基于STEM教育理念发展核心素养的地理教学探究——以“热力环流”一课为例

（江苏省天一中学, 江苏 无锡 214101）

摘要：地理核心素养是最能体现地理学科价值的关键素养，对学生形成面向未来、实现终身发展的能力至关重要。结合STEM教育的相关理念，将“原始问题”“项目学习”的相关策略和方法引入课堂，可以更好地达成核心素养的发展目标。本文即是以“热力环流”一课为例所做的一些探讨。

关键词：STEM教育；核心素养；项目学习；原始问题；热力环流

一、理论指导１．地理核心素养

地理核心素养是最能体现地理学科价值的关键素养。它不仅引导学生从地理学的视角观察世界，还指导其运用地理学的知识和技能来分析问题、解决问题，有利于其更好地面向未来，实现终身发展的目的。从学科教育的价值取向看，地理核心素养主要包括“人地协调观、综合思维、区域认知、地理实践力”四个要素。

二、设计实践１．课堂问题引入

(1)师生活动展示一组“切洋葱、辣眼睛”的照片（见图1），引起学生的兴趣；通过“他们怎么了”“你有什么妙招吗”等问题做铺垫，播放“在案板两侧点上蜡烛后，切洋葱就不辣眼睛了”的生活类电视节目视频片段；之后，点明本节课要研究的问题“点着的蜡烛如何改变了大气流动，从而阻止了气体酶的侵入呢”。

２．　ＳＴＥＭ教育与项目学习

STEM教育强调学生在一个“杂乱无章”的学习情境中的设计能力和问题解决能力。[1]STEM教育的兴起与项目学习相辅相成，STEM教育中“基于项目的学习”这一原则，对学生核心素养培育的策略、途径有很强的指导意义。围绕核心素养、核心知识、核心能力及核心观念，选择合适的原始问题，运用“项目学习”模式，经“课堂问题引入”“背景经验学习”“科学模型建构”“原始问题探究”“课后拓展提升”等环节开展地理教学，不仅可以更好地调动学生的学习兴趣，还可以提升其在真实情境中发现、提取和处理信息，以及解决问题的能力，有利于其地理核心素养的形成。

图１　切洋葱　辣眼睛

*本文系江苏省教育科学“十三五”规划课题《STEM教育视野下学生研究项目开发研究》（项目编号：2016-GH01011-00488）、无锡市教育科学“十二五”规划立项课题《“项目研究”推动的“天文巡星工作室”建设研究》（项目编号：C/D/2013/008）、无锡市教育学会“十三五”教育科研课题《基于“项目学习”发展“核心素养”的地理教学研究》（项目编号：XH1628）的阶段性成果。

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2018 年 第 1 期(2)设计意图核心素养的培育不能凭空而来。直接以抽象习题导入很难激发学生的学习积极性，即便是参与了课堂研究的学生往往也仅是为了完成学习任务。以学生具备体验的生活场景为情境，提出具有实际意义的现实问题（原始问题），不仅体现了“地理实践力”关于“会用地理眼光认识和欣赏地理环境”“对地理探究活动充满兴趣与激情”“运用适当的地理工具完成既定的实践活动”的要求，而且落实了“学习对终身有用的地理、对生活有用的地理”的课程基本理念。

２．背景经验学习

(1)师生活动（气压）明确气压的概念后，通过“你知道有哪些物品或事情与气压有关吗”这一问题引导学生继续将知识学习与生活体验相结合；教师分享自己的生活案例（两张真空包装的薯片照片，照片中一包稍微有些瘪，另一包特别鼓，见图2），提问学生：“哪张是老师在无锡购买时拍的，哪张是老师到西宁（青藏高原）后拍的？为什么？”从学生的回答中提取规律：垂直方向上，海拔越高，气压越低；教师请学生读图，并根据规律判断“海拔不同的A、C两处，哪里气压更高？”。

图２　认识气压

(2)设计意图（气压）要回答好“课堂问题引入”环节提出的问题，就必须要先指导学生学习、掌握大气相关的基础知识和原理（背景经验）。梳理“热力环流”形成的逻辑过程，可将“背景经验”分为“认识气压”“大气垂直运动”和“大气水平运动”等三个部分。

在处理“气压”这种难以捉摸、无法看见，却又无处不在的地理现象时，应化抽象为具象，让学生自己发散思维，去寻找生活中的案例，如“钢笔吸墨水”“吸盘吸在光滑墙壁上”等；让学生通过观察地理

教学研究现象，从要素综合、时空综合、区域综合的综合思维角度分析“真空包装袋鼓起”背后的原理、总结规律，并据此规律解答抽象习题。

(3)师生活动（大气运动）应用假设法，师生共同探讨近地面冷热不均导致的大气垂直运动，以及由此引发的高空气压的变化；然后请学生观看“玻璃缸中的热力环流”实验视频，并画出玻璃缸中大气的垂直和水平运动的情况；请学生根据其绘制的大气运动图（见图3），逐一分析高空大气的水平运动、近地面气压的变化和近地面大气的水平运动情况；最后，总结上述大气运动即为“热力环流”，是大气运动最简单的形式。

图３　大气运动图

(4)设计意图（大气运动）受限于在普通教室开展教学的时空环境，教师采用播放视频的方式替代现场实验。在视频播放前后，要求学生边逻辑推理边绘制图形，最终形成一幅完整的热力环流图。在此过程中，学生需要辩证地看待“玻璃缸中的热力环流”这一地理问题，并调用系统、动态地认识地理事物和现象的思维品质和能力，尝试着去解释该

地理现象发生、发展和演化的过程及原因，这体现了地理核心素养的综合思维。

３．科学模型建构

(1)师生活动师生活动从对“同一水平面上气压差异”“大气垂直运动”“大气水平运动”“近地面大气冷热不均”等大气运动的环节进行逻辑排序开始；之后，通过“比一比”活动，引导学生对“热力环流”中高空和近地面四处的气压进行高低排序；通过“想一想”活动，引导学生探究高空和近地面等压面的变化情况，并总结规律；通过“画一画”活动，引导学生根据等压面弯曲规

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教学研究律，绘制热力环流示意图（见图4）。

图４　　“画一画”活动

(2)设计意图学生在学习并掌握了大气相关的基础知识和原理（背景经验）后，迫切需要将零散的知识系统化，整合成科学的“热力环流”模型。“比一比”“想一想”“画一画”等活动，有助于学生充分认识热量、气压、大气运动等自然地理要素，帮助其将上述要素统整为一个相互联系、相互影响的系统。学生经此环节建构的“热力环流”科学模型，将成为其有力的地理工具，协助其完成既定的实践活动。

４．原始问题探究

(1)师生活动对学生进行分组，分别完成四个不同时空尺度的大气运动问题。

第一组学生探究的是微尺度问题：切洋葱不流泪（见图5）。该问题要求学生画出热力环流图，并以此解释为什么“点蜡烛”可以让人不流泪。此问题也是对本节课开局“课堂问题引入”环节所举案例、所提问题的呼应。

图５　微尺度问题－切洋葱不流泪

2018 年 第 1 期第二组学生探究的是小尺度问题：室内风（见图6）。该问题要求学生以家装设计师的身份，在房间内选择合适的位置安装制冷用空调和取暖用暖气，并画出热力环流图来解释为何如此安装。

图６　小尺度问题－室内风

第三组学生探究的是中尺度问题：城郊风（见图7）。该问题要求学生首先阅读苏州市气象局朱焱等人在《苏州城市热岛对污染扩散的影响》的研究中绘制的两幅地图（苏州城市热岛影响的地面均温地图、苏州城市热岛对PM2.5等浓度的影响数值地图），判断在热岛效应影响下PM2.5等污染物的浓度在市区和郊区分别呈上升还是下降趋势；然后在示意图上画出热力环流图，并以此解释PM2.5等污染物浓度变化的原因。

图７　中尺度问题－城郊风

第四组学生探究的是大尺度问题：东亚季风（见图8）。该问题要求学生首先在示意图上绘制中尺度的海陆间热力环流图（昼夜变化的海陆风），明确海陆间、近地面的风向在白天和夜间的差异；然后阅读网络

上“历史天气查询”检索到的无锡市某年12月和6月的

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2018 年 第 1 期风向统计资料，在东亚局部地区地图上绘制冬夏季的季风风向，并用热力环流的知识进行解释。

教学研究图９　中尺度问题－山谷风

(2)设计意图“原始问题”，特别是以苏州PM2.5等污染物浓度

图８　大尺度问题－东亚季风

的区域变化为例的中尺度城郊风、以北京PM2.5等污染物浓度的昼夜变化为例的中尺度山谷风这两个“原始问题”，不仅涉及到地理环境对人类活动的影响，而且涉及人类活动对地理环境的影响，能够引导学生关注人类社会与地理环境两大系统间的相互作用及作用的方式、强度和后果，进而提升其对协调人地关系的必要性和可能性的认识、理解和判断，帮助其建立科学、可持续的人地协调观。

“抽象习题”是从“原始问题”中抽象出来的表征性问题，是对相关知识、原理和方法的高度概括，是“原始问题”的程序化和模型化。针对“抽象习题”的解答能力，是学生阶段必须掌握的基本技能。因此，课后仍应完成一定量的习题训练。

各组学生自由讨论后完成任务，派一名代表上台汇报、交流小组的探究成果，并简要谈谈自己的感受。

(2)设计意图“原始问题”指人们在自然界及科研、生产、生活中遇到的各种客观存在的且未经抽象化的真实问题。[2] “原始问题”是人们在地理户外考察、社会调查、模拟实验等实践活动中遇到的真实问题，具有客观性、真实性、隐蔽性和开放性的特征，它要求学生只有对相关知识概念、原理和方法透彻理解，才能全面、系统、动态地对相关要素和要素的时空组合做出全面、准确地分析和评价。

从微尺度、小尺度到中尺度、大尺度“原始问题”的设计，学生研究的对象从区域内一点拓展到整个大区域，可以引导学生形成区域的概念，了解到区域是认识地球表层的基本单位；可以引导学生认识“热力环流”问题的空间分布、结构和尺度，分析不同区域间“热力环流”作用的差异和联系；可以引导学生养成从区域、时空的视角对地理事物进行观察、分析的意识和习惯，形成应用地理学的认知工具与认知方法来研究区域，进而形成因地制宜进行区域开发的理念。

三、教学反思

STEM教育强调基于项目的学习、基于问题的学习，引导学生开展实践活动、采用建模的方法分析和探究真实世界中的地理现象，不仅有效指导学生学习地理知识和原理，形成科学分析和探究问题的能力，而且有助于学生“地理实践力”“综合思维”“区域认知”“人地协调观”等地理核心素养的形成。

当然，STEM教育、核心素养等在我国教育教学的实践仍处于探索阶段，亟待相关专家、学者和一线教师们的共同研究和实践探索。

参考文献：

[1] 赵中建.STEM:美国教育战略的重中之重[J].上海教育, 2012(11):16-19.

[2] 王静,邢红军.论原始物理问题的特性及其教育功能[J].物理教师,2004(8):39-42.

５．课后拓展提升

(1)师生活动“课后拓展提升”分为两部分，要求学生在课后自行探究、完成。第一部分是以北京PM2.5等污染物浓度的昼夜变化为例的中尺度山谷风（见图9）“原始问题”探究，第二部分是以江苏省学业水平测试（地理）历年真题为例的“抽象习题”训练。

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