以智能手機(jī)為中心的中學(xué)STEM教育課程探索

◆楊欣 劉小秋

以智能手機(jī)為中心的中學(xué)STEM教育課程探索

◆楊欣 劉小秋

介紹智能手機(jī)開展STEM教學(xué)的目的與優(yōu)勢(shì)、教學(xué)課程設(shè)計(jì)，以某中學(xué)某班的STEM課程單擺物理實(shí)驗(yàn)作為案例，進(jìn)行通用技術(shù)教學(xué)效果分析。

智能手機(jī)；STEM教育；中學(xué)通用技術(shù)課程

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.010

中學(xué)信息技術(shù)課程是一門科學(xué)內(nèi)涵豐富的課程，在課程內(nèi)容更多地融入學(xué)生當(dāng)前所學(xué)的物理、生物、化學(xué)等知識(shí)，是當(dāng)前急切的需求之一。通過(guò)STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）教育，以項(xiàng)目實(shí)踐的形式進(jìn)行中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)［1］。STEM教育引入中學(xué)通用技術(shù)課程，中學(xué)生自發(fā)的實(shí)踐探索越來(lái)越重要［2］。教育部《中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力標(biāo)準(zhǔn)（試行）》明確指出，掌握互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備及其他新技術(shù)的常用操作，了解其對(duì)教育教學(xué)的支持作用。利用技術(shù)手段整合多方資源，實(shí)現(xiàn)學(xué)校、家庭、社會(huì)相連接，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，需要固定的實(shí)驗(yàn)室和額外的測(cè)量設(shè)備，課程制作成本高、學(xué)生參與度低［3］。智能手機(jī)普及率高，且內(nèi)置的各類傳感器，如加速度傳感器、電子羅盤、陀螺儀、攝像頭、NFC（近場(chǎng)通信）等，使學(xué)生在“玩”手機(jī)過(guò)程中，能直接測(cè)量現(xiàn)實(shí)世界中的物理量［4］。在信息技術(shù)課程中，使用智能手機(jī)作為測(cè)量設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)STEM教育實(shí)踐課程，使得信息技術(shù)課程與物理課程的結(jié)合成為可能。本文設(shè)計(jì)單擺物理實(shí)驗(yàn)為例，將信息技術(shù)教學(xué)與物理課程知識(shí)結(jié)合起來(lái)，從而培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)動(dòng)手能力和科學(xué)分析能力。

1　智能手機(jī)開展STEM教學(xué)的目的

移動(dòng)技術(shù)是新技術(shù)的體現(xiàn)，掌握并使用新的工具，并將其應(yīng)用到中學(xué)通用技術(shù)課堂教學(xué)。通過(guò)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，提高學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的興趣，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理知識(shí)的理性理解。在日常生活中對(duì)所學(xué)課本知識(shí)進(jìn)行活學(xué)活用，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維與日常科學(xué)素養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生辯證思維。智能手機(jī)不僅是娛樂工具，在合理用途下可以成為進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的工具。

2　智能手機(jī)開展STEM教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

教學(xué)形式新穎，對(duì)學(xué)生有吸引力 智能手機(jī)在中學(xué)校園中受到抵制，學(xué)生對(duì)玩手機(jī)的興趣被壓抑。學(xué)生對(duì)手機(jī)有天然的親近感，喜愛使用智能手機(jī)。學(xué)生熟悉手機(jī)操作，且通過(guò)新穎的實(shí)驗(yàn)載體帶動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)中科學(xué)知識(shí)的探索。

手機(jī)普及率高，手機(jī)實(shí)驗(yàn)成本低 當(dāng)前學(xué)生手機(jī)持有率非常高，因此，開展以手機(jī)為中心的實(shí)驗(yàn)，無(wú)需購(gòu)置額外的材料及實(shí)驗(yàn)儀器。對(duì)學(xué)校而言，教學(xué)成本低，教師用更多的精力來(lái)創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)方案。

移動(dòng)性好，隨時(shí)開展實(shí)驗(yàn) 以手機(jī)為中心的項(xiàng)目教學(xué)，是一個(gè)移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室。相比傳統(tǒng)的固定實(shí)驗(yàn)，手機(jī)為中心的實(shí)驗(yàn)不局限于場(chǎng)地，可以在室內(nèi)室外、校內(nèi)校外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及學(xué)習(xí)。

3　教學(xué)課程設(shè)計(jì)

步驟一：手機(jī)內(nèi)置傳感器選取。根據(jù)教學(xué)目的設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目，分析項(xiàng)目中測(cè)量的物理參數(shù)，選擇智能手機(jī)特定的傳感器。

步驟二：導(dǎo)出手機(jī)傳感器度數(shù)。針對(duì)傳感器種類，在智能手機(jī)應(yīng)用商店（如Google Store、Apple Store）中下載相應(yīng)的軟件工具；或者開發(fā)手機(jī)應(yīng)用軟件。通過(guò)這些軟件獲取手機(jī)內(nèi)置傳感器的度數(shù)，并將度數(shù)輸出到計(jì)算機(jī)。

步驟三：數(shù)據(jù)分析。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析。在通用技術(shù)課程中，使用已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)分析軟件（如MS Office Excel、MATLAB等工具）。通過(guò)數(shù)據(jù)分析工具的使用，在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)處理初步認(rèn)識(shí)。

步驟四：實(shí)驗(yàn)結(jié)論的分析及科學(xué)解釋。將數(shù)據(jù)分析得到的曲線、圖標(biāo)，對(duì)應(yīng)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容，進(jìn)行誤差分析和原理解釋。

步驟五：訓(xùn)練學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作。以項(xiàng)目組的形式將學(xué)生進(jìn)行分組，以團(tuán)隊(duì)合作的形式完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4　單擺實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)案例

教學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì) 高中物理課程的理想數(shù)學(xué)模型中的物理參數(shù)（如加速度及加速度不同方向上的分量等），物理教材中沒有涉及實(shí)驗(yàn)，學(xué)生測(cè)量及觀測(cè)這類參數(shù)有助于物理知識(shí)的鞏固。嘗試設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)單擺實(shí)驗(yàn)。智能手機(jī)作為單擺系統(tǒng)中的擺動(dòng)節(jié)點(diǎn)，使用智能手機(jī)的內(nèi)置加速度傳感器測(cè)量手機(jī)在運(yùn)動(dòng)中的x、y、z方向上的分量，如圖1所示。最后使用Excel將采集的數(shù)據(jù)繪制成曲線。

教學(xué)工具 智能手機(jī)、手機(jī)加速度應(yīng)用程序Physics Toolbox Accelerometer、數(shù)據(jù)分析軟件MS Office Excel。

教學(xué)過(guò)程 使用繩索及智能手機(jī)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，如圖1所示；針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)理想狀態(tài)下的物理原理圖，如圖2所示；對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解讀，如圖3所示。

圖1　手機(jī)單擺實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖2　單擺實(shí)驗(yàn)示意圖及加速度分量標(biāo)記

圖3　手機(jī)采集的單擺加速度在x、y、z方向上的時(shí)間序列

課程反思 掌握智能手機(jī)使用技能；學(xué)習(xí)智能手機(jī)內(nèi)置傳感器的功能，安裝智能手機(jī)軟件、Excel軟件的繪圖技能；測(cè)量數(shù)據(jù)、直觀感知加速度物理量；直接測(cè)量加速度分量，提高對(duì)加速度物理知識(shí)的認(rèn)識(shí)。在物理課本中，加速度通常是通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得到的數(shù)值，特別是加速度在各個(gè)方向上的分量，需要采用理想的數(shù)學(xué)模型計(jì)算。高中物理課本中的實(shí)驗(yàn)無(wú)法直接測(cè)量、觀測(cè)、感知。分析數(shù)據(jù)，培養(yǎng)辯證的科學(xué)思維。使用繪圖工具，直接將數(shù)據(jù)繪制成曲線，采用直觀的可視化方法分析加速度變化趨勢(shì)，通過(guò)趨勢(shì)分析存在的物理原理。現(xiàn)實(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)與理想計(jì)算的數(shù)據(jù)的區(qū)別，并分析誤差原因，從而將其他物理知識(shí)串聯(lián)起來(lái)。

5　總結(jié)

本文面向中小學(xué)通用技術(shù)課程，提出以智能手機(jī)為中心的STEM教學(xué)的一般方法、實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)步驟。教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了以下教學(xué)目的。

1）提升學(xué)習(xí)自主性。在完成分組實(shí)驗(yàn)后，有一組學(xué)生主動(dòng)提出用手機(jī)測(cè)量其他物理量，能自行提出實(shí)驗(yàn)方案。這樣就改變了以前的師生關(guān)系，由“填壓式”教學(xué)轉(zhuǎn)換為引導(dǎo)型教學(xué)，表明以智能手機(jī)為中心的STEM教學(xué)能提高學(xué)生的自主性和積極性。

2）拓寬知識(shí)面。在教學(xué)案例中，10組學(xué)生均完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)使用手機(jī)軟件、Excel軟件、數(shù)據(jù)繪圖及分析方法。部分學(xué)生項(xiàng)目組長(zhǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查找資料進(jìn)行誤差分析，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，自發(fā)拓展了知識(shí)面。

3）激發(fā)自主互助。與非STEM教學(xué)的信息課程相比，本次項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)案例中，學(xué)生實(shí)踐報(bào)告提及團(tuán)隊(duì)的配合。智能手機(jī)的項(xiàng)目教學(xué)取得組內(nèi)成員自發(fā)分工協(xié)作、齊頭并進(jìn)的效果。■

［1］魏寧.美國(guó)“STEM高中”啟示錄［J］.中小學(xué)信息技術(shù)教育，2015（12）：66.

［2］張紅洋.美國(guó)中小學(xué)STEM教育對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)教育的啟示［J］.新課程研究，2014（8）：15-17.

［3］張丹彤.讓智能手機(jī)成為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的好幫手［J］.物理教師，2014（11）：39-40.

［4］李玉峰.用智能手機(jī)輔助聲學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2014（11）：35-36.

G633.67

B

1671-489X（2016）14-0010-03

作者：楊欣，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，研究興趣涉及教育裝備設(shè)計(jì)與開發(fā)、移動(dòng)地理信息技術(shù)（430070）；劉小秋，武漢市第二十三高級(jí)中學(xué)高級(jí)教師，主要從事中學(xué)STEM教學(xué)方法研究（430050）。