地理信息技術輔助學科融合教學的適切性與實現路徑

彭紅梅 羅婭 李佳鑫 張豆豆 吳永東 王元洪 石春茂

關鍵詞：地理信息技術;學科融合教學;核心素養;虛擬三維;地貌觀察

學科融合教學是全面提升學生核心素養的必然要求，也是促進學生知識綜合建構的有效途徑，更是未來培養綜合型、創新型人才的重要舉措。教育部頒布的《關于全面深化課程改革，落實立德樹人根本任務的意見》中強調加強跨學科的滲透融合，凸顯了學科融合教學在教育領域中的重要地位。地理信息技術是地理教學的重要手段與工具，同時具有多學科性質，與物理、數學、生物、信息技術等學科息息相關。因此，利用地理信息技術能夠有效地輔助地理學科與其他學科融合教學，激發學生學習的內生動力與知識的綜合建構，同時還為學生未來的職業生涯規劃提供了一定的幫助[1]，對促進中學學科融合教學的改革和教育的信息化發展具有重要意義。

目前，學科的發展呈現出由“分”到“合”的趨勢，學科融合教學已成為中學教學關注的熱點領域。當前中學地理教學領域的學科融合教學研究主要從融合主體、融合策略、融合手段三個方面開展：①融合主體研究，分為單學科與單學科、單學科與多學科兩種融合主體。例如，STEM（Science、Technology、Engi?neering、Mathematics）教育是單學科與多學科融合教學的典范，是將科學、技術、工程、數學四門學科與地理學科的跨學科融合教學，后續還增加了藝術（Arts）這一學科，衍生為STEAM教育。②融合策略研究，是將新興教學模式（如項目式教學模式、PBL教學模式等）應用到教學中，以及研究學科融合策略中的路徑、原則和效果。③融合教學手段研究，目前主要是地理實踐與信息技術兩種手段及學科的融合教學，前者是將跨學科教學融入研學旅行、實踐活動和地理考察中，后者是利用某一軟件平臺輔助學科融合的管理與教學，發揮教師在教學中的管理作用，沒有達到地理信息技術輔助學生知識融合建構的核心目標。然而，已有關于地理信息技術輔助地理與其他學科之間的融合教學路徑尚不明晰。此外，核心素養的達成是教師教學的核心目標，而學生作為教學的主體，其主體性在學科融合教學探尋中應受到更多的關注。研究地理信息技術輔助學科融合教學，既是對地理信息技術輔助學科融合教學這一研究領域的重要補充，又能促進教育的信息化發展。

一、地理信息技術輔助學科融合教學的適切性

1.地理信息技術的多學科性質，為學科融合教學搭建了橋梁

中學地理教學中的地理信息技術主要包括地理信息系統（GIS）、遙感（RS）和全球衛星導航系統（GNSS），三者所蘊含的知識原理與物理、地理、信息技術等學科密切相關，這為學科融合教學搭建了橋梁。例如，遙感技術利用物理中電磁波的可見光反射原理，根據不同物體電磁波特性，利用不同波段實現從太空捕捉不同地物的基本信息，這項技術還可延展到地震波進行災前預警，災后輔助救援，體現了遙感原理及其應用與物理、地理知識之間的學科融合。再如，由古代利用物理地磁場原理發明的指南針、羅盤，到現代利用微波實現信號傳輸與定位的全球衛星導航系統，在導航方式的變遷中實現地理與物理、歷史等學科之間的融合。這些地理信息技術內在的多學科性質，為地理與物理、歷史、信息技術等學科融合教學奠定了良好的內在基礎。

2.地理信息技術的多元數據及其可視化，為學科融合教學提供了豐富資源

地理信息技術具有較強的空間可視化功能，可將多種數據以地圖、虛擬三維等形式呈現，滿足多樣化的教學需求，并應用于地理、數學、化學、生物等眾多學科，這為學科融合教學提供了豐富的教學資源。例如，在地貌觀察活動中，利用虛擬三維地貌模型、圖層疊加功能輔助地貌的識別、等高線的計算、物種豐富度的觀察，將信息技術與地理地貌、數學投影、生物物種等知識相聯系，實現學科融合教學。再如，遙感數據經處理后可觀測水體富營養化動態、空氣污染的范圍與路徑等，實現地理與信息技術、化學的融合教學。不僅如此，還可利用遙感的歷史影像數據，融入城市化歷史變遷知識，實現地理與信息技術、歷史的融合。

3.地理信息技術的不斷發展，為學科融合教學提供了新手段

地理信息技術輔助地理教學是未來教學的重要方式，其數據的開放性、實時性與共享性較強，能實現虛擬模擬三維地圖、空間疊加、緩沖區分析等功能，促進教育現代化發展，為學科融合教學提供新手段。例如，在地貌觀察教學中，傳統的教學方式大多借助地貌模型教具或圖片，教具制作費時且成本高，二維圖片難以認識其空間形態特征，而地理信息技術將遙感影像疊加高程數據即可簡單高效地呈現虛擬地貌模型。一是學生通過操作虛擬三維地貌模型，觀察識別地貌的基本特征，實現信息技術與地理的融合教學;二是遙感影像可以真實呈現某區域的物種豐富度，這有利于觀察、認識和對比不同地貌下的物種豐富度差異，認識到環境與地理條件之間的重要關系，實現地理信息技術輔助地理與生物之間的融合。再如，城市化教學中，傳統的教學方式是利用實景圖片的變化，方式單一難以吸引學生學習興趣，但地理信息技術下的夜間燈光遙感影像，輔助學生認識城市化的歷史發展變化與不同區域城市化發展水平的對比，實現了信息技術輔助地理與歷史的學科融合教學，也是學科融合教學手段的科技化、現代化體現。

二、地理信息技術輔助學科融合教學的路徑

1.吸——以3S載體激發興趣，創學科融合課堂

長期以來，學生在課堂中的參與度一直被認為是高效教育的核心[2]，課堂參與度受興趣因素的影響最大。興趣與生活密不可分，知識的學習還需與生活實際相鏈接，從而在核心素養培養下將知識內化于心、外化于行[3]。地理信息技術以圖片、視頻、虛擬現實等形象直觀地呈現地理事物或現象，是有效激發學生學習興趣的重要手段與工具[4]。在“吸引”環節，先利用地理信息技術創設平面等高線匹配識別小游戲的勘察情境，將等高線與遙感影像、生活實景相結合，實現數學投影、地理影像和信息技術多學科的融合教學，且新穎的學習方式能激發學生的學習興趣，利于創造深度的課堂參與。然后利用3S勘察錦囊原理知識卡，將地理信息技術所蘊含的物理電磁波知識與地理相融合，為地理信息技術輔助地理與物理、生物等學科的融合創建新課堂。

2.探——以多角度三維虛擬，探地貌特征差異

學科融合是從多學科的角度激發學生對知識的綜合學習和對問題的多角度探究。探究是個人與集體協作解決問題的過程，而協作與會話是建構主義理論中學習環境的四大要素之二，是達成學習效果、提升學生綜合思維的重要武器[5]。為更好地促進學生的協作交流，分配任務需明確組內異質、組間同質的分組原則。在“探究”環節，學生操作ArcScene軟件觀察三維虛擬地貌，從地理的角度分析地理位置、坡度、起伏度等特征，從數學的角度解釋等高線疏密度與相對高度，從生物的角度探究物種豐富度及人地關系，實現在多角度探究中，將地理與生物、數學、信息等學科融合教學，在主動建構與合作構建中習得地圖識圖技能、認識信息技術、鍛煉空間思維，最終達到提升綜合思維的核心素養目標。

3.論——以多學科問題情境，論不同地貌成因

論證是建構的重要過程，當學生在知識認知與原有認知相駁時，會進行深層次的論證，再次建構新的認知，逐漸形成高階思維，問題情境創設是高階思維形成的關鍵。在“論證”環節，通過創設地貌成因問題的探究活動情境，學生利用地理信息技術呈現的虛擬地貌進行深層次的剖析與辯論，包括利用化學方程式從化學的角度探究喀斯特地貌的成因、張掖丹霞地貌的多彩奧秘，運用曲線運動原理與地轉偏向力從物理的角度論證河流地貌的形成，從而以多學科角度論證不同地貌的成因，實現學生高階思維的擴展。

4.遷——以重組性遷移應用，析學科融合試題

所謂學習遷移，是指知識在新條件下的進一步學習，是對知識的深化理解與心理應用范圍的擴充[6]。

它是教學的重要環節，是學生持續性發展的重要過程，是檢驗學生是否真正達到對知識自主建構的重要標準，可利用活動設計、習題檢驗、開放性試題等方式實現。在“遷移”環節，一是選取具有多學科特色、綜合性較強的高考試題練習深化學生對知識的理解與遷移，從語文漢字的角度分析“河”“梁”“柳”與地理環境之間的關系，并分析其中的地理要素;二是通過開放性課后試題的形式，讓學生從多學科角度思考“如何實現貴州省喀斯特地區的鄉村振興發展”，并提出合理化建議，深化提升學生的情感態度價值觀。這樣通過多元試題的形式實現知識重組性遷移與應用，將語文、生物等學科知識自然地遷移到地理問題的理解與應用中，促進學生的持續性發展與核心素養提升。

5.評——以多元性指標量表，評融合教學成效

評價是教學的重要環節，貫穿教學的始終，能為學生學習成效與教師教學效果提供一定的優化依據[7]。評價主要分為自評、小組互評和教師評價，評價內容量表以學科融合和地理信息技術輔助效果的角度進行設計，需注重過程性評價與形成性評價，以發揮評價的重要作用。在“評價”環節，評價學生能從物理、化學的角度分析地貌形成原因的達成度，能從生物的角度分析不同地貌的物種豐富度、認識人地關系，能利用地理信息技術輔助自己從數學的角度認識等高線地形圖的能力，從地理的角度分析地貌特征等。注重在評價中檢驗學生對學科融合知識點的掌握、地理信息技術能力提升效果以及核心素養達成度。

三、地理信息技術輔助學科融合教學示例

本文為充分發揮地理信息技術輔助多學科融合的可能性，探索提出學科融合教學的“吸—探—論—遷—評”關鍵路徑（圖1）。現以“虛擬野外地貌教學”為例，突出學生主體，以實現學科融合教學的綜合育人功能與培養學生的核心素養目標，設計地理信息技術輔助地理與物理、化學、生物、信息等學科融合的“教—學”案例（表1）。

四、結語

以“虛擬野外地貌教學”為例，探究利用地理信息技術輔助地理與其他學科的融合教學。一是明晰了學科融合教學路徑，構建了“吸—探—論—遷—評”的關鍵路徑，創設了虛擬三維地貌的學習情境，將抽象知識立體化，極大地發揮了地理信息技術輔助學科融合教學的重要作用，利于學生的空間思維與地理信息技術培養。二是將地理教學中的地理現象與物理、化學、生物、信息等學科知識相融合，模糊了學科教學界限，通過探究與論證等方法激發學生調用多學科知識，促進了學生綜合思維的發展與核心素養的提升。三是“教—學”活動突出學生主體，在“探—論—遷—評”中加強學生的自主建構與合作構建，在建構中習得地貌識別的基本方法，在協作中培養合作探究精神，在辯論中磨煉批判思維，在遷移中檢驗學習成效，在評價中獲得自我效能。

學科融合教學是培養學生核心素養的重要形式之一，它將是未來學科教學發展的一大趨勢。本研究提供了學科融合教學的一種參考路徑，但地理信息技術并不適用于所有教學內容，還需教師不斷地挖掘地理信息技術在中學地理教學中的適用性。在學科融合教學過程中，教師需結合實際的教學條件與教學內容進行調整優化，以達到更好的學科融合教學效果。