信息技術(shù)支持下的STEAM課程實踐與反思

2023年5月，教育部發(fā)布《基礎(chǔ)教育課程教學(xué)改革深化行動方案》，強調(diào)聚焦核心素養(yǎng)導(dǎo)向的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)等教學(xué)改革重難點問題，推進(jìn)數(shù)字化賦能教學(xué)質(zhì)量提升[1]。由于跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)容量大、耗時長，學(xué)生對各學(xué)科的知識儲備不足，傳統(tǒng)模式教學(xué)難以適應(yīng)教育改革的需求。STEAM教育的獨特價值在于將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)多個學(xué)科的課程知識統(tǒng)整為一個有機整體，在信息技術(shù)手段支持下，為學(xué)生提供富有現(xiàn)實意義的學(xué)習(xí)情境，并通過解決實際問題來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。STEAM教育蘊含了學(xué)科融合、問題解決和技術(shù)賦能三個核心理念，因此STEAM課程是踐行新課標(biāo)、開展跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的一種重要方式。一、信息技術(shù)支持下的STEAM課程模式建構(gòu)基于上述思考，筆者以問題解決為指引，以跨學(xué)科式“做中學(xué)”為實現(xiàn)路徑，以工程技術(shù)為主線，開展信息技術(shù)支持下的STEAM課程設(shè)計探索，提出了“三段五環(huán)”教學(xué)模式（如圖1）?！叭巍敝刚n前、課中、課后?！拔瀛h(huán)”指聚焦問題與確定需求、調(diào)查研究與學(xué)習(xí)支持、設(shè)計制作與測試優(yōu)化、展示交流與擴充創(chuàng)意、評價提升與反思復(fù)盤。信息技術(shù)融會貫通于課程的各環(huán)節(jié)，改變教學(xué)環(huán)境，為學(xué)生提供在智慧課堂的學(xué)習(xí)體驗，以期幫助學(xué)生突破跨學(xué)科知識的局限，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的發(fā)展和學(xué)習(xí)方式的變革，有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。信息技術(shù)的應(yīng)用為達(dá)成“會科學(xué)探究、善技術(shù)實踐、能工程創(chuàng)新、懂?dāng)?shù)學(xué)思維、有藝術(shù)品位”的復(fù)合型人才目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。二、信息技術(shù)支持下的STEAM課程設(shè)計為了更好地檢驗“三段五環(huán)”教學(xué)模式的科學(xué)性和實用性，筆者設(shè)計了STEAM課程案例“地震我來報——研制地震報警儀”并展開實踐探索。（一）課程目標(biāo)1.知識與技能掌握地震發(fā)生的原因，根據(jù)地震報警儀的原理，制作一個簡易地震預(yù)警裝置，并通過模擬地震的方法進(jìn)行結(jié)果的假設(shè)與推理。2.過程與方法體會“確立問題—了解特點—設(shè)計方案—制作測試—修正方案”的工程技術(shù)流程，學(xué)會自己獨立設(shè)計，相互修正設(shè)計。3.情感態(tài)度與價值觀增強團(tuán)隊分工合作能力，培養(yǎng)工程思維，享受創(chuàng)造的愉悅。（二）課程重難點分析1.活動重點（1）地震報警儀裝置的自主設(shè)計和制作。（2）展示時能闡明設(shè)計理念及改進(jìn)辦法。2.活動難點如何提高地震報警儀的靈敏度。（三）學(xué)科融合點S（科學(xué)）：認(rèn)識地震發(fā)生的原因，了解地震報警儀的結(jié)構(gòu)原理。T（技術(shù)）：學(xué)會電路裝置的連接，能運用選擇的材料，根據(jù)設(shè)計方案制作一臺性能良好的地震報警儀。E（工程）：能夠運用工程思維來設(shè)計產(chǎn)品，并在制作過程中針對遇到的問題進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。M（數(shù)學(xué)）：學(xué)會收集和分析數(shù)據(jù)、核算研發(fā)經(jīng)費。三、信息技術(shù)支持下的STEAM課程實施（一）聚焦問題與確定需求1.聚焦問題近年來地震災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)象，引發(fā)了學(xué)生對地震問題的關(guān)注。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查找、調(diào)查采訪、實地考察等多種途徑了解了地震的成因及危害，深刻感受到地震的危害。如何及時挽救生命和減少損失呢？在震撼與擔(dān)憂之余，學(xué)生紛紛把探究的視角轉(zhuǎn)向了地震的預(yù)警防范上。課堂上，學(xué)生圍繞“如果我們的城市發(fā)生地震，如何能提前知道，以為逃生爭取時間？”這一問題展開探討，并選定“地震報警裝置的制作”這一驅(qū)動任務(wù)進(jìn)行研究，由此開啟了“地震我來報——研制地震報警儀”STEAM課程實踐之旅。2.確定需求在明確任務(wù)后，教師順勢引導(dǎo)學(xué)生討論完成評價標(biāo)準(zhǔn)，共同確定了課程評價量規(guī)（見表1），讓學(xué)生明確本項目的要求：制作出一款長、寬、高不超過50厘米，研發(fā)成本低、性能好的地震報警儀。學(xué)生可從靈敏度、創(chuàng)意、牢固性和外形、成本、展示介紹這五個方面評價項目作品的完成程度?！驹O(shè)計意圖】圍繞“制作一款地震報警裝置系統(tǒng)”這一工程問題，教師引導(dǎo)學(xué)生開展基于問題情境的解決任務(wù)式學(xué)習(xí)。學(xué)生既能從中學(xué)到知識與技能，又能體驗到動手動腦的樂趣，核心素養(yǎng)得到有效發(fā)展。（二）調(diào)查研究與學(xué)習(xí)支持1.調(diào)查研究教師依據(jù)本課程所涉及的STEAM知識框架和概念基礎(chǔ)，進(jìn)行在線問題測試（見表2），從而更好地把控課堂教學(xué)。教師由前測數(shù)據(jù)（如圖2）發(fā)現(xiàn)學(xué)生對地震成因、地震報警儀的工作原理等知識有所欠缺，需要構(gòu)建學(xué)習(xí)支持。2.學(xué)習(xí)支持本課程包括理論學(xué)習(xí)和實驗探索兩項體驗活動，均是為制作出一款性能良好的地震報警儀做知識、技能和方法的儲備。（1）積累地震報警儀知識——理論學(xué)習(xí)。教師在在線學(xué)習(xí)平臺發(fā)布地震報警儀系列微課資源（如圖3），供學(xué)生自主選擇觀看。該微課資源包含地震成因介紹、地震預(yù)警原理揭示、地動儀的歷史、地震預(yù)警系統(tǒng)制作技巧四方面內(nèi)容，幫助學(xué)生了解地震報警儀在設(shè)計原理、發(fā)展變化、制作技巧等方面的知識，讓學(xué)生對地震原因與地震預(yù)測有全面的認(rèn)識和思考。同時，學(xué)生掌握了地震報警儀利用的是垂體擺動力學(xué)原理和物理聲光電磁運動原理，即當(dāng)?shù)卣饒缶瘍x檢測到震動時，內(nèi)部電路接通進(jìn)而觸發(fā)報警，起到警示的作用。（2）積累地震報警儀知識——實驗探索。該環(huán)節(jié)包括如下三個探究活動。探究活動一：地震成因模擬實驗地震所引起的地面震動是一種復(fù)雜的運動，它是橫波和縱波共同作用的結(jié)果。為了研究橫波和縱波的強度和破壞性，師生合作進(jìn)行設(shè)計，利用樂高Ev3套件及電機組件制作一款地震震動臺，模擬地震時的橫波和縱波，用以檢驗地震報警儀的性能。探究活動二：電路仿真接通實驗學(xué)生在平板電腦上進(jìn)行地震報警儀電路仿真模擬（如圖4），通過連接實驗元件和導(dǎo)線，進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)電路的接通練習(xí)。探究活動三：編程基本操作練習(xí)學(xué)生可與教師交流在組裝感應(yīng)裝置時遇到的問題。教師及時給予學(xué)生個性化指導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生了解傳感器與地震報警裝置之間的聯(lián)系、思考使用傳感器檢測地震的原因。【設(shè)計意圖】教師借助在線問題測試可及時了解學(xué)情。在交互學(xué)習(xí)環(huán)境中提供系列微課資源，能填補學(xué)生知識與技能上的空缺。傳感器組裝及仿真電路的實驗?zāi)M可有效突破傳統(tǒng)材料和工具的使用局限，擴大學(xué)生思考問題的視角。（三）設(shè)計制作與測試優(yōu)化學(xué)生以小組為單位，聚焦“如何將震動轉(zhuǎn)換成報警”這一核心問題展開深入研究，思考制作地震報警儀的材料、形狀及其方法，并對照設(shè)計圖將自己的創(chuàng)意付諸實踐，最終根據(jù)數(shù)據(jù)分析情況，對地震報警儀做出調(diào)整和改進(jìn)。當(dāng)學(xué)生為了實現(xiàn)精準(zhǔn)“報警”而不斷調(diào)節(jié)羊角釘與銅絲的距離時；當(dāng)學(xué)生為了將感應(yīng)結(jié)果有效傳遞到電路，加裝震動傳感器時；當(dāng)學(xué)生將喇叭和警示燈串聯(lián)起來，震動導(dǎo)致小喇叭發(fā)出聲音、警示燈不斷閃爍時；當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)稍有震動，裝置就會進(jìn)入報警狀態(tài)，進(jìn)一步深入思考如何克服誤判的問題時……他們體會到地震報警儀已經(jīng)不再只是一架裝置，而是一套涉及多方面因素的工程體系。在這樣的實踐操作與不斷反思調(diào)試中，學(xué)生建構(gòu)的知識是生動的，更是源于實踐的?！驹O(shè)計意圖】學(xué)生制作并理解地震報警儀的工作原理，將實踐創(chuàng)意與知識建構(gòu)相連接，發(fā)展工程思維，提升運用技術(shù)解決問題的能力。（四）展示交流與擴充創(chuàng)意1.展示交流（1）分組展示成果。教師組織學(xué)生召開地震報警儀“產(chǎn)品發(fā)布會”。教師利用在線學(xué)習(xí)平臺發(fā)起圖片收集，各小組使用平板電腦拍照上傳設(shè)計圖（如圖5），圍繞地震報警儀的設(shè)計理念、團(tuán)隊分工、經(jīng)費核算、遇到困難及解決方法等方面進(jìn)行成果展示與交流分享。各小組選用Arduino控制板、震動傳感器、蜂鳴器和LED燈環(huán)擴展板等材料，制作了一系列不同提示效果的地震報警儀，有實現(xiàn)聲光同時報警的“簡易光感閃爍”地震報警儀、“樂高編程組合”地震報警儀、“電磁感應(yīng)”地震報警儀，有記錄地震波痕跡的“懸掛式擺錘”地震報警儀，“合頁式觸發(fā)”地震報警儀……學(xué)生在實踐中加深對科學(xué)知識的印象，獲得成就感。（2）組間評價質(zhì)疑。教師組織各小組反思制作過程中遇到的問題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考。如：當(dāng)樓下裝修時這個地震報警儀會不會報警？若夜晚熟睡時發(fā)生地震，“懸掛式擺錘”地震報警儀如何提醒人們逃生？如何解決懸掛小球銅絲擺動困難導(dǎo)致電路不易閉合的問題？（3）優(yōu)秀作品評選。教師拋出問題：“大家制作的這些地震報警儀大小不同、形狀不同、材料不同，但有什么相同之處呢？”在交流討論的過程中，學(xué)生逐漸認(rèn)識到所制作的地震報警儀都是通過信號轉(zhuǎn)換實現(xiàn)報警功能，對地震報警儀的工作原理獲得更清晰的認(rèn)識。教師組織學(xué)生使用地震震動臺檢測地震報警儀的性能，隨后利用在線投票系統(tǒng)評選出“優(yōu)秀地震報警儀設(shè)計獎”。2.擴充創(chuàng)意（1）了解地震預(yù)警。教師播放視頻《地震波還有61秒到達(dá)》。該視頻通過介紹四川長寧縣地震中預(yù)警系統(tǒng)“跑贏”地震波的成功案例，讓學(xué)生感悟到科學(xué)家在破解地震預(yù)測難題方面所做的努力。（2）關(guān)注制作差距。教師引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生疑問“我們制作的地震報警儀和科研人員研制的地震預(yù)警系統(tǒng)有哪些差距”并基于靈敏度、抗干擾、智能化等方面尋找差距（如圖6），感悟到科學(xué)家有效解決“精準(zhǔn)捕捉地震波”“不會被其他震動干擾”“可智能及時地反饋數(shù)據(jù)”等技術(shù)難題的巧妙構(gòu)思，引導(dǎo)學(xué)生探討地震報警儀背后的工程學(xué)原理，以及科技如何提高了地震預(yù)警準(zhǔn)確度。在反饋過程中，教師將學(xué)生的思維引向深入：“作為小學(xué)生，雖然我們不能解決復(fù)雜的地震預(yù)警問題，但就像愛因斯坦的小板凳，誰又能小覷其中蘊藏的潛力呢？愿每個孩子在探索中做到有思想、會分析、樂動手，都能用探究之心，創(chuàng)新之眼，去點亮屬于自己的科技之夢！”【設(shè)計意圖】課程以工程技術(shù)為主線，以在線學(xué)習(xí)平臺和平板電腦為依托，以產(chǎn)品設(shè)計為導(dǎo)向，在展示中以更高階的思維打破學(xué)生的思維局限，實現(xiàn)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)；同時可讓學(xué)生深刻體會智能機器的應(yīng)用為社會生活帶來的積極作用，激發(fā)民族自豪感，為學(xué)生播種責(zé)任和擔(dān)當(dāng)?shù)姆N子。（五）評價提升與反思復(fù)盤教師引導(dǎo)學(xué)生在云平臺學(xué)習(xí)空間上傳主題作品并提出要求如下。1.曬曬我制作的地震報警儀。2.如果再給一次制作機會，你們的設(shè)計方案會有哪些改變？試著通過寫作來說明，并發(fā)到學(xué)習(xí)空間討論?！驹O(shè)計意圖】教師利用問題和任務(wù)延續(xù)學(xué)生的研究和溝通積極性。四、信息技術(shù)支持下的STEAM課程實踐效果本課程以STEAM理念為中心，以信息技術(shù)為技術(shù)支撐，構(gòu)建培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維的“三段五環(huán)”教學(xué)模式。在課前、課中和課后有機融合了“聚焦問題與確定需求”“調(diào)查研究與學(xué)習(xí)支持”“設(shè)計制作與測試優(yōu)化”“展示交流與擴充創(chuàng)意”“評價提升與反思復(fù)盤”五個環(huán)節(jié)，綜合設(shè)計知識線、任務(wù)線、學(xué)科線三條線索來提升學(xué)生的高階認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問題的能力和創(chuàng)新能力。（一）技術(shù)賦能學(xué)習(xí)，體現(xiàn)高階思維信息技術(shù)可有效改變、創(chuàng)新教與學(xué)的方式，使教學(xué)定位更精準(zhǔn)、課程資源更豐富、學(xué)習(xí)方式更多元。首先，在線學(xué)習(xí)平臺中的視頻播放、在線投票、搶答器的使用，讓課堂充滿趣味，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。其次，通過上網(wǎng)搜索信息、學(xué)習(xí)系列微課、在線答題檢測、拍照上傳作品，以移動電子終端系統(tǒng)為載體展現(xiàn)多元化的學(xué)習(xí)成果，學(xué)生經(jīng)歷了從設(shè)計到制作到再改進(jìn)作品的完整流程。從學(xué)生制作的風(fēng)格多樣的地震報警儀可以看出，課程本身能讓學(xué)生內(nèi)在的創(chuàng)造力迸發(fā)出來，課程效果表明學(xué)生的好奇心、想象力、質(zhì)疑精神和合作意識得到顯著提升。（二）學(xué)科有效融合，助推問題解決“地震我來報——研制地震報警