STEM教育理念在培養地理綜合思維中的運用研究

肖顯楊 鐘丹 龍少波 巫平生

一、引言

地理是一門集自然、人文、區域為一體的學科，具有較強的綜合性。高中地理核心素養中提出四大核心素養，其中綜合思維被譽為區域認知和地理實踐力的基石，通常作為學生理解地理學科中人地協調觀念的重要思維工具。如何在高中地理教學中落實綜合思維素養的培養，又應采取何種教學方式是當下地理教育者面臨的一個難題。“STEM”是科學、技術、工程、數學的英文首字母縮寫，被稱為跨學科教育或多學科融合教育。2013年，美國發布的《下一代科學標準》中要求在STEM學科之間建立更多、更深的聯系，強調以跨學科的方式學習科學和工程學知識［1-2］。STEM教育理念下的教學主張以學生為教學中心，以學科之間的整合、問題的解決為驅動力，實踐和知識并重，達到培養學生綜合性思維素養的目的［2-4］。在教學中引入STEM教育理念，加強學科之間的融合，從而提升學生的綜合思維能力。

二、STEM教育理念在高中地理教學中的融合性

1.學科特性融合

STEM教育理念主張多學科融合，主張科學認知事物本質內涵，敢于提出質疑，善于思考提出問題；提高學生動手能力，設計合理的工程道具，在技術實驗中驗證真理，使學生成為學習的主體，主動參與學習探究，提高課堂效率，從而培養學生綜合思維能力，并且使地理實踐力得以提升。高中地理是研究區域內人類活動與自然地理環境之間關系的學科，地理學科知識內容寬泛，包含自然、人文、區域等知識，涉及多個學科的融合。由此可以看出地理學科的特性與STEM教育理念高度契合，STEM教育理念與高中地理教學融合緊密。

2.學科知識融合

STEM教育理念主張多學科融合教學，通過科學、工程、技術、數學等學科方面的知識的融合教學，以培養學生的綜合思維能力。地理學科教材上的知識與其他學科知識也是相互交織融合的，以“地球上的水”為例：講解潮汐時，分析潮汐的原理、形成等涉及天體、時間計算等物理、數學、科學等學科知識。教師單從地理學科角度分析地理問題，較為片面，結合其他學科知識可以讓學生快速理解記憶。因此STEM教育理念與地理學科內容融合度高。

三、STEM教育理念在高中地理綜合思維培養中的教學原則

高中地理課堂時間緊任務重，在有限的課堂時間里授予學生地理知識，同時培養學生的綜合思維素養，難度較高。在引入STEM教育理念融入地理課堂創設學科融合教學過程中，需要遵循以下教學原則，以達到“四化”課堂。

1.綜合化原則

地理是一門研究區域地理差異的學科，主要研究的是時空差異對地理事物或現象帶來的影響，是一門綜合性強的學科。時間、空間、氣候、水文等多個要素同時對地理事物或地理環境產生影響，改變一個要素都會產生牽一發而動全身的影響。STEM教育理念強調多學科整合，這與地理綜合思維培養不謀而合，為此在地理教學中要遵循綜合化原則。

2.實踐化原則

高中地理特別是自然地理涉及科學原理等概念，授人以魚不如授人以漁，相對教師直接拋出答案讓學生填鴨式記憶，不如讓學生做課堂的主人，教師在課堂上擔任教學輔助的角色。引入STEM教育理念，引導學生融合科學、工程等學科知識，自主探究發現問題、解決問題。在教學當中應遵循實踐化原則，著重強調學生的自我探究實踐能力，紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行。在教學中多讓學生自己動手展示、探索，有助于知識更好的掌握，進一步提升學生的創新發散思維。

3.生活化原則

知識來源于生活，所學的知識最終也要運用到生活中。在地理教學過程中，不能脫離實際空談書本知識理論。書本知識是抽象、理想化的理論，在現實生活中，任一因素的改變都會產生牽一發而動全身的影響。因此課堂教學應“生活化”，遵循STEM教育理論，將教學活動置于現實生活背景之中，如在講解影響海水鹽度的因素時，海水的鹽度對于內陸沒有見過大海的學生較為抽象，將其轉化為家里炒菜時如何控制菜的咸淡的生活情境，地理情境轉化為生活情境，通俗易懂。

4.個性化原則

高中時期的學生正處于發展期，富有想象力和創造力。在融合STEM教育理念的地理課堂中，教師的授課應該融合學生的思維觀點。一千個人眼中有一千個哈姆雷特，每個學生對于知識都有自己獨到的見解，教師要激發學生的主觀能動性，讓學生主動探究知識，尊重每個學生的想法，并以學習者的身份融入課堂和學生共同探討。STEM教育中的融合教育也體現在師生之間的相互融合交流。

四、STEM教育理念在培養綜合思維教學中的應用案例設計

本文基于STEM教育理念，以“水循環”這一節知識為課題，結合實例探究水循環的過程，在課堂上帶領學生“四探水循環”，從探究過程中培養學生的發散思維、創新思維、邏輯思維，從而達到培養地理綜合思維的目標，落實地理核心素養的養成。

1.創設教學情境，塑造科學邏輯思維——初識水循環概念

結合STEM學科融合的理念，創設語文情境，以詩句：“黃河之水天上來，奔流到海不復回”“水泉東流，日夜不休，上不竭，下不滿”為導入。當學生處于單一固有思維水平時，對日常生活中習以為常的事物和諺語詩句不會產生質疑。作為教師，在課堂上要善于指出問題，讓學生產生認知沖突，多次反問學生如“黃河的水從天上降落下來，真的不會回到天上去嗎？河流日夜不休，為何上不竭，下不滿？”學生在教師的質疑提問下，產生思維認知沖突，對這一知識好奇心加強，促使學生樂于去尋求科學真理。學生自主閱讀教材知識得出水循環概念，對水循環過程有一個初步認知，并能夠大致繪制出水循環過程示意圖。

2.科學制作教具，提高地理創新思維——初探水循環過程

水循環的概念較為抽象，蒸發、凝結降水、水汽輸送都涉及物理等學科知識，學生難以體會水循環的真實機制。通過科學設計教具，用立體教具模擬水循環過程，將抽象的水循環過程立體化呈現在課堂上，具有直觀性。新穎獨特的教具增添課堂趣味性，利于啟發學生思考，進一步探索影響水循環各個環節的因素，從而提高學生綜合思維。

圖1是湘教版教材中的探究水循環過程的裝置，該裝置充分展示了蒸發、降水、水汽輸送等過程，學生可以通過教具演示，自己動手畫出水循環的步驟，從而判斷出裝置演示的是海洋間的水循環。演示海陸之間的水循環，教師可以通過提問讓學生通過修改教具，開動大腦，思考海陸間水循環和海洋間內循環的區別，發現海陸間大循環還應該補充上水汽輸送、地表徑流、下滲、地下徑流等環節。通過學生合作集思廣益探究該實驗裝置還需要增加什么裝置，讓學生在反復思考中提升創新思維。

3.工程實踐檢驗，培養地理發散思維——深究水循環機制

通過水循環過程的探究，學生操作教具實踐可以發現地表徑流、下滲、地下徑流之間關聯緊密：地表徑流增多，會導致下滲減少，從而導致地下徑流減少。為此學生可以通過控制變量設計工程實驗，通過實踐操作來檢驗不同坡度、植被、降水量對地表徑流的影響。實驗方案如表1所示。

通過實驗操作，學生可以清晰直觀看到改變某一要素，整體的變化結果。在實驗中檢驗自己所提出的問題和真理，讓學生得以信服，并且在自主動手操作過程中提升學生的動手實踐力，培養學生科學嚴謹的實驗思維素養（表2）。

為了確保實驗的真實和可靠性，采取控制變量的形式，每次研究單一變量對地表徑流的影響，重復多次實驗，最終得出結論：影響地表徑流的因素有坡度、降水量、植被覆蓋度。除了自然因素，人為因素也會影響坡度、植被覆蓋度、從而間接影響地表徑流。為此可以采取思維導圖的形式將工程實踐檢驗的結論通過思維導圖關聯起來，將學生外向的發散思維拉回內向的綜合思維。

通過工程實踐檢驗，讓學生親身動手操作，在實踐中檢驗猜想，深刻感受到工程建模對地理問題探究的重要性與魅力，在提升地理實踐力的同時培養學生的創造力和創新力。在實踐中學生學會發散思維，理解影響地理事物現象是由多方面因素影響。

4.數學演繹輔證，培養地理邏輯思維——再識水循環影響

對實驗裝置進行二次修改，將微觀地形道具的坡度分別傾斜成20°、40°、60°，觀察地表徑流對地表形態的影響。通過實驗結果可以發現，水循環過程會對地表形態起到塑造的作用，通過實驗的聯想類比可以得知水循環過程中在進行熱量和物質的交換，維持著水的動態平衡。讓學生計算海洋水量的收入和支出，并說出收入和支出的關系，學生通過數學演繹佐證自己的結論是否正確（圖2）。

五、總結

本文遵循融合STEM教育理念的“四化”課堂，結合科學、技術、工程、數學等學科知識，以“四探水循環”為課堂探究點，圍繞水循環機制、影響設置一系列探究性活動。在課堂教學中將STEM教育理念融入情境創設中，讓學生科學認知地理事物和現象。將技術、工程、數學等學科知識融入地理實驗探究中，學生在實踐當中科學探索，認識新知。在這一過程中，學生的創新思維、發散思維、邏輯思維等得到提升，地理課堂達到知識和綜合思維素養的同步培養目標。

參考文獻：

［1］ 王美鳳.基于“一核四層四翼”高考評價體系的地理教學策略分析［J］.教學考試，2020（36）：64-66.

［2］ 丁寧.基于 STEM 教育的高中地理教學實踐研究［D］.大連：遼寧師范大學，2020.

［3］ 楊亞平.整合性 STEM 教育理念下工程類高職數學教學模式的建構［D］.上海：華東師范大學，2016.

［4］ 曾嘉嘉.STEAM 教育理念在高中地理實踐力培養中的應用研究［D］.福州：福建師范大學，2019.