地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)的適切性與實現(xiàn)路徑

彭紅梅 羅婭 李佳鑫 張豆豆 吳永東 王元洪 石春茂

關(guān)鍵詞：地理信息技術(shù);學(xué)科融合教學(xué);核心素養(yǎng);虛擬三維;地貌觀察

學(xué)科融合教學(xué)是全面提升學(xué)生核心素養(yǎng)的必然要求，也是促進學(xué)生知識綜合建構(gòu)的有效途徑，更是未來培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型人才的重要舉措。教育部頒布的《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》中強調(diào)加強跨學(xué)科的滲透融合，凸顯了學(xué)科融合教學(xué)在教育領(lǐng)域中的重要地位。地理信息技術(shù)是地理教學(xué)的重要手段與工具，同時具有多學(xué)科性質(zhì)，與物理、數(shù)學(xué)、生物、信息技術(shù)等學(xué)科息息相關(guān)。因此，利用地理信息技術(shù)能夠有效地輔助地理學(xué)科與其他學(xué)科融合教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力與知識的綜合建構(gòu)，同時還為學(xué)生未來的職業(yè)生涯規(guī)劃提供了一定的幫助[1]，對促進中學(xué)學(xué)科融合教學(xué)的改革和教育的信息化發(fā)展具有重要意義。

目前，學(xué)科的發(fā)展呈現(xiàn)出由“分”到“合”的趨勢，學(xué)科融合教學(xué)已成為中學(xué)教學(xué)關(guān)注的熱點領(lǐng)域。當(dāng)前中學(xué)地理教學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科融合教學(xué)研究主要從融合主體、融合策略、融合手段三個方面開展：①融合主體研究，分為單學(xué)科與單學(xué)科、單學(xué)科與多學(xué)科兩種融合主體。例如，STEM（Science、Technology、Engi?neering、Mathematics）教育是單學(xué)科與多學(xué)科融合教學(xué)的典范，是將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科與地理學(xué)科的跨學(xué)科融合教學(xué)，后續(xù)還增加了藝術(shù)（Arts）這一學(xué)科，衍生為STEAM教育。②融合策略研究，是將新興教學(xué)模式（如項目式教學(xué)模式、PBL教學(xué)模式等）應(yīng)用到教學(xué)中，以及研究學(xué)科融合策略中的路徑、原則和效果。③融合教學(xué)手段研究，目前主要是地理實踐與信息技術(shù)兩種手段及學(xué)科的融合教學(xué)，前者是將跨學(xué)科教學(xué)融入研學(xué)旅行、實踐活動和地理考察中，后者是利用某一軟件平臺輔助學(xué)科融合的管理與教學(xué)，發(fā)揮教師在教學(xué)中的管理作用，沒有達(dá)到地理信息技術(shù)輔助學(xué)生知識融合建構(gòu)的核心目標(biāo)。然而，已有關(guān)于地理信息技術(shù)輔助地理與其他學(xué)科之間的融合教學(xué)路徑尚不明晰。此外，核心素養(yǎng)的達(dá)成是教師教學(xué)的核心目標(biāo)，而學(xué)生作為教學(xué)的主體，其主體性在學(xué)科融合教學(xué)探尋中應(yīng)受到更多的關(guān)注。研究地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)，既是對地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)這一研究領(lǐng)域的重要補充，又能促進教育的信息化發(fā)展。

一、地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)的適切性

1.地理信息技術(shù)的多學(xué)科性質(zhì)，為學(xué)科融合教學(xué)搭建了橋梁

中學(xué)地理教學(xué)中的地理信息技術(shù)主要包括地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS），三者所蘊含的知識原理與物理、地理、信息技術(shù)等學(xué)科密切相關(guān)，這為學(xué)科融合教學(xué)搭建了橋梁。例如，遙感技術(shù)利用物理中電磁波的可見光反射原理，根據(jù)不同物體電磁波特性，利用不同波段實現(xiàn)從太空捕捉不同地物的基本信息，這項技術(shù)還可延展到地震波進行災(zāi)前預(yù)警，災(zāi)后輔助救援，體現(xiàn)了遙感原理及其應(yīng)用與物理、地理知識之間的學(xué)科融合。再如，由古代利用物理地磁場原理發(fā)明的指南針、羅盤，到現(xiàn)代利用微波實現(xiàn)信號傳輸與定位的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在導(dǎo)航方式的變遷中實現(xiàn)地理與物理、歷史等學(xué)科之間的融合。這些地理信息技術(shù)內(nèi)在的多學(xué)科性質(zhì)，為地理與物理、歷史、信息技術(shù)等學(xué)科融合教學(xué)奠定了良好的內(nèi)在基礎(chǔ)。

2.地理信息技術(shù)的多元數(shù)據(jù)及其可視化，為學(xué)科融合教學(xué)提供了豐富資源

地理信息技術(shù)具有較強的空間可視化功能，可將多種數(shù)據(jù)以地圖、虛擬三維等形式呈現(xiàn)，滿足多樣化的教學(xué)需求，并應(yīng)用于地理、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物等眾多學(xué)科，這為學(xué)科融合教學(xué)提供了豐富的教學(xué)資源。例如，在地貌觀察活動中，利用虛擬三維地貌模型、圖層疊加功能輔助地貌的識別、等高線的計算、物種豐富度的觀察，將信息技術(shù)與地理地貌、數(shù)學(xué)投影、生物物種等知識相聯(lián)系，實現(xiàn)學(xué)科融合教學(xué)。再如，遙感數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可觀測水體富營養(yǎng)化動態(tài)、空氣污染的范圍與路徑等，實現(xiàn)地理與信息技術(shù)、化學(xué)的融合教學(xué)。不僅如此，還可利用遙感的歷史影像數(shù)據(jù)，融入城市化歷史變遷知識，實現(xiàn)地理與信息技術(shù)、歷史的融合。

3.地理信息技術(shù)的不斷發(fā)展，為學(xué)科融合教學(xué)提供了新手段

地理信息技術(shù)輔助地理教學(xué)是未來教學(xué)的重要方式，其數(shù)據(jù)的開放性、實時性與共享性較強，能實現(xiàn)虛擬模擬三維地圖、空間疊加、緩沖區(qū)分析等功能，促進教育現(xiàn)代化發(fā)展，為學(xué)科融合教學(xué)提供新手段。例如，在地貌觀察教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式大多借助地貌模型教具或圖片，教具制作費時且成本高，二維圖片難以認(rèn)識其空間形態(tài)特征，而地理信息技術(shù)將遙感影像疊加高程數(shù)據(jù)即可簡單高效地呈現(xiàn)虛擬地貌模型。一是學(xué)生通過操作虛擬三維地貌模型，觀察識別地貌的基本特征，實現(xiàn)信息技術(shù)與地理的融合教學(xué);二是遙感影像可以真實呈現(xiàn)某區(qū)域的物種豐富度，這有利于觀察、認(rèn)識和對比不同地貌下的物種豐富度差異，認(rèn)識到環(huán)境與地理條件之間的重要關(guān)系，實現(xiàn)地理信息技術(shù)輔助地理與生物之間的融合。再如，城市化教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式是利用實景圖片的變化，方式單一難以吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，但地理信息技術(shù)下的夜間燈光遙感影像，輔助學(xué)生認(rèn)識城市化的歷史發(fā)展變化與不同區(qū)域城市化發(fā)展水平的對比，實現(xiàn)了信息技術(shù)輔助地理與歷史的學(xué)科融合教學(xué)，也是學(xué)科融合教學(xué)手段的科技化、現(xiàn)代化體現(xiàn)。

二、地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)的路徑

1.吸——以3S載體激發(fā)興趣，創(chuàng)學(xué)科融合課堂

長期以來，學(xué)生在課堂中的參與度一直被認(rèn)為是高效教育的核心[2]，課堂參與度受興趣因素的影響最大。興趣與生活密不可分，知識的學(xué)習(xí)還需與生活實際相鏈接，從而在核心素養(yǎng)培養(yǎng)下將知識內(nèi)化于心、外化于行[3]。地理信息技術(shù)以圖片、視頻、虛擬現(xiàn)實等形象直觀地呈現(xiàn)地理事物或現(xiàn)象，是有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要手段與工具[4]。在“吸引”環(huán)節(jié)，先利用地理信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)平面等高線匹配識別小游戲的勘察情境，將等高線與遙感影像、生活實景相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)學(xué)投影、地理影像和信息技術(shù)多學(xué)科的融合教學(xué)，且新穎的學(xué)習(xí)方式能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，利于創(chuàng)造深度的課堂參與。然后利用3S勘察錦囊原理知識卡，將地理信息技術(shù)所蘊含的物理電磁波知識與地理相融合，為地理信息技術(shù)輔助地理與物理、生物等學(xué)科的融合創(chuàng)建新課堂。

2.探——以多角度三維虛擬，探地貌特征差異

學(xué)科融合是從多學(xué)科的角度激發(fā)學(xué)生對知識的綜合學(xué)習(xí)和對問題的多角度探究。探究是個人與集體協(xié)作解決問題的過程，而協(xié)作與會話是建構(gòu)主義理論中學(xué)習(xí)環(huán)境的四大要素之二，是達(dá)成學(xué)習(xí)效果、提升學(xué)生綜合思維的重要武器[5]。為更好地促進學(xué)生的協(xié)作交流，分配任務(wù)需明確組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)的分組原則。在“探究”環(huán)節(jié)，學(xué)生操作ArcScene軟件觀察三維虛擬地貌，從地理的角度分析地理位置、坡度、起伏度等特征，從數(shù)學(xué)的角度解釋等高線疏密度與相對高度，從生物的角度探究物種豐富度及人地關(guān)系，實現(xiàn)在多角度探究中，將地理與生物、數(shù)學(xué)、信息等學(xué)科融合教學(xué)，在主動建構(gòu)與合作構(gòu)建中習(xí)得地圖識圖技能、認(rèn)識信息技術(shù)、鍛煉空間思維，最終達(dá)到提升綜合思維的核心素養(yǎng)目標(biāo)。

3.論——以多學(xué)科問題情境，論不同地貌成因

論證是建構(gòu)的重要過程，當(dāng)學(xué)生在知識認(rèn)知與原有認(rèn)知相駁時，會進行深層次的論證，再次建構(gòu)新的認(rèn)知，逐漸形成高階思維，問題情境創(chuàng)設(shè)是高階思維形成的關(guān)鍵。在“論證”環(huán)節(jié)，通過創(chuàng)設(shè)地貌成因問題的探究活動情境，學(xué)生利用地理信息技術(shù)呈現(xiàn)的虛擬地貌進行深層次的剖析與辯論，包括利用化學(xué)方程式從化學(xué)的角度探究喀斯特地貌的成因、張掖丹霞地貌的多彩奧秘，運用曲線運動原理與地轉(zhuǎn)偏向力從物理的角度論證河流地貌的形成，從而以多學(xué)科角度論證不同地貌的成因，實現(xiàn)學(xué)生高階思維的擴展。

4.遷——以重組性遷移應(yīng)用，析學(xué)科融合試題

所謂學(xué)習(xí)遷移，是指知識在新條件下的進一步學(xué)習(xí)，是對知識的深化理解與心理應(yīng)用范圍的擴充[6]。

它是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生持續(xù)性發(fā)展的重要過程，是檢驗學(xué)生是否真正達(dá)到對知識自主建構(gòu)的重要標(biāo)準(zhǔn)，可利用活動設(shè)計、習(xí)題檢驗、開放性試題等方式實現(xiàn)。在“遷移”環(huán)節(jié)，一是選取具有多學(xué)科特色、綜合性較強的高考試題練習(xí)深化學(xué)生對知識的理解與遷移，從語文漢字的角度分析“河”“梁”“柳”與地理環(huán)境之間的關(guān)系，并分析其中的地理要素;二是通過開放性課后試題的形式，讓學(xué)生從多學(xué)科角度思考“如何實現(xiàn)貴州省喀斯特地區(qū)的鄉(xiāng)村振興發(fā)展”，并提出合理化建議，深化提升學(xué)生的情感態(tài)度價值觀。這樣通過多元試題的形式實現(xiàn)知識重組性遷移與應(yīng)用，將語文、生物等學(xué)科知識自然地遷移到地理問題的理解與應(yīng)用中，促進學(xué)生的持續(xù)性發(fā)展與核心素養(yǎng)提升。

5.評——以多元性指標(biāo)量表，評融合教學(xué)成效

評價是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，貫穿教學(xué)的始終，能為學(xué)生學(xué)習(xí)成效與教師教學(xué)效果提供一定的優(yōu)化依據(jù)[7]。評價主要分為自評、小組互評和教師評價，評價內(nèi)容量表以學(xué)科融合和地理信息技術(shù)輔助效果的角度進行設(shè)計，需注重過程性評價與形成性評價，以發(fā)揮評價的重要作用。在“評價”環(huán)節(jié)，評價學(xué)生能從物理、化學(xué)的角度分析地貌形成原因的達(dá)成度，能從生物的角度分析不同地貌的物種豐富度、認(rèn)識人地關(guān)系，能利用地理信息技術(shù)輔助自己從數(shù)學(xué)的角度認(rèn)識等高線地形圖的能力，從地理的角度分析地貌特征等。注重在評價中檢驗學(xué)生對學(xué)科融合知識點的掌握、地理信息技術(shù)能力提升效果以及核心素養(yǎng)達(dá)成度。

三、地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)示例

本文為充分發(fā)揮地理信息技術(shù)輔助多學(xué)科融合的可能性，探索提出學(xué)科融合教學(xué)的“吸—探—論—遷—評”關(guān)鍵路徑（圖1）?，F(xiàn)以“虛擬野外地貌教學(xué)”為例，突出學(xué)生主體，以實現(xiàn)學(xué)科融合教學(xué)的綜合育人功能與培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計地理信息技術(shù)輔助地理與物理、化學(xué)、生物、信息等學(xué)科融合的“教—學(xué)”案例（表1）。

四、結(jié)語

以“虛擬野外地貌教學(xué)”為例，探究利用地理信息技術(shù)輔助地理與其他學(xué)科的融合教學(xué)。一是明晰了學(xué)科融合教學(xué)路徑，構(gòu)建了“吸—探—論—遷—評”的關(guān)鍵路徑，創(chuàng)設(shè)了虛擬三維地貌的學(xué)習(xí)情境，將抽象知識立體化，極大地發(fā)揮了地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)的重要作用，利于學(xué)生的空間思維與地理信息技術(shù)培養(yǎng)。二是將地理教學(xué)中的地理現(xiàn)象與物理、化學(xué)、生物、信息等學(xué)科知識相融合，模糊了學(xué)科教學(xué)界限，通過探究與論證等方法激發(fā)學(xué)生調(diào)用多學(xué)科知識，促進了學(xué)生綜合思維的發(fā)展與核心素養(yǎng)的提升。三是“教—學(xué)”活動突出學(xué)生主體，在“探—論—遷—評”中加強學(xué)生的自主建構(gòu)與合作構(gòu)建，在建構(gòu)中習(xí)得地貌識別的基本方法，在協(xié)作中培養(yǎng)合作探究精神，在辯論中磨煉批判思維，在遷移中檢驗學(xué)習(xí)成效，在評價中獲得自我效能。

學(xué)科融合教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要形式之一，它將是未來學(xué)科教學(xué)發(fā)展的一大趨勢。本研究提供了學(xué)科融合教學(xué)的一種參考路徑，但地理信息技術(shù)并不適用于所有教學(xué)內(nèi)容，還需教師不斷地挖掘地理信息技術(shù)在中學(xué)地理教學(xué)中的適用性。在學(xué)科融合教學(xué)過程中，教師需結(jié)合實際的教學(xué)條件與教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整優(yōu)化，以達(dá)到更好的學(xué)科融合教學(xué)效果。