信息技術(shù)設(shè)備在STEAM教育中的應(yīng)用與實踐

成艷萍

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

一、電子書包技術(shù)提供了探究的泛在學(xué)習(xí)環(huán)境

STEAM教育強調(diào)多學(xué)科的交叉融合，倡導(dǎo)一種“讓孩子自主探究，完成他們感興趣并與生活相關(guān)的項目”的教學(xué)理念。但是在很多探究活動中，學(xué)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(xué)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(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。電子書包的出現(xiàn)為學(xué)生的科學(xué)探究提供新的支持。

例如在六年級《在星空（一）》一課中，要求學(xué)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(dāng)借助電子書包這一新技術(shù)后，教學(xué)就出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機：首先在教學(xué)情境設(shè)置時，電子書包豐富的圖像、音頻組合給學(xué)生提供想象的空間，激發(fā)學(xué)生想象思維的碰撞，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；在探究前期，教師做出預(yù)案，為學(xué)生提供可能需要的各種星座資料，學(xué)生根據(jù)自身需求學(xué)習(xí)的過程中還可以利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持其獲得其他有針對性的探究資源；在探究過程中，學(xué)生利用繪圖工具，繪制天空中某一區(qū)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(huán)節(jié)中，學(xué)生可以自由瀏覽各組發(fā)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(xué)共同觀看并聆聽某組學(xué)生的匯報，學(xué)生通過個性化學(xué)習(xí)，也為后繼星座模型制作做好鋪墊，從而令學(xué)習(xí)方式回歸到“以人為本”的基礎(chǔ)上。

二、數(shù)字化實驗技術(shù)突出了STEAM教育的精髓

小學(xué)科學(xué)知識目標(biāo)包括物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程四個方面，知識量大，覆蓋面廣。在科學(xué)探究方面要求學(xué)生經(jīng)歷“提出問題、作出假設(shè)、制訂計劃、搜集證據(jù)、處理信息、得出結(jié)論、表達交流和反思評價”等幾個步驟來獲得知識，發(fā)展能力，提升素養(yǎng)。當(dāng)科學(xué)與工程實踐融入STEAM教育框架后，遵循科學(xué)探究的流程或工程實踐的路徑，“探索——設(shè)計——創(chuàng)造——嘗試——改進”成為研究的主流，然而對于教材中一些離現(xiàn)實比較遠、受設(shè)備限制或?qū)W生認知水平較難達到的研究內(nèi)容，很難通過準(zhǔn)確的探究獲得事物的本質(zhì)，這時候恰當(dāng)?shù)剡\用“數(shù)字化”技術(shù)，實現(xiàn)科學(xué)知識和數(shù)字化的整合則能較好地化解以上矛盾。具體體現(xiàn)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(zhì)導(dǎo)熱性的差異，以往傳統(tǒng)的實驗靠手摸、感受，學(xué)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(jié)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(guān)系時，學(xué)生只能產(chǎn)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(jié)論的產(chǎn)生要依靠學(xué)生的主觀推理，這與科學(xué)實驗的嚴謹性極不相稱。當(dāng)采用數(shù)字化儀器開展這類實驗時，各種物質(zhì)受熱后在極短時間內(nèi)溫度的上升客觀地反映出它們導(dǎo)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(guān)系。借助數(shù)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(chǎn)生科學(xué)結(jié)論，這對學(xué)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(tài)

在《制作一個保溫杯》的學(xué)習(xí)中，受傳統(tǒng)實驗器材的影響，教材只要求學(xué)生測量自己制作的保溫杯中水五分鐘內(nèi)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(xué)生進行測量？這是因為在這個時長中，學(xué)生如果測量的次數(shù)不足，就無法顯示準(zhǔn)確的降溫曲線；如果測量次數(shù)過多，則影響學(xué)生正常的學(xué)習(xí)生活。當(dāng)使用數(shù)字化實驗儀器時，電腦可以實時記錄并存貯大量的測量數(shù)據(jù)，做到實驗過程變化的同時數(shù)據(jù)同步采集和變化，這些數(shù)據(jù)點連成的曲線能最接近于水降溫的規(guī)律，就能將變化過程通過曲線即時呈現(xiàn)出來，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和動態(tài)處理，這樣學(xué)生就可以快速而便捷地獲得大量信息，分析出科學(xué)的結(jié)論。同時，學(xué)生在此基礎(chǔ)上反思自己設(shè)計的方案：到底是什么原因?qū)е铝吮匦Ч牟町悾拷柚鷶?shù)字化實驗設(shè)備，就可以研究變量與結(jié)果、設(shè)計與現(xiàn)象之間的關(guān)系，研究不同的設(shè)計對水溫前期、中期和后期變化的影響，這樣就方便了學(xué)生研究變量之間的關(guān)系和規(guī)律，對于進一步改進自己的設(shè)計起到非常重要的作用。

3. 現(xiàn)象不明顯，肉眼誤差大的實驗——準(zhǔn)確+綜合

在擺的快慢與什么因素有關(guān)的探究中，如果要嚴格控制實驗環(huán)境，學(xué)生必須擺一開始的起始幅度小于15。，然而當(dāng)擺持續(xù)擺動后擺幅會越來越小，這樣學(xué)生在記錄擺次數(shù)時就有著極大的困難。這時如果改用數(shù)字化設(shè)備，由傳感器感應(yīng)小球經(jīng)過的次數(shù)就能把觀測實驗數(shù)據(jù)的誤差率控制在0.5%以下，這完全符合科學(xué)探究中對實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求。同時，現(xiàn)行的數(shù)字實驗設(shè)備的采集器有多種測量數(shù)據(jù)的顯示模式：例如數(shù)字顯示、指針顯示、實時曲線顯示，學(xué)生可以針對實驗不用的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，學(xué)生在實驗后可以查看整個過程或任意時間的實驗數(shù)據(jù)，讓學(xué)生綜合分析數(shù)據(jù)更有針對性。

三、3D打印技術(shù)促進了STEAM教育的跨學(xué)科發(fā)展

3D打印技術(shù)的應(yīng)用使得過去難以實現(xiàn)的STEAM工程實踐類型的設(shè)計成為可能。例如六年級科學(xué)有一個科學(xué)與工程的研究內(nèi)容《設(shè)計一條橋》，要求學(xué)生在《形狀與結(jié)構(gòu)》單元學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上設(shè)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(shù)為學(xué)生創(chuàng)建“體驗式探究空間”，讓學(xué)生先打印設(shè)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(fù)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(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，關(guān)注橋梁形式是否合理，橋的各構(gòu)件的協(xié)調(diào)是否到位。3D打印技術(shù)既給學(xué)生們提供了體驗的空間，也讓他們知識的運用成了可能：學(xué)生在主動參與到真實的實踐活動中，3D打印實體讓學(xué)生的想象變成現(xiàn)實，將自己的創(chuàng)新設(shè)計或想法以可視化方式呈現(xiàn)給教師和其他同學(xué)。

在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的時代背景下，STEAM教育在我國中小學(xué)中從最初的萌芽到現(xiàn)在的蓬勃發(fā)展，離不開各種新信息技術(shù)設(shè)備的推動。

責(zé)任編輯 韋英哲endprint