指向地理核心素養的STEM教學設計探析
——以《太陽高度角》一課為例

李 娟 陳 典

一、地理核心素養與STEM教育

核心素養與STEM教育(科學、技術、工程、數學)是當今國內外教育領域的兩個熱門議題，落實核心素養培養目標與推進STEM教育本土化是國家的重要教育戰略目標。

1.地理核心素養

2014年教育部發布的《關于全面深化課程改革 落實立德樹人根本任務的意見》中明確提出“要加快制定學生核心素養體系，并把核心素養落實到學科教學中，促進學生全面而有個性的發展”。從學生核心素養到學科核心素養是課程改革深入推進的必然選擇[1]。學生核心素養的培養已經在各年段各學科領域掀起了一場改革熱潮，地理作為一門基礎性的科學課程，對構建學生科學素養、發展綜合素質有著不可替代的作用。教育部對地理核心素養的權威界定包含人地協調觀、綜合思維、區域認知、地理實踐力四個要素，很好地凝練了地理學科的育人價值[2]。

2.STEM教育理念

STEM教育由美國首倡，隨后在世界范圍內得到認可和發展，它強調通過項目式學習方式將科學、技術、工程與數學進行有機融合，被公認為“有助于培養學生的科學探究能力、創新意識、批判性思維、信息技術能力等未來社會必備的技能和創新能力”，是培養學生核心素養的最好載體[3]。尤其與科學教育的融合是STEM教育發展的主要趨勢。在當前國內的分科教學體制內，在學科教學中滲透STEM教育理念、發展學科核心素養是推廣STEM教育與落實核心素養的適切途徑。

二、融入STEM 教育理念開展地理教學的可行性分析

1.地理學科的綜合性與實用性特點為STEM教育理念融入地理教學提供契合點

STEM教育注重培養學生運用跨學科思維去認識世界和解決基于真實情境的問題，從而培養學生的STEM素養。由此可見，STEM教育側重以綜合的形式培養學生的綜合素養[4]。而地理學科是一門綜合性強、應用領域廣泛的交叉性學科，學科本身包含了物理、化學、生物等領域的科學知識與原理，又有自然科學、社會科學與技術科學的相互交叉，同時與生活實際的聯系十分密切，“學習對生活有用的地理”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設、跨學科知識整合、結合技術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.基于項目學習(PBL)的教學模式為STEM教育理念融入地理教學提供了良好的途徑

基于PBL(Project-based Learning)教學模式進行STEM教學更能培養學生分析、解決復雜問題的能力[5]。在融入STEM教育理念的地理教學中，學生以項目式學習方式進行積極合作探究與交流，在各個教學環節中均能很好地落實學生的主體性地位，有助于地理核心素養的達成。高校研究者及一線教學工作者結合PBL教學模式，圍繞各年段STEM教育理念融入物理、化學、生物、信息技術等的學科教學進行了一定的探索，并呈現了可操作性與良好的教學效果。

三、指向地理核心素養的STEM教學設計案例分析

在中學地理教學中滲透STEM教育理念、發展地理核心素養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研究。如作為培養小學科學教師儲備人才基地的科學教育專業，地理課程是其核心專業課程之一，從學生專業發展和職業需求來講，地理核心素養的養成對促進其核心素養與專業素養的提升具有重要意義。本文以科學教育專業學生為授課對象，結合學生專業特色與崗位需求，嘗試在《太陽高度角》一課的教學中融入STEM教育理念，結合項目式(PBL)教學模式探索落實學生STEM素養與地理核心素養培養目標的有效途徑。

1.融入STEM理念的《太陽高度角》教學設計

(1)創設情境 問題導入

當前社會，樓房與住宅之間因光照侵權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影響鄰地建筑物的日照標準和采光標準。結合“正午太陽高度角知識”在建筑物樓間距問題上的應用，創設真實情境，通過系列問題的啟發，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習的開端，激發學生的學習興趣與動機。

(2)討論分析 提取核心概念

引導學生進一步討論分析，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(如圖1所示)。

圖1 問題解決的框架及相關概念示意圖

通過關聯科學、技術、工程、數學等多學科知識，促使學生形成相關概念的邏輯體系，引導學生運用跨學科的思維思考解決問題的路徑，訓練自主探究科學問題的方法，驅動學生的項目式學習。

(3)探究核心概念 獲取科學認知

按照上述思路，以小組為單位，組織學生開展學習探究活動。運用豐富的地圖、視頻等素材進行教學，并注重結合學生生活經驗，引導學生獲得核心概念的科學認知，掌握正午太陽高度角的變化規律，為解決樓間距的問題鋪墊好知識基礎。并引導學生找到解決實際問題的關鍵：要保證位于本市的各樓層有充足的采光，最關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

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

①結合科技史 引出工程任務

首先，結合學生的專業特點，對接小學科學教材中關于日晷、光和影等相關內容，在教學中融入了我國古人發明日晷的科技史。其次，在借助多媒體資料展示介紹其發明及應用后，引導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數學輔助和技術支持 制作簡易太陽高度角測量器

首先，讓學生結合日晷的原理，根據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計草圖；其次，引導各小組討論制作太陽高度角測量器的步驟、制作成功的關鍵技術問題、需要注意的事項；最后，各小組根據設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基于真實情境的創設 解決實際問題

首先，模擬測量太陽高度角。結合簡易太陽高度角測量器的使用原理，讓學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。探究本地不同季節正午太陽高度角的變化。最后，結合案例，引導學生借助數學思維和地理原理理解正午太陽高度角的數學計算方法，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果與計算結果。

(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，匯報結論，并交流探究過程中遇到的問題及解決辦法。對比可發現模擬測量結果與數學計算結果存在一定的誤差，引導學生明確誤差存在的原因。通過展示交流，進一步實現思維的碰撞、表達的提升、情意的升華。此外，為進一步拓展提升該專業學生的科學研究能力與綜合素養，在地理核心素養上實現進階，指導學生將探究延伸到課后，并撰寫生成小組研究報告。

2.STEM素養與地理核心素養的對接分析

STEM教育是培養核心素養的良好載體。STEM教育在融入學科教學時也需要關注學科核心素養。在上述地理STEM教學設計中，以地理核心素養為導向，注重綜合發展學生的STEM素養，并同時滲透地理核心素養(如圖3所示)。

圖3 教學案例中STEM素養與地理核心素養培養目標的對接示意圖

(1)STEM素養中滲透區域認知

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

(2)STEM素養中滲透地理實踐能力

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

(3)STEM素養中滲透綜合思維

學生需要融合地理、物理、數學的相關知識，進行跨學科知識的遷移與運用；發揮空間想象力，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，運用技術手段，解決實際問題，在做中學、學中思，經歷思考、操作、交流評價的各個環節。整合的學習內容與探究式的學習形式有利于促進學生綜合思維的發展。

(4)STEM素養中滲透人地協調觀

以居民住宅區樓間距的實際問題引入學習項目，幫助學生在聯系生活實際、分析解決問題的過程中意識到人類生產生活需要遵循和利用自然規律，達到人地和諧統一的發展，從而有效滲透了人地協調觀的地理核心素養。

《太陽高度角》的STEM項目探究學習中，學生可獲得多元化的學習環境與學習體驗，促進深度學習的發生，兼顧了STEM素養與地理核心素養的培養目標，最終指向了核心素養的發展。

四、結語

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