基于STEM教育理念的地理實踐力培養策略

徐鋒 朱志剛 徐雯

關鍵詞：STEM 教育理念;地理實踐力;經線和緯線

一、STEM 教育與地理實踐力

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）以及數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，其中科學在于認識世界、解釋自然界的客觀規律;技術和工程則是在尊重自然規律的基礎上改造世界、實現與自然界的和諧共處、解決社會發展過程中遇到的難題;數學則作為技術與工程學科的基礎工具。[1]地理實踐力是指學生在進行地理戶外考察、社會調查、模擬實驗等地理實踐活動中所具備的行動能力和品質。[2]信息的獲取與加工、問題的提出與闡釋是培養學生地理實踐力的關鍵，這與STEM中的科學目標一致，即在新知識的學習過程中，個體通過不斷檢驗假說，推翻錯誤假說，從而用理論來解釋現象。工具與方法的運用、方案的設計與實施也是培養學生地理實踐力的關鍵，這與STEM中的技術、工程目標一致，即利用工具或設備以及科學的過程去解決問題。

而數學里對數量關系的分析則是上述所有內容的基礎。如何在STEM 活動中培養學生的地理實踐力，落實核心素養的要求？筆者以“經線和緯線”的教學為例，探討基于STEM 教育理念的地理實踐力培養策略。

二、STEM 教育理念下的“經線和緯線”教學案例

1.科學視角的“經線和緯線”

STEM教育理念中的科學視角落實在地理實踐力培養中時，主要體現在地理信息的獲取與加工。地理信息是用來表示自然環境中地理要素的數量特點、分布規律和互相聯系的文字、數字和圖形圖像等。地理信息的獲取與加工是培養地理實踐力的基礎，即學生能夠從生產生活的真實情境中或者相關資料中獲取有用的地理信息，對其進行搜集、整理、分析和評價，并利用獲取和加工的信息解決生活中的地理問題。

地球儀、經緯網是中學地理基礎性知識，是重點和難點，也是中學地理學習中學生的薄弱點所在。其中，對經線和緯線知識的理解是基礎，如果學生不清楚基本特點、不建立空間模型，就會直接影響到后續的學習。從科學視角看，經線和緯線的知識點主要有：經線和緯線的定義，經線和緯線的形狀、長度、數量、線圈間的位置關系和指示方向等。從淺層意義看即理解定義，緯線是與地軸垂直并且環繞地球一周的圓圈，經線是連接南北兩極并且與緯線垂直相交的半圓。從深層意義看，這不是簡單的二維平面定義，而是基于三維空間球面的定義，對學生的空間想象能力要求較高，需要教師從形狀、長度、數量、線圈間的位置關系和指示方向等知識點進行逐一分析，讓學生能夠全面認知，自主建構模型結構。

2.技術視角的“經線和緯線”

STEM教育理念中的技術視角落實到地理實踐力培養時，主要體現在問題的提出與闡釋。地理問題是學生進行地理學習活動時所遇到的認知沖突和困難。地理問題提出與闡釋的能力是構成地理實踐力能力的重要部分，這一能力在地理實踐活動中表現為學生通過具體的情境自主發現問題、提出問題，并運用地理概念、原理和規律去分析和解釋問題。

地球及地球運動部分的相關知識都較為抽象，建構時需要學生具有較強的空間想象和思維能力。該部分中的一些概念或規律特別難以理解，超出了部分學生的認知水平，特別是七年級和高一相關地理知識點掌握較差的學生，容易形成認知盲區，這給教師的教學帶來極大挑戰。STEM教學通過運用相關理念，制作學具，幫助學生針對性地解決認知盲區，同時培養學生的地理實踐力。傳統的經線和緯線的教學方式是教師引導學生觀察地球儀、觀看視頻動畫，或引入VR技術引導學生全息觀察，但這些都停留在學生觀察、理解的層面。STEM教育理念介入后，可以指導學生自己制作地球儀，在實踐操作過程中理解定義并應用知識，進入深度學習的層面，在此過程中發現經緯線的一些特點并闡釋。

3.工程視角中的“經線和緯線”

STEM教育理念中的工程視角落實在地理實踐力培養中時，主要體現在工具與方法的運用。地理工具可以是野外考察時使用的羅盤、地質錘，也可以是觀測時的望遠鏡、氣象站，還可以是地理專業軟件的“空間分析”“分析管理”功能，若條件不允許，最簡單的也可以是地球儀。科學地選擇、運用地理工具和地理方法，是地理實踐力的重要組成部分，如“列舉電子地圖、遙感圖像等在生產、生活中應用的實例”“使用測量儀器，觀測氣溫、降水和風向”[3]。地理工具與科學方法的運用有助于學生掌握地理知識和技能，提升地理思維品質、鍛煉地理實踐能力。

“經線和緯線”這節內容能很好地幫助學生理解STEM學習中善于問題解決的工程意識。工具的選擇、方案的確定、過程的控制以及成果的評估，這些都是STEM 教育理念的核心。基于STEM 教育理念下“經線和緯線”的工程部分大致從這四個方面展開。

（1）工具的選擇

解決問題需要工具，工具的選擇又取決于要解決的問題。教材建議學生用乒乓球進行地球儀的制作，但乒乓球對于制作經緯網、繪制經線和緯線來說相對偏小，并不合適。有些教師選擇使用水果，但水果的形狀不符合地球儀或經緯網的特點，而且水果不利于保存。在考察眾多材料后，選擇泡沫球作為經緯網繪制的材料，泡沫球的大小規格比較多，尺寸太小不便于繪制，尺寸太大不便于操作和攜帶，建議選用直徑10厘米左右的泡沫球。其次是繪制筆的選擇，鋼筆、圓珠筆不容易上色，顏料筆、蠟筆繪制時不容易修改，白板筆則便于繪制和修改。

（2）方案的確定

方案的確定也是基于問題的解決。先理解定義，學生根據自己對定義的理解在泡沫球上繪制經線和緯線，再描述經線和緯線的基本特點。這里不建議一次性把經線和緯線都繪制出來，而是分步驟將經線和緯線單獨繪制在不同的泡沫球上（圖1）。具體方案如下。

①根據前面的學習，學生明確了地球儀由地軸、北極、南極等組成。任務一是繪制地球儀雛形：學生根據赤道、南極、北極的定義確定這些要素的所在位置;實踐操作一是在泡沫球上標注南極、北極和赤道。②根據緯線的定義“在地球儀上，所有與赤道平行的圓圈叫緯線”確定緯線的位置畫法。任務二是繪制緯線;實踐操作二是在泡沫球上繪制出幾條緯線。③根據經線的定義“在地球儀上，連接南北兩極并垂直于緯線的線，叫經線，也叫子午線”確定經線的位置及畫法。任務三是繪制經線;實踐操作三是在泡沫球上繪制出幾條經線。

（3）過程的控制

在制作模型的過程中，教師不能放任學生完全自己操作，也不能“包辦代替”，需要進行必要的指導。首先是材料的選擇，教師經過多種材料的比較，最終確定成本低、易于學生操作的泡沫球。其次是STEM制作過程，在方案中體現為三步，每一步操作教師都應給予學生一定的建議，便于學生后續的觀察分析。實踐操作建議一：先用鉛筆勾勒，再用白板筆繪制。兩位學生為一組共同繪制一個地球儀，繪制結束后前后兩個小組互相檢查，對錯誤之處予以糾正。實踐操作建議二：根據泡沫球的大小（直徑10厘米左右），從赤道以北繪制兩條緯線、赤道以南繪制兩條緯線，保持一定間距。實踐操作建議三：按合理間距在泡沫球的不同部位上至少繪制四條經線。

除了制作過程的控制外，制作后的互動反饋活動也必不可少，即學生繪制完成后進行同伴交流，既讓做得好的學生展示、介紹自己的作品，也讓學生共同糾正有待完善的作品。

（4）成果的評估

就某個知識點而言，記憶、理解、應用和評價反映了學生學習的不同階段，STEM教育理念有助于深度學習落實，學生要能實踐，更要對相關知識理解透徹，這就需要教師對學生的學習成果進行評估。如學生緯線繪制結束后，教師可以讓學生到講臺上展示自己小組繪制的泡沫球成果，并根據繪制的泡沫球描述出緯線的特點。之后請其他小組的學生評價，如果對緯線的特點有不同意見，可以進行補充和提問。教師則可以根據學生的交流情況，追問下列問題：最長的緯線在哪里？最短的緯線在哪里？有沒有長度相等的緯線，如果有，可能在什么位置？在地球儀上，沿著緯線指示東西方向，東西有盡頭嗎？東西位置是絕對位置還是相對位置？從而促進學生深刻理解緯線的特點。再如學生經線繪制結束后，教師可以讓學生到講臺上展示繪制在泡沫球上的經線，并根據繪制的經線說出其特點。之后請其他小組的學生評價，如果對經線的特點有不同意見，可以進行補充和提問。教師則可以根據學生的交流情況追問下列問題：地球儀上，沿著經線指示南北方向，南北有盡頭嗎？北極點的周圍是什么方向，南極點的周圍是什么方向？南北位置是絕對位置還是相對位置？從而既促進學生深刻理解經線的特點，又對學生STEM學習效果進行評估。

4.數學視角的經線和緯線

STEM教育理念中的從數學視角落實在地理實踐力中時，主要體現在方案的設計與實施。地理實踐活動方案的設計與實施是地理實踐力的具體落實，即在圍繞前面科學、技術和工程等一系列理念，通過實踐活動的規劃和設計最終完成任務，得出基于數據分析的地理原理和地理規律。基于數學數據分析得出的結論，有利于轉變機械訓練、被動接受的傳統學習方式，促進學生的主動學習。地理實踐方案的設計與實施，有助于學生鞏固、內化地理知識，并將地理知識與生活實踐緊密聯系在一起，從而將地理知識運用在生產生活中，并在此過程中培養學生的地理素養和能力。

在STEM教育理念中，模型的制作更能夠體現數學意義。經線和緯線的模型制作好后，教師引導學生分析經線和緯線的形狀、長度、數量、線圈間的位置關系和指示方向等特點，更多的是數學層面的意義（表1、表2）。

為了幫助學生在腦海中建構經緯網空間模型，鞏固對經線和緯線特點的理解，可以讓學生相互展示、評價和交流，教師還可以對此進行深入地設問，讓學生把經緯網繪制在一個泡沫球上（圖2），為后續經度、緯度和坐標的學習打下基礎。

三、基于STEM 教育理念的地理實踐力培養策略

1.基于STEM教育理念重構教材，突出學習主旨

教師在落實核心素養中起關鍵作用，教師對課堂教學起主導作用。首先，教師要處理好教材，基于STEM教育理念重構教材，是指教師根據課程標準的要求、學生身心發展規律和教學實際情況，采用“用教材教”的策略，從“教材內容”中選擇確定合適的學習主旨，并將其轉化為STEM“教學設計”的過程，也就是解決“教什么”和“怎樣教”的問題。教材內容轉化的目的就是要讓教師好讀易教，讓學生好學易學。

基于STEM教育理念，本節課的設計就是將地理教材內容轉變為地理教學設計（教的設計與學的設計）的過程。過程分為兩步：第一步為將地理教材中緯線圈圖及其特點、經線圈圖及其特點轉變為地理教學內容，解決“教什么”的問題;第二步為將已經確立的地理教學內容轉化為地理教學設計主旨，解決“怎樣教”的問題。教師在進行“經線和緯線”教學時，學生了解“經線和緯線”的概念是培養學生信息獲取的地理實踐力;學生繪制緯線和經線是培養學生運用工具和方法去解決具體問題的地理實踐力;學生觀察繪制的學具從而分析經緯線特點是培養學生對地理問題進行驗證、闡釋的地理實踐力。教師的教學目標明確，學生學習的路徑清晰，培養學生地理實踐力的目的就能實現。

2.基于STEM教育理念重視活動過程，培養實踐力

STEM理念下的教育是任務化的學習過程，任務化就是教師為學生提供實踐的情境，學生圍繞一個個任務展開學習，學生以任務的完成過程和完成結果向教師反饋學習效果。基于STEM理念的學習過程改變了學生的學習狀態，能夠主動理解概念、建構模型、深入思考、形成高階思維，建立新的學習體系。

本節課學生的學習任務有三個層次——概念理解—實踐制作—分析特點，或者說有三個步驟——自行感悟—同伴合作—交流展示。教師創設學習情境，從了解有關地球儀的簡單概念入手，繪制經緯網中的赤道和兩極，學生在理解定義的基礎上與同伴合作，共同在泡沫球上繪制緯線。再根據繪制的學具分析緯線的特點，之后進行展示和交流。學生在完成一個任務后，再進行新的任務，形成螺旋上升的良性循環。學習活動與任務相結合，有利于學生通過完成新的任務來維持對學習的興趣和動機[4]。在STEM教育理念下，以學具制作為任務，了解地理工具與方法的基本用途、選擇合適的地理工具與方法、在具體的地理問題解決中熟練且準確地運用地理工具和方法，使得地理實踐力的這三個方面都得到了培養。

3.基于STEM教育理念形成活動范式，優化培養策略

地理課堂活動就形式而言，包括外在活動和內在活動。外在活動主要是手、身體的活動，為顯性，教師能夠看到學生實際做了什么、做得怎樣。內在活動是心理的、隱性的，是學生想了什么、想得怎樣。外在活動和內在活動可以相互影響、互為反映[5]。STEM教育通過學生的外在活動和內在活動，實現兩者統一，從而達到教學目標，讓地理實踐力這一核心素養“落地生根”。STEM教育中的地理活動范式，就是地理實踐力中方案的設計與實施。

基于STEM教育理念的活動范式是以學生的活動為中心，制作學具，結合學具理解經緯線的特點，而不是由教師直接進行講解和傳授。在這個過程中學生是活動的主體，不僅需要其動腦思考，還要親自動手實踐操作。學生通過動手實踐，完成相應的學習任務，從而獲得知識，而不是直接從教材上獲得結論。在這個實踐過程中，學生可能會遇到一些問題或障礙，可以尋求同伴幫助或請教教師。從而培養學生根據提供的方案開展實踐活動、針對具體問題對已有的方案進行修改并開展實踐活動的地理實踐力。