地理信息技术辅助学科融合教学的适切性与实现路径

彭红梅 罗娅 李佳鑫 张豆豆 吴永东 王元洪 石春茂

关键词：地理信息技术;学科融合教学;核心素养;虚拟三维;地貌观察

学科融合教学是全面提升学生核心素养的必然要求，也是促进学生知识综合建构的有效途径，更是未来培养综合型、创新型人才的重要举措。教育部颁布的《关于全面深化课程改革，落实立德树人根本任务的意见》中强调加强跨学科的渗透融合，凸显了学科融合教学在教育领域中的重要地位。地理信息技术是地理教学的重要手段与工具，同时具有多学科性质，与物理、数学、生物、信息技术等学科息息相关。因此，利用地理信息技术能够有效地辅助地理学科与其他学科融合教学，激发学生学习的内生动力与知识的综合建构，同时还为学生未来的职业生涯规划提供了一定的帮助[1]，对促进中学学科融合教学的改革和教育的信息化发展具有重要意义。

目前，学科的发展呈现出由“分”到“合”的趋势，学科融合教学已成为中学教学关注的热点领域。当前中学地理教学领域的学科融合教学研究主要从融合主体、融合策略、融合手段三个方面开展：①融合主体研究，分为单学科与单学科、单学科与多学科两种融合主体。例如，STEM（Science、Technology、Engi⁃neering、Mathematics）教育是单学科与多学科融合教学的典范，是将科学、技术、工程、数学四门学科与地理学科的跨学科融合教学，后续还增加了艺术（Arts）这一学科，衍生为STEAM教育。②融合策略研究，是将新兴教学模式（如项目式教学模式、PBL教学模式等）应用到教学中，以及研究学科融合策略中的路径、原则和效果。③融合教学手段研究，目前主要是地理实践与信息技术两种手段及学科的融合教学，前者是将跨学科教学融入研学旅行、实践活动和地理考察中，后者是利用某一软件平台辅助学科融合的管理与教学，发挥教师在教学中的管理作用，没有达到地理信息技术辅助学生知识融合建构的核心目标。然而，已有关于地理信息技术辅助地理与其他学科之间的融合教学路径尚不明晰。此外，核心素养的达成是教师教学的核心目标，而学生作为教学的主体，其主体性在学科融合教学探寻中应受到更多的关注。研究地理信息技术辅助学科融合教学，既是对地理信息技术辅助学科融合教学这一研究领域的重要补充，又能促进教育的信息化发展。

一、地理信息技术辅助学科融合教学的适切性

1.地理信息技术的多学科性质，为学科融合教学搭建了桥梁

中学地理教学中的地理信息技术主要包括地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球卫星导航系统（GNSS），三者所蕴含的知识原理与物理、地理、信息技术等学科密切相关，这为学科融合教学搭建了桥梁。例如，遥感技术利用物理中电磁波的可见光反射原理，根据不同物体电磁波特性，利用不同波段实现从太空捕捉不同地物的基本信息，这项技术还可延展到地震波进行灾前预警，灾后辅助救援，体现了遥感原理及其应用与物理、地理知识之间的学科融合。再如，由古代利用物理地磁场原理发明的指南针、罗盘，到现代利用微波实现信号传输与定位的全球卫星导航系统，在导航方式的变迁中实现地理与物理、历史等学科之间的融合。这些地理信息技术内在的多学科性质，为地理与物理、历史、信息技术等学科融合教学奠定了良好的内在基础。

2.地理信息技术的多元数据及其可视化，为学科融合教学提供了丰富资源

地理信息技术具有较强的空间可视化功能，可将多种数据以地图、虚拟三维等形式呈现，满足多样化的教学需求，并应用于地理、数学、化学、生物等众多学科，这为学科融合教学提供了丰富的教学资源。例如，在地貌观察活动中，利用虚拟三维地貌模型、图层叠加功能辅助地貌的识别、等高线的计算、物种丰富度的观察，将信息技术与地理地貌、数学投影、生物物种等知识相联系，实现学科融合教学。再如，遥感数据经处理后可观测水体富营养化动态、空气污染的范围与路径等，实现地理与信息技术、化学的融合教学。不仅如此，还可利用遥感的历史影像数据，融入城市化历史变迁知识，实现地理与信息技术、历史的融合。

3.地理信息技术的不断发展，为学科融合教学提供了新手段

地理信息技术辅助地理教学是未来教学的重要方式，其数据的开放性、实时性与共享性较强，能实现虚拟模拟三维地图、空间叠加、缓冲区分析等功能，促进教育现代化发展，为学科融合教学提供新手段。例如，在地貌观察教学中，传统的教学方式大多借助地貌模型教具或图片，教具制作费时且成本高，二维图片难以认识其空间形态特征，而地理信息技术将遥感影像叠加高程数据即可简单高效地呈现虚拟地貌模型。一是学生通过操作虚拟三维地貌模型，观察识别地貌的基本特征，实现信息技术与地理的融合教学;二是遙感影像可以真实呈现某区域的物种丰富度，这有利于观察、认识和对比不同地貌下的物种丰富度差异，认识到环境与地理条件之间的重要关系，实现地理信息技术辅助地理与生物之间的融合。再如，城市化教学中，传统的教学方式是利用实景图片的变化，方式单一难以吸引学生学习兴趣，但地理信息技术下的夜间灯光遥感影像，辅助学生认识城市化的历史发展变化与不同区域城市化发展水平的对比，实现了信息技术辅助地理与历史的学科融合教学，也是学科融合教学手段的科技化、现代化体现。

二、地理信息技术辅助学科融合教学的路径

1.吸——以3S载体激发兴趣，创学科融合课堂

长期以来，学生在课堂中的参与度一直被认为是高效教育的核心[2]，课堂参与度受兴趣因素的影响最大。兴趣与生活密不可分，知识的学习还需与生活实际相链接，从而在核心素养培养下将知识内化于心、外化于行[3]。地理信息技术以图片、视频、虚拟现实等形象直观地呈现地理事物或现象，是有效激发学生学习兴趣的重要手段与工具[4]。在“吸引”环节，先利用地理信息技术创设平面等高线匹配识别小游戏的勘察情境，将等高线与遥感影像、生活实景相结合，实现数学投影、地理影像和信息技术多学科的融合教学，且新颖的学习方式能激发学生的学习兴趣，利于创造深度的课堂参与。然后利用3S勘察锦囊原理知识卡，将地理信息技术所蕴含的物理电磁波知识与地理相融合，为地理信息技术辅助地理与物理、生物等学科的融合创建新课堂。

2.探——以多角度三维虚拟，探地貌特征差异

学科融合是从多学科的角度激发学生对知识的综合学习和对问题的多角度探究。探究是个人与集体协作解决问题的过程，而协作与会话是建构主义理论中学习环境的四大要素之二，是达成学习效果、提升学生综合思维的重要武器[5]。为更好地促进学生的协作交流，分配任务需明确组内异质、组间同质的分组原则。在“探究”环节，学生操作ArcScene软件观察三维虚拟地貌，从地理的角度分析地理位置、坡度、起伏度等特征，从数学的角度解释等高线疏密度与相对高度，从生物的角度探究物种丰富度及人地关系，实现在多角度探究中，将地理与生物、数学、信息等学科融合教学，在主动建构与合作构建中习得地图识图技能、认识信息技术、锻炼空间思维，最终达到提升综合思维的核心素养目标。

3.论——以多学科问题情境，论不同地貌成因

论证是建构的重要过程，当学生在知识认知与原有认知相驳时，会进行深层次的论证，再次建构新的认知，逐渐形成高阶思维，问题情境创设是高阶思维形成的关键。在“论证”环节，通过创设地貌成因问题的探究活动情境，学生利用地理信息技术呈现的虚拟地貌进行深层次的剖析与辩论，包括利用化学方程式从化学的角度探究喀斯特地貌的成因、张掖丹霞地貌的多彩奥秘，运用曲线运动原理与地转偏向力从物理的角度论证河流地貌的形成，从而以多学科角度论证不同地貌的成因，实现学生高阶思维的扩展。

4.迁——以重组性迁移应用，析学科融合试题

所谓学习迁移，是指知识在新条件下的进一步学习，是对知识的深化理解与心理应用范围的扩充[6]。

它是教学的重要环节，是学生持续性发展的重要过程，是检验学生是否真正达到对知识自主建构的重要标准，可利用活动设计、习题检验、开放性试题等方式实现。在“迁移”环节，一是选取具有多学科特色、综合性较强的高考试题练习深化学生对知识的理解与迁移，从语文汉字的角度分析“河”“梁”“柳”与地理环境之间的关系，并分析其中的地理要素;二是通过开放性课后试题的形式，让学生从多学科角度思考“如何实现贵州省喀斯特地区的乡村振兴发展”，并提出合理化建议，深化提升学生的情感态度价值观。这样通过多元试题的形式实现知识重组性迁移与应用，将语文、生物等学科知识自然地迁移到地理问题的理解与应用中，促进学生的持续性发展与核心素养提升。

5.评——以多元性指标量表，评融合教学成效

评价是教学的重要环节，贯穿教学的始终，能为学生学习成效与教师教学效果提供一定的优化依据[7]。评价主要分为自评、小组互评和教师评价，评价内容量表以学科融合和地理信息技术辅助效果的角度进行设计，需注重过程性评价与形成性评价，以发挥评价的重要作用。在“评价”环节，评价学生能从物理、化学的角度分析地貌形成原因的达成度，能从生物的角度分析不同地貌的物种丰富度、认识人地关系，能利用地理信息技术辅助自己从数学的角度认识等高线地形图的能力，从地理的角度分析地貌特征等。注重在评价中检验学生对学科融合知识点的掌握、地理信息技术能力提升效果以及核心素养达成度。

三、地理信息技术辅助学科融合教学示例

本文为充分发挥地理信息技术辅助多学科融合的可能性，探索提出学科融合教学的“吸—探—论—迁—评”关键路径（图1）。现以“虚拟野外地貌教学”为例，突出学生主体，以实现学科融合教学的综合育人功能与培养学生的核心素养目标，设计地理信息技术辅助地理与物理、化学、生物、信息等学科融合的“教—学”案例（表1）。

四、结语

以“虚拟野外地貌教学”为例，探究利用地理信息技术辅助地理与其他学科的融合教学。一是明晰了学科融合教学路径，构建了“吸—探—论—迁—评”的关键路径，创设了虚拟三维地貌的学习情境，将抽象知识立体化，极大地发挥了地理信息技术辅助学科融合教學的重要作用，利于学生的空间思维与地理信息技术培养。二是将地理教学中的地理现象与物理、化学、生物、信息等学科知识相融合，模糊了学科教学界限，通过探究与论证等方法激发学生调用多学科知识，促进了学生综合思维的发展与核心素养的提升。三是“教—学”活动突出学生主体，在“探—论—迁—评”中加强学生的自主建构与合作构建，在建构中习得地貌识别的基本方法，在协作中培养合作探究精神，在辩论中磨炼批判思维，在迁移中检验学习成效，在评价中获得自我效能。

学科融合教学是培养学生核心素养的重要形式之一，它将是未来学科教学发展的一大趋势。本研究提供了学科融合教学的一种参考路径，但地理信息技术并不适用于所有教学内容，还需教师不断地挖掘地理信息技术在中学地理教学中的适用性。在学科融合教学过程中，教师需结合实际的教学条件与教学内容进行调整优化，以达到更好的学科融合教学效果。