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        地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)的適切性與實(shí)現(xiàn)路徑

        2022-05-09 13:06:38彭紅梅羅婭李佳鑫張豆豆吳永東王元洪石春茂
        地理教育 2022年5期
        關(guān)鍵詞:學(xué)科融合信息技術(shù)

        彭紅梅 羅婭 李佳鑫 張豆豆 吳永東 王元洪 石春茂

        關(guān)鍵詞:地理信息技術(shù);學(xué)科融合教學(xué);核心素養(yǎng);虛擬三維;地貌觀察

        學(xué)科融合教學(xué)是全面提升學(xué)生核心素養(yǎng)的必然要求,也是促進(jìn)學(xué)生知識(shí)綜合建構(gòu)的有效途徑,更是未來培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型人才的重要舉措。教育部頒布的《關(guān)于全面深化課程改革,落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》中強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)跨學(xué)科的滲透融合,凸顯了學(xué)科融合教學(xué)在教育領(lǐng)域中的重要地位。地理信息技術(shù)是地理教學(xué)的重要手段與工具,同時(shí)具有多學(xué)科性質(zhì),與物理、數(shù)學(xué)、生物、信息技術(shù)等學(xué)科息息相關(guān)。因此,利用地理信息技術(shù)能夠有效地輔助地理學(xué)科與其他學(xué)科融合教學(xué),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動(dòng)力與知識(shí)的綜合建構(gòu),同時(shí)還為學(xué)生未來的職業(yè)生涯規(guī)劃提供了一定的幫助[1],對(duì)促進(jìn)中學(xué)學(xué)科融合教學(xué)的改革和教育的信息化發(fā)展具有重要意義。

        目前,學(xué)科的發(fā)展呈現(xiàn)出由“分”到“合”的趨勢(shì),學(xué)科融合教學(xué)已成為中學(xué)教學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。當(dāng)前中學(xué)地理教學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科融合教學(xué)研究主要從融合主體、融合策略、融合手段三個(gè)方面開展:①融合主體研究,分為單學(xué)科與單學(xué)科、單學(xué)科與多學(xué)科兩種融合主體。例如,STEM(Science、Technology、Engi?neering、Mathematics)教育是單學(xué)科與多學(xué)科融合教學(xué)的典范,是將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科與地理學(xué)科的跨學(xué)科融合教學(xué),后續(xù)還增加了藝術(shù)(Arts)這一學(xué)科,衍生為STEAM教育。②融合策略研究,是將新興教學(xué)模式(如項(xiàng)目式教學(xué)模式、PBL教學(xué)模式等)應(yīng)用到教學(xué)中,以及研究學(xué)科融合策略中的路徑、原則和效果。③融合教學(xué)手段研究,目前主要是地理實(shí)踐與信息技術(shù)兩種手段及學(xué)科的融合教學(xué),前者是將跨學(xué)科教學(xué)融入研學(xué)旅行、實(shí)踐活動(dòng)和地理考察中,后者是利用某一軟件平臺(tái)輔助學(xué)科融合的管理與教學(xué),發(fā)揮教師在教學(xué)中的管理作用,沒有達(dá)到地理信息技術(shù)輔助學(xué)生知識(shí)融合建構(gòu)的核心目標(biāo)。然而,已有關(guān)于地理信息技術(shù)輔助地理與其他學(xué)科之間的融合教學(xué)路徑尚不明晰。此外,核心素養(yǎng)的達(dá)成是教師教學(xué)的核心目標(biāo),而學(xué)生作為教學(xué)的主體,其主體性在學(xué)科融合教學(xué)探尋中應(yīng)受到更多的關(guān)注。研究地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué),既是對(duì)地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)這一研究領(lǐng)域的重要補(bǔ)充,又能促進(jìn)教育的信息化發(fā)展。

        一、地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)的適切性

        1.地理信息技術(shù)的多學(xué)科性質(zhì),為學(xué)科融合教學(xué)搭建了橋梁

        中學(xué)地理教學(xué)中的地理信息技術(shù)主要包括地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS),三者所蘊(yùn)含的知識(shí)原理與物理、地理、信息技術(shù)等學(xué)科密切相關(guān),這為學(xué)科融合教學(xué)搭建了橋梁。例如,遙感技術(shù)利用物理中電磁波的可見光反射原理,根據(jù)不同物體電磁波特性,利用不同波段實(shí)現(xiàn)從太空捕捉不同地物的基本信息,這項(xiàng)技術(shù)還可延展到地震波進(jìn)行災(zāi)前預(yù)警,災(zāi)后輔助救援,體現(xiàn)了遙感原理及其應(yīng)用與物理、地理知識(shí)之間的學(xué)科融合。再如,由古代利用物理地磁場(chǎng)原理發(fā)明的指南針、羅盤,到現(xiàn)代利用微波實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸與定位的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),在導(dǎo)航方式的變遷中實(shí)現(xiàn)地理與物理、歷史等學(xué)科之間的融合。這些地理信息技術(shù)內(nèi)在的多學(xué)科性質(zhì),為地理與物理、歷史、信息技術(shù)等學(xué)科融合教學(xué)奠定了良好的內(nèi)在基礎(chǔ)。

        2.地理信息技術(shù)的多元數(shù)據(jù)及其可視化,為學(xué)科融合教學(xué)提供了豐富資源

        地理信息技術(shù)具有較強(qiáng)的空間可視化功能,可將多種數(shù)據(jù)以地圖、虛擬三維等形式呈現(xiàn),滿足多樣化的教學(xué)需求,并應(yīng)用于地理、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物等眾多學(xué)科,這為學(xué)科融合教學(xué)提供了豐富的教學(xué)資源。例如,在地貌觀察活動(dòng)中,利用虛擬三維地貌模型、圖層疊加功能輔助地貌的識(shí)別、等高線的計(jì)算、物種豐富度的觀察,將信息技術(shù)與地理地貌、數(shù)學(xué)投影、生物物種等知識(shí)相聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)學(xué)科融合教學(xué)。再如,遙感數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可觀測(cè)水體富營養(yǎng)化動(dòng)態(tài)、空氣污染的范圍與路徑等,實(shí)現(xiàn)地理與信息技術(shù)、化學(xué)的融合教學(xué)。不僅如此,還可利用遙感的歷史影像數(shù)據(jù),融入城市化歷史變遷知識(shí),實(shí)現(xiàn)地理與信息技術(shù)、歷史的融合。

        3.地理信息技術(shù)的不斷發(fā)展,為學(xué)科融合教學(xué)提供了新手段

        地理信息技術(shù)輔助地理教學(xué)是未來教學(xué)的重要方式,其數(shù)據(jù)的開放性、實(shí)時(shí)性與共享性較強(qiáng),能實(shí)現(xiàn)虛擬模擬三維地圖、空間疊加、緩沖區(qū)分析等功能,促進(jìn)教育現(xiàn)代化發(fā)展,為學(xué)科融合教學(xué)提供新手段。例如,在地貌觀察教學(xué)中,傳統(tǒng)的教學(xué)方式大多借助地貌模型教具或圖片,教具制作費(fèi)時(shí)且成本高,二維圖片難以認(rèn)識(shí)其空間形態(tài)特征,而地理信息技術(shù)將遙感影像疊加高程數(shù)據(jù)即可簡單高效地呈現(xiàn)虛擬地貌模型。一是學(xué)生通過操作虛擬三維地貌模型,觀察識(shí)別地貌的基本特征,實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與地理的融合教學(xué);二是遙感影像可以真實(shí)呈現(xiàn)某區(qū)域的物種豐富度,這有利于觀察、認(rèn)識(shí)和對(duì)比不同地貌下的物種豐富度差異,認(rèn)識(shí)到環(huán)境與地理?xiàng)l件之間的重要關(guān)系,實(shí)現(xiàn)地理信息技術(shù)輔助地理與生物之間的融合。再如,城市化教學(xué)中,傳統(tǒng)的教學(xué)方式是利用實(shí)景圖片的變化,方式單一難以吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,但地理信息技術(shù)下的夜間燈光遙感影像,輔助學(xué)生認(rèn)識(shí)城市化的歷史發(fā)展變化與不同區(qū)域城市化發(fā)展水平的對(duì)比,實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)輔助地理與歷史的學(xué)科融合教學(xué),也是學(xué)科融合教學(xué)手段的科技化、現(xiàn)代化體現(xiàn)。

        二、地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)的路徑

        1.吸——以3S載體激發(fā)興趣,創(chuàng)學(xué)科融合課堂

        長期以來,學(xué)生在課堂中的參與度一直被認(rèn)為是高效教育的核心[2],課堂參與度受興趣因素的影響最大。興趣與生活密不可分,知識(shí)的學(xué)習(xí)還需與生活實(shí)際相鏈接,從而在核心素養(yǎng)培養(yǎng)下將知識(shí)內(nèi)化于心、外化于行[3]。地理信息技術(shù)以圖片、視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等形象直觀地呈現(xiàn)地理事物或現(xiàn)象,是有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要手段與工具[4]。在“吸引”環(huán)節(jié),先利用地理信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)平面等高線匹配識(shí)別小游戲的勘察情境,將等高線與遙感影像、生活實(shí)景相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)投影、地理影像和信息技術(shù)多學(xué)科的融合教學(xué),且新穎的學(xué)習(xí)方式能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,利于創(chuàng)造深度的課堂參與。然后利用3S勘察錦囊原理知識(shí)卡,將地理信息技術(shù)所蘊(yùn)含的物理電磁波知識(shí)與地理相融合,為地理信息技術(shù)輔助地理與物理、生物等學(xué)科的融合創(chuàng)建新課堂。

        2.探——以多角度三維虛擬,探地貌特征差異

        學(xué)科融合是從多學(xué)科的角度激發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合學(xué)習(xí)和對(duì)問題的多角度探究。探究是個(gè)人與集體協(xié)作解決問題的過程,而協(xié)作與會(huì)話是建構(gòu)主義理論中學(xué)習(xí)環(huán)境的四大要素之二,是達(dá)成學(xué)習(xí)效果、提升學(xué)生綜合思維的重要武器[5]。為更好地促進(jìn)學(xué)生的協(xié)作交流,分配任務(wù)需明確組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)的分組原則。在“探究”環(huán)節(jié),學(xué)生操作ArcScene軟件觀察三維虛擬地貌,從地理的角度分析地理位置、坡度、起伏度等特征,從數(shù)學(xué)的角度解釋等高線疏密度與相對(duì)高度,從生物的角度探究物種豐富度及人地關(guān)系,實(shí)現(xiàn)在多角度探究中,將地理與生物、數(shù)學(xué)、信息等學(xué)科融合教學(xué),在主動(dòng)建構(gòu)與合作構(gòu)建中習(xí)得地圖識(shí)圖技能、認(rèn)識(shí)信息技術(shù)、鍛煉空間思維,最終達(dá)到提升綜合思維的核心素養(yǎng)目標(biāo)。

        3.論——以多學(xué)科問題情境,論不同地貌成因

        論證是建構(gòu)的重要過程,當(dāng)學(xué)生在知識(shí)認(rèn)知與原有認(rèn)知相駁時(shí),會(huì)進(jìn)行深層次的論證,再次建構(gòu)新的認(rèn)知,逐漸形成高階思維,問題情境創(chuàng)設(shè)是高階思維形成的關(guān)鍵。在“論證”環(huán)節(jié),通過創(chuàng)設(shè)地貌成因問題的探究活動(dòng)情境,學(xué)生利用地理信息技術(shù)呈現(xiàn)的虛擬地貌進(jìn)行深層次的剖析與辯論,包括利用化學(xué)方程式從化學(xué)的角度探究喀斯特地貌的成因、張掖丹霞地貌的多彩奧秘,運(yùn)用曲線運(yùn)動(dòng)原理與地轉(zhuǎn)偏向力從物理的角度論證河流地貌的形成,從而以多學(xué)科角度論證不同地貌的成因,實(shí)現(xiàn)學(xué)生高階思維的擴(kuò)展。

        4.遷——以重組性遷移應(yīng)用,析學(xué)科融合試題

        所謂學(xué)習(xí)遷移,是指知識(shí)在新條件下的進(jìn)一步學(xué)習(xí),是對(duì)知識(shí)的深化理解與心理應(yīng)用范圍的擴(kuò)充[6]。

        它是教學(xué)的重要環(huán)節(jié),是學(xué)生持續(xù)性發(fā)展的重要過程,是檢驗(yàn)學(xué)生是否真正達(dá)到對(duì)知識(shí)自主建構(gòu)的重要標(biāo)準(zhǔn),可利用活動(dòng)設(shè)計(jì)、習(xí)題檢驗(yàn)、開放性試題等方式實(shí)現(xiàn)。在“遷移”環(huán)節(jié),一是選取具有多學(xué)科特色、綜合性較強(qiáng)的高考試題練習(xí)深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與遷移,從語文漢字的角度分析“河”“梁”“柳”與地理環(huán)境之間的關(guān)系,并分析其中的地理要素;二是通過開放性課后試題的形式,讓學(xué)生從多學(xué)科角度思考“如何實(shí)現(xiàn)貴州省喀斯特地區(qū)的鄉(xiāng)村振興發(fā)展”,并提出合理化建議,深化提升學(xué)生的情感態(tài)度價(jià)值觀。這樣通過多元試題的形式實(shí)現(xiàn)知識(shí)重組性遷移與應(yīng)用,將語文、生物等學(xué)科知識(shí)自然地遷移到地理問題的理解與應(yīng)用中,促進(jìn)學(xué)生的持續(xù)性發(fā)展與核心素養(yǎng)提升。

        5.評(píng)——以多元性指標(biāo)量表,評(píng)融合教學(xué)成效

        評(píng)價(jià)是教學(xué)的重要環(huán)節(jié),貫穿教學(xué)的始終,能為學(xué)生學(xué)習(xí)成效與教師教學(xué)效果提供一定的優(yōu)化依據(jù)[7]。評(píng)價(jià)主要分為自評(píng)、小組互評(píng)和教師評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)內(nèi)容量表以學(xué)科融合和地理信息技術(shù)輔助效果的角度進(jìn)行設(shè)計(jì),需注重過程性評(píng)價(jià)與形成性評(píng)價(jià),以發(fā)揮評(píng)價(jià)的重要作用。在“評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié),評(píng)價(jià)學(xué)生能從物理、化學(xué)的角度分析地貌形成原因的達(dá)成度,能從生物的角度分析不同地貌的物種豐富度、認(rèn)識(shí)人地關(guān)系,能利用地理信息技術(shù)輔助自己從數(shù)學(xué)的角度認(rèn)識(shí)等高線地形圖的能力,從地理的角度分析地貌特征等。注重在評(píng)價(jià)中檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)學(xué)科融合知識(shí)點(diǎn)的掌握、地理信息技術(shù)能力提升效果以及核心素養(yǎng)達(dá)成度。

        三、地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)示例

        本文為充分發(fā)揮地理信息技術(shù)輔助多學(xué)科融合的可能性,探索提出學(xué)科融合教學(xué)的“吸—探—論—遷—評(píng)”關(guān)鍵路徑(圖1)。現(xiàn)以“虛擬野外地貌教學(xué)”為例,突出學(xué)生主體,以實(shí)現(xiàn)學(xué)科融合教學(xué)的綜合育人功能與培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)目標(biāo),設(shè)計(jì)地理信息技術(shù)輔助地理與物理、化學(xué)、生物、信息等學(xué)科融合的“教—學(xué)”案例(表1)。

        四、結(jié)語

        以“虛擬野外地貌教學(xué)”為例,探究利用地理信息技術(shù)輔助地理與其他學(xué)科的融合教學(xué)。一是明晰了學(xué)科融合教學(xué)路徑,構(gòu)建了“吸—探—論—遷—評(píng)”的關(guān)鍵路徑,創(chuàng)設(shè)了虛擬三維地貌的學(xué)習(xí)情境,將抽象知識(shí)立體化,極大地發(fā)揮了地理信息技術(shù)輔助學(xué)科融合教學(xué)的重要作用,利于學(xué)生的空間思維與地理信息技術(shù)培養(yǎng)。二是將地理教學(xué)中的地理現(xiàn)象與物理、化學(xué)、生物、信息等學(xué)科知識(shí)相融合,模糊了學(xué)科教學(xué)界限,通過探究與論證等方法激發(fā)學(xué)生調(diào)用多學(xué)科知識(shí),促進(jìn)了學(xué)生綜合思維的發(fā)展與核心素養(yǎng)的提升。三是“教—學(xué)”活動(dòng)突出學(xué)生主體,在“探—論—遷—評(píng)”中加強(qiáng)學(xué)生的自主建構(gòu)與合作構(gòu)建,在建構(gòu)中習(xí)得地貌識(shí)別的基本方法,在協(xié)作中培養(yǎng)合作探究精神,在辯論中磨煉批判思維,在遷移中檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成效,在評(píng)價(jià)中獲得自我效能。

        學(xué)科融合教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要形式之一,它將是未來學(xué)科教學(xué)發(fā)展的一大趨勢(shì)。本研究提供了學(xué)科融合教學(xué)的一種參考路徑,但地理信息技術(shù)并不適用于所有教學(xué)內(nèi)容,還需教師不斷地挖掘地理信息技術(shù)在中學(xué)地理教學(xué)中的適用性。在學(xué)科融合教學(xué)過程中,教師需結(jié)合實(shí)際的教學(xué)條件與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,以達(dá)到更好的學(xué)科融合教學(xué)效果。

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