务教育初中科学
课程标准》2011 版
1. 注重培养学生对自然的整体认识和与自然界和谐相处的生活态度，
发展学生在科学探究，科学知识与技能，科学、技术、社会、环境
等方面的认识和能力，使学生逐步形成用科学的知识、方法和态度
解决个人和社会问题的意识，保护自然的意识和社会可持续发展的
意识，为未来发展奠定基础。
2. 具有应用科学知识描述和解释周围世界的初步能力，以及运用科学
知识和技能解决实际问题的初步能力。
《义务教育中学地理
课程标准》2011 版
1. 举例说出聚落与自然环境的关系。
2. 初步说明地形、气候等自然地理要素在地理环境形成中的作用及对
人类活动的影响。
3. 举例说明气候对生产和生活的影响。
4. 解释地形与当地人类活动的关系。
5. 运用地形图说明某区域河流对城市分布的影响。
6. 运用实例说明某国家自然环境对民俗的影响。
7. 举例说明自然环境对我国具有地方特色的服饰、饮食、民居等的影响。
8. 运用实例说明四大地理单元自然环境对生产、生活的影响。
9. 利用图文资料说明家乡主要地理事物的变迁及其原因。
《普通高中地理课程
标准》2017 版
1. 地理学是研究地理环境以及人类活动与地理环境关系的科学，具有
综合性和区域性等特点。地理学兼有自然科学和社会科学的性质，
在现代科学体系中占有重要地位，对于解决当代人口、资源、环境
和发展问题，建设美丽中国，维护全球生态安全具有重要作用。
2. 地理课程旨在使学生具备人地协调观、综合思维、区域认知、地理
实践力等地理学科核心素养，学会从地理视角认识和欣赏自然与人
文环境，懂得人与自然和谐共生的道理，提高生活品位和精神境界，
为培养德智体美全面发展的社会主义建设者和接班人奠定基础。
3. 人地关系是地理学研究的核心主题。面对不断出现的人口、资源、
环境和发展问题，人们越来越深刻地认识到，人类社会更好地发展，
必须尊重自然规律，协调好人类活动与地理环境的关系。
4. 人类生存的地理环境是一个综合体，在不同时空组合条件下，地理
要素互相作用，综合决定着地理环境的形成和发展。
5. 结合实例，解释城镇和乡村内部的空间结构。
科学教育实例
环境考古：探究人地关系的奥秘
? 教学目标
（1）通过案例分析和小组合作，探究不同时期、不同地域人地关系的特点。
（2）参观博物馆，了解不同时期、不同地域具有地方特色的文化，体会人地关系
的奥秘，并形成尊重自然的观念和与自然和谐相处的观念。
86 科技前沿与科学教育
? 场地
教室、博物馆、专业实验室。
? 教学准备
良渚遗址相关新闻报道的视频、模拟考古沙盘、考古相关工具、常见孢粉图谱、
常见植硅体图谱、教学PPT、可联网计算机，将学生分成学习小组。
? 教学过程
（一）创设问题情境，导入新课
播放良渚遗址相关新闻报道的视频，思考良渚考古80 余年来，为什么说2007 年良渚
古城发现具有里程碑意义？之后为什么不再逐一发掘一处处遗址而是转向更大范围寻找城
墙等遗迹呢？引导学生从单一的考古发掘，到整体认识古城格局，探究区域人地关系。
（二）学习实践
任务1：收集不同时期人类活动遗址的特点及其所处的地理环境
积累学习素材，为后续模拟实践奠定基础知识和基本能力。
任务2：了解微体古生物（孢粉、植硅体等）研究手段和常用定年方法
积累学习素材，为后续模拟实践奠定基础知识和基本能力。
任务3：借助模拟考古沙盘进行实践探究
以“假如我是环境考古工作者，探究×× 遗址背后的人地关系”为主题开展一
次模拟实践探究。引导学生借助发掘资料和环境考古相关手段与方法探究不同时期、
不同地域人类活动的环境背景，并分析自然环境是如何影响人类的生产和生活的。在
实践探究过程中关注不同学生关于问题思考的深度与广度，进行分级评价，引导学生
探究历史时期的人地关系特点，最终形成和谐的人地关系。
（三）拓展延伸
参观当地类似良渚博物院等类型的博物馆（院），了解古人生存的智慧，分析当
地不同历史时期人地关系的奥秘，使学生深入了解人类社会要更好地发展必须尊重自
然规律，协调好人类活动与地理环境的关系。
小小科学家在行动
请在以下两项任务中任选一项进行。
（1）在探索人地关系的奥秘研究中涌现出很多著名的科学家，如国家最高科技奖
环境考古
教学资源
第三章　地球与宇宙前沿 87
获得者、被誉为“黄土之父”的刘东升院士，请介绍他的研究成就、研究方法、研究
地点与研究思路。
（2）在探究人地关系的奥秘研究中科学家采用多种研究材料和手段（如石笋、冰
芯、黄土、湖泊沉积物等）来认识古气候、古环境，请选择其中至少两个研究材料和
手段，对比它们之间的优缺点。
第二节　聚焦全球气候变化
链接科技前沿
该给地球“退烧”了
世界气象组织发布的《2018 年全球气候状况声明》显示，2018 年是有记录以来
第四热的年份，2015—2018 年是自有气温记录以来最热的4 年；全球平均海平面比
2017 年上升3.7mm，创历史新高；北极海冰面积远低于历史平均水平；至2018 年年
底，南极月均海冰面积接近历史最低水平。
说到这里，我们不禁要问：以前地球上总是很寒冷吗？地球为什么会“发烧”？
人类排放的温室气体和地球“发烧”有关系吗？
一、地球上的气候总是变化的
地球大约形成于46 亿年前。原始地球经过一系列的演化过程，逐渐形成了适于
生物生存的大气成分和气候条件。但是，由于太阳辐射以及地球运动、地球内部和地
表的种种变化，导致气候的长周期变化，地球历史上曾经出现过多次冰期和间冰期的
交替，最近的一次大冰期开始于大约180 万年前，称为第四纪大冰期。在第四纪大冰
期里，寒冷的冰期和较暖的间冰期大约10 多万年循环一次。迄今已经出现过十几次。
最近的一次小冰期大约结束于1 万年前，地球进入较暖的间冰期，气候比较稳定，人
类开始发展农业、城市文明、工业和技术。
19 世纪中期第一次工业革命之前，气候的变化主要是由大自然自身引起的，变
化的节奏缓慢，周期漫长，自然界的生物可以慢慢适应。随着人类活动的加剧，特别
是第一次工业革命之后，人类对气候的影响越来越大，以致造成100 多年来地球急剧
“发烧”，后果已越来越严重。
88 科技前沿与科学教育
从图3-2 北半球的统计数据可以看出，北半球的平均气温在20 世纪中期之前都是
低于1961—1990 年的平均值，大约从20 世纪中期开始都是高于1961—1990 年的平
均值，20 世纪的增温在过去1000 年至今所有世纪中最明显。
图3-2　1000 年来北半球气温走势
（资料来源：J. T. Houghton，Y. Ding，D.J. Griggs，等，政府间气候变化专委会[IPCC]
第三次评估报告第一工作，气候变化2001：自然科学基础[R]．）
在最近100 多年，地球开始迅速“发烧”。图3-3 中的4条直线分别表示从截至2005年
到过去的150 年（红色）、100 年（紫色）、50 年（橙色）和25 年（黄色）平均气温的
变化趋势，越接近现在，全球年平均气温升高的速率越大，表明全球变暖的速度越快。
图3-3　全球年平均气温走势
（资料来源： S. Solomon, D. Qin，Mr. Manning，等，政府间气候变化专委会[IPCC]，气候变化2007：自然科学基础[R]．）
第三章　地球与宇宙前沿 89
2018 年的全球平均气温比工业化前的基准值（1850—1900 年平均值）增加了
（0.99±0.13）℃。图3-4 中5 种颜色的线条分别是全球5 个独立研究机构的数据库所
记录和计算的全球年平均气温，无论如何，这5 条曲线所表明的全球气温变化的总趋
势是一致的。2016 年和2017 年是有记录以来，人类历史上最暖的两年。
图3-4　1850—2025 年全球年平均气温走势
（资料来源：WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION. WMO Statement on the State of the Global Climate in 2018[R].）
但是这个现象也不是全球同步的。2018 年的近地面气温与1981—2010 年的平均
气温相比，北极大部分地区的温度上升在2℃以上，部分地区超过3℃。欧洲、北非、
西亚和南亚的温度上升也超过1℃，如图3-5 所示。
图3-5　2018 年近地面气温与1981—2010 年平均值相比的变化
（资料来源：WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION.
WMO Statement on the State of the Global Climate in 2018[R].）
气候系统非常复杂，而且受很多方面因素的影响。如果大气中二氧化碳浓度继续
增加，至2100 年，全球温度很有可能会升高1.1 ～ 6.4℃。冰川融化、海平面上升、
90 科技前沿与科学教育
极端天气现象增加等的严重后果，是难以预料的，甚至是不可抗拒的，人类必须联起
手来为地球“退烧”做出努力。
二、人类活动与全球变暖
气候影响人类活动，人类活动也影响气候。在工业革命之前，人类的生存主要是
依赖环境，哪儿环境好，人就到哪儿去生活，那时候地球上的人口少，而且“能力”
有限，基本不会对地球环境产生太大的影响。工业革命之后，随着经济技术的发展，
人口越来越多，人类有了一定改造自然的能力，对气候的影响越来越强烈，越来越明
显。从图3-2 中可以看出，过去的1000 年，地球上的气候是相对稳定的，但是最近
100 年，全球气温升高的速度明显加快。
《联合国气候变化框架公约》中规定：“气候变化指除在类似时期内所观测的气
候的自然变异之外，由于直接或间接的人类活动改变了大气的组成而造成的气候变
化。” 其中，全球变暖是焦点，国际社会所称的“气候变化”（climate change）通常是
指全球变暖（global warming）。人类活动排放的温室气体，对全球变暖的贡献率为
90%~95%。那么什么是“温室效应”和“温室气体”呢？
1. 温室效应和温室气体
大家应该都见过温室，温室是用玻璃（或塑料）搭建成的房子（或塑料大棚），
用来种植物。射进温室的太阳光一部分转化为热，玻璃板（或塑料膜）对于太阳光虽
然透明却能很好地阻止热量向外散失，这样温室里就会暖和起来，在冬天也温暖得足
以让植物很好地生长。
地球表面最主要的热源是太阳，太阳光的能量主要集中在可见光，属于短波辐射，
能穿过大气层到达地面，首先加热了地面。地面受热后不断地向外辐射出热量，这种辐
射的波长集中在红外波段，很容易被大气中的二氧化碳和水蒸气等气体吸收，这样大气
也被加热了。而大气在增温的同时不断地向地面辐射出热量，称为大气逆辐射，补偿了
地面散失的热量，对地面起到了保温的作用。大气的这种对地面的保温作用类似于温室
的作用，称为“温室效应”（greenhouse effect）。具有温室效应的几种气体，称为“温
室气体”（greenhouse gas，GHG）。
常见的温室气体主要包括水蒸气（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧
化二氮（N2O）、氟化气体（F-气体）和臭氧（O3）等。大气中的温室气体对地球上的