數(shù)智融合下STEM校本課程教學(xué)策略探索與實(shí)踐

【摘要】在數(shù)智融合背景下，通過分析STEM教育的現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，針對(duì)如何有效實(shí)施STEM校本課程教學(xué)，本文提出了STEM課程教學(xué)策略，以“人體紅外感應(yīng)燈”項(xiàng)目為例，介紹了該策略在實(shí)際教學(xué)中的具體應(yīng)用和成效。研究發(fā)現(xiàn)，利用數(shù)智融合平臺(tái)的豐富資源、高度互動(dòng)性和個(gè)性化學(xué)習(xí)支持，可以有效提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能，為未來STEM教育的優(yōu)化提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和啟示?！娟P(guān)鍵詞】數(shù)智融合；STEM教育；校本課程；教學(xué)策略；人體紅外感應(yīng)燈隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新興技術(shù)的蓬勃興起與廣泛應(yīng)用，在教育數(shù)字化基礎(chǔ)上，教育的數(shù)智化進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的智能化處理和應(yīng)用，它使得教育更加個(gè)性化、智能化和高效化[1]。在這一時(shí)代背景下，STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）教育作為培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、激發(fā)創(chuàng)新潛能、培育未來科技人才的關(guān)鍵領(lǐng)域，其教學(xué)模式與策略正經(jīng)歷著前所未有的變革與挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的STEM教學(xué)模式，往往側(cè)重于知識(shí)的灌輸與技能的訓(xùn)練，而忽視了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力的培養(yǎng)，這種模式已難以滿足新時(shí)代學(xué)生多元化、個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。在數(shù)智融合的新時(shí)代背景下，混合式教學(xué)是教育研究與實(shí)踐關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。因此，教師應(yīng)充分利用數(shù)智技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，打破傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空限制，構(gòu)建線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，積極探索并實(shí)踐更為高效、靈活、富有創(chuàng)意的教學(xué)策略與方法。同時(shí)在教學(xué)過程中要注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力，以期在STEM教育中培養(yǎng)出更多具備創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力的未來科技人才。數(shù)智融合下STEM課程現(xiàn)狀與問題分析1.數(shù)智融合概述數(shù)智融合是數(shù)字化技術(shù)與智能化手段的深度融合與創(chuàng)新應(yīng)用[3]。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等前沿技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)價(jià)值認(rèn)知的顯著提升，數(shù)智融合的概念應(yīng)運(yùn)而生。在這一融合過程中，“數(shù)”扮演著至關(guān)重要的角色，它代表著數(shù)據(jù)，而“智”則象征著智能化。數(shù)智融合，將“數(shù)”與“智”緊密結(jié)合，形成了一個(gè)高效協(xié)同的整體，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，智能化是手段，共同推動(dòng)著決策與服務(wù)的智能化升級(jí)。數(shù)智融合不僅改變了信息處理的方式和效率，還推動(dòng)了各行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。在教育領(lǐng)域，數(shù)智融合為STEM課程的教學(xué)提供了全新的平臺(tái)和工具，使得教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)更加直觀、生動(dòng)，教學(xué)方法更加多樣、靈活。2.STEM課程現(xiàn)狀STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的縮寫，而STEM教育旨在通過四門學(xué)科之間的有機(jī)結(jié)合，運(yùn)用這四門知識(shí)解決生活實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐應(yīng)用能力[4]。STEM教育以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，為學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，因此更注重學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)、情境、合作和設(shè)計(jì)[5]。近年來，STEM教育在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。各國紛紛將STEM教育納入基礎(chǔ)教育體系，通過開設(shè)STEM課程、舉辦STEM各類比賽等方式，推動(dòng)STEM教育的普及和深化。國內(nèi)STEM教育和創(chuàng)客教育融合研究，可將熱點(diǎn)知識(shí)分為“融合發(fā)展研究”“教學(xué)模式研究”“人工智能研究”“系統(tǒng)綜述研究”四個(gè)種類[6]。盡管STEM教育的重要性日益凸顯，但在STEM課程的實(shí)際教學(xué)過程中，仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，如教學(xué)資源分散、師生互動(dòng)不足、個(gè)性化學(xué)習(xí)難以實(shí)現(xiàn)等。學(xué)校作為STEM教育的主要陣地，其校本教學(xué)情況直接關(guān)系到STEM教育的成效。學(xué)校的STEM校本課程通常是以STEM興趣小組、特色課程等方式呈現(xiàn)，然而，每周僅設(shè)一次課程，就會(huì)有課時(shí)量不足和課后延續(xù)性缺失的問題。每周一次的課程難以保證學(xué)生有足夠的時(shí)間深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐，而課后又缺乏有效的學(xué)習(xí)資源和指導(dǎo)，個(gè)性化學(xué)習(xí)難以實(shí)現(xiàn)，學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)過程與成果也很難進(jìn)行記錄與展示，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效果難以持續(xù)提升。3.存在問題分析根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，在開展STEM教育實(shí)踐中主要存在以下幾個(gè)問題：一是教師專業(yè)發(fā)展與技術(shù)應(yīng)用之間出現(xiàn)脫節(jié)；二是教學(xué)資源開發(fā)滯后和利用效率不高；三是學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變緩慢；四是教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制不夠完善。這些問題的存在，限制了STEM教育潛力的充分發(fā)揮，亟需通過有效的教學(xué)策略進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。為此，本文開展了基于數(shù)智融合教學(xué)平臺(tái)下STEM教學(xué)策略的探究。數(shù)智融合下STEM課程教學(xué)策略探索未來的教育信息化將更關(guān)注學(xué)生的全面發(fā)展，更倡導(dǎo)“線上+線下”的混合式教學(xué)法，更注重教師的數(shù)字素養(yǎng)能力提升，更關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和個(gè)性化發(fā)展[7]。數(shù)智融合下的STEM課程教學(xué)，通過“AiClass教學(xué)平臺(tái)”實(shí)現(xiàn)，該平臺(tái)不僅提供了豐富的學(xué)習(xí)資源和互動(dòng)工具，還支持學(xué)生課后的自主學(xué)習(xí)和作品優(yōu)化迭代，打破時(shí)間和空間的限制，為學(xué)生提供更加靈活、便捷的學(xué)習(xí)方式，有效提升了STEM教育的連續(xù)性和深度。教學(xué)中學(xué)生通過平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)、提交成果和進(jìn)行評(píng)價(jià)，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)展示自己的才華和創(chuàng)意，還能促進(jìn)學(xué)生之間的交流與合作，激發(fā)學(xué)生的興趣和動(dòng)力，具體教學(xué)策略如圖1所示。1.教學(xué)目標(biāo)的明確與調(diào)整在數(shù)智融合背景下，STEM課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)更加注重培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和跨學(xué)科思維。這要求教師明確課程目標(biāo)，將知識(shí)傳授與技能培養(yǎng)相結(jié)合，同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和批判性思維。2.教學(xué)內(nèi)容的整合與創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容應(yīng)圍繞核心概念和基本原理進(jìn)行整合，同時(shí)融入最新的科技成果和案例研究。教師可以利用智能教學(xué)平臺(tái)提供的豐富資源，設(shè)計(jì)跨學(xué)科的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生通過實(shí)踐活動(dòng)深入理解STEM領(lǐng)域的綜合知識(shí)。3.教學(xué)方法的創(chuàng)新與應(yīng)用教學(xué)方法的創(chuàng)新是提升STEM教育質(zhì)量的關(guān)鍵。教師可采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等現(xiàn)代教學(xué)方法，結(jié)合在線交流和討論平臺(tái)，促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和深度思考。此外，教師還應(yīng)利用數(shù)據(jù)分析工具對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。數(shù)智融合下STEM課程教學(xué)策略應(yīng)用實(shí)踐數(shù)智融合下，選擇合適的STEM實(shí)踐項(xiàng)目是實(shí)施教學(xué)策略的第一步。本文以“人體紅外感應(yīng)燈”項(xiàng)目為例，其教學(xué)內(nèi)容不僅涵蓋了電子工程、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)編程等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，而且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。本課的教學(xué)內(nèi)容為校本STEAM課程的第一個(gè)項(xiàng)目，教學(xué)對(duì)象為小學(xué)四年級(jí)學(xué)生。本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解紅外感應(yīng)技術(shù)的基本原理和應(yīng)用，掌握紅外感應(yīng)燈的制作方法，并通過實(shí)踐操作和小組合作，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，提高學(xué)生的問題解決能力進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣和熱愛，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和探索精神。在“人體紅外感應(yīng)燈”項(xiàng)目中，教學(xué)活動(dòng)分為課前準(zhǔn)備、課中探究和課后迭代三個(gè)階段。課前，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間預(yù)習(xí)相關(guān)知識(shí)并參與討論；課中，學(xué)生分組進(jìn)行問題研討和動(dòng)手實(shí)踐，教師提供必要的指導(dǎo)和支持；課后，學(xué)生對(duì)作品進(jìn)行迭代優(yōu)化，并在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間分享成果和體會(huì)。教學(xué)活動(dòng)以線上、線下結(jié)合的STEAM學(xué)習(xí)形式開展，并貫穿課前、課中、課后。在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的支持下，課前學(xué)生在周末、課余時(shí)間，利用平板電腦登錄網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間提前學(xué)習(xí)微課，并與老師、學(xué)生互動(dòng)學(xué)習(xí)與交流。課中教師進(jìn)行探究學(xué)習(xí)、動(dòng)手造物，課后進(jìn)行評(píng)價(jià)交流、迭代優(yōu)化，并分享感想。學(xué)習(xí)活動(dòng)變成了一種自然且自發(fā)的行為，學(xué)生學(xué)習(xí)變得更加積極主動(dòng)。1.課前準(zhǔn)備階段在授課的5天前，教師在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)布課程、調(diào)查問卷，上傳學(xué)習(xí)資料和微課視頻。學(xué)生利用課余時(shí)間登錄平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。（1）設(shè)計(jì)調(diào)查問卷教師設(shè)計(jì)并發(fā)布節(jié)約用電調(diào)查問卷，了解學(xué)情。（2）學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備教師在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間上傳主控板、相應(yīng)的傳感器等元器件的資料文檔和相關(guān)知識(shí)微課，力求資源的豐富性和準(zhǔn)確性，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供強(qiáng)而有力的支撐。（3）匯總分析調(diào)查問卷教師根據(jù)調(diào)查問卷，深入挖掘數(shù)據(jù)，就相關(guān)問題與學(xué)生線上交流。2.課中實(shí)施階段教師利用微課、課件引入項(xiàng)目，從問題出發(fā)，始于創(chuàng)意，師生共同研討確定解決方案，學(xué)習(xí)開源硬件及相關(guān)傳感器知識(shí)，結(jié)合基于開源硬件的編程創(chuàng)作智能化作品，以解決生活中的問題。在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、創(chuàng)作，完成作品，并進(jìn)行討論、分享。項(xiàng)目的活動(dòng)過程包括以下四個(gè)環(huán)節(jié)。（1）構(gòu)建情境，問題驅(qū)動(dòng)教師播放視頻并提問：電力是我們?nèi)粘Ｉ钪幸环N重要的能源，沒有了電，生活將會(huì)變得不可想象。而我國是一個(gè)用電大國，也是一個(gè)電力資源緊張的國家，所以節(jié)約用電是十分必要的。在家居生活中，如何做到更有效地節(jié)約用電呢？（2）小組研討，確定方案首先，對(duì)問題進(jìn)行逐步分解，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組研討：電是如何形成的？發(fā)電的方式有哪些？如何安全用電？過度用電會(huì)有什么后果？如何節(jié)約用電？然后，通過探究學(xué)習(xí)的方式，確定了解決問題的具體方案。利用視頻和課件的展示，教師引導(dǎo)學(xué)生深入了解紅外人體感應(yīng)燈的原理和應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)節(jié)約能源的方案：利用課前自主學(xué)習(xí)的開發(fā)板以及相應(yīng)的傳感器制作紅外人體感應(yīng)燈。（3）講解原理，動(dòng)手造物確定解決問題方案后，教師通過“明確任務(wù)—講解原理—演示操作—?jiǎng)邮种谱鳌彼膫€(gè)活動(dòng)流程，引導(dǎo)學(xué)生操作。首先教師通過展示紅外感應(yīng)技術(shù)的相關(guān)圖片和視頻，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，講解紅外感應(yīng)技術(shù)的基本原理和應(yīng)用，以及紅外感應(yīng)燈的制作方法和步驟。接著教師現(xiàn)場(chǎng)演示紅外感應(yīng)燈的制作方法和步驟，強(qiáng)調(diào)制作過程中的注意事項(xiàng)。然后，學(xué)生分組進(jìn)行按“傳感器連通、源代碼實(shí)現(xiàn)、外觀設(shè)計(jì)、作品集成”這四個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)踐操作，教師指導(dǎo)并幫助學(xué)生解決制作過程中遇到的問題。在教學(xué)時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生從自然語言、流程圖到程序代碼的過渡，如圖2所示。（4）評(píng)價(jià)交流，分享感想學(xué)生通過拍照、錄制作品上傳到數(shù)智平臺(tái)，教師出示評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)學(xué)生按評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各組的制作過程和作品進(jìn)行自評(píng)、互評(píng)。教師對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)和總結(jié)，肯定學(xué)生的努力和成果，同時(shí)指出存在的問題和不足。學(xué)生以小組形式展示成果及感想，以多種形式展示學(xué)習(xí)收獲，根據(jù)本節(jié)課的情況填寫并提交評(píng)價(jià)表，如圖3所示。3.課后迭代分享課后教師讓學(xué)生通過多種形式展示學(xué)習(xí)收獲，讓學(xué)生進(jìn)行作品的迭代優(yōu)化，并再次上傳至平臺(tái)，同時(shí)把感想寫下來分享，再次對(duì)修改后作品自評(píng)與互評(píng)。教學(xué)效果與反思教師對(duì)比實(shí)踐前后的學(xué)生作品、問卷調(diào)查和訪談等方式評(píng)估教學(xué)效果。結(jié)果顯示，學(xué)生在動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識(shí)等方面均有顯著提升。同時(shí)，教師也反思了資源整合、互動(dòng)交流深度和個(gè)性化學(xué)習(xí)推進(jìn)等方面的不足，為后續(xù)教學(xué)提供改進(jìn)方向。1.教學(xué)效果通過本項(xiàng)目活動(dòng)的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生不僅掌握了紅外感應(yīng)技術(shù)的基本原理和應(yīng)用，還學(xué)會(huì)了制作紅外感應(yīng)燈的方法和步驟。學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神得到了鍛煉和提高，他們?cè)趯?shí)踐操作中相互協(xié)作，共同解決問題，展現(xiàn)出了良好的合作精神和創(chuàng)新能力。此外，學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣和熱愛得到了激發(fā)，他們更加關(guān)注身邊的科技應(yīng)用，積極探索科學(xué)的奧秘。在數(shù)智融合學(xué)習(xí)平臺(tái)的支持下，時(shí)間和空間的限制被打破，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和互動(dòng)交流，學(xué)習(xí)效率和效果得到了顯著提升。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)獲取豐富的教學(xué)資源，拓寬自己的知識(shí)視野。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的實(shí)時(shí)反饋功能使得教師能夠及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，為學(xué)生提供個(gè)性化的指導(dǎo)和幫助。2.教學(xué)反思在數(shù)智融合背景下的STEM教學(xué)實(shí)踐中，筆者深刻體會(huì)到資源整合與優(yōu)化對(duì)于教學(xué)效果的深遠(yuǎn)影響。盡管數(shù)智平臺(tái)提供了豐富多樣的教學(xué)資源，但如何有效地整合和優(yōu)化這些資源，使之更加符合STEM課程的教學(xué)需求，仍是目前面臨的一大挑戰(zhàn)。為了確保學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，必須進(jìn)一步篩選和整理這些資源，確保教學(xué)資源的針對(duì)性和有效性。同時(shí)，定期更新STEM課程的相關(guān)內(nèi)容，并引入更多優(yōu)質(zhì)的外部教學(xué)資源，能夠大幅提升學(xué)習(xí)效率，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而進(jìn)一步推動(dòng)教學(xué)效果的提升。對(duì)于互動(dòng)交流環(huán)節(jié)，筆者認(rèn)為也需要優(yōu)化。盡管數(shù)智平臺(tái)提供了便捷的在線交流和討論功能，但學(xué)生的交流往往缺乏深度和廣度。因此，作為教師，應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入交流，通過設(shè)置具有啟發(fā)性和探討性的討論話題，激發(fā)他們的思考熱情。在討論過程中，要及時(shí)糾正偏離主題的討論，確保討論的方向和深度。同時(shí)，尊重和鼓勵(lì)多元觀點(diǎn)的碰撞，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新能力，是互動(dòng)交流中應(yīng)始終秉持的原則。此外，在個(gè)性化學(xué)習(xí)的實(shí)施與推進(jìn)方面也面臨諸多挑戰(zhàn)。盡管數(shù)智平臺(tái)支持個(gè)性化學(xué)習(xí)，但如何根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況和需求進(jìn)行精準(zhǔn)推薦，卻是一個(gè)亟待解決的問題。為此，需要通過問卷調(diào)查、訪談