信息技術支持下的STEAM課程實踐與反思

2023年5月，教育部發(fā)布《基礎教育課程教學改革深化行動方案》，強調(diào)聚焦核心素養(yǎng)導向的跨學科主題學習等教學改革重難點問題，推進數(shù)字化賦能教學質(zhì)量提升[1]。由于跨學科主題學習容量大、耗時長，學生對各學科的知識儲備不足，傳統(tǒng)模式教學難以適應教育改革的需求。STEAM教育的獨特價值在于將科學、技術、工程、藝術和數(shù)學多個學科的課程知識統(tǒng)整為一個有機整體，在信息技術手段支持下，為學生提供富有現(xiàn)實意義的學習情境，并通過解決實際問題來培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。STEAM教育蘊含了學科融合、問題解決和技術賦能三個核心理念，因此STEAM課程是踐行新課標、開展跨學科主題學習的一種重要方式。一、信息技術支持下的STEAM課程模式建構基于上述思考，筆者以問題解決為指引，以跨學科式“做中學”為實現(xiàn)路徑，以工程技術為主線，開展信息技術支持下的STEAM課程設計探索，提出了“三段五環(huán)”教學模式（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)查研究與學習支持、設計制作與測試優(yōu)化、展示交流與擴充創(chuàng)意、評價提升與反思復盤。信息技術融會貫通于課程的各環(huán)節(jié)，改變教學環(huán)境，為學生提供在智慧課堂的學習體驗，以期幫助學生突破跨學科知識的局限，促進學生綜合能力的發(fā)展和學習方式的變革，有效提升學生的核心素養(yǎng)。信息技術的應用為達成“會科學探究、善技術實踐、能工程創(chuàng)新、懂數(shù)學思維、有藝術品位”的復合型人才目標奠定了基礎。二、信息技術支持下的STEAM課程設計為了更好地檢驗“三段五環(huán)”教學模式的科學性和實用性，筆者設計了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警裝置，并通過模擬地震的方法進行結果的假設與推理。2.過程與方法體會“確立問題—了解特點—設計方案—制作測試—修正方案”的工程技術流程，學會自己獨立設計，相互修正設計。3.情感態(tài)度與價值觀增強團隊分工合作能力，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計和制作。（2）展示時能闡明設計理念及改進辦法。2.活動難點如何提高地震報警儀的靈敏度。（三）學科融合點S（科學）：認識地震發(fā)生的原因，了解地震報警儀的結構原理。T（技術）：學會電路裝置的連接，能運用選擇的材料，根據(jù)設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計產(chǎn)品，并在制作過程中針對遇到的問題進行調(diào)整改進。M（數(shù)學）：學會收集和分析數(shù)據(jù)、核算研發(fā)經(jīng)費。三、信息技術支持下的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害頻發(fā)的現(xiàn)象，引發(fā)了學生對地震問題的關注。學生通過網(wǎng)絡查找、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？在震撼與擔憂之余，學生紛紛把探究的視角轉(zhuǎn)向了地震的預警防范上。課堂上，學生圍繞“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)動任務進行研究，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后，教師順勢引導學生討論完成評價標準，共同確定了課程評價量規(guī)（見表1），讓學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，教師引導學生開展基于問題情境的解決任務式學習。學生既能從中學到知識與技能，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)查研究與學習支持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，進行在線問題測試（見表2），從而更好地把控課堂教學。教師由前測數(shù)據(jù)（如圖2）發(fā)現(xiàn)學生對地震成因、地震報警儀的工作原理等知識有所欠缺，需要構建學習支持。2.學習支持本課程包括理論學習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——理論學習。教師在在線學習平臺發(fā)布地震報警儀系列微課資源（如圖3），供學生自主選擇觀看。該微課資源包含地震成因介紹、地震預警原理揭示、地動儀的歷史、地震預警系統(tǒng)制作技巧四方面內(nèi)容，幫助學生了解地震報警儀在設計原理、發(fā)展變化、制作技巧等方面的知識，讓學生對地震原因與地震預測有全面的認識和思考。同時，學生掌握了地震報警儀利用的是垂體擺動力學原理和物理聲光電磁運動原理，即當?shù)卣饒缶瘍x檢測到震動時，內(nèi)部電路接通進而觸發(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雜的運動，它是橫波和縱波共同作用的結果。為了研究橫波和縱波的強度和破壞性，師生合作進行設計，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生在平板電腦上進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線，進行串聯(lián)、并聯(lián)電路的接通練習。探究活動三：編程基本操作練習學生可與教師交流在組裝感應裝置時遇到的問題。教師及時給予學生個性化指導，啟發(fā)學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?！驹O計意圖】教師借助在線問題測試可及時了解學情。在交互學習環(huán)境中提供系列微課資源，能填補學生知識與技能上的空缺。傳感器組裝及仿真電路的實驗模擬可有效突破傳統(tǒng)材料和工具的使用局限，擴大學生思考問題的視角。（三）設計制作與測試優(yōu)化學生以小組為單位，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。當學生為了實現(xiàn)精準“報警”而不斷調(diào)節(jié)羊角釘與銅絲的距離時；當學生為了將感應結果有效傳遞到電路，加裝震動傳感器時；當學生將喇叭和警示燈串聯(lián)起來，震動導致小喇叭發(fā)出聲音、警示燈不斷閃爍時；當學生發(fā)現(xiàn)稍有震動，裝置就會進入報警狀態(tài)，進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，學生建構的知識是生動的，更是源于實踐的?！驹O計意圖】學生制作并理解地震報警儀的工作原理，將實踐創(chuàng)意與知識建構相連接，發(fā)展工程思維，提升運用技術解決問題的能力。（四）展示交流與擴充創(chuàng)意1.展示交流（1）分組展示成果。教師組織學生召開地震報警儀“產(chǎn)品發(fā)布會”。教師利用在線學習平臺發(fā)起圖片收集，各小組使用平板電腦拍照上傳設計圖（如圖5），圍繞地震報警儀的設計理念、團隊分工、經(jīng)費核算、遇到困難及解決方法等方面進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”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……學生在實踐中加深對科學知識的印象，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，引導學生深入思考。如：當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，學生逐漸認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識。教師組織學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)秀地震報警儀設計獎”。2.擴充創(chuàng)意（1）了解地震預警。教師播放視頻《地震波還有61秒到達》。該視頻通過介紹四川長寧縣地震中預警系統(tǒng)“跑贏”地震波的成功案例，讓學生感悟到科學家在破解地震預測難題方面所做的努力。（2）關注制作差距。教師引導學生產(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），感悟到科學家有效解決“精準捕捉地震波”“不會被其他震動干擾”“可智能及時地反饋數(shù)據(jù)”等技術難題的巧妙構思，引導學生探討地震報警儀背后的工程學原理，以及科技如何提高了地震預警準確度。在反饋過程中，教師將學生的思維引向深入：“作為小學生，雖然我們不能解決復雜的地震預警問題，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！”【設計意圖】課程以工程技術為主線，以在線學習平臺和平板電腦為依托，以產(chǎn)品設計為導向，在展示中以更高階的思維打破學生的思維局限，實現(xiàn)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)；同時可讓學生深刻體會智能機器的應用為社會生活帶來的積極作用，激發(fā)民族自豪感，為學生播種責任和擔當?shù)姆N子。（五）評價提升與反思復盤教師引導學生在云平臺學習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，你們的設計方案會有哪些改變？試著通過寫作來說明，并發(fā)到學習空間討論?！驹O計意圖】教師利用問題和任務延續(xù)學生的研究和溝通積極性。四、信息技術支持下的STEAM課程實踐效果本課程以STEAM理念為中心，以信息技術為技術支撐，構建培養(yǎng)學生跨學科思維的“三段五環(huán)”教學模式。在課前、課中和課后有機融合了“聚焦問題與確定需求”“調(diào)查研究與學習支持”“設計制作與測試優(yōu)化”“展示交流與擴充創(chuàng)意”“評價提升與反思復盤”五個環(huán)節(jié)，綜合設計知識線、任務線、學科線三條線索來提升學生的高階認知，培養(yǎng)學生綜合解決問題的能力和創(chuàng)新能力。（一）技術賦能學習，體現(xiàn)高階思維信息技術可有效改變、創(chuàng)新教與學的方式，使教學定位更精準、課程資源更豐富、學習方式更多元。首先，在線學習平臺中的視頻播放、在線投票、搶答器的使用，讓課堂充滿趣味，激發(fā)了學生的學習熱情。其次，通過上網(wǎng)搜索信息、學習系列微課、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)多元化的學習成果，學生經(jīng)歷了從設計到制作到再改進作品的完整流程。從學生制作的風格多樣的地震報警儀可以看出，課程本身能讓學生內(nèi)在的創(chuàng)造力迸發(fā)出來，課程效果表明學生的好奇心、想象力、質(zhì)疑精神和合作意識得到顯著提升。（二）學科有效融合，助推問題解決“地震我來報——研制地震報警