STEM教育理念在培养地理综合思维中的运用研究

肖显杨 钟丹 龙少波 巫平生

一、引言

地理是一门集自然、人文、区域为一体的学科，具有较强的综合性。高中地理核心素养中提出四大核心素养，其中综合思维被誉为区域认知和地理实践力的基石，通常作为学生理解地理学科中人地协调观念的重要思维工具。如何在高中地理教学中落实综合思维素养的培养，又应采取何种教学方式是当下地理教育者面临的一个难题。“STEM”是科学、技术、工程、数学的英文首字母缩写，被称为跨学科教育或多学科融合教育。2013年，美国发布的《下一代科学标准》中要求在STEM学科之间建立更多、更深的联系，强调以跨学科的方式学习科学和工程学知识［1-2］。STEM教育理念下的教学主张以学生为教学中心，以学科之间的整合、问题的解决为驱动力，实践和知识并重，达到培养学生综合性思维素养的目的［2-4］。在教学中引入STEM教育理念，加强学科之间的融合，从而提升学生的综合思维能力。

二、STEM教育理念在高中地理教学中的融合性

1.学科特性融合

STEM教育理念主张多学科融合，主张科学认知事物本质内涵，敢于提出质疑，善于思考提出问题；提高学生动手能力，设计合理的工程道具，在技术实验中验证真理，使学生成为学习的主体，主动参与学习探究，提高课堂效率，从而培养学生综合思维能力，并且使地理实践力得以提升。高中地理是研究区域内人类活动與自然地理环境之间关系的学科，地理学科知识内容宽泛，包含自然、人文、区域等知识，涉及多个学科的融合。由此可以看出地理学科的特性与STEM教育理念高度契合，STEM教育理念与高中地理教学融合紧密。

2.学科知识融合

STEM教育理念主张多学科融合教学，通过科学、工程、技术、数学等学科方面的知识的融合教学，以培养学生的综合思维能力。地理学科教材上的知识与其他学科知识也是相互交织融合的，以“地球上的水”为例：讲解潮汐时，分析潮汐的原理、形成等涉及天体、时间计算等物理、数学、科学等学科知识。教师单从地理学科角度分析地理问题，较为片面，结合其他学科知识可以让学生快速理解记忆。因此STEM教育理念与地理学科内容融合度高。

三、STEM教育理念在高中地理综合思维培养中的教学原则

高中地理课堂时间紧任务重，在有限的课堂时间里授予学生地理知识，同时培养学生的综合思维素养，难度较高。在引入STEM教育理念融入地理课堂创设学科融合教学过程中，需要遵循以下教学原则，以达到“四化”课堂。

1.综合化原则

地理是一门研究区域地理差异的学科，主要研究的是时空差异对地理事物或现象带来的影响，是一门综合性强的学科。时间、空间、气候、水文等多个要素同时对地理事物或地理环境产生影响，改变一个要素都会产生牵一发而动全身的影响。STEM教育理念强调多学科整合，这与地理综合思维培养不谋而合，为此在地理教学中要遵循综合化原则。

2.实践化原则

高中地理特别是自然地理涉及科学原理等概念，授人以鱼不如授人以渔，相对教师直接抛出答案让学生填鸭式记忆，不如让学生做课堂的主人，教师在课堂上担任教学辅助的角色。引入STEM教育理念，引导学生融合科学、工程等学科知识，自主探究发现问题、解决问题。在教学当中应遵循实践化原则，着重强调学生的自我探究实践能力，纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行。在教学中多让学生自己动手展示、探索，有助于知识更好的掌握，进一步提升学生的创新发散思维。

3.生活化原则

知识来源于生活，所学的知识最终也要运用到生活中。在地理教学过程中，不能脱离实际空谈书本知识理论。书本知识是抽象、理想化的理论，在现实生活中，任一因素的改变都会产生牵一发而动全身的影响。因此课堂教学应“生活化”，遵循STEM教育理论，将教学活动置于现实生活背景之中，如在讲解影响海水盐度的因素时，海水的盐度对于内陆没有见过大海的学生较为抽象，将其转化为家里炒菜时如何控制菜的咸淡的生活情境，地理情境转化为生活情境，通俗易懂。

4.个性化原则

高中时期的学生正处于发展期，富有想象力和创造力。在融合STEM教育理念的地理课堂中，教师的授课应该融合学生的思维观点。一千个人眼中有一千个哈姆雷特，每个学生对于知识都有自己独到的见解，教师要激发学生的主观能动性，让学生主动探究知识，尊重每个学生的想法，并以学习者的身份融入课堂和学生共同探讨。STEM教育中的融合教育也体现在师生之间的相互融合交流。

四、STEM教育理念在培养综合思维教学中的应用案例设计

本文基于STEM教育理念，以“水循环”这一节知识为课题，结合实例探究水循环的过程，在课堂上带领学生“四探水循环”，从探究过程中培养学生的发散思维、创新思维、逻辑思维，从而达到培养地理综合思维的目标，落实地理核心素养的养成。

1.创设教学情境，塑造科学逻辑思维——初识水循环概念

结合STEM学科融合的理念，创设语文情境，以诗句：“黄河之水天上来，奔流到海不复回”“水泉东流，日夜不休，上不竭，下不满”为导入。当学生处于单一固有思维水平时，对日常生活中习以为常的事物和谚语诗句不会产生质疑。作为教师，在课堂上要善于指出问题，让学生产生认知冲突，多次反问学生如“黄河的水从天上降落下来，真的不会回到天上去吗？河流日夜不休，为何上不竭，下不满？”学生在教师的质疑提问下，产生思维认知冲突，对这一知识好奇心加强，促使学生乐于去寻求科学真理。学生自主阅读教材知识得出水循环概念，对水循环过程有一个初步认知，并能够大致绘制出水循环过程示意图。

2.科学制作教具，提高地理创新思维——初探水循环过程

水循环的概念较为抽象，蒸发、凝结降水、水汽输送都涉及物理等学科知识，学生难以体会水循环的真实机制。通过科学设计教具，用立体教具模拟水循环过程，将抽象的水循环过程立体化呈现在课堂上，具有直观性。新颖独特的教具增添课堂趣味性，利于启发学生思考，进一步探索影响水循环各个环节的因素，从而提高学生综合思维。

图1是湘教版教材中的探究水循环过程的装置，该装置充分展示了蒸发、降水、水汽输送等过程，学生可以通过教具演示，自己动手画出水循环的步骤，从而判断出装置演示的是海洋间的水循环。演示海陆之间的水循环，教师可以通过提问让学生通过修改教具，开动大脑，思考海陆间水循环和海洋间内循环的区别，发现海陆间大循环还应该补充上水汽输送、地表径流、下渗、地下径流等环节。通过学生合作集思广益探究该实验装置还需要增加什么装置，让学生在反复思考中提升创新思维。

3.工程实践检验，培养地理发散思维——深究水循环机制

通过水循环过程的探究，学生操作教具实践可以发现地表径流、下渗、地下径流之间关联紧密：地表径流增多，会导致下渗减少，从而导致地下径流减少。为此学生可以通过控制变量設计工程实验，通过实践操作来检验不同坡度、植被、降水量对地表径流的影响。实验方案如表1所示。

通过实验操作，学生可以清晰直观看到改变某一要素，整体的变化结果。在实验中检验自己所提出的问题和真理，让学生得以信服，并且在自主动手操作过程中提升学生的动手实践力，培养学生科学严谨的实验思维素养（表2）。

为了确保实验的真实和可靠性，采取控制变量的形式，每次研究单一变量对地表径流的影响，重复多次实验，最终得出结论：影响地表径流的因素有坡度、降水量、植被覆盖度。除了自然因素，人为因素也会影响坡度、植被覆盖度、从而间接影响地表径流。为此可以采取思维导图的形式将工程实践检验的结论通过思维导图关联起来，将学生外向的发散思维拉回内向的综合思维。

通过工程实践检验，让学生亲身动手操作，在实践中检验猜想，深刻感受到工程建模对地理问题探究的重要性与魅力，在提升地理实践力的同时培养学生的创造力和创新力。在实践中学生学会发散思维，理解影响地理事物现象是由多方面因素影响。

4.数学演绎辅证，培养地理逻辑思维——再识水循环影响

对实验装置进行二次修改，将微观地形道具的坡度分别倾斜成20°、40°、60°，观察地表径流对地表形态的影响。通过实验结果可以发现，水循环过程会对地表形态起到塑造的作用，通过实验的联想类比可以得知水循环过程中在进行热量和物质的交换，维持着水的动态平衡。让学生计算海洋水量的收入和支出，并说出收入和支出的关系，学生通过数学演绎佐证自己的结论是否正确（图2）。

五、总结

本文遵循融合STEM教育理念的“四化”课堂，结合科学、技术、工程、数学等学科知识，以“四探水循环”为课堂探究点，围绕水循环机制、影响设置一系列探究性活动。在课堂教学中将STEM教育理念融入情境创设中，让学生科学认知地理事物和现象。将技术、工程、数学等学科知识融入地理实验探究中，学生在实践当中科学探索，认识新知。在这一过程中，学生的创新思维、发散思维、逻辑思维等得到提升，地理课堂达到知识和综合思维素养的同步培养目标。

参考文献：

［1］ 王美凤.基于“一核四层四翼”高考评价体系的地理教学策略分析［J］.教学考试，2020（36）：64-66.

［2］ 丁宁.基于 STEM 教育的高中地理教学实践研究［D］.大连：辽宁师范大学，2020.

［3］ 杨亚平.整合性 STEM 教育理念下工程类高职数学教学模式的建构［D］.上海：华东师范大学，2016.

［4］ 曾嘉嘉.STEAM 教育理念在高中地理实践力培养中的应用研究［D］.福州：福建师范大学，2019.