基于STEM教育理念解決學生認知沖突*
——以“探究四季更替的原因”為例

譚杏新

（廣東省中山市龍山中學, 廣東 中山 528471）

一、問題的提出

高二復習“地球公轉的地理意義”專題時，對于問題：“太陽輻射在一年中呈現有規律的變化，形成了四季，那什么原因導致太陽輻射在一年中存在差異”，一部分同學脫口而出：“因為日地距離的遠近引起太陽輻射存在差異而產生四季。”經過教師再次詢問后，部分學生回答：“因為一年內正午太陽高度角和晝長時間有差異。”地理學科是一門實踐性很強的學科，部分自然現象和規律，即使教師通過繪圖和播放多媒體的方式進行授課，學生也難以理解。教材中對該部分內容的處理只是通過文字描述和圖像表達，很難讓學生理解太陽輻射量、緯度和太陽高度角三者之間的關系，此外學生缺乏切身的體驗也難以構建正確的因果關系，所以經常把四季冷暖變換的原因誤解為日地之間的遠近而非太陽高度角。在本案例中，當學生已有的認知是日地距離的遠近導致太陽輻射的差異從而產生四季的變換，與新的知識產生沖突時，教師可以以此沖突為契機引導和幫助學生化解矛盾，主動構建知識，將有利于學生創造性思維的發揮，提高地理核心素養。

二、STEM課程解決地理教學中的難題

傳統的地理教學以講授知識點為主，學生通過觀察圖、繪圖、閱讀文字、強化訓練等手段是無法感知到日地距離和太陽高度角兩者對地球表面獲得的太陽輻射的差異，無法感知就無法構建完整的知識體系。STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，其教育理念是強調科學、技術、工程和數學的跨學科整合，致力于加強各個學科之間的有機聯系，倡導學生跨學科解決現實問題。開發STEM課程應用于地理教學中，為學生解決地理實踐活動遇到的問題提供了理論知識、工具和手段，是一種創新解決地理實際問題的模式。本案例中運用STEM理念開發的實驗課程，可以模擬日地距離和太陽高度角兩者對地球表面獲得的太陽輻射的差異。實驗數據可視化，不僅讓學生直觀感受太陽輻射的變化過程，也培養了學生利用數據分析和解釋問題的科學精神，大大提高了學生的學習積極性和學習效率。

三、基于STEM教育理念開發的教學案例

本文以“探究四季更替的原因”一課為例，通過設計具體的教學過程，以基于STEM教育理念設計的實驗教學為主，建立太陽高度角和太陽輻射，日地距離和太陽輻射之間的數量關系，學生通過收集實驗數據后分析并總結影響四季更替的主要原因。

1.教學目標

（1）人地協調觀：通過分析太陽輻射時空差異和人類活動之間的關系，增強學生的人地協調觀，科學認識太陽輻射時空差異對地球及人類活動的影響。

（2）區域認知：從全球的角度和具體地區角度探討太陽輻射的時空變化，尺度從宏觀到微觀，并且通過區域對比的方法來培養學生區域認知能力。

（3）綜合思維：從時空的多要素、多角度分析影響太陽輻射強弱的因素，培養學生的綜合思維能力。

（4）地理實踐能力：通過觀察和操作實驗，討論太陽能板的安裝，簡易量角器的設計，觀察身邊發生的現象等，不斷提高學生的地理實踐力。

2.實驗教學過程的設計

(1)環節一：創設情境，提出地理問題

展示兩張不同月份的學生活動圖片。教師提問：“同學們還記得8月軍訓時大家都大汗淋漓。到了12月開校運會時，明顯感覺到絲絲寒意，已經披上了風衣。8月和12月氣溫不同是因為地面獲得的太陽輻射不同，從而產生了季節。上節課我們學習了太陽高度的變化和晝夜長短的變化，他們都會影響地面得到的太陽輻射量，晝越長，地面獲得的太陽輻射量越多。那太陽高度的大小和地面得到的太陽輻射量的關系如何？除了晝夜長短、太陽高度，還有什么因素也會影響到太陽輻射量的大小？其中哪些才是影響四季變化的主要原因？”

學生以小組合作的形式討論以上三個問題。通過討論學生認為：“太陽高度角、晝長時間、日地距離、大氣狀況都是影響太陽輻射量的主要因素。一部分學生認為產生四季變換的主要原因是日地距離的遠近，還有一部分學生認為是因為季節性的太陽高度角變化而產生了四季。”為了驗證以上的猜想，學生們通過實驗裝置進行數據探究。

(2)環節二：設計裝置，引入工程與技術

本套實驗裝置主要分成三部分：用一個可以調節強度的LED手電筒來模擬太陽光；電壓表連接太陽能電板，通過讀取電壓值來模擬地面獲得的太陽輻射量；在可調節角度的支架上固定一塊白板，制作一個簡易量角器，可以便捷測定光線與太陽能電板之間的角度，模擬太陽高度（見圖1）。

圖1 實驗器材

四季是隨著時間（季節）變化，到達地面的太陽輻射產生的差異而出現的地理現象，因時間變化的因素有太陽高度角、晝夜長短、日地距離。太陽高度角為太陽光線與地面的夾角，太陽高度角越大，地面接收到的太陽輻射越多，正午時刻為一天中太陽高度角最大的時刻，一般用正午太陽高度角衡量某地的太陽輻射的強弱。實驗中可以通過調節三腳架的角度，從而改變入射光線和太陽能板的角度，模擬某地不同時間的正午太陽高度角，通過讀取電壓值找出正午太陽高度角與太陽輻射之間的關系。

地球公轉軌道是近似正圓的橢圓軌道，太陽位于橢圓的一個焦點上，每年的1月初，地球距離太陽最近，日地距離約1.471億千米，該位置叫近日點；每年的7月初，地球距離太陽最遠，日地距離約1.521億千米，這個位置叫遠日點。以北回歸線為例，遠日點出現在7月初，此時北回歸線上的太陽高度約為90°，近日點在1月初時北回歸線上的正午太陽高度約為43°。實驗中可以調節手電筒和太陽能板之間的距離，模擬不同的日地距離；并相應調節三腳架的角度產生對應的正午太陽高度角；讀取北回歸線在遠、近日點時不同太陽高度角對應的太陽輻射，這樣就可以對比日地距離和太陽高度角中，哪個因素對四季的影響更顯著。

(3)環節三：實驗探究，用數據解決問題

實驗探究1：探究太陽輻射強度和正午太陽高度角之間的關系。

【實驗過程】

手電筒和太陽能板間的距離固定，通過調節三角架的角度，從而改變入射光線和太陽能板的角度，模擬產生不同的正午太陽高度角，電壓示數隨著太陽高度角的變化而變化，從而直觀呈現太陽高度角和太陽輻射量之間的數量關系，記錄數據并分析數據（見圖2）。

圖2 探究太陽輻射強度和正午太陽高度角之間的關系

【實驗結論】

第一組實驗測量數據及結論（見表1）。

表1 實驗記錄單1

隨著太陽高度角的增大，太陽輻射越強。因此得到結論一：太陽高度角越接近90°，太陽輻射量越大，所以太陽輻射和太陽高度角之間是正相關的關系。

探究實驗2：探究日地距離（遠、近日點）對太陽輻射強度的影響。

【實驗過程】

入射光線和太陽能板之間的角度固定為90°，對手電筒的位置進行調節，假設將遠日點設為500厘米，根據遠近日點的距離比，算出近日點應該位于距離太陽能板483.5厘米處。記錄第一次數據。

此外，遠日點出現在7月初，此時北回歸線上的正午太陽高度約為90°，近日點在1月初，此時北回歸線上的正午太陽高度約為43°，分別在遠日點和近日點處調節入射光線的角度，模擬北回歸線上的正午太陽高度角，再次讀取電壓值，記錄第二次數據（見圖3）。

圖3 探究日地距離（遠、近日點）和太陽輻射強度的關系

【實驗結論】

第二組實驗測量數據及結論（見表2）。

表2 實驗記錄單2

記錄數據并進行分析：以北回歸線作為研究對象，當太陽高度角同為90°時，遠日點和近日點得到的電壓差值只有0.04；當考慮了實際情況后，加入了正午太陽高度角因素后，北回歸線上因為太陽高度角的差異得到的電壓差值卻有0.22，遠遠大于日地距離引起的電壓差值。雖然日地距離的變化能引起太陽輻射的強度，但是太陽高度的變化對太陽輻射的影響更顯著，所以得到結論二：日地距離越近，太陽輻射能量越大，但并非四季變化的主要原因，太陽高度角變化才是影響四季產生的主要原因。

(4)環節四：歸納總結，解決認知沖突

上述兩組實驗模擬了太陽高度的年變化和日地距離的年變化對太陽輻射的影響，學生通過數據分析，不僅理解了太陽輻射量和太陽高度角之間的相互關系，也能通過數據對比的方法理解了日地距離對四季產生只有細微的變化，能有效地解決了學生認知沖突，總體而言，太陽高度角的年內變化能引起太陽輻射的明顯變化，日地距離雖然也會引起太陽輻射的變化，但是變化不明顯。因為晝夜長短和正午太陽高度角隨時間變化，到達地面的太陽輻射隨時間發生變化，這就是四季更替的原因。以北半球為例，夏季白晝最長，正午太陽高度最大，地面得到太陽輻射最多，而冬季白晝最短，正午太陽高度最小，地面得到的太陽輻射最少。為了使季節與氣溫變化相符合，北溫帶的許多國家在氣候統計上把3、4、5三個月劃為春季，6、7、8三個月劃為夏季，9、10、11三個月為秋季，12、1、2三個月分為冬季。

(5)環節五：反思評價，拓展思維

實驗結束后，教師作簡要總結并提出問題：“實驗中大家發現有什么不足嗎？”小組成員展開了熱烈的討論，在教師的引導下進行反思，最后得出結論：本實驗能夠直觀地展示太陽輻射量和太陽高度角之間的關系，但是外界的光源影響較大，實驗裝置中有一些需要改善的地方。例如可以將太陽能板的外圍封閉起來，只能接受LED手電筒的光線，這樣可以減少外界光線對實驗過程的干擾就能減少誤差；實驗中模擬的遠日點和近日點中沒有考慮到地球外部大氣層的狀況，還需要對數據進行修正。雖然以上問題尚未通過實驗去解決，但是通過類似的實驗探究課程，學生不僅學會化抽象為具體，有效地提高了學習效果，而且使得學生的思維更加發散，更好地培養了學生的地理學科核心素養。