基于STEM-PBL的高中地理教学案例开发

【摘要】STEM和PBL是时下教育教学领域的两大利器，两者相结合能极大地提升教育教学效果。文章结合实际课例的开发，探讨在高中地理教学中将两者有效结合的方法，以培养学生的地理学科核心素养，落实立德树人根本任务，实现高中地理课程目标。

【关键词】高中地理；STEM；PBL；太阳能；热水器

【中图分类号】G633.5【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2023）05—0114—05

随着地理学科核心素养的提出和高考改革的深化，传统高中地理教学模式的弊端突显，不利于培养学生的地理学科核心素养，需要一种新的、有效的高中地理教学模式。STEM和PBL是时下教育教学领域的两大利器，将两者结合运用于高中地理教学，将大大提升教学效果。

一、STEM课程与地理学科核心素养的关系

STEM是Science、Technology、Engineering、Mathematics的缩写，代表科学、技术、工程、数学四门学科。在以往的课程体系中，这四门学科分别独立教学，而STEM课程则是一种将四者深度融合的新课程设置方案。STEM课程目标是培养学生的STEM素养，即科学素养、技术素养、工程素养和数学素养。在STEM课程中，这四个素养不是简单叠加，而是强调在实践中将其综合运用来发现并解决实际问题[1]。

普通高中地理课程标准提出了区域认知、综合思维、人地协调观和地理实践力四大地理学科核心素养。区域认知和综合思维要求学生能够从空间-区域视角以及综合视角认识地理事物和现象，辩证地看待地理问题，与科学素养的要求吻合；人地协调观要求学生能够正确看待人类活动与地理环境之间的关系，形成尊重自然、和谐发展的意识，与技术素养、工程素养的要求吻合；地理实践力要求学生能够运用相关知识和工具在真实情境下解决实际问题，具备策划并实施活动的能力，与技术素养、工程素养、数学素养的要求吻合。

可见，STEM素养与地理学科核心素养高度契合，STEM课程可作为培养地理学科核心素养的有效平台。

二、PBL教学法与STEM课程的关系

PBL是Problem-Based Learning的缩写，直译为基于问题的学习，是一种以有意义的问题作为起点，将学习设置到相关情境中的教学方法。一般来说，PBL教学法的操作流程是：教师创设有意义的真实情境→学生发现问题或教师设置问题→学生自主搜集资源、探究问题、解决问题并拓展延伸→教师评价、总结。在整个流程中，学生是主体，教师只是情境的创设者、问题的提出者和结果的评价者[2]。

PBL教学法作为一种课堂教学方法，侧重于教学手段，STEM课程作为一种课程设置方案，侧重于课程内容。两者不是相互冲突、非此即彼的关系，而是互相融合、相辅相成的关系，因为只有内容而缺乏有效教学方法的课程是无法实施的。由于PBL教学法以学生为主体，让学生带着现实世界中的问题在真实的情境里自主探究，所以更易激发学生正确认识世界并改造世界的欲望；PBL教学法使学生明白现实世界中的问题很少单独存在，需要综合多个领域的知识和能力方能解决问题，这些均与STEM素养的要求吻合。可见，PBL教学法是践行STEM课程的有效工具，PBL教学法为STEM课程提供了教学的策略和内容实践的框架。

由此可见，基于STEM-PBL的高中地理教学模式将PBL教学法与STEM课程结合，势必有利于培养学生的地理学科核心素养，落实立德树人根本任务，实现高中地理课程的目标。

三、基于STEM-PBL的高中地理教学案例开发流程

（一）选择适合开发STEM课程的地理考点

虽然很多地理考点都一定程度上涉及STEM，与STEM有一定程度的融合，但并非所有地理考点都适合开发STEM课程。如果一个地理考点与STEM的涉及面不够广、融合度不够深，其内容量是无法支撑STEM课程开发的。一个地理考点与STEM的涉及面、融合度既受知识体系等客观因素影响，也受开发者的开发能力等主观因素影响。开发者要在努力提升自身开发能力的基础上，选择符合自身开发能力的地理考点去开发STEM课程。

（二）基于STEM，根据高中地理课程标准确定具体教学目标

根据所选择的地理考点，将STEM素养与高中地理课程标准的要求进行比对、整合，把这些素养细化成具体的教学目标，在教学过程中通过达成这些具体的教学目标来培养相关素养。

（三）基于PBL，根据教学目标选择教学内容并设置情境问题

教学内容的选择具有一定的灵活性，但开发STEM课程时所选择的教学内容首先要符合高中地理课程标准的要求并能达成相应的教学目标，在此基础上还要有利于创设真实的情境问题，有利于PBL教学法的施展。

（四）根据教学内容以及所设置的情境问题准备相关教学资源

相较于传统地理教学模式，基于STEM-PBL的地理教学模式对教学资源要求更高，常用的有数字类的文本、图像、音频、视频、应用程序等；实物类的模型、仪器、工具等；场地类的实验室、展览馆、室外活动场等。

四、基于STEM-PBL的高中地理教学案例开发样例

（一）选择适合开发STEM课程的地理考点

太阳能的开发利用与生活、生产有密切的关系，既是高中地理的高频考点，又与STEM密切关联，因此太阳能的开发利用相关考点适合开发STEM课程。太阳能热水器是学生日常生活中容易接触到的一种太阳能开发利用方式，因此本样例选择以“太阳能热水器支架的设计与制作”为主题，开发基于STEM-PBL的教学案例。

（二）基于STEM，根据高中地理课程标准确定具体教学目标

教学目标：掌握太阳能热水器的主要结构及支架的设计要求。对应的STEM素养：科学素养、技术素养。对应的地理学科核心素养：综合思维、地理实践力。

教学目标：掌握正午太阳高度角的定义、计算方法、时空分布规律。对应的STEM素养：科学素养、数学素养。对应的地理学科核心素养：区域认知、地理实践力。

教学目标：能够计算正午太阳高度角、集热板与地面夹角等相关数据。对应的STEM素养：科学素养、数学素养。对应的地理学科核心素养：区域认知、地理实践力。

教学目标：能够综合考虑结构、材料、工艺等因素对工程的影响。对应的STEM素养：工程素养、技术素养。对应的地理学科核心素养：综合思维、地理实践力。

教学目标：能够制作支架模型并对其作出合理的评价。对应的STEM素养：工程素养、科学素养。对应的地理学科核心素养：综合思维、地理实践力。

教学目标：能够将支架设计的原理与技术迁移应用到其他领域。对应的STEM素养：工程素养、技术素养。对应的地理学科核心素养：区域认知、综合思维、人地协调观、地理实践力。

（三）基于PBL，根据教学目标选择教学内容并设置情境问题

1.导入主题，开启探究之旅。创设情境：播放常见的太阳能热水器展示视频，介绍：太阳能热水器支架（以下简称支架）不仅支撑着热水器的各个部件，还影响着热水器集热管（以下简称集热管）与阳光的夹角，从而影响集热效果。因此支架是一个十分重要的部件，成为人们选购太阳能热水器时重点考虑的因素之一。这促使支架的生产从太阳能热水器产业中分离出来，逐渐发展成为一个相对独立的小行业，生产支架的厂商越来越多。然而各厂商生产的支架良莠不齐，很多产品存在着这样或那样的问题，实际使用效果不佳。

设置问题：要设计并制作一个科学实用的支架需要运用科学、技术、工程、数学等方面的素养，这听起来似乎是一件很难的事情。其实不然，只要同学们开动脑筋，你们也能设计并制作一个科学实用的支架。现在就让我们行动起来吧！

设计意图：利用多媒体技术呈现日常生活真实情境，提出貌似很难但却有机会解决的问题，以此激发学生的求知欲望和探索动力。

教师引导：教师组织学生分工合作、制定计划，做好前期准备。

2.立足科学，掌握基本知识。创设情境：组织学生搜集我国各地太阳能热水器实景图或实拍视频，汇总后要求学生观察对比并归纳太阳能热水器的主要部件，并重点关注集热板的放置方式。

设置问题（1）：在我国集热板的放置方式有什么特点？为什么要这样放置？

设计意图：使学生掌握太阳能热水器的主要构造及加热原理等基本知识，通过学生自己观察发现集热板都是倾斜放置的，为理解支架的基本设计要求做准备。

教师引导：可引导学生从太阳能热水器加热原理、集热板单位面积所获得的太阳辐射量、正午太阳高度角等方面思考，发现集热板倾斜放置是为了使其与阳光保持垂直，增大单位面积获得的太阳辐射量，提高集热效率[3]。

设置问题（2）：同一季节在不同地点，集热板与地面的夹角是否相等？为什么？

设计意图：使学生掌握在同一时间正午太阳高度角随纬度而变化等基本知识，为理解支架的高阶设计要求做准备。

教师引导：可引导学生从正午太阳高度角的定义、计算公式、随空间分布规律等方面思考，发现同一季节在不同地点，集热板与地面的夹角由各地的正午太阳高度角决定。

设置问题（3）：根据上述情况，支架必须具备什么功能才能在不同的时间和地点保证集热板高效工作？

设计意图：使学生掌握人类对地理事物的调控技术等基本知识，为设计制作科学实用的支架做准备。

教师引导：可引导学生从地理事物的动态发展规律以及人类对地理事物的调控技术等方面思考，发现支架必须可调节集热板与地面夹角才能在不同时间和地点保证集热板高效工作。

3.借助数学，计算现实情境数据。创设情境：分别展示晋江某地同一集热板与地面夹角达一年中最大值和最小值时的照片。

设置问题（1）：该集热板与地面夹角达一年中最大值和最小值的照片分别是在什么日期拍摄的？最大值和最小值分别是多少度？在晋江一年中集热板与地面夹角调节范围是多少？

设计意图：使学生学会结合区域认知计算设计制作支架所需的基础数据，为设计制作科学实用的支架做准备。

教师引导：可引导学生从集热板与地面夹角和正午太阳高度角的关系、地理坐标的获取、正午太阳高度角的计算公式等方面思考，发现在晋江集热板与地面夹角一年中最大值出现在12月22日前后，约为48度；最小值出现在6月22日前后，约为1度；在晋江一年中集热板与地面夹角调节范围是从1度到48度。

设置问题（2）：在我国范围内一年中集热板与地面夹角最大值是多少度？你认为有必要生产能将夹角调节到这个度数的支架吗？

设计意图：使学生学会结合区域认知计算工程的极限值并处理设计与量产之间的关系。

教师引导：可引导学生从集热板与地面夹角和当地纬度的关系、我国太阳能资源空间分布及开发利用情况、工程经济效益等方面思考，发现冬至日在我国纬度最高处出现全国一年中集热板与地面夹角的最大值，约为77度。虽然能够设计出适用于该纬度的支架，但该纬度太阳能资源不具备优势，现实中太阳能热水器使用量小，从经济效益考虑，量产需谨慎。

4.提升技术，解决现实情境难题。创设情境：播放实景视频，介绍：家住晋江的王先生两年前购买的太阳能热水器现在出现支架漆面脱落、锈迹斑斑现象，且拧动支架调节旋钮十分费力，最近甚至无法拧动了。

设置问题（1）：为什么会出现支架漆面脱落、锈迹斑斑现象？你设计制作的支架应如何避免这种现象？

设计意图：使学生运用区域认知和综合思维能力，理解科学实用的支架对设计和制作有多方面的要求。

教师引导：可引导学生从气候特点、防锈工艺和材料特性等方面思考，发现主要是气候较潮湿、手工普通喷漆工艺不过关、使用普通钢材导致支架使用短时间就脱漆生锈，可使用金属专用防锈漆或不锈钢材料来达到防锈的效果。