指向地理核心素養(yǎng)的STEM教學(xué)設(shè)計探析
——以《太陽高度角》一課為例

李 娟 陳 典

一、地理核心素養(yǎng)與STEM教育

核心素養(yǎng)與STEM教育(科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué))是當(dāng)今國內(nèi)外教育領(lǐng)域的兩個熱門議題，落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)與推進STEM教育本土化是國家的重要教育戰(zhàn)略目標(biāo)。

1.地理核心素養(yǎng)

2014年教育部發(fā)布的《關(guān)于全面深化課程改革 落實立德樹人根本任務(wù)的意見》中明確提出“要加快制定學(xué)生核心素養(yǎng)體系，并把核心素養(yǎng)落實到學(xué)科教學(xué)中，促進學(xué)生全面而有個性的發(fā)展”。從學(xué)生核心素養(yǎng)到學(xué)科核心素養(yǎng)是課程改革深入推進的必然選擇[1]。學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)已經(jīng)在各年段各學(xué)科領(lǐng)域掀起了一場改革熱潮，地理作為一門基礎(chǔ)性的科學(xué)課程，對構(gòu)建學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、發(fā)展綜合素質(zhì)有著不可替代的作用。教育部對地理核心素養(yǎng)的權(quán)威界定包含人地協(xié)調(diào)觀、綜合思維、區(qū)域認知、地理實踐力四個要素，很好地凝練了地理學(xué)科的育人價值[2]。

2.STEM教育理念

STEM教育由美國首倡，隨后在世界范圍內(nèi)得到認可和發(fā)展，它強調(diào)通過項目式學(xué)習(xí)方式將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)進行有機融合，被公認為“有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、創(chuàng)新意識、批判性思維、信息技術(shù)能力等未來社會必備的技能和創(chuàng)新能力”，是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的最好載體[3]。尤其與科學(xué)教育的融合是STEM教育發(fā)展的主要趨勢。在當(dāng)前國內(nèi)的分科教學(xué)體制內(nèi)，在學(xué)科教學(xué)中滲透STEM教育理念、發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)是推廣STEM教育與落實核心素養(yǎng)的適切途徑。

二、融入STEM 教育理念開展地理教學(xué)的可行性分析

1.地理學(xué)科的綜合性與實用性特點為STEM教育理念融入地理教學(xué)提供契合點

STEM教育注重培養(yǎng)學(xué)生運用跨學(xué)科思維去認識世界和解決基于真實情境的問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。由此可見，STEM教育側(cè)重以綜合的形式培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)[4]。而地理學(xué)科是一門綜合性強、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的交叉性學(xué)科，學(xué)科本身包含了物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的科學(xué)知識與原理，又有自然科學(xué)、社會科學(xué)與技術(shù)科學(xué)的相互交叉，同時與生活實際的聯(lián)系十分密切，“學(xué)習(xí)對生活有用的地理”也是地理課程的基本理念。因此，在選擇地理主題進行真實情景問題的創(chuàng)設(shè)、跨學(xué)科知識整合、結(jié)合技術(shù)解決來源于生活的實際問題等方面具有很強的可操作性。

2.基于項目學(xué)習(xí)(PBL)的教學(xué)模式為STEM教育理念融入地理教學(xué)提供了良好的途徑

基于PBL(Project-based Learning)教學(xué)模式進行STEM教學(xué)更能培養(yǎng)學(xué)生分析、解決復(fù)雜問題的能力[5]。在融入STEM教育理念的地理教學(xué)中，學(xué)生以項目式學(xué)習(xí)方式進行積極合作探究與交流，在各個教學(xué)環(huán)節(jié)中均能很好地落實學(xué)生的主體性地位，有助于地理核心素養(yǎng)的達成。高校研究者及一線教學(xué)工作者結(jié)合PBL教學(xué)模式，圍繞各年段STEM教育理念融入物理、化學(xué)、生物、信息技術(shù)等的學(xué)科教學(xué)進行了一定的探索，并呈現(xiàn)了可操作性與良好的教學(xué)效果。

三、指向地理核心素養(yǎng)的STEM教學(xué)設(shè)計案例分析

在中學(xué)地理教學(xué)中滲透STEM教育理念、發(fā)展地理核心素養(yǎng)已有了不少理論與實踐的探索，但在高等教育階段還缺乏相關(guān)研究。如作為培養(yǎng)小學(xué)科學(xué)教師儲備人才基地的科學(xué)教育專業(yè)，地理課程是其核心專業(yè)課程之一，從學(xué)生專業(yè)發(fā)展和職業(yè)需求來講，地理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成對促進其核心素養(yǎng)與專業(yè)素養(yǎng)的提升具有重要意義。本文以科學(xué)教育專業(yè)學(xué)生為授課對象，結(jié)合學(xué)生專業(yè)特色與崗位需求，嘗試在《太陽高度角》一課的教學(xué)中融入STEM教育理念，結(jié)合項目式(PBL)教學(xué)模式探索落實學(xué)生STEM素養(yǎng)與地理核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的有效途徑。

1.融入STEM理念的《太陽高度角》教學(xué)設(shè)計

(1)創(chuàng)設(shè)情境 問題導(dǎo)入

當(dāng)前社會，樓房與住宅之間因光照侵權(quán)問題引起的矛盾糾紛日益增多。建筑物的高度與樓間距都不應(yīng)影響鄰地建筑物的日照標(biāo)準和采光標(biāo)準。結(jié)合“正午太陽高度角知識”在建筑物樓間距問題上的應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)真實情境，通過系列問題的啟發(fā)，循序漸進引出本課的探究主題—“如何確定合理的樓間距”。以來源于生活實際的地理問題作為學(xué)習(xí)的開端，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動機。

(2)討論分析 提取核心概念

引導(dǎo)學(xué)生進一步討論分析，如何利用太陽高度角的知識解決今天的任務(wù)呢？厘清解決問題的思路與步驟，提取核心概念，明確核心任務(wù)(如圖1所示)。

圖1 問題解決的框架及相關(guān)概念示意圖

通過關(guān)聯(lián)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識，促使學(xué)生形成相關(guān)概念的邏輯體系，引導(dǎo)學(xué)生運用跨學(xué)科的思維思考解決問題的路徑，訓(xùn)練自主探究科學(xué)問題的方法，驅(qū)動學(xué)生的項目式學(xué)習(xí)。

(3)探究核心概念 獲取科學(xué)認知

按照上述思路，以小組為單位，組織學(xué)生開展學(xué)習(xí)探究活動。運用豐富的地圖、視頻等素材進行教學(xué)，并注重結(jié)合學(xué)生生活經(jīng)驗，引導(dǎo)學(xué)生獲得核心概念的科學(xué)認知，掌握正午太陽高度角的變化規(guī)律，為解決樓間距的問題鋪墊好知識基礎(chǔ)。并引導(dǎo)學(xué)生找到解決實際問題的關(guān)鍵：要保證位于本市的各樓層有充足的采光，最關(guān)鍵在于確保一樓的房間在冬至日這一天也有陽光進入房間，則全年都會有良好的采光。即需要獲知本地冬至日這一天的正午太陽高度角大小，以計算出合理的樓間距。

(4)引入工程項目 解決實際問題

根據(jù)上述分析，基于STEM教育理念，引入小組合作探究的工程任務(wù)，促使學(xué)生解決實際問題。

①結(jié)合科技史 引出工程任務(wù)

首先，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)特點，對接小學(xué)科學(xué)教材中關(guān)于日晷、光和影等相關(guān)內(nèi)容，在教學(xué)中融入了我國古人發(fā)明日晷的科技史。其次，在借助多媒體資料展示介紹其發(fā)明及應(yīng)用后，引導(dǎo)小組探討日晷的原理并接著引入工程：動手制作一個太陽高度角測量器，測量本地的正午太陽高度角。

②數(shù)學(xué)輔助和技術(shù)支持 制作簡易太陽高度角測量器

首先，讓學(xué)生結(jié)合日晷的原理，根據(jù)教師準備的制作材料包，小組合作先畫出簡易太陽高度角測量器的設(shè)計草圖；其次，引導(dǎo)各小組討論制作太陽高度角測量器的步驟、制作成功的關(guān)鍵技術(shù)問題、需要注意的事項；最后，各小組根據(jù)設(shè)計圖與準備好的材料包安裝制作太陽高度角測量器(如圖2所示)并闡述其操作方法。

圖2 簡易太陽高度角測量器的安裝制作示意圖

③基于真實情境的創(chuàng)設(shè) 解決實際問題

首先，模擬測量太陽高度角。結(jié)合簡易太陽高度角測量器的使用原理，讓學(xué)生掌握太陽高度角的讀取方法后，利用手電筒模仿太陽光，小組先觀測正午12點時對應(yīng)的正午太陽高度角。其次，模擬測量冬至日本地的正午太陽高度角。探究本地不同季節(jié)正午太陽高度角的變化。最后，結(jié)合案例，引導(dǎo)學(xué)生借助數(shù)學(xué)思維和地理原理理解正午太陽高度角的數(shù)學(xué)計算方法，運用3D地球軟件的定位功能確定本地地理位置后，計算出本地冬至日的太陽高度角并對比分析測量結(jié)果與計算結(jié)果。

(5)展示交流 拓展提升

各小組代表上臺展示制作的太陽高度角測量器，匯報結(jié)論，并交流探究過程中遇到的問題及解決辦法。對比可發(fā)現(xiàn)模擬測量結(jié)果與數(shù)學(xué)計算結(jié)果存在一定的誤差，引導(dǎo)學(xué)生明確誤差存在的原因。通過展示交流，進一步實現(xiàn)思維的碰撞、表達的提升、情意的升華。此外，為進一步拓展提升該專業(yè)學(xué)生的科學(xué)研究能力與綜合素養(yǎng)，在地理核心素養(yǎng)上實現(xiàn)進階，指導(dǎo)學(xué)生將探究延伸到課后，并撰寫生成小組研究報告。

2.STEM素養(yǎng)與地理核心素養(yǎng)的對接分析

STEM教育是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的良好載體。STEM教育在融入學(xué)科教學(xué)時也需要關(guān)注學(xué)科核心素養(yǎng)。在上述地理STEM教學(xué)設(shè)計中，以地理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，注重綜合發(fā)展學(xué)生的STEM素養(yǎng)，并同時滲透地理核心素養(yǎng)(如圖3所示)。

圖3 教學(xué)案例中STEM素養(yǎng)與地理核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的對接示意圖

(1)STEM素養(yǎng)中滲透區(qū)域認知

學(xué)生結(jié)合地圖分析，在太陽直射點的回歸運動基礎(chǔ)上理解不同緯度地區(qū)太陽高度角及太陽輻射能的差異，并進一步基于全球區(qū)域尺度分析掌握正午太陽高度角的變化規(guī)律及計算方法，區(qū)域認知能力在被不斷運用中得到提升。

(2)STEM素養(yǎng)中滲透地理實踐能力

學(xué)生在項目合作探究中通過繪制設(shè)計圖并制作簡易太陽高度角測量器、運用信息化技術(shù)手段查詢本地緯度位置等，既能提升學(xué)生技術(shù)與工程素養(yǎng)，也能培養(yǎng)學(xué)生動手操作和運用地理原理解決實際問題的實踐能力，是地理核心素養(yǎng)中地理實踐力的綜合體現(xiàn)。

(3)STEM素養(yǎng)中滲透綜合思維

學(xué)生需要融合地理、物理、數(shù)學(xué)的相關(guān)知識，進行跨學(xué)科知識的遷移與運用；發(fā)揮空間想象力，借助讀圖、畫圖、析圖進行綜合分析與理解；同時通過引入工程，運用技術(shù)手段，解決實際問題，在做中學(xué)、學(xué)中思，經(jīng)歷思考、操作、交流評價的各個環(huán)節(jié)。整合的學(xué)習(xí)內(nèi)容與探究式的學(xué)習(xí)形式有利于促進學(xué)生綜合思維的發(fā)展。

(4)STEM素養(yǎng)中滲透人地協(xié)調(diào)觀

以居民住宅區(qū)樓間距的實際問題引入學(xué)習(xí)項目，幫助學(xué)生在聯(lián)系生活實際、分析解決問題的過程中意識到人類生產(chǎn)生活需要遵循和利用自然規(guī)律，達到人地和諧統(tǒng)一的發(fā)展，從而有效滲透了人地協(xié)調(diào)觀的地理核心素養(yǎng)。

《太陽高度角》的STEM項目探究學(xué)習(xí)中，學(xué)生可獲得多元化的學(xué)習(xí)環(huán)境與學(xué)習(xí)體驗，促進深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，兼顧了STEM素養(yǎng)與地理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，最終指向了核心素養(yǎng)的發(fā)展。

四、結(jié)語

滲透STEM教育理念的地理教學(xué)，以富有現(xiàn)實意義的項目任務(wù)驅(qū)動學(xué)生積極主動地聚焦問題、建構(gòu)問題解決思路、探究核心概念、著手解決問題，從而幫助學(xué)生有效構(gòu)建知識、能力與情意方面的地理核心素養(yǎng)。當(dāng)前國內(nèi)的STEM教育的本土化實踐中，各學(xué)段融合STEM教育理念的地理課程教學(xué)改革遠未有效開展和普及，但在地理核心素養(yǎng)的學(xué)科教育價值訴求之下，融入STEM教育理念的地理教學(xué)具有很大的探索價值與發(fā)展空間，將為當(dāng)下新一輪的地理教學(xué)改革提供有意義的借鑒。