信息技術設備在STEAM教育中的應用與實踐

成艷萍

隨著信息技術迅速發展和新課程的不斷推進，不少新教學技術在教育信息化和教改的浪潮中應運而生，電子書包、3D設計打印和數字化實驗儀器有效地解決了教學中的疑難問題，給科學與工程實踐教學來了新的生機與活力。

一、電子書包技術提供了探究的泛在學習環境

STEAM教育強調多學科的交叉融合，倡導一種“讓孩子自主探究，完成他們感興趣并與生活相關的項目”的教學理念。但是在很多探究活動中，學生在沒有既定前概念，教師又不能提供豐富資源和有力工具時，學生的探究常常會無從下手，這種無處探、無法探的假探究形式并不能促進學生科學核心素養的發展。電子書包的出現為學生的科學探究提供新的支持。

例如在六年級《在星空（一）》一課中，要求學生認識星座并制作星座模型，這對于生活在城市中，常年都無法看到幾顆星星的城市孩子來說幾乎是很難理解的。當借助電子書包這一新技術后，教學就出現了轉機：首先在教學情境設置時，電子書包豐富的圖像、音頻組合給學生提供想象的空間，激發學生想象思維的碰撞，有效提高學生的學習興趣；在探究前期，教師做出預案，為學生提供可能需要的各種星座資料，學生根據自身需求學習的過程中還可以利用網絡技術支持其獲得其他有針對性的探究資源；在探究過程中，學生利用繪圖工具，繪制天空中某一區域星星組合后的形狀，想象其形象并加以命名；在探究反饋環節中，學生可以自由瀏覽各組發布到資源庫中的探究成果，針對各自的疑問在線提問，也可以全班同學共同觀看并聆聽某組學生的匯報，學生通過個性化學習，也為后繼星座模型制作做好鋪墊，從而令學習方式回歸到“以人為本”的基礎上。

二、數字化實驗技術突出了STEAM教育的精髓

小學科學知識目標包括物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程四個方面，知識量大，覆蓋面廣。在科學探究方面要求學生經歷“提出問題、作出假設、制訂計劃、搜集證據、處理信息、得出結論、表達交流和反思評價”等幾個步驟來獲得知識，發展能力，提升素養。當科學與工程實踐融入STEAM教育框架后，遵循科學探究的流程或工程實踐的路徑，“探索——設計——創造——嘗試——改進”成為研究的主流，然而對于教材中一些離現實比較遠、受設備限制或學生認知水平較難達到的研究內容，很難通過準確的探究獲得事物的本質，這時候恰當地運用“數字化”技術，實現科學知識和數字化的整合則能較好地化解以上矛盾。具體體現在以下幾個方面：

1. 日常只能定性，不能定量的實驗——客觀+可視

在五年級《熱》單元中，探究物質導熱性的差異，以往傳統的實驗靠手摸、感受，學生只能用“我覺得誰比誰強”“我認為誰的傳熱性好”這樣描述性的語言來講述實驗結果。同樣在探究五年級《光》這個單元中影子大小與物體形狀、遠近的關系時，學生只能產生“大、比較大、小”，“物體離光源近一些影子就大一點”這樣模糊的概念，很大程度上結論的產生要依靠學生的主觀推理，這與科學實驗的嚴謹性極不相稱。當采用數字化儀器開展這類實驗時，各種物質受熱后在極短時間內溫度的上升客觀地反映出它們導熱性的強弱；相同物體離光源不同遠近時影子大小面積的差異清晰地反映了光影間成正比的關系。借助數字化實驗儀器幫助不但擴大了實驗的范圍，而且客觀真實地產生科學結論，這對學生的探究實驗有著重要的促進作用。

2. 觀察時間長，需要了解變化趨勢的實驗——實時+動態

在《制作一個保溫杯》的學習中，受傳統實驗器材的影響，教材只要求學生測量自己制作的保溫杯中水五分鐘內的降溫幅度，但事實上對于保溫杯，人們更看重它四個小時、六個小時的保溫效果。為什么課本沒有要求學生進行測量？這是因為在這個時長中，學生如果測量的次數不足，就無法顯示準確的降溫曲線；如果測量次數過多，則影響學生正常的學習生活。當使用數字化實驗儀器時，電腦可以實時記錄并存貯大量的測量數據，做到實驗過程變化的同時數據同步采集和變化，這些數據點連成的曲線能最接近于水降溫的規律，就能將變化過程通過曲線即時呈現出來，從而實現數據的實時采集和動態處理，這樣學生就可以快速而便捷地獲得大量信息，分析出科學的結論。同時，學生在此基礎上反思自己設計的方案：到底是什么原因導致了保溫效果的差異？借助數字化實驗設備，就可以研究變量與結果、設計與現象之間的關系，研究不同的設計對水溫前期、中期和后期變化的影響，這樣就方便了學生研究變量之間的關系和規律，對于進一步改進自己的設計起到非常重要的作用。

3. 現象不明顯，肉眼誤差大的實驗——準確+綜合

在擺的快慢與什么因素有關的探究中，如果要嚴格控制實驗環境，學生必須擺一開始的起始幅度小于15。，然而當擺持續擺動后擺幅會越來越小，這樣學生在記錄擺次數時就有著極大的困難。這時如果改用數字化設備，由傳感器感應小球經過的次數就能把觀測實驗數據的誤差率控制在0.5%以下，這完全符合科學探究中對實驗數據準確度的要求。同時，現行的數字實驗設備的采集器有多種測量數據的顯示模式：例如數字顯示、指針顯示、實時曲線顯示，學生可以針對實驗不用的數據需要進行選擇，同時采集儀可以記錄檢測過程中各時段的實時數據，學生在實驗后可以查看整個過程或任意時間的實驗數據，讓學生綜合分析數據更有針對性。

三、3D打印技術促進了STEAM教育的跨學科發展

3D打印技術的應用使得過去難以實現的STEAM工程實踐類型的設計成為可能。例如六年級科學有一個科學與工程的研究內容《設計一條橋》，要求學生在《形狀與結構》單元學習的基礎上設計一條綜合考慮形狀、承重等方面的橋梁。在這個探究之前，教師借助3D打印技術為學生創建“體驗式探究空間”，讓學生先打印設計的局部：有的小組從形狀入手，詳細分析橋造型，分別從三角形、矩形、梯形、拱形等入手，甚至采用復合截面形式；有的小組重點觀察橋梁受壓破壞的位置，觀察施壓過程中結構點、紙梁、桿件等受破壞的狀況從而尋找改進措施；有的組從內部結構入手，關注橋梁形式是否合理，橋的各構件的協調是否到位。3D打印技術既給學生們提供了體驗的空間，也讓他們知識的運用成了可能：學生在主動參與到真實的實踐活動中，3D打印實體讓學生的想象變成現實，將自己的創新設計或想法以可視化方式呈現給教師和其他同學。

在“大眾創業，萬眾創新”的時代背景下，STEAM教育在我國中小學中從最初的萌芽到現在的蓬勃發展，離不開各種新信息技術設備的推動。

責任編輯 韋英哲endprint