譚杏新

（廣東省中山市龍山中學(xué), 廣東 中山 528471）

一、問題的提出

高二復(fù)習(xí)“地球公轉(zhuǎn)的地理意義”專題時(shí)，對(duì)于問題：“太陽輻射在一年中呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，形成了四季，那什么原因?qū)е绿栞椛湓谝荒曛写嬖诓町悺保徊糠滞瑢W(xué)脫口而出：“因?yàn)槿盏鼐嚯x的遠(yuǎn)近引起太陽輻射存在差異而產(chǎn)生四季?！苯?jīng)過教師再次詢問后，部分學(xué)生回答：“因?yàn)橐荒陜?nèi)正午太陽高度角和晝長(zhǎng)時(shí)間有差異?！钡乩韺W(xué)科是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，部分自然現(xiàn)象和規(guī)律，即使教師通過繪圖和播放多媒體的方式進(jìn)行授課，學(xué)生也難以理解。教材中對(duì)該部分內(nèi)容的處理只是通過文字描述和圖像表達(dá)，很難讓學(xué)生理解太陽輻射量、緯度和太陽高度角三者之間的關(guān)系，此外學(xué)生缺乏切身的體驗(yàn)也難以構(gòu)建正確的因果關(guān)系，所以經(jīng)常把四季冷暖變換的原因誤解為日地之間的遠(yuǎn)近而非太陽高度角。在本案例中，當(dāng)學(xué)生已有的認(rèn)知是日地距離的遠(yuǎn)近導(dǎo)致太陽輻射的差異從而產(chǎn)生四季的變換，與新的知識(shí)產(chǎn)生沖突時(shí)，教師可以以此沖突為契機(jī)引導(dǎo)和幫助學(xué)生化解矛盾，主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)，將有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)揮，提高地理核心素養(yǎng)。

二、STEM課程解決地理教學(xué)中的難題

傳統(tǒng)的地理教學(xué)以講授知識(shí)點(diǎn)為主，學(xué)生通過觀察圖、繪圖、閱讀文字、強(qiáng)化訓(xùn)練等手段是無法感知到日地距離和太陽高度角兩者對(duì)地球表面獲得的太陽輻射的差異，無法感知就無法構(gòu)建完整的知識(shí)體系。STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母的縮寫，其教育理念是強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的跨學(xué)科整合，致力于加強(qiáng)各個(gè)學(xué)科之間的有機(jī)聯(lián)系，倡導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科解決現(xiàn)實(shí)問題。開發(fā)STEM課程應(yīng)用于地理教學(xué)中，為學(xué)生解決地理實(shí)踐活動(dòng)遇到的問題提供了理論知識(shí)、工具和手段，是一種創(chuàng)新解決地理實(shí)際問題的模式。本案例中運(yùn)用STEM理念開發(fā)的實(shí)驗(yàn)課程，可以模擬日地距離和太陽高度角兩者對(duì)地球表面獲得的太陽輻射的差異。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化，不僅讓學(xué)生直觀感受太陽輻射的變化過程，也培養(yǎng)了學(xué)生利用數(shù)據(jù)分析和解釋問題的科學(xué)精神，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。

三、基于STEM教育理念開發(fā)的教學(xué)案例

本文以“探究四季更替的原因”一課為例，通過設(shè)計(jì)具體的教學(xué)過程，以基于STEM教育理念設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，建立太陽高度角和太陽輻射，日地距離和太陽輻射之間的數(shù)量關(guān)系，學(xué)生通過收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后分析并總結(jié)影響四季更替的主要原因。

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）人地協(xié)調(diào)觀：通過分析太陽輻射時(shí)空差異和人類活動(dòng)之間的關(guān)系，增強(qiáng)學(xué)生的人地協(xié)調(diào)觀，科學(xué)認(rèn)識(shí)太陽輻射時(shí)空差異對(duì)地球及人類活動(dòng)的影響。

（2）區(qū)域認(rèn)知：從全球的角度和具體地區(qū)角度探討太陽輻射的時(shí)空變化，尺度從宏觀到微觀，并且通過區(qū)域?qū)Ρ鹊姆椒▉砼囵B(yǎng)學(xué)生區(qū)域認(rèn)知能力。

（3）綜合思維：從時(shí)空的多要素、多角度分析影響太陽輻射強(qiáng)弱的因素，培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力。

（4）地理實(shí)踐能力：通過觀察和操作實(shí)驗(yàn)，討論太陽能板的安裝，簡(jiǎn)易量角器的設(shè)計(jì)，觀察身邊發(fā)生的現(xiàn)象等，不斷提高學(xué)生的地理實(shí)踐力。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的設(shè)計(jì)

(1)環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，提出地理問題

展示兩張不同月份的學(xué)生活動(dòng)圖片。教師提問：“同學(xué)們還記得8月軍訓(xùn)時(shí)大家都大汗淋漓。到了12月開校運(yùn)會(huì)時(shí)，明顯感覺到絲絲寒意，已經(jīng)披上了風(fēng)衣。8月和12月氣溫不同是因?yàn)榈孛娅@得的太陽輻射不同，從而產(chǎn)生了季節(jié)。上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了太陽高度的變化和晝夜長(zhǎng)短的變化，他們都會(huì)影響地面得到的太陽輻射量，晝?cè)介L(zhǎng)，地面獲得的太陽輻射量越多。那太陽高度的大小和地面得到的太陽輻射量的關(guān)系如何？除了晝夜長(zhǎng)短、太陽高度，還有什么因素也會(huì)影響到太陽輻射量的大?。科渲心男┎攀怯绊懰募咀兓闹饕?？”

學(xué)生以小組合作的形式討論以上三個(gè)問題。通過討論學(xué)生認(rèn)為：“太陽高度角、晝長(zhǎng)時(shí)間、日地距離、大氣狀況都是影響太陽輻射量的主要因素。一部分學(xué)生認(rèn)為產(chǎn)生四季變換的主要原因是日地距離的遠(yuǎn)近，還有一部分學(xué)生認(rèn)為是因?yàn)榧竟?jié)性的太陽高度角變化而產(chǎn)生了四季?！睘榱蓑?yàn)證以上的猜想，學(xué)生們通過實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)探究。

(2)環(huán)節(jié)二：設(shè)計(jì)裝置，引入工程與技術(shù)

本套實(shí)驗(yàn)裝置主要分成三部分：用一個(gè)可以調(diào)節(jié)強(qiáng)度的LED手電筒來模擬太陽光；電壓表連接太陽能電板，通過讀取電壓值來模擬地面獲得的太陽輻射量；在可調(diào)節(jié)角度的支架上固定一塊白板，制作一個(gè)簡(jiǎn)易量角器，可以便捷測(cè)定光線與太陽能電板之間的角度，模擬太陽高度（見圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)器材

四季是隨著時(shí)間（季節(jié)）變化，到達(dá)地面的太陽輻射產(chǎn)生的差異而出現(xiàn)的地理現(xiàn)象，因時(shí)間變化的因素有太陽高度角、晝夜長(zhǎng)短、日地距離。太陽高度角為太陽光線與地面的夾角，太陽高度角越大，地面接收到的太陽輻射越多，正午時(shí)刻為一天中太陽高度角最大的時(shí)刻，一般用正午太陽高度角衡量某地的太陽輻射的強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)中可以通過調(diào)節(jié)三腳架的角度，從而改變?nèi)肷涔饩€和太陽能板的角度，模擬某地不同時(shí)間的正午太陽高度角，通過讀取電壓值找出正午太陽高度角與太陽輻射之間的關(guān)系。

地球公轉(zhuǎn)軌道是近似正圓的橢圓軌道，太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，每年的1月初，地球距離太陽最近，日地距離約1.471億千米，該位置叫近日點(diǎn)；每年的7月初，地球距離太陽最遠(yuǎn)，日地距離約1.521億千米，這個(gè)位置叫遠(yuǎn)日點(diǎn)。以北回歸線為例，遠(yuǎn)日點(diǎn)出現(xiàn)在7月初，此時(shí)北回歸線上的太陽高度約為90°，近日點(diǎn)在1月初時(shí)北回歸線上的正午太陽高度約為43°。實(shí)驗(yàn)中可以調(diào)節(jié)手電筒和太陽能板之間的距離，模擬不同的日地距離；并相應(yīng)調(diào)節(jié)三腳架的角度產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的正午太陽高度角；讀取北回歸線在遠(yuǎn)、近日點(diǎn)時(shí)不同太陽高度角對(duì)應(yīng)的太陽輻射，這樣就可以對(duì)比日地距離和太陽高度角中，哪個(gè)因素對(duì)四季的影響更顯著。

(3)環(huán)節(jié)三：實(shí)驗(yàn)探究，用數(shù)據(jù)解決問題

實(shí)驗(yàn)探究1：探究太陽輻射強(qiáng)度和正午太陽高度角之間的關(guān)系。

【實(shí)驗(yàn)過程】

手電筒和太陽能板間的距離固定，通過調(diào)節(jié)三角架的角度，從而改變?nèi)肷涔饩€和太陽能板的角度，模擬產(chǎn)生不同的正午太陽高度角，電壓示數(shù)隨著太陽高度角的變化而變化，從而直觀呈現(xiàn)太陽高度角和太陽輻射量之間的數(shù)量關(guān)系，記錄數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)（見圖2）。

圖2 探究太陽輻射強(qiáng)度和正午太陽高度角之間的關(guān)系

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】

第一組實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)論（見表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)記錄單1

隨著太陽高度角的增大，太陽輻射越強(qiáng)。因此得到結(jié)論一：太陽高度角越接近90°，太陽輻射量越大，所以太陽輻射和太陽高度角之間是正相關(guān)的關(guān)系。

探究實(shí)驗(yàn)2：探究日地距離（遠(yuǎn)、近日點(diǎn)）對(duì)太陽輻射強(qiáng)度的影響。

【實(shí)驗(yàn)過程】

入射光線和太陽能板之間的角度固定為90°，對(duì)手電筒的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，假設(shè)將遠(yuǎn)日點(diǎn)設(shè)為500厘米，根據(jù)遠(yuǎn)近日點(diǎn)的距離比，算出近日點(diǎn)應(yīng)該位于距離太陽能板483.5厘米處。記錄第一次數(shù)據(jù)。

此外，遠(yuǎn)日點(diǎn)出現(xiàn)在7月初，此時(shí)北回歸線上的正午太陽高度約為90°，近日點(diǎn)在1月初，此時(shí)北回歸線上的正午太陽高度約為43°，分別在遠(yuǎn)日點(diǎn)和近日點(diǎn)處調(diào)節(jié)入射光線的角度，模擬北回歸線上的正午太陽高度角，再次讀取電壓值，記錄第二次數(shù)據(jù)（見圖3）。

圖3 探究日地距離（遠(yuǎn)、近日點(diǎn)）和太陽輻射強(qiáng)度的關(guān)系

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】

第二組實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)論（見表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)記錄單2

記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析：以北回歸線作為研究對(duì)象，當(dāng)太陽高度角同為90°時(shí)，遠(yuǎn)日點(diǎn)和近日點(diǎn)得到的電壓差值只有0.04；當(dāng)考慮了實(shí)際情況后，加入了正午太陽高度角因素后，北回歸線上因?yàn)樘柛叨冉堑牟町惖玫降碾妷翰钪祬s有0.22，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于日地距離引起的電壓差值。雖然日地距離的變化能引起太陽輻射的強(qiáng)度，但是太陽高度的變化對(duì)太陽輻射的影響更顯著，所以得到結(jié)論二：日地距離越近，太陽輻射能量越大，但并非四季變化的主要原因，太陽高度角變化才是影響四季產(chǎn)生的主要原因。

(4)環(huán)節(jié)四：歸納總結(jié)，解決認(rèn)知沖突

上述兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)M了太陽高度的年變化和日地距離的年變化對(duì)太陽輻射的影響，學(xué)生通過數(shù)據(jù)分析，不僅理解了太陽輻射量和太陽高度角之間的相互關(guān)系，也能通過數(shù)據(jù)對(duì)比的方法理解了日地距離對(duì)四季產(chǎn)生只有細(xì)微的變化，能有效地解決了學(xué)生認(rèn)知沖突，總體而言，太陽高度角的年內(nèi)變化能引起太陽輻射的明顯變化，日地距離雖然也會(huì)引起太陽輻射的變化，但是變化不明顯。因?yàn)闀円归L(zhǎng)短和正午太陽高度角隨時(shí)間變化，到達(dá)地面的太陽輻射隨時(shí)間發(fā)生變化，這就是四季更替的原因。以北半球?yàn)槔?，夏季白晝最長(zhǎng)，正午太陽高度最大，地面得到太陽輻射最多，而冬季白晝最短，正午太陽高度最小，地面得到的太陽輻射最少。為了使季節(jié)與氣溫變化相符合，北溫帶的許多國家在氣候統(tǒng)計(jì)上把3、4、5三個(gè)月劃為春季，6、7、8三個(gè)月劃為夏季，9、10、11三個(gè)月為秋季，12、1、2三個(gè)月分為冬季。

(5)環(huán)節(jié)五：反思評(píng)價(jià)，拓展思維

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師作簡(jiǎn)要總結(jié)并提出問題：“實(shí)驗(yàn)中大家發(fā)現(xiàn)有什么不足嗎？”小組成員展開了熱烈的討論，在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行反思，最后得出結(jié)論：本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^地展示太陽輻射量和太陽高度角之間的關(guān)系，但是外界的光源影響較大，實(shí)驗(yàn)裝置中有一些需要改善的地方。例如可以將太陽能板的外圍封閉起來，只能接受LED手電筒的光線，這樣可以減少外界光線對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的干擾就能減少誤差；實(shí)驗(yàn)中模擬的遠(yuǎn)日點(diǎn)和近日點(diǎn)中沒有考慮到地球外部大氣層的狀況，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。雖然以上問題尚未通過實(shí)驗(yàn)去解決，但是通過類似的實(shí)驗(yàn)探究課程，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)化抽象為具體，有效地提高了學(xué)習(xí)效果，而且使得學(xué)生的思維更加發(fā)散，更好地培養(yǎng)了學(xué)生的地理學(xué)科核心素養(yǎng)。