基于STEM-PBL的高中地理教學案例開發

【摘要】STEM和PBL是時下教育教學領域的兩大利器，兩者相結合能極大地提升教育教學效果。文章結合實際課例的開發，探討在高中地理教學中將兩者有效結合的方法，以培養學生的地理學科核心素養，落實立德樹人根本任務，實現高中地理課程目標。

【關鍵詞】高中地理；STEM；PBL；太陽能；熱水器

【中圖分類號】G633.5【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2023）05—0114—05

隨著地理學科核心素養的提出和高考改革的深化，傳統高中地理教學模式的弊端突顯，不利于培養學生的地理學科核心素養，需要一種新的、有效的高中地理教學模式。STEM和PBL是時下教育教學領域的兩大利器，將兩者結合運用于高中地理教學，將大大提升教學效果。

一、STEM課程與地理學科核心素養的關系

STEM是Science、Technology、Engineering、Mathematics的縮寫，代表科學、技術、工程、數學四門學科。在以往的課程體系中，這四門學科分別獨立教學，而STEM課程則是一種將四者深度融合的新課程設置方案。STEM課程目標是培養學生的STEM素養，即科學素養、技術素養、工程素養和數學素養。在STEM課程中，這四個素養不是簡單疊加，而是強調在實踐中將其綜合運用來發現并解決實際問題[1]。

普通高中地理課程標準提出了區域認知、綜合思維、人地協調觀和地理實踐力四大地理學科核心素養。區域認知和綜合思維要求學生能夠從空間-區域視角以及綜合視角認識地理事物和現象，辯證地看待地理問題，與科學素養的要求吻合；人地協調觀要求學生能夠正確看待人類活動與地理環境之間的關系，形成尊重自然、和諧發展的意識，與技術素養、工程素養的要求吻合；地理實踐力要求學生能夠運用相關知識和工具在真實情境下解決實際問題，具備策劃并實施活動的能力，與技術素養、工程素養、數學素養的要求吻合。

可見，STEM素養與地理學科核心素養高度契合，STEM課程可作為培養地理學科核心素養的有效平臺。

二、PBL教學法與STEM課程的關系

PBL是Problem-Based Learning的縮寫，直譯為基于問題的學習，是一種以有意義的問題作為起點，將學習設置到相關情境中的教學方法。一般來說，PBL教學法的操作流程是：教師創設有意義的真實情境→學生發現問題或教師設置問題→學生自主搜集資源、探究問題、解決問題并拓展延伸→教師評價、總結。在整個流程中，學生是主體，教師只是情境的創設者、問題的提出者和結果的評價者[2]。

PBL教學法作為一種課堂教學方法，側重于教學手段，STEM課程作為一種課程設置方案，側重于課程內容。兩者不是相互沖突、非此即彼的關系，而是互相融合、相輔相成的關系，因為只有內容而缺乏有效教學方法的課程是無法實施的。由于PBL教學法以學生為主體，讓學生帶著現實世界中的問題在真實的情境里自主探究，所以更易激發學生正確認識世界并改造世界的欲望；PBL教學法使學生明白現實世界中的問題很少單獨存在，需要綜合多個領域的知識和能力方能解決問題，這些均與STEM素養的要求吻合。可見，PBL教學法是踐行STEM課程的有效工具，PBL教學法為STEM課程提供了教學的策略和內容實踐的框架。

由此可見，基于STEM-PBL的高中地理教學模式將PBL教學法與STEM課程結合，勢必有利于培養學生的地理學科核心素養，落實立德樹人根本任務，實現高中地理課程的目標。

三、基于STEM-PBL的高中地理教學案例開發流程

（一）選擇適合開發STEM課程的地理考點

雖然很多地理考點都一定程度上涉及STEM，與STEM有一定程度的融合，但并非所有地理考點都適合開發STEM課程。如果一個地理考點與STEM的涉及面不夠廣、融合度不夠深，其內容量是無法支撐STEM課程開發的。一個地理考點與STEM的涉及面、融合度既受知識體系等客觀因素影響，也受開發者的開發能力等主觀因素影響。開發者要在努力提升自身開發能力的基礎上，選擇符合自身開發能力的地理考點去開發STEM課程。

（二）基于STEM，根據高中地理課程標準確定具體教學目標

根據所選擇的地理考點，將STEM素養與高中地理課程標準的要求進行比對、整合，把這些素養細化成具體的教學目標，在教學過程中通過達成這些具體的教學目標來培養相關素養。

（三）基于PBL，根據教學目標選擇教學內容并設置情境問題

教學內容的選擇具有一定的靈活性，但開發STEM課程時所選擇的教學內容首先要符合高中地理課程標準的要求并能達成相應的教學目標，在此基礎上還要有利于創設真實的情境問題，有利于PBL教學法的施展。

（四）根據教學內容以及所設置的情境問題準備相關教學資源

相較于傳統地理教學模式，基于STEM-PBL的地理教學模式對教學資源要求更高，常用的有數字類的文本、圖像、音頻、視頻、應用程序等；實物類的模型、儀器、工具等；場地類的實驗室、展覽館、室外活動場等。

四、基于STEM-PBL的高中地理教學案例開發樣例

（一）選擇適合開發STEM課程的地理考點

太陽能的開發利用與生活、生產有密切的關系，既是高中地理的高頻考點，又與STEM密切關聯，因此太陽能的開發利用相關考點適合開發STEM課程。太陽能熱水器是學生日常生活中容易接觸到的一種太陽能開發利用方式，因此本樣例選擇以“太陽能熱水器支架的設計與制作”為主題，開發基于STEM-PBL的教學案例。

（二）基于STEM，根據高中地理課程標準確定具體教學目標

教學目標：掌握太陽能熱水器的主要結構及支架的設計要求。對應的STEM素養：科學素養、技術素養。對應的地理學科核心素養：綜合思維、地理實踐力。

教學目標：掌握正午太陽高度角的定義、計算方法、時空分布規律。對應的STEM素養：科學素養、數學素養。對應的地理學科核心素養：區域認知、地理實踐力。

教學目標：能夠計算正午太陽高度角、集熱板與地面夾角等相關數據。對應的STEM素養：科學素養、數學素養。對應的地理學科核心素養：區域認知、地理實踐力。

教學目標：能夠綜合考慮結構、材料、工藝等因素對工程的影響。對應的STEM素養：工程素養、技術素養。對應的地理學科核心素養：綜合思維、地理實踐力。

教學目標：能夠制作支架模型并對其作出合理的評價。對應的STEM素養：工程素養、科學素養。對應的地理學科核心素養：綜合思維、地理實踐力。

教學目標：能夠將支架設計的原理與技術遷移應用到其他領域。對應的STEM素養：工程素養、技術素養。對應的地理學科核心素養：區域認知、綜合思維、人地協調觀、地理實踐力。

（三）基于PBL，根據教學目標選擇教學內容并設置情境問題

1.導入主題，開啟探究之旅。創設情境：播放常見的太陽能熱水器展示視頻，介紹：太陽能熱水器支架（以下簡稱支架）不僅支撐著熱水器的各個部件，還影響著熱水器集熱管（以下簡稱集熱管）與陽光的夾角，從而影響集熱效果。因此支架是一個十分重要的部件，成為人們選購太陽能熱水器時重點考慮的因素之一。這促使支架的生產從太陽能熱水器產業中分離出來，逐漸發展成為一個相對獨立的小行業，生產支架的廠商越來越多。然而各廠商生產的支架良莠不齊，很多產品存在著這樣或那樣的問題，實際使用效果不佳。

設置問題：要設計并制作一個科學實用的支架需要運用科學、技術、工程、數學等方面的素養，這聽起來似乎是一件很難的事情。其實不然，只要同學們開動腦筋，你們也能設計并制作一個科學實用的支架。現在就讓我們行動起來吧！

設計意圖：利用多媒體技術呈現日常生活真實情境，提出貌似很難但卻有機會解決的問題，以此激發學生的求知欲望和探索動力。

教師引導：教師組織學生分工合作、制定計劃，做好前期準備。

2.立足科學，掌握基本知識。創設情境：組織學生搜集我國各地太陽能熱水器實景圖或實拍視頻，匯總后要求學生觀察對比并歸納太陽能熱水器的主要部件，并重點關注集熱板的放置方式。

設置問題（1）：在我國集熱板的放置方式有什么特點？為什么要這樣放置？

設計意圖：使學生掌握太陽能熱水器的主要構造及加熱原理等基本知識，通過學生自己觀察發現集熱板都是傾斜放置的，為理解支架的基本設計要求做準備。

教師引導：可引導學生從太陽能熱水器加熱原理、集熱板單位面積所獲得的太陽輻射量、正午太陽高度角等方面思考，發現集熱板傾斜放置是為了使其與陽光保持垂直，增大單位面積獲得的太陽輻射量，提高集熱效率[3]。

設置問題（2）：同一季節在不同地點，集熱板與地面的夾角是否相等？為什么？

設計意圖：使學生掌握在同一時間正午太陽高度角隨緯度而變化等基本知識，為理解支架的高階設計要求做準備。

教師引導：可引導學生從正午太陽高度角的定義、計算公式、隨空間分布規律等方面思考，發現同一季節在不同地點，集熱板與地面的夾角由各地的正午太陽高度角決定。

設置問題（3）：根據上述情況，支架必須具備什么功能才能在不同的時間和地點保證集熱板高效工作？

設計意圖：使學生掌握人類對地理事物的調控技術等基本知識，為設計制作科學實用的支架做準備。

教師引導：可引導學生從地理事物的動態發展規律以及人類對地理事物的調控技術等方面思考，發現支架必須可調節集熱板與地面夾角才能在不同時間和地點保證集熱板高效工作。

3.借助數學，計算現實情境數據。創設情境：分別展示晉江某地同一集熱板與地面夾角達一年中最大值和最小值時的照片。

設置問題（1）：該集熱板與地面夾角達一年中最大值和最小值的照片分別是在什么日期拍攝的？最大值和最小值分別是多少度？在晉江一年中集熱板與地面夾角調節范圍是多少？

設計意圖：使學生學會結合區域認知計算設計制作支架所需的基礎數據，為設計制作科學實用的支架做準備。

教師引導：可引導學生從集熱板與地面夾角和正午太陽高度角的關系、地理坐標的獲取、正午太陽高度角的計算公式等方面思考，發現在晉江集熱板與地面夾角一年中最大值出現在12月22日前后，約為48度；最小值出現在6月22日前后，約為1度；在晉江一年中集熱板與地面夾角調節范圍是從1度到48度。

設置問題（2）：在我國范圍內一年中集熱板與地面夾角最大值是多少度？你認為有必要生產能將夾角調節到這個度數的支架嗎？

設計意圖：使學生學會結合區域認知計算工程的極限值并處理設計與量產之間的關系。

教師引導：可引導學生從集熱板與地面夾角和當地緯度的關系、我國太陽能資源空間分布及開發利用情況、工程經濟效益等方面思考，發現冬至日在我國緯度最高處出現全國一年中集熱板與地面夾角的最大值，約為77度。雖然能夠設計出適用于該緯度的支架，但該緯度太陽能資源不具備優勢，現實中太陽能熱水器使用量小，從經濟效益考慮，量產需謹慎。

4.提升技術，解決現實情境難題。創設情境：播放實景視頻，介紹：家住晉江的王先生兩年前購買的太陽能熱水器現在出現支架漆面脫落、銹跡斑斑現象，且擰動支架調節旋鈕十分費力，最近甚至無法擰動了。

設置問題（1）：為什么會出現支架漆面脫落、銹跡斑斑現象？你設計制作的支架應如何避免這種現象？

設計意圖：使學生運用區域認知和綜合思維能力，理解科學實用的支架對設計和制作有多方面的要求。

教師引導：可引導學生從氣候特點、防銹工藝和材料特性等方面思考，發現主要是氣候較潮濕、手工普通噴漆工藝不過關、使用普通鋼材導致支架使用短時間就脫漆生銹，可使用金屬專用防銹漆或不銹鋼材料來達到防銹的效果。

設置問題（2）：為什么會出現擰動支架調節旋鈕十分費力，最近甚至無法擰動的現象？你設計制作的支架應如何避免這種現象？

設計意圖：使學生運用區域認知和綜合思維的能力，理解科學實用的支架對設計和制作有多方面的要求。

教師引導：可引導學生從調節器結構設計和調節器保護措施等方面思考，發現主要是旋鈕結構力矩偏小以及調節器防水、防塵措施不到位導致調節器使用費勁且使用壽命短，可改用搖桿或液壓結構來達到省力的效果，可增加防護膠套來達到防水、防塵的效果。

5.引入工程，物化探究成果。創設情境：要求學生根據自己的設計方案準備適當的材料和工具，按照適當的縮小比例制作支架模型。制作完成后將作品匯總、交流，并制定評比方案，對作品進行交換評比。

設置問題（1）：你的設計方案在實際制作過程中遇到哪些問題或困難？為什么會遇到這些問題或困難？你是如何解決這些問題或困難的？還有什么不能解決的問題或困難嗎？

設計意圖：使學生學會從實踐中總結經驗和教訓，并將其升華為相關的技術。

教師引導：可引導學生從支架結構的設計、材料的獲取、材料的加工、部件的組裝和成本投入等方面思考，發現縮小理論和實踐之間差距的方法。

設置問題（2）：你認為符合什么標準的支架才是優秀的支架？請你制訂一個帶有分值的詳細評比方案，然后大家將各自的評比方案匯總，整合成一個統一的評比方案并按照該方案評價其他同學的作品。

設計意圖：使學生在評價他人作品的過程中開闊視野、激發思維，學會取精華而棄糟粕，加深理解如何設計并制作一個科學實用的用品。

教師引導：可引導學生從制作（生產）難度及成本、安裝難度、使用便捷度、維護便捷度及費用、使用壽命等方面思考，發現優秀的支架必須制作難度及成本低、安裝難度低、使用簡便、維護簡便且花費少、使用壽命長。

6.運用技術，遷移解決其他情境問題。創設情境：據觀測發現，在土壤、水分等條件相同的情況下，同一個地區里坡耕地的農產品單位面積產量和質量普遍高于梯田以及平地。

設置問題：為什么出現上述規律？這給我們什么啟示？

設計意圖：使學生學會將已經掌握的原理和技術遷移用于解決其他情境問題，進一步提升解決問題的能力。

教師引導：可引導學生從熱量、光照、晝夜溫差、生長周期、病蟲害、地形、土壤、水分等影響農產品產量和質量的因素考慮，發現因為坡耕地類似傾斜放置的集熱板，比梯田和平地獲得更多的光照，所以農產品單位面積產量和質量更高。這啟示我們，同一個科學原理可以應用于不同的領域，形成不同領域的技術：適當增大耕地的坡度可以作為一項農業技術，用于光照相對不足的地區改善耕地的光照條件，從而提高農作物的產量和質量[4]。

7.探究結束，教師評價與總結。教師對學生探究過程及探究成果加以評價和總結，對閃光點給予表揚或獎勵，對不足之處提出改進建議，并將學生探究過程及探究成果歸類、整理，以圖文形式或影音形式或實物形式存檔。

（四）根據教學內容以及所設置的情境問題準備相關教學資源

自制或購買各個情境中用到的視頻、圖像以及支架模型評比后給獲獎學生頒發的獎狀、獎品等教學資源。

基于STEM-PBL的高中地理教學案例開發具有復雜性，教師在開發相關教學案例時切不可生搬硬套，必須根據相關地理考點的特點、高中地理課程標準的要求、師教與生學的能力、教學資源的完備程度等精心設計，方可開發出能培養學生地理學科核心素養，落實立德樹人根本任務的教學案例。

參考文獻

[1]聶盼.STEM教育理念在中學地理教學中的應用探究[D].長沙：湖南師范大學，2017.

[2]張國斌.PBL模式在高中地理教學中的應用[J].學周刊，2020（13）：123-124.

[3]李婷.太陽能熱水系統的設計原則[J].科技風，2018（09）：44-45.

[4]潘進軍，江瀅，郭鵬，等.中國太陽能資源和環境氣象因子影響分析[J].科技導報，2014（20）：15-21.

（本文系2021年度福建省“十四五”教育科學規劃課題“基于STEM-PBL教學模式下高中地理教學案例開發與實踐策略研究”的階段性研究成果，課題立項號：FJJKZX21-498）

編輯：陳靜