基于学科融合的地理实验改进与教学策略*——以“二氧化碳对全球气候变暖的影响”为例

张超伟

（江苏省太仓高级中学, 江苏 苏州 215400）

真实情境问题具有复杂性和多学科融合的特性，其解决需要多学科知识和素养。当前学生在义务教育阶段接受的普遍是以单一学科为主的教育，缺少指向真实情境问题解决的跨学科融合教育。《义务教育地理课程标准（2022年版）》颁布，重点强调了跨学科主题学习，并且作出跨学科主题学习不少于总课时10%的硬性规定，[1]这有利于义务教育从学科分离转向多学科融合，使学生从传授型的知识获取转向有意义的创造性学习。[2]地理实验具有综合性、实践性、探索性等优点，兼具自然与社会双重属性，与其他学科之间具有广泛联系，在学科融合教学中具有突出优势，是分析、解决真实情境问题的有效方式。随着学科融合逐渐成为研究热点，基于学科融合的地理实验教学在设计和实践中出现了诸多问题，如单一学科教师进行跨学科设计容易出现知识科学性不足、教学过程学生主导地位不强、跨学科融合时学科地位主次不清等。

本文选取一节以“二氧化碳对全球气候变暖的影响”实验为主要内容的市级融合教学公开课为例，开展地理、化学学科融合的地理实验改进与教学策略研究。

一、对学科融合的理解

1.以培养真实情境问题的解决能力为核心

当前，许多教学研究和改革在根本上均是指向真实问题解决的能力提升，如大概念、深度学习、跨学科融合、STEM等，均是在尝试缩短学校和生产生活之间的距离，使学生所学能更加贴近社会所需。[3]诸多改革尝试也反映了学校教育与社会脱节的弊端，这些弊端产生的具体原因包括如下几点。首先，真实问题往往是多学科的、综合性的，而学校教育往往是单一学科的、针对性的。其次，学校教育是以知识技能理解为基础的、分数导向的评价，而知识技能的理解对真实问题的解决来说并非唯一条件，甚至不是必要的条件。例如，当学生遇到大学报到这一情境问题时，除了需要掌握地图阅读的方法，学生可能还需要运用手机等工具优选交通运输方式（选择和使用工具的能力），到学校后需要咨询报到处的具体地址（良好的沟通能力）等。学科融合以培养真实情境问题的解决能力为核心，按照SOLO分类评价理论具体可分为四个层次，即从低级到高级依次为“能理解”“能解决”“解决好”“能应变”，从单点结构层次到多点、关联和抽象拓展层次，最终实现指向专家思维的高通道迁移的地图学习，如图1所示。“能应变”层次的地图学习下，学生应对城市道路分布、风土人情比较熟悉，不仅能够实现起点和终点的路线学习，在遇到堵车等突发事件时，依然能够灵活应对，筛选、调整最优路线。

图1 真实情境问题解决的能力目标分级

2.以学科、跨学科、超学科素养为训练内容

学科融合教学具有综合性，是学科、跨学科、超学科的显性知识与隐性素养的综合，如图2所示。一方面，除了地理学科素养，地理、化学等学科融合的地理实验还能够培养学生跨学科素养和超学科素养。学科素养是指地理学科素养，跨学科素养是指地理以外的其他学科和交叉学科素养，超学科素养是指暂不属于具体学科的素养，如团队协作、选择工具等能力素养。另一方面，综合性的真实情境能够使地理学习落地，有效培养地理学科素养。[4]

图2 学科融合的知识素养体系结构

学科融合教学具有主次性，应以某一学科为主，其它学科为辅。首先，综合不代表每个情境问题均要覆盖所有学科。其次，大部分情境问题可以划分在某一主要学科大领域下，跨学科和超学科素养综合渗透其中，即“大领域，小综合”。例如本研究“二氧化碳对全球气候变暖的影响”实验，可划分在地理学科大领域下，实现地理、化学、生物学等学科综合。

二、地理、化学学科融合的地理实验设计

授课对象为高一学生。教师将学生分组，提前一周布置情境问题任务，学生自主设计验证实验。以下是某小组修改后的实验设计方案。

1.实验原理：大气中的二氧化碳能够吸收太阳辐射，使近地面大气的温度升高。

2.实验目标：研究真实情境问题，通过实验验证二氧化碳增多对全球气候变暖的影响，并表征影响的大小。

3.材料与方法：需准备的材料有锥形瓶、干燥管、玻璃棒、称量匙、取暖器、双通道测温仪、大理石粉末、稀盐酸、无水氯化钙，装置搭建过程如图3、图4、图5所示。

图3 实验装置示意图

图4 实验装置实景图

图5 学生展示实验过程

4.实验方法：向装有大理石粉末的锥形瓶A中加入稀盐酸，然后盖上盖子。将取暖器放置在对整个实验装置均匀加热处并打开，记录温度计上的温度变化。

5.结果与分析：观察发现锥形瓶B和C温度都升高，瓶B升温快于瓶C，且随着时间推移温差逐渐变大，最后趋于稳定。

6.结论：二氧化碳能够使大气温度升高，对全球气候变暖可能具有加剧作用。

三、学科融合视域下的实验设计与教学反思

1.学科融合易导致实验设计科学性不足

学科融合的设计者与执行者一般是一线中小学教师，他们中大多数人只擅长单一学科，对其他学科知识比较陌生，导致在学科融合的实验设计中产生科学性不足这一普遍问题。以本实验为例，实验设计的不足包括以下几点。

(1)取暖器不能完全替代太阳光

目前，市面上的家用电暖器等电加热器电磁辐射的一般是红外线，属于长波辐射。太阳光属于短波辐射，除了包含红外波段，还包括可见光、紫外线等波段。从大气受热过程的原理来看，二氧化碳主要吸收的是地面辐射，但取暖器的辐射特征与地面辐射存在差异，能否用取暖器的辐射代替地面辐射有待商榷。因此，建议用正午前后的强烈太阳光源代替取暖器。该方案耗时长，但能减少波段干扰，使实验更加科学严谨。

(2)未注意锥形瓶的下垫面问题

若锥形瓶中不垫土壤，瓶中空气接受到的主要为取暖器发出的辐射。若锥形瓶中垫上土壤，土壤会吸收教室内的自然光升温，然后向外发出“地面辐射”。与不垫土壤的原实验相比，瓶中空气会吸收更多长波辐射，温度更高。如果用太阳光作为光源，锥形瓶垫上土壤将是必不可少的环节，因为二氧化碳主要吸收的是地面辐射，而不是太阳辐射。

2.学科融合易导致实验教学深度不足

学科融合的实验设计和教学难度往往较大。从笔者近两年参加的数次相关公开展示活动来看，对于开课教师来说，学科融合是新概念、新事物，开课难度不言而喻，开课目标大多停留在“不跑题”的“合格”层面。因此，教学便容易出现以教师主导、重融合而轻素养、重结果而轻过程等诸多问题。

(1)注重融合而忽视素养，导致目标高度不足

本节实验融合课较好地完成了目标，即通过实验方式验证二氧化碳增多对全球气候变暖的影响。遗憾的是，该实验注重融合而忽视素养，注重融合方法而忽视融合传递。学生较少意识到融合思维，教师的融合方法并没有很好地传递给学生。教师应当在情境问题解决后，进行画龙点睛式的点拨，总结这一情境问题的本质，即“真实情境问题往往是学科融合的”“融合的问题往往需要融合的思维去解决”，从而让学生跳出本节课，从大概念和核心素养等更高的层面提升认知高度。

(2)教师主导而非学生主导，导致参与积极性不足

融合课对教师来说难度较大，教师往往会低估学生的主观能动性，在授课时不敢放手。本节课的实验操作由学生在讲台上完成，一定程度上体现了学生的中心性，但学生仅停留在浅层的参与。教师应当引导学生表达自我，让更多的小组展示交流，实现思维的碰撞。

(3)注重结果而忽视生成，导致思维深度不足

结果导向无可厚非，但也要注重过程和生成，不能“结果论英雄”。在实验主线过程中，难免会遇到各种支线问题。教师应以主线和支线中的各种问题为抓手，引导学生发现、分析和解决问题，将主线问题、支线问题变成主线故事、支线故事，促进深度参与和思维建构，拓展思维深度。例如学生对本实验的设计过程提出疑问：为什么在向锥形瓶B输送二氧化碳的管中加入干燥管？教师应引导学生积极思考、讨论和查阅资料，最终得到答案。从地理学科视角上看，除了二氧化碳，空气中的水汽也能够吸收辐射，加强温室效应。锥形瓶A在向锥形瓶B输送二氧化碳的同时，可能也在输送水汽。因此，需要干燥管对输送的二氧化碳进行干燥处理。从化学学科视角上看，学生经过讨论选择合适的干燥剂种类并阐述理由。有问题，才会有思维碰撞。须抓住问题，围绕问题开展建构，拓展学生的思维深度。

四、学科融合视域下的实验教学实施策略

1.“一主一客”

科学性是教学的最基本要求，亦是最重要的要求。为解决科学性不足的难题，须在“一主一客”上下功夫。主观上，教师自身需要提升基本素养，促进深度备课。需提升的素养包括学科素养、跨学科素养和超学科素养，还包括开展学科融合课设计、课程构建等基本素养。除了要夯实地理学科知识，地理教师需要广泛涉猎，学习其他学科知识。广泛学习耗费时间多，效率不高，建议针对开课的内容，预留充分时间进行深入研究，从而提高效率。此外，可以多参考专著，请教相关专家，以提升设计的科学性。

客观上，科研和管理部门等应尽快建设融合教学相关的系统理论支持和实践支持平台。科研部门应加快推进系统理论支撑，包括学科融合的内涵特征、路径策略、实践建议和评价体系等，为中小学融合教学提供理论参考，从而提升教学科学性。管理部门应在专家的指导下，积极举办高水平学科融合和跨学科教学展示活动，树立典型，宣传融合理念，促进区域内学生解决真实情境问题能力的有效提升。

2.“一总一分”

学校教学不能脱离生活实践，学科融合同样不能脱离学科知识。“总”“分”结合，能够打通学校学习与生活实践之间的壁垒，同步实现学科融合教学下的学科知识强化和综合能力提升。

一总，即以问题解决视角宏观看问题，以实践为本位。始终坚持以真实情境问题解决能力培养为目标，根据这一目标开展融合设计与教学，在“不跑题”的基础上促进问题的深挖和高阶能力养成。本实验以用真实情境问题实现能力培养为总的目标，鼓励学生思考验证二氧化碳增多对全球气候变暖的方法，实践后进行展示交流。学生互相学习不同方案，实现方案优化，促进解决真实问题的能力跃升。

一分，即以不同学科视角微观看问题，以理论为本位。“总”以综合能力提升目标，指向真实生活实践；“分”则回到单一学科，以学科知识提升为目标，指向学科考试评价。“总”易“分”难，“分”反而容易被忽略。例如本实验基于地理学科的大气受热过程这一原理，但太阳光是否可以用取暖器代替？问题探究能够促进学生深度思考、调查，辨析“太阳辐射”“地面辐射”“常见电器辐射”等概念的差异，实现对概念的深度理解。

3.“一内一外”

校内和校外协同。鉴于单一学科教师的局限性，应充分发挥校内力量和校外力量，协同合作，构建“共设计—共教学—共评价”的实践模式。在设计环节，家长、企业、社区等校外力量的参与，能够让情境问题更加逼真和贴近现实。为保证融合设计的科学性和有效性，可实行同行评价、跨行评价等。例如全球气候变暖的这一问题，一些企事业单位可能具有更丰富的信息。学校可与当地气象局等合作，课前组织学生前往交流学习，邀请相关工作人员参与融合课的设计与评价，从而促进学生形成更客观、定量化的深入理解。

学科内和学科外协同。融合教学提倡以某一学科为主，其它学科为辅。须同时关注学科之外的内容，包括跨学科和超学科的知识和素养。本实验中，可引导学生课前登录气象数据信息网站，获取气温和空气成分变化等气象数据，以培养学生选择工具和获取信息的能力。除实验操作技能外，合作实验还能培养学生的团队协作能力。此外在讲台上展示和辩论，能够培养学生的语言表达和逻辑思维能力。

五、总结与展望

指向真实情境问题解决的学科融合教学，将会是未来很长一段时间的研究热点。本文提出了对学科融合教学的理解，设计了基于学科融合的地理实验案例，分析了学科融合视域下的实验设计与教学的常见问题，并提出了解决策略。相信通过进一步研究，学科融合教学在培养真实问题的解决能力方面将发挥更为显著的作用。