信息技術(shù)與農(nóng)村初中STEM教育及創(chuàng)客教育 融合應(yīng)用的研究與實(shí)踐

【摘要】針對(duì)農(nóng)村初中教育環(huán)境現(xiàn)狀及開展多學(xué)科融合教育的實(shí)際困難，提出適合農(nóng)村地區(qū)的初中STEM教育及創(chuàng)客教育的淺層、中層和深層三個(gè)與信息技術(shù)相融合的層次與基本方法，包含了盡力縮小城鄉(xiāng)差距、信息化工具選擇、信息素養(yǎng)培養(yǎng)等多個(gè)方面內(nèi)容。并通過近幾年的實(shí)踐結(jié)果，證實(shí)了其具有可操作性和有效性。對(duì)存在的問題提出改進(jìn)方向，為進(jìn)一步拓寬覆蓋面、提高適應(yīng)性做好準(zhǔn)備。【關(guān)鍵詞】信息技術(shù);農(nóng)村初中;STEM;創(chuàng)客教育STEM教育及創(chuàng)客教育的基本核心是通過項(xiàng)目式的“造物”形式，在解決現(xiàn)實(shí)世界問題過程中，讓學(xué)生自發(fā)地建構(gòu)起科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)、技能，同時(shí)培養(yǎng)其將原本分散的多學(xué)科融合的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。而目前所實(shí)行的是分學(xué)科的教學(xué)，且各個(gè)學(xué)科之間相對(duì)比較獨(dú)立，學(xué)生大部分時(shí)間都在反復(fù)地刷題，以期在這些學(xué)科的考試中取得好的分?jǐn)?shù)，進(jìn)而考上“好”的高一級(jí)學(xué)校。但遇到真實(shí)問題后卻一籌莫展，這就是目前我們的教育偏重知識(shí)，忽視技術(shù)和能力的結(jié)果，也是長期的應(yīng)試教育環(huán)境造成模仿能力取代了創(chuàng)新能力的結(jié)果[1]。這一現(xiàn)象在農(nóng)村地區(qū)的學(xué)校尤為明顯，普通工薪階層及農(nóng)民普遍認(rèn)為讀書無用，要么認(rèn)為只要考出好成績，考上好學(xué)校，將來就能“有出息”。而事實(shí)是即使進(jìn)入了好的大學(xué)，畢業(yè)后仍然很難真正出人頭地。相比城市出來的學(xué)生，大部分農(nóng)村出來的學(xué)生甚至找工作都很困難[2，3]，這就進(jìn)一步加劇了讀書無用論的蔓延，進(jìn)一步降低了農(nóng)村學(xué)生的競(jìng)爭力。這當(dāng)然是有很多原因的，除了社交能力、父母人脈背景、自身人格素養(yǎng)等以外，其中一個(gè)很重要的因素是雖然學(xué)習(xí)了很多理論知識(shí)，但并不知道如何運(yùn)用在實(shí)際問題中，不能提出創(chuàng)造性的解決辦法。又因?yàn)榻逃Y源在城鄉(xiāng)間的不平衡，比如創(chuàng)客空間、科技館、青少年科技活動(dòng)中心等設(shè)施大部分集中在城市[4]，所以要提高農(nóng)村學(xué)生的競(jìng)爭力特別是其在21世紀(jì)的國際競(jìng)爭力，就非常有必要在農(nóng)村地區(qū)推進(jìn)STEM及創(chuàng)客教育，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。農(nóng)村初中信息技術(shù)與STEM及創(chuàng)客教育融合的層次多學(xué)科融合的教育如前所述比較適合運(yùn)用項(xiàng)目式的教學(xué)模式[5，6]，讓學(xué)生在實(shí)際問題中學(xué)到多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，更重要的是要培養(yǎng)其對(duì)所學(xué)知識(shí)的融合應(yīng)用能力。而進(jìn)入信息時(shí)代以來，很多創(chuàng)新活動(dòng)都是和信息技術(shù)息息相關(guān)的，甚至起到了決定性的作用，因此如何將信息技術(shù)與STEM教育及創(chuàng)客教育融合，并使其達(dá)到效能放大的作用就非常重要了。目前根據(jù)筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要總結(jié)出下列幾個(gè)層次。1.淺層融合在農(nóng)村初中開展這些教育首先要解決的是縮小與城市學(xué)校的信息來源、資源等方面的差距，這個(gè)方面目前可以通過互聯(lián)網(wǎng)得到部分的改善。有了網(wǎng)絡(luò)便可以直接查閱到世界上所有未被屏蔽的新技術(shù)、新方法、新進(jìn)展，與世界最前沿的思想接軌，同時(shí)也可以通過網(wǎng)絡(luò)購買到本地區(qū)缺乏的“原材料”等。所以，在農(nóng)村初中開展這類課程一般均可將計(jì)算機(jī)教室作為主要活動(dòng)場(chǎng)所，同時(shí)利用如計(jì)算機(jī)教師辦公室、機(jī)房空閑區(qū)域、原有的勞技教室等作為創(chuàng)新教育的場(chǎng)所。2.中層融合信息技術(shù)與創(chuàng)新教育的融合并不僅僅是查閱資料、設(shè)計(jì)效果圖等淺顯的應(yīng)用，更多的應(yīng)該是引導(dǎo)學(xué)生將自身所具備的信息素養(yǎng)與創(chuàng)新中所要解決的問題進(jìn)行融合。（1）現(xiàn)在很多實(shí)際的創(chuàng)新項(xiàng)目都涉及軟件，主要是控制代碼的編寫。這就需要學(xué)生具備較強(qiáng)的通過編程解決某個(gè)問題的能力，而實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)初中生已經(jīng)可以通過在某些實(shí)際場(chǎng)景中解決問題而培養(yǎng)出較強(qiáng)的編程能力。在編程語言選擇方面，筆者的經(jīng)驗(yàn)是在創(chuàng)客社團(tuán)等能力較強(qiáng)的學(xué)生群體中，選用像C/C++/C#這些通用性較強(qiáng)、功能相對(duì)更全面的語言;編程能力較一般的學(xué)生可以選用Python。（2）因?yàn)闆]有現(xiàn)成的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目就要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)并制作。目前階段比較適合初中學(xué)生的就是3D打印技術(shù)了，這就需要學(xué)生具備一定的空間幾何抽象能力及計(jì)算機(jī)3D建模能力，熟悉某個(gè)或多個(gè)工業(yè)級(jí)建模軟件，能將需要的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)并建立3D模型，再打印出成品。這一過程中除了軟件的操作外，工程制造的經(jīng)驗(yàn)也非常重要。這些過程不僅能充分發(fā)展學(xué)生的信息素養(yǎng)和提高他們的空間想象能力，也極大地提升了項(xiàng)目實(shí)施能力，培養(yǎng)其工程思維。（3）有些項(xiàng)目中的部分或全部零件需要承受來自某個(gè)方向上一定的力，這就需要學(xué)生能夠預(yù)先測(cè)算出力的大小、方向以及所設(shè)計(jì)的零件結(jié)構(gòu)和所用材料是否能夠承受等。但這里有很多知識(shí)超出了初中階段學(xué)生的水平，所以也就需要充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用相關(guān)軟件，如有限元與多物理場(chǎng)軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析。信息技術(shù)的合理融合應(yīng)用可以彌補(bǔ)學(xué)生知識(shí)的不足，同時(shí)激發(fā)其進(jìn)一步探索學(xué)習(xí)的欲望。（4）除了在開發(fā)、制作階段外，有些項(xiàng)目的測(cè)試及改進(jìn)過程也可以融合大量的信息技術(shù)要素。例如，某個(gè)項(xiàng)目中的主承力零件在一次次測(cè)試中，運(yùn)用Excel的多項(xiàng)式擬合功能不斷修正其高次曲線方程進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)。除了上述這些融合外，肯定還存在其他很多互相融合促進(jìn)的方面，這就有待在進(jìn)一步的發(fā)展過程中不斷探索、不斷融合。3.深層融合STEM及創(chuàng)客教育的項(xiàng)目來自于實(shí)際生產(chǎn)、生活，而深層次的融合涉及了對(duì)項(xiàng)目問題的判斷力，即這些項(xiàng)目中的問題是否能夠或需要用信息技術(shù)的手段來解決？融合了信息技術(shù)能得到什么優(yōu)勢(shì)？能填補(bǔ)多少自身的不足？可以通過什么樣的信息技術(shù)手段來解決？等等。由于這些項(xiàng)目問題來自于生活，所以學(xué)生也很自然地從生活中尋找靈感。前面兩個(gè)層次的融合比較具有可操作性，只要教師有這方面的素養(yǎng)并適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生便可實(shí)現(xiàn)，但第三個(gè)層次的融合就需要長時(shí)間在大量的實(shí)際項(xiàng)目熏陶下才能逐漸地培養(yǎng)起來，進(jìn)而充分發(fā)揮信息技術(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)。實(shí)施信息技術(shù)與STEM及創(chuàng)客教育融合教學(xué)的方式與初步實(shí)踐效果1.在各層面實(shí)施融合教學(xué)的方式因?yàn)橹锌嫉膲毫扒笆鲈?，在農(nóng)村初中全面鋪開是不現(xiàn)實(shí)的，可嘗試先以創(chuàng)客類社團(tuán)為支點(diǎn)，帶動(dòng)部分年級(jí)，再逐步帶動(dòng)全校的基本路線。教師自身必須具備將信息技術(shù)與STEM及創(chuàng)客教育融合的思維，必須具備一定程度的信息素養(yǎng)，最好是能夠引入專業(yè)人才。2.初步實(shí)踐效果目前沒有公認(rèn)非常有效的具體評(píng)價(jià)體系，所以暫以競(jìng)賽獲獎(jiǎng)及專利作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。最近幾年獲創(chuàng)新創(chuàng)客類省級(jí)和以上獎(jiǎng)項(xiàng)的項(xiàng)目為：全國一等獎(jiǎng)3個(gè)、二等獎(jiǎng)2個(gè)、三等獎(jiǎng)2個(gè);省一等獎(jiǎng)3個(gè)、二等獎(jiǎng)1個(gè)、三等獎(jiǎng)1個(gè);其中部分項(xiàng)目已獲實(shí)用新型和發(fā)明專利。這既是一種保護(hù)，同時(shí)也是對(duì)學(xué)生的鼓勵(lì)，激勵(lì)其創(chuàng)作出更多對(duì)生活、生產(chǎn)具有實(shí)際價(jià)值的作品，這應(yīng)該也是各國目前都在努力推進(jìn)STEM教育和創(chuàng)客教育的初心所在。師資培養(yǎng)方式及一線資源使用權(quán)限改進(jìn)方案探討上述模式的運(yùn)作雖然已經(jīng)取得一點(diǎn)成績，但仍然有很多需要改進(jìn)的地方，比如在師資方面除了引進(jìn)人才外，教師不斷地提高自身多方面素養(yǎng)也很重要。同時(shí)也需要適當(dāng)提高一線的經(jīng)費(fèi)使用權(quán)，因?yàn)橛袝r(shí)有了某個(gè)想法需要馬上進(jìn)行驗(yàn)證，否則就會(huì)貽誤最佳靈感時(shí)機(jī)，這也就是為什么習(xí)近平同志曾指出“要尊重科學(xué)研究靈感瞬間性、方式隨意性、路徑不確定性的特點(diǎn)”[7]。筆者目前設(shè)想是否能通過信息手段使這些流程的效率得到提升，當(dāng)然，這也涉及財(cái)務(wù)制度等問題，需要進(jìn)一步斟酌并靈活處理。在21世紀(jì)，伴隨著全球化和知識(shí)經(jīng)濟(jì)帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新越來越重要，這決定了未來國家綜合國力的提升及國際競(jìng)爭力的增強(qiáng)，而科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國家競(jìng)爭力的增強(qiáng)很大程度上取決于科技和工程人才的培養(yǎng)，其最本源的根基在基礎(chǔ)教育[7]。而STEM及創(chuàng)客教育便是我國基礎(chǔ)教育改革的方向，其與信息技術(shù)的關(guān)聯(lián)比較緊密，特別是創(chuàng)客文化有一種視角認(rèn)為是直接起源于歐美20世紀(jì)八九十年代的黑客（Hacker，不是駭客）運(yùn)動(dòng)并結(jié)合了美國的車庫文化[8，9]，所以與信息技術(shù)的融合