融入STEAM教育理念的高中地理實驗進階設計

摘 要：高中地理中涉及許多地理現象的演化過程，借助模擬實驗能夠一定程度上幫助學生突破知識理解的障礙，操作實驗能夠鍛煉學生的動手能力，也給學生遭遇難題、克服困難預留充足空間，契合地理實踐力素養要求的“地理實踐活動具備的意志品質和行動能力”。針對初高中階段均涉及的模擬實驗，在高中階段的地理實驗中融入STEAM教育理念，可以實現地理學科知識和技能的進階，同時通過不同階段的實踐任務實現學生個人綜合素養的提升。

關鍵詞：地理實驗；地理實踐力；STEAM教育理念

黨的十九大提出了“落實立德樹人根本任務，發展素質教育”的基本要求，明確了國家所需的人才應是德智體美勞全面發展的。我國長期施行的課程分科體制提高了教與學的成效，利于促進學生的專業學習；但是分科教學也一定程度上限制了學生的整體認知和全面發展[1]。源于現實世界的真實問題與分科學習所獲知識、技能之間需要架設一道聯結二者的橋梁。STEAM教育理念引入中學地理實驗教學實踐即基于上述背景而開展的教學嘗試。STEAM教育理念主張將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）、藝術（Art）等學科知識進行融合，運用綜合的思維解決實際問題[2]，契合我國“培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人”的教育根本目標。

目前，新一輪的高中地理課程改革正在進行，其中明確提出“加強地理實踐”。作為地理實踐主要途徑的地理實驗，旨在通過實驗引導學生從地理學科視角認識真實世界，嘗試從科學探究的角度思考、行動[3]，親歷科學知識產生的過程，增強地理實踐能力，即落實“地理實踐力”的學科核心素養。從學科角度出發，實驗是地理學重要的研究方法；從學生素養培育角度出發，讓學生動手完成實驗既是目標實現的方式，也是評價學生素養達成度的途徑。

常規的高中地理實驗對于提升學生認知、理解地理學科知識、原理、過程的效果是毋庸置疑的，除此之外，實驗涉及的材料準備、數據記錄、團隊合作、成果展示等方面亦可作為促進學生全面發展的教學資源。筆者認為融入STEAM教育理念的中學地理實驗教學可充分利用上述資源，提高教學效率，實現更深層的教學目標。

筆者在設計“制作太陽系模型”的前期調查中發現，學生的參與積極性不高，緣于這一話題在小學科學、初中地理均有涉及。相較于初中階段，高中生的抽象思維越發成熟，但是，面對宏大的宇宙空間，單純由教師通過語言或圖片、視頻等方式是難以“說服”學生的。如何在高中地理學科中“玩”出不一樣的“太陽系模型”，如何讓學生親身體驗“宇宙的浩瀚”成為本次教學設計的重點、難點。如何突破，筆者想到了引入STEAM教育理念到本次模型制作的實驗中，將本已熟悉的教學內容演變成綜合的、跨學科的探究性實踐活動，設計教學環節“引導學生經歷相對完整、規范的科學研究過程，培養動手實踐能力及求真求實的科學態度”[4]。

一、目標先行，設計實踐任務

結合STEAM教育理念，通過設計實驗任務，驅動學生綜合應用科學、數學、技術、工程、藝術等學科的知識、技能、方法輔助太陽系模型的制作；依據真實問題設計的實踐任務驅動學生參與探究、解決問題的過程中，提升地理實驗教學的效率。

本次實驗共分為三個階段：

第一，準備階段。主要實踐任務設定為太陽系科學探索的相關資料收集、模型制作基本數據的獲取，以及模型制作的材料準備。預估成果包括“太陽系的發現和起源”展示海報；太陽系主要天體的赤道半徑和軌道半徑數據；準備好模型制作所需的材料。

第二，模型制作階段。主要實踐任務為學生以小組為單位，共同合作，利用課堂時間完成太陽系主要天體數據的轉換，并利用準備好的材料做出太陽系模型。預估成果為各小組完成各自的太陽系模型。本階段需要學生親歷數據處理的過程，計算機操作技能的熟練程度會影響實驗進度，小組中不同成員的分工合作自然顯現；模型制作并非把材料進行簡單，需要經歷從無到有，再到精細的步驟，學生必須通力合作，不斷調試，才可能做出成員均滿意的作品。

第三，評價與總結階段。本階段的實踐任務設定為向全校師生展示本次實驗制作的太陽系模型，同時教師強調展覽的目的是提高觀展師生對天文學的認識，為公眾科普貢獻自己的一份力量。為了辦成一場有意義的展覽，學生需要額外學習科普展覽的辦理知識，或者請教相關人士，使太陽系模型展覽完整、有序。最后階段的設計促使學生必須由規范、有序的課堂學習轉向復雜、多變的現實生活，體驗思維轉動的樂趣。

實驗預期達成的目標如下：

（一）通過搜集、整理“太陽系的發現和起源”，理解科學發展的曲折以及科學家對真理不懈追求的精神。（地理實踐力、科學）

（二）能夠選擇適宜的數據處理工具，借助信息技術整理實驗數據，理解太陽系的寬廣和宇宙的無限。（技術、數學）

（三）利用前期準備的材料，在符合實驗科學性的前提下，提升太陽系模型的可觀賞性。（地理實踐力、藝術）

（四）以小組為單位，共同完成太陽系模型的制作，在這一過程中體驗工程制造的樂趣，運用集體智慧解決模型制作過程中的問題。（工程）

（五）學會展示模型作品，并通過適當方式吸引觀眾；學會向他人展示自身的優點。（藝術、工程）

二、執行任務，匯報實驗結果

（一）準備階段

1.教師活動

太陽系是人類的家園，真實的太陽系是什么樣子的？現在，人類對太陽系的探索可以畫上句號了嗎？

布置任務：搜集、整理太陽系的發現與探索歷程；匯總反映太陽系結構的主要數據（包含主要天體的半徑及公轉軌道半徑）；準備制作太陽系模型的材料。

2.學生活動

學生通過查詢專業網站、書籍等獲取太陽系主要構成天體的半徑及公轉軌道半徑的數據；咨詢數學教師或信息教師，學習處理數據集的方法；向通用技術教師詢問制作太陽系模型的材料選取。

3.設計意圖

一反常規地理實驗的“情境材料呈現，學生探究”的活動流程，更改為由學生合作完成一手情境資料的搜集、整理、呈現；由教師準備好實驗的各個流程、器材，變成由學生自行搜集、處理模型制作所需的數據，并依據數據準備實驗材料。兩個轉變滲透STEAM教育理念，驅動學生運用綜合的思維解決實際問題。

（二）實驗階段

1.教師活動

任務一：太陽系主要天體的半徑和公轉軌道半徑采用同一個比例尺，按比例縮小來制作模型。

任務二：太陽系主要天體的半徑和公轉軌道半徑分別采用一個比例尺，按比例縮小來制作模型。

2.學生活動

學生借助計算機完成數據的換算，并探討實驗數據用于制作模型的可行性。

初次實驗可行性分析：太陽系的主要天體及公轉軌道若按同一比例尺縮小，很難在教室空間內完成模型的制作，因二者的數據大小差異較大。

再次實驗可行性分析：太陽系的主要天體及公轉軌道分別選取一個比例尺縮小，可以獲取在教室空間內能夠制作出來的太陽系模型的基礎數據。

3.設計意圖

通過兩個實驗任務的設計，引導學生利用數學、信息、通用技術等學科的知識、技能、方法輔助太陽系模型的制作；借助計算機完成實驗數據的換算，將現代信息技術與傳統的地理實驗手段相結合，多角度闡述地理問題，提高地理實驗教學的效率。

（三）評價與總結階段

1.教師活動

布置任務：按照已獲取的實驗數據制作太陽系模型；以學校師生作為觀展對象，結合“宇宙空間探索”“太陽系發現之旅”“著名天文學家介紹”三部分內容，設計內涵豐富的太陽系模型展會。

2.學生活動

學生以小組為單位，共同整理前期搜集的宇宙科學發展的相關資料，制作“太陽系的發現和起源”展示海報，配合制作完成的太陽系模型進行展示，引導觀展師生按照如下順序體會太陽系的科學探索：太陽系的古代探索與猜想，太陽系的現代探尋之路，太陽系的未來暢想。

3.設計意圖

以往的實驗教學的結果或是實驗現象的驗證，或是實驗數據的記錄及結論探討，抑或實驗模型的制作，最終的實驗效果僅班級內部的師生有所感悟；本次的實驗教學則希望能夠讓學生拓展實驗的收獲，如面向師生的模型展示需要考慮如何規劃展覽線路，需要技術、工程等學科支撐海報制作、模型置放的完成，同時，作為一場展覽，還需要美術學科加持才能讓觀展師生獲得美的視覺體驗。

三、實驗設計不足與優化

太陽系模型在學生的學習生涯中并非第一次遇上，以往的模型多是根據太陽系各天體的相對大小，用橡皮泥之類的材料制作出模型；本節實驗課不同之處在于，模型制作之前需要先進行模型數據的計算，從實驗數據獲取、實驗數據選擇、實驗材料應用、實驗模型制作、模型展示與說明，相同的實驗話題，在融入STEAM教育理念之后，豐富了實驗本身，也拓展了實驗前后的課外探究，實現初高中同一實驗主題的進階設計，更符合高中生的思維和學識水平。當然，在實驗過程中，也發現個別不足，有待進一步改進。

（一）任務顯零散，設計需條理

本次實驗從前期準備到模型制作、展覽布置，任務的下達均是由教師分次發布，加上實驗的時間跨度較長，容易給學生造成本次實驗教學是割裂為多個獨立實驗的錯覺，降低實驗的完整性。為了增強本次實驗的條理和體系，教師應提前將實驗任務以紙質實驗手冊的形式發放到學生手中，布置學生按照實驗手冊要求完成各環節的內容。

（二）多學科融合，專業略不足

本次實驗嘗試融入STEAM教育理念，實驗過程中需要其他學科的知識或技能時僅要求學生去請教相應科任教師或者由教師直接教授，專業度恐不足。實驗過程中涉及的科學、數學、技術、工程、藝術等學科內容是否能夠達成本學科的核心素養，需要向相應學科教師請教，以確保學科融合的

效果。

（三）模型可展覽，評價如何定

本次實驗教學的終點設定為展覽實驗制作的太陽系模型，結合教師布置的將展覽系列化的要求，能夠敦促學生將模型展覽布置得更有吸引力和可觀賞性。然而也存在一個問題，不同學生小組的作品是共同參展的，如何評價各小組的實驗效果呢？后續可考慮，在展覽現場放置投票箱，由觀展師生選出最受觀眾喜愛模型、最具創意模型等作品獎項，進一步激勵學生投入實驗過程中。

四、結論

地理實驗是培養學生地理實踐力的一種有效方式。地理實驗應該在中學地理教學中占有一定的地位[5]。在本次實驗開展的過程中，除了完成實驗的預定目標，也能夠考驗了學生的觀察力、想象力、執行力、團結協作能力等。筆者設計了整個實驗的框架，但是各項實驗器材的準備、實驗的開展、實驗的觀察均是由學生自行完成的，包括過程中遇到的許多問題也都是由學生共同努力解決的。這樣一次地理實驗教學的開展與新課標對地理實踐力的素養要求完全契合。

地理實驗教學能有效提升學生的學習熱情，幫助學生理解地理重難點知識，培養學生探究地理問題的興趣，提升學生的學科思維能力，落實學科核心素養。“宇宙中的地球”這部分內容所涉空間廣，難以在有限的時空內通過實地考察對它們進行準確描述，學生難以通過教師的講解獲得理解和掌握。本次實驗課的重點不在于最終做出完美的太陽系模型，但是學生經歷了相對完整的實驗探究過程，對地球在宇宙中的定位也有了更深刻的理解。

地理實驗教學應該持續開展。當前已經開展的許多地理實驗教學常因其設計的淺表性、科學性問題等原因無法被廣泛接納。筆者本次開展太陽系模型制作模擬實驗，若僅將目標定位為完成模型制作，未免太過應付，倒不如考慮其他先進教學理念的融合，讓筆者嘗試融入STEAM教育理念設計本次實驗。實驗結束后，既完成了預定目標，也培養了學生的地理實踐力素養。任何成功的理論均是源于初期的試錯、反思，不斷完善，往接近科學的方向前進。因此，勇于嘗試是推動地理實驗教學的基礎，是落實地理實踐力素養的有效方式[6]。

結束語

深入探索地理實驗教學的實施路徑。有學者指出現階段的地理實驗教學的困境源于現有研究尚未從學理上探討地理實驗存在的合法性問題，未能追問為什么必須有地理實驗、應該有怎樣的實驗等元理論層面的中心議題。教學一線的地理教師是地理實驗的主要實踐者，應該努力將現有的地理實驗成果展示出來，一方面讓專家、學者從更高層面為實驗給予評價及改進建議，另一方面也能夠起到“拋磚引玉”的作用，吸引更多同行加入地理實驗教學的開展隊伍中。如此一來，地理實驗教學將從理論層面和實踐層面雙線發展，推動地理實驗教學早日形成完整的課程體系。

參考文獻

[1]朱雪梅，王敏萱.跨學科主題學習：初中地理課程改革的新挑戰[J].地理教育，2022（7）：3-7.

[2]呂薪秀.STEAM教育理念在中學地理教學中的應用實例與發展策略[J].中學地理教學參考，2021（12）：7-9.

[3]何李紅，劉新華.地理實踐力的研究現狀與發展趨勢[J].基礎教育研究，2019（23）：50-52.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[5]徐寶芳，張衛青主編.中學地理實驗教學研究[M].西安：陜西師范大學出版總社有限公司，2018.

[6]張海.地理實驗教學的困境與實現路徑[J].地理教學，2019（9）：13-16，26.

本文系福建省中青年教師教育科研項目資助“基于STEAM教育理念的地理實踐活動設計與實施研究”（項目編號：JSZJ21064）。