基于STEM教育理念的地理实践力培养策略

徐锋 朱志刚 徐雯

关键词：STEM 教育理念;地理实践力;经线和纬线

一、STEM 教育与地理实践力

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）以及数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，其中科学在于认识世界、解释自然界的客观规律;技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界、实现与自然界的和谐共处、解决社会发展过程中遇到的难题;数学则作为技术与工程学科的基础工具。[1]地理实践力是指学生在进行地理户外考察、社会调查、模拟实验等地理实践活动中所具备的行动能力和品质。[2]信息的获取与加工、问题的提出与阐释是培养学生地理实践力的关键，这与STEM中的科学目标一致，即在新知识的学习过程中，个体通过不断检验假说，推翻错误假说，从而用理论来解释现象。工具与方法的运用、方案的设计与实施也是培养学生地理实践力的关键，这与STEM中的技术、工程目标一致，即利用工具或设备以及科学的过程去解决问题。

而数学里对数量关系的分析则是上述所有内容的基础。如何在STEM 活动中培养学生的地理实践力，落实核心素养的要求？笔者以“经线和纬线”的教学为例，探讨基于STEM 教育理念的地理实践力培养策略。

二、STEM 教育理念下的“经线和纬线”教学案例

1.科学视角的“经线和纬线”

STEM教育理念中的科学视角落实在地理实践力培养中时，主要体现在地理信息的获取与加工。地理信息是用来表示自然环境中地理要素的数量特点、分布规律和互相联系的文字、数字和图形图像等。地理信息的获取与加工是培养地理实践力的基础，即学生能够从生产生活的真实情境中或者相关资料中获取有用的地理信息，对其进行搜集、整理、分析和评价，并利用获取和加工的信息解决生活中的地理问题。

地球仪、经纬网是中学地理基础性知识，是重点和难点，也是中学地理学习中学生的薄弱点所在。其中，对经线和纬线知识的理解是基础，如果学生不清楚基本特点、不建立空间模型，就会直接影响到后续的学习。从科学视角看，经线和纬线的知识点主要有：经线和纬线的定义，经线和纬线的形状、长度、数量、线圈间的位置关系和指示方向等。从浅层意义看即理解定义，纬线是与地轴垂直并且环绕地球一周的圆圈，经线是连接南北两极并且与纬线垂直相交的半圆。从深层意义看，这不是简单的二维平面定义，而是基于三维空间球面的定义，对学生的空间想象能力要求较高，需要教师从形状、长度、数量、线圈间的位置关系和指示方向等知识点进行逐一分析，让学生能够全面认知，自主建构模型结构。

2.技术视角的“经线和纬线”

STEM教育理念中的技术视角落实到地理实践力培养时，主要体现在问题的提出与阐释。地理问题是学生进行地理学习活动时所遇到的认知冲突和困难。地理问题提出与阐释的能力是构成地理实践力能力的重要部分，这一能力在地理实践活动中表现为学生通过具体的情境自主发现问题、提出问题，并运用地理概念、原理和规律去分析和解释问题。

地球及地球运动部分的相关知识都较为抽象，建构时需要学生具有较强的空间想象和思维能力。该部分中的一些概念或规律特别难以理解，超出了部分学生的认知水平，特别是七年级和高一相关地理知识点掌握较差的学生，容易形成认知盲区，这给教师的教学带来极大挑战。STEM教学通过运用相关理念，制作学具，帮助学生针对性地解决认知盲区，同时培养学生的地理实践力。传统的经线和纬线的教学方式是教师引导学生观察地球仪、观看视频动画，或引入VR技术引导学生全息观察，但这些都停留在学生观察、理解的层面。STEM教育理念介入后，可以指导学生自己制作地球仪，在实践操作过程中理解定义并应用知识，进入深度学习的层面，在此过程中发现经纬线的一些特点并阐释。

3.工程视角中的“经线和纬线”

STEM教育理念中的工程视角落实在地理实践力培养中时，主要体现在工具与方法的运用。地理工具可以是野外考察时使用的罗盘、地质锤，也可以是观测时的望远镜、气象站，还可以是地理专业软件的“空间分析”“分析管理”功能，若条件不允许，最简单的也可以是地球仪。科学地选择、运用地理工具和地理方法，是地理实践力的重要组成部分，如“列举电子地图、遥感图像等在生产、生活中应用的实例”“使用测量仪器，观测气温、降水和风向”[3]。地理工具与科学方法的运用有助于学生掌握地理知识和技能，提升地理思维品质、锻炼地理实践能力。

“经线和纬线”这节内容能很好地帮助学生理解STEM学习中善于问题解决的工程意识。工具的选择、方案的确定、过程的控制以及成果的评估，这些都是STEM 教育理念的核心。基于STEM 教育理念下“经线和纬线”的工程部分大致从这四个方面展开。

（1）工具的选择

解决问题需要工具，工具的选择又取决于要解决的问题。教材建议学生用乒乓球进行地球仪的制作，但乒乓球对于制作经纬网、绘制经线和纬线来说相对偏小，并不合适。有些教师选择使用水果，但水果的形状不符合地球仪或经纬网的特点，而且水果不利于保存。在考察众多材料后，选择泡沫球作为经纬网绘制的材料，泡沫球的大小规格比较多，尺寸太小不便于绘制，尺寸太大不便于操作和携带，建议选用直径10厘米左右的泡沫球。其次是绘制笔的选择，钢笔、圆珠笔不容易上色，颜料笔、蜡笔绘制时不容易修改，白板笔则便于绘制和修改。

（2）方案的确定

方案的确定也是基于问题的解决。先理解定义，学生根据自己对定義的理解在泡沫球上绘制经线和纬线，再描述经线和纬线的基本特点。这里不建议一次性把经线和纬线都绘制出来，而是分步骤将经线和纬线单独绘制在不同的泡沫球上（图1）。具体方案如下。

①根据前面的学习，学生明确了地球仪由地轴、北极、南极等组成。任务一是绘制地球仪雏形：学生根据赤道、南极、北极的定义确定这些要素的所在位置;实践操作一是在泡沫球上标注南极、北极和赤道。②根据纬线的定义“在地球仪上，所有与赤道平行的圆圈叫纬线”确定纬线的位置画法。任务二是绘制纬线;实践操作二是在泡沫球上绘制出几条纬线。③根据经线的定义“在地球仪上，连接南北两极并垂直于纬线的线，叫经线，也叫子午线”确定经线的位置及画法。任务三是绘制经线;实践操作三是在泡沫球上绘制出几条经线。

（3）过程的控制

在制作模型的过程中，教师不能放任学生完全自己操作，也不能“包办代替”，需要进行必要的指导。首先是材料的选择，教师经过多种材料的比较，最终确定成本低、易于学生操作的泡沫球。其次是STEM制作过程，在方案中体现为三步，每一步操作教师都应给予学生一定的建议，便于学生后续的观察分析。实践操作建议一：先用铅笔勾勒，再用白板笔绘制。两位学生为一组共同绘制一个地球仪，绘制结束后前后两个小组互相检查，对错误之处予以纠正。实践操作建议二：根据泡沫球的大小（直径10厘米左右），从赤道以北绘制两条纬线、赤道以南绘制两条纬线，保持一定间距。实践操作建议三：按合理间距在泡沫球的不同部位上至少绘制四条经线。

除了制作过程的控制外，制作后的互动反馈活动也必不可少，即学生绘制完成后进行同伴交流，既让做得好的学生展示、介绍自己的作品，也让学生共同纠正有待完善的作品。

（4）成果的评估

就某个知识点而言，记忆、理解、应用和评价反映了学生学习的不同阶段，STEM教育理念有助于深度学习落实，学生要能实践，更要对相关知识理解透彻，这就需要教师对学生的学习成果进行评估。如学生纬线绘制结束后，教师可以让学生到讲台上展示自己小组绘制的泡沫球成果，并根据绘制的泡沫球描述出纬线的特点。之后请其他小组的学生评价，如果对纬线的特点有不同意见，可以进行补充和提问。教师则可以根据学生的交流情况，追问下列问题：最长的纬线在哪里？最短的纬线在哪里？有没有长度相等的纬线，如果有，可能在什么位置？在地球仪上，沿着纬线指示东西方向，东西有尽头吗？东西位置是绝对位置还是相对位置？从而促进学生深刻理解纬线的特点。再如学生经线绘制结束后，教师可以让学生到讲台上展示绘制在泡沫球上的经线，并根据绘制的经线说出其特点。之后请其他小组的学生评价，如果对经线的特点有不同意见，可以进行补充和提问。教师则可以根据学生的交流情况追问下列问题：地球仪上，沿着经线指示南北方向，南北有尽头吗？北极点的周围是什么方向，南极点的周围是什么方向？南北位置是绝对位置还是相对位置？从而既促进学生深刻理解经线的特点，又对学生STEM学习效果进行评估。

4.数学视角的经线和纬线

STEM教育理念中的从数学视角落实在地理实践力中时，主要体现在方案的设计与实施。地理实践活动方案的设计与实施是地理实践力的具体落实，即在围绕前面科学、技术和工程等一系列理念，通过实践活动的规划和设计最终完成任务，得出基于数据分析的地理原理和地理规律。基于数学数据分析得出的结论，有利于转变机械训练、被动接受的传统学习方式，促进学生的主动学习。地理实践方案的设计与实施，有助于学生巩固、内化地理知识，并将地理知识与生活实践紧密联系在一起，从而将地理知识运用在生产生活中，并在此过程中培养学生的地理素养和能力。

在STEM教育理念中，模型的制作更能够体现数学意义。经线和纬线的模型制作好后，教师引导学生分析经线和纬线的形状、长度、数量、线圈间的位置关系和指示方向等特点，更多的是数学层面的意义（表1、表2）。

为了帮助学生在脑海中建构经纬网空间模型，巩固对经线和纬线特点的理解，可以让学生相互展示、评价和交流，教师还可以对此进行深入地设问，让学生把经纬网绘制在一个泡沫球上（图2），为后续经度、纬度和坐标的学习打下基础。

三、基于STEM 教育理念的地理实践力培养策略

1.基于STEM教育理念重构教材，突出学习主旨

教师在落实核心素养中起关键作用，教师对课堂教学起主导作用。首先，教师要处理好教材，基于STEM教育理念重构教材，是指教师根据课程标准的要求、学生身心发展规律和教学实际情况，采用“用教材教”的策略，从“教材内容”中选择确定合适的学习主旨，并将其转化为STEM“教学设计”的过程，也就是解决“教什么”和“怎样教”的问题。教材内容转化的目的就是要让教师好读易教，让学生好学易学。

基于STEM教育理念，本节课的设计就是将地理教材内容转变为地理教学设计（教的设计与学的设计）的过程。过程分为两步：第一步为将地理教材中纬線圈图及其特点、经线圈图及其特点转变为地理教学内容，解决“教什么”的问题;第二步为将已经确立的地理教学内容转化为地理教学设计主旨，解决“怎样教”的问题。教师在进行“经线和纬线”教学时，学生了解“经线和纬线”的概念是培养学生信息获取的地理实践力;学生绘制纬线和经线是培养学生运用工具和方法去解决具体问题的地理实践力;学生观察绘制的学具从而分析经纬线特点是培养学生对地理问题进行验证、阐释的地理实践力。教师的教学目标明确，学生学习的路径清晰，培养学生地理实践力的目的就能实现。

2.基于STEM教育理念重视活动过程，培养实践力

STEM理念下的教育是任务化的学习过程，任务化就是教师为学生提供实践的情境，学生围绕一个个任务展开学习，学生以任务的完成过程和完成结果向教师反馈学习效果。基于STEM理念的学习过程改变了学生的学习状态，能够主动理解概念、建构模型、深入思考、形成高阶思维，建立新的学习体系。

本节课学生的学习任务有三个层次——概念理解—实践制作—分析特点，或者说有三个步骤——自行感悟—同伴合作—交流展示。教师创设学习情境，从了解有关地球仪的简单概念入手，绘制经纬网中的赤道和两极，学生在理解定义的基础上与同伴合作，共同在泡沫球上绘制纬线。再根据绘制的学具分析纬线的特点，之后进行展示和交流。学生在完成一个任务后，再进行新的任务，形成螺旋上升的良性循环。学习活动与任务相结合，有利于学生通过完成新的任务来维持对学习的兴趣和动机[4]。在STEM教育理念下，以学具制作为任务，了解地理工具与方法的基本用途、选择合适的地理工具与方法、在具体的地理问题解决中熟练且准确地运用地理工具和方法，使得地理实践力的这三个方面都得到了培养。

3.基于STEM教育理念形成活动范式，优化培养策略

地理课堂活动就形式而言，包括外在活动和内在活动。外在活动主要是手、身体的活动，为显性，教师能够看到学生实际做了什么、做得怎样。内在活动是心理的、隐性的，是学生想了什么、想得怎样。外在活动和内在活动可以相互影响、互为反映[5]。STEM教育通过学生的外在活动和内在活动，实现两者统一，从而达到教学目标，让地理实践力这一核心素养“落地生根”。STEM教育中的地理活动范式，就是地理实践力中方案的设计与实施。

基于STEM教育理念的活动范式是以学生的活动为中心，制作学具，结合学具理解经纬线的特点，而不是由教师直接进行讲解和传授。在这个过程中学生是活动的主体，不仅需要其动脑思考，还要亲自动手实践操作。学生通过动手实践，完成相应的学习任务，从而获得知识，而不是直接从教材上获得结论。在这个实践过程中，学生可能会遇到一些问题或障碍，可以寻求同伴帮助或请教教师。从而培养学生根据提供的方案开展实践活动、针对具体问题对已有的方案进行修改并开展实践活动的地理实践力。