指向地理核心素养的STEM教学设计探析——以《太阳高度角》一课为例

李 娟 陈 典

一、地理核心素养与STEM教育

核心素养与STEM教育(科学、技术、工程、数学)是当今国内外教育领域的两个热门议题，落实核心素养培养目标与推进STEM教育本土化是国家的重要教育战略目标。

1.地理核心素养

2014年教育部发布的《关于全面深化课程改革 落实立德树人根本任务的意见》中明确提出“要加快制定学生核心素养体系，并把核心素养落实到学科教学中，促进学生全面而有个性的发展”。从学生核心素养到学科核心素养是课程改革深入推进的必然选择[1]。学生核心素养的培养已经在各年段各学科领域掀起了一场改革热潮，地理作为一门基础性的科学课程，对构建学生科学素养、发展综合素质有着不可替代的作用。教育部对地理核心素养的权威界定包含人地协调观、综合思维、区域认知、地理实践力四个要素，很好地凝练了地理学科的育人价值[2]。

2.STEM教育理念

STEM教育由美国首倡，随后在世界范围内得到认可和发展，它强调通过项目式学习方式将科学、技术、工程与数学进行有机融合，被公认为“有助于培养学生的科学探究能力、创新意识、批判性思维、信息技术能力等未来社会必备的技能和创新能力”，是培养学生核心素养的最好载体[3]。尤其与科学教育的融合是STEM教育发展的主要趋势。在当前国内的分科教学体制内，在学科教学中渗透STEM教育理念、发展学科核心素养是推广STEM教育与落实核心素养的适切途径。

二、融入STEM 教育理念开展地理教学的可行性分析

1.地理学科的综合性与实用性特点为STEM教育理念融入地理教学提供契合点

STEM教育注重培养学生运用跨学科思维去认识世界和解决基于真实情境的问题，从而培养学生的STEM素养。由此可见，STEM教育侧重以综合的形式培养学生的综合素养[4]。而地理学科是一门综合性强、应用领域广泛的交叉性学科，学科本身包含了物理、化学、生物等领域的科学知识与原理，又有自然科学、社会科学与技术科学的相互交叉，同时与生活实际的联系十分密切，“学习对生活有用的地理”也是地理课程的基本理念。因此，在选择地理主题进行真实情景问题的创设、跨学科知识整合、结合技术解决来源于生活的实际问题等方面具有很强的可操作性。

2.基于项目学习(PBL)的教学模式为STEM教育理念融入地理教学提供了良好的途径

基于PBL(Project-based Learning)教学模式进行STEM教学更能培养学生分析、解决复杂问题的能力[5]。在融入STEM教育理念的地理教学中，学生以项目式学习方式进行积极合作探究与交流，在各个教学环节中均能很好地落实学生的主体性地位，有助于地理核心素养的达成。高校研究者及一线教学工作者结合PBL教学模式，围绕各年段STEM教育理念融入物理、化学、生物、信息技术等的学科教学进行了一定的探索，并呈现了可操作性与良好的教学效果。

三、指向地理核心素养的STEM教学设计案例分析

在中学地理教学中渗透STEM教育理念、发展地理核心素养已有了不少理论与实践的探索，但在高等教育阶段还缺乏相关研究。如作为培养小学科学教师储备人才基地的科学教育专业，地理课程是其核心专业课程之一，从学生专业发展和职业需求来讲，地理核心素养的养成对促进其核心素养与专业素养的提升具有重要意义。本文以科学教育专业学生为授课对象，结合学生专业特色与岗位需求，尝试在《太阳高度角》一课的教学中融入STEM教育理念，结合项目式(PBL)教学模式探索落实学生STEM素养与地理核心素养培养目标的有效途径。

1.融入STEM理念的《太阳高度角》教学设计

(1)创设情境 问题导入

当前社会，楼房与住宅之间因光照侵权问题引起的矛盾纠纷日益增多。建筑物的高度与楼间距都不应影响邻地建筑物的日照标准和采光标准。结合“正午太阳高度角知识”在建筑物楼间距问题上的应用，创设真实情境，通过系列问题的启发，循序渐进引出本课的探究主题—“如何确定合理的楼间距”。以来源于生活实际的地理问题作为学习的开端，激发学生的学习兴趣与动机。

(2)讨论分析 提取核心概念

引导学生进一步讨论分析，如何利用太阳高度角的知识解决今天的任务呢？厘清解决问题的思路与步骤，提取核心概念，明确核心任务(如图1所示)。

图1 问题解决的框架及相关概念示意图

通过关联科学、技术、工程、数学等多学科知识，促使学生形成相关概念的逻辑体系，引导学生运用跨学科的思维思考解决问题的路径，训练自主探究科学问题的方法，驱动学生的项目式学习。

(3)探究核心概念 获取科学认知

按照上述思路，以小组为单位，组织学生开展学习探究活动。运用丰富的地图、视频等素材进行教学，并注重结合学生生活经验，引导学生获得核心概念的科学认知，掌握正午太阳高度角的变化规律，为解决楼间距的问题铺垫好知识基础。并引导学生找到解决实际问题的关键：要保证位于本市的各楼层有充足的采光，最关键在于确保一楼的房间在冬至日这一天也有阳光进入房间，则全年都会有良好的采光。即需要获知本地冬至日这一天的正午太阳高度角大小，以计算出合理的楼间距。

(4)引入工程项目 解决实际问题

根据上述分析，基于STEM教育理念，引入小组合作探究的工程任务，促使学生解决实际问题。

①结合科技史 引出工程任务

首先，结合学生的专业特点，对接小学科学教材中关于日晷、光和影等相关内容，在教学中融入了我国古人发明日晷的科技史。其次，在借助多媒体资料展示介绍其发明及应用后，引导小组探讨日晷的原理并接着引入工程：动手制作一个太阳高度角测量器，测量本地的正午太阳高度角。

②数学辅助和技术支持 制作简易太阳高度角测量器

首先，让学生结合日晷的原理，根据教师准备的制作材料包，小组合作先画出简易太阳高度角测量器的设计草图；其次，引导各小组讨论制作太阳高度角测量器的步骤、制作成功的关键技术问题、需要注意的事项；最后，各小组根据设计图与准备好的材料包安装制作太阳高度角测量器(如图2所示)并阐述其操作方法。

图2 简易太阳高度角测量器的安装制作示意图

③基于真实情境的创设 解决实际问题

首先，模拟测量太阳高度角。结合简易太阳高度角测量器的使用原理，让学生掌握太阳高度角的读取方法后，利用手电筒模仿太阳光，小组先观测正午12点时对应的正午太阳高度角。其次，模拟测量冬至日本地的正午太阳高度角。探究本地不同季节正午太阳高度角的变化。最后，结合案例，引导学生借助数学思维和地理原理理解正午太阳高度角的数学计算方法，运用3D地球软件的定位功能确定本地地理位置后，计算出本地冬至日的太阳高度角并对比分析测量结果与计算结果。

(5)展示交流 拓展提升

各小组代表上台展示制作的太阳高度角测量器，汇报结论，并交流探究过程中遇到的问题及解决办法。对比可发现模拟测量结果与数学计算结果存在一定的误差，引导学生明确误差存在的原因。通过展示交流，进一步实现思维的碰撞、表达的提升、情意的升华。此外，为进一步拓展提升该专业学生的科学研究能力与综合素养，在地理核心素养上实现进阶，指导学生将探究延伸到课后，并撰写生成小组研究报告。

2.STEM素养与地理核心素养的对接分析

STEM教育是培养核心素养的良好载体。STEM教育在融入学科教学时也需要关注学科核心素养。在上述地理STEM教学设计中，以地理核心素养为导向，注重综合发展学生的STEM素养，并同时渗透地理核心素养(如图3所示)。

图3 教学案例中STEM素养与地理核心素养培养目标的对接示意图

(1)STEM素养中渗透区域认知

学生结合地图分析，在太阳直射点的回归运动基础上理解不同纬度地区太阳高度角及太阳辐射能的差异，并进一步基于全球区域尺度分析掌握正午太阳高度角的变化规律及计算方法，区域认知能力在被不断运用中得到提升。

(2)STEM素养中渗透地理实践能力

学生在项目合作探究中通过绘制设计图并制作简易太阳高度角测量器、运用信息化技术手段查询本地纬度位置等，既能提升学生技术与工程素养，也能培养学生动手操作和运用地理原理解决实际问题的实践能力，是地理核心素养中地理实践力的综合体现。

(3)STEM素养中渗透综合思维

学生需要融合地理、物理、数学的相关知识，进行跨学科知识的迁移与运用；发挥空间想象力，借助读图、画图、析图进行综合分析与理解；同时通过引入工程，运用技术手段，解决实际问题，在做中学、学中思，经历思考、操作、交流评价的各个环节。整合的学习内容与探究式的学习形式有利于促进学生综合思维的发展。

(4)STEM素养中渗透人地协调观

以居民住宅区楼间距的实际问题引入学习项目，帮助学生在联系生活实际、分析解决问题的过程中意识到人类生产生活需要遵循和利用自然规律，达到人地和谐统一的发展，从而有效渗透了人地协调观的地理核心素养。

《太阳高度角》的STEM项目探究学习中，学生可获得多元化的学习环境与学习体验，促进深度学习的发生，兼顾了STEM素养与地理核心素养的培养目标，最终指向了核心素养的发展。

四、结语

渗透STEM教育理念的地理教学，以富有现实意义的项目任务驱动学生积极主动地聚焦问题、建构问题解决思路、探究核心概念、着手解决问题，从而帮助学生有效构建知识、能力与情意方面的地理核心素养。当前国内的STEM教育的本土化实践中，各学段融合STEM教育理念的地理课程教学改革远未有效开展和普及，但在地理核心素养的学科教育价值诉求之下，融入STEM教育理念的地理教学具有很大的探索价值与发展空间，将为当下新一轮的地理教学改革提供有意义的借鉴。