STEM素養在信息技術課程中的體現

王蕾

教學現場

隨著創新教育的推廣，STEM項目與信息技術的融合已然成為學科研修的重點內容，涌現出大量的整合課例、示范課。但是STEM項目究竟應該以怎樣的方式走進中小學的課堂？如今眾說紛紜、各有千秋，卻無定論。

問題分析

本文從STEM項目中的元概念入手，探索STEM素養在信息技術課程中的體現方式，研究STEM項目如何從素養層次與信息技術課程進行深層次的融合，分析其在教學中具體落實和細化的方式，并呈現為具體的課例。

STEM素養與信息技術課程的聯系

教育部發布的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》中指出，“探索 STEAM教育、創客教育等新教育模式”，培養學生的信息意識與創新意識，形成二十一世紀公民所具備的科學素養。

結合信息技術教學實踐情況，本文將STEM綜合素養細化為各具體要素（科學素養、技術素養、工程素養、數學素養），其中信息技術學科的核心素養中，包括技術素養、工程素養等內容，并結合具體的信息技術教學內容，將科學素養和數學素養進行有機的重整，最終落實為具體的課程。

STEM素養在信息技術課程中的落地方式

STEM教育強調各學科的整合效能，體現為學生綜合素養的提升。落實在信息技術教學中，體現為基于STEM素養的信息技術教學方式的改革：從注重“基礎知識”與“基本技能”的雙基教學目標，轉變為提升學科素養的意義學習；從強調知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀的三維目標體系，轉變為提升學生綜合素養的項目化學習；從考察學生技能達標層次的評價方式，轉變為對學習的過程性評價；從線性的教授技能模仿的目標，轉變為非線性的創新能力的培養，鼓勵學生積極地進行個性化的作品表達。

究其學科屬性而言，信息技術課程在STEM素養的指引下，以更為開放性、綜合性、個性化的面目呈現于學生面前，將整合后的完整全面的資源提供給學生，使接受基于STEM素養的課程教育的學生，可以具備更為合理性的綜合素養，能夠根據生活或項目需要，提升開放、自由的創作能力，從而創作具有創新品質的作品。

基于STEM素養的信息技術教學方式

1.信息技術課程中凸顯技術素養，培養創新意識和實踐能力

技術素養是STEM素養的組成部分之一，技術素養原指學習個體對科學和技術進行評價和做出相應決定所必需的基本知識和能力，是對一種科學方法評價的強有力的認知方式，是區分科學和技術并察覺它們之間聯系的能力。

在信息技術學科中，技術素養具體落實為學生掌握的信息獲取、加工、處理的能力。

在傳統的教學目標中，技術素養源于三維目標中的知識與技能目標，對知識與技能目標進行了拓展和提升。技術素養注重對學生創新意識的培養，鼓勵學生根據自身的創新要求，尋求適宜的技術手段，以期達成作品。技術素養改變了原教學目標中對基礎知識與基本技能的要求，強調在過程中培養學生的實踐能力，技術素養成為學生實踐的工具和途徑。

（1）原設計

《初識人工智能》一課是義務教育階段最新的課程內容，隨著各地對人工智能模塊的積極推動，近期涌現出一批以此為主題的公開課。根據收集的教學情況來看，該課的基本思路如下：

①生活例舉：人工智能應用實例（生活運用），如科大訊飛語音識別、智能導航機器人等。

②概念表達：出示人工智能的概念。

③內涵解析：結合概念，解釋其中的核心技術，如語音識別技術的底層數據組成及交換技術等。

④學生討論：生活中還有哪些應用的實例，學生進行討論。

⑤外延拓展：教師提出人工智能的應用方式，引發學生拓展思維。

（2）思考焦點

以上教學設計在教學實踐中較為常見，符合多數教師的教學設計習慣。但是在所收集的教學素養中，學生對人工智能的概念依舊模糊，課上雖然能夠在教師的引導下進行討論，但是學習過程浮于表面，并未達成實際的概念認知。因此，當課后反饋學習效能時，多數學生出現了知其然、不知其所以然的尷尬狀況。甚至有聽課教師感言，這是一節“類信息、實品社”的偽信息技術課。

（3）改進型設計

信息技術課的技術素養是毋庸置疑的學科核心，在該課的教學中，首先應該厘清人工智能的核心技術、明晰人工智能與其他新技術的區別與聯系，才能實施達到學科素養目標的教學。

根據此過程，建議教學過程如下：

①問題創設：如果你在異地旅游，當地語言不通，你該如何尋找你的目的地呢？

②學生展開討論（如下頁表1）。

③教師小結以上解決策略（機器翻譯、語音播報、手機導航等），提出其共同的特點。

④概念歸納：機器人模擬人的智慧，借助大數據和云平臺實現各種語言的轉換——提出人工智能的核心概念。

⑤實踐感受：打開具備人工智能技術的軟件平臺，在線進行語言的轉換——將中文翻譯為英語、法語，將文字語言翻譯為機器語言播報。

⑥分析程序：了解底層數據和程序設計的基本過程，并進行簡單的修改。

⑦應用嘗試：自我嘗試，根據學生興趣嘗試人工智能模塊的應用。

⑧實驗創新：利用簡易的人工智能平臺，設計簡短的語言模板應用試驗。

⑨總結拓展：教師出示人工智能應用圖，總結該技術的多方面應用。

教學評析：該教學設計借助具體的人工智能應用技術，將概念的入口縮小，給予學生充分的體驗機會，將技術的應用和學生生活經驗相結合，讓學生既能建立明確的技術概念認知，也能夠根據自身的經驗合理地進行內化處理。在實際教學中，學生在課程結束后，可以建立較為明確的人工智能技術概念，達到了學科核心素養目標。

2.信息技術課程中拓展工程素養，體驗泛在的STEM項目

工程素養是STEM素養的組成部分之一，工程素養原指從事工程實踐的工程專業技術人員面向工程實踐活動時所具有的潛能和適應性。具備工程素養的學習者具有敏捷的思維、正確的判斷和善于發現問題的能力；能夠將理論知識和實踐融會貫通；具有可以把構思變為現實的技術能力；具有很強的靈活性和創造性。

在信息技術學科中，工程素養具體落實為學生可以根據項目目標要求設計STEM項目達成過程、合理規劃最優路徑的素養。

對于信息技術教學而言，工程素養與學科核心素養具有異曲同工之處：信息技術核心素養改變了以往重技能、輕過程，重結果、輕優化的學科導向，強調作品性的完整表達，注重依托具體的實踐作品承載技術的實施。工程素養借助工程素質的表達方式，將STEM項目借助工程學的結構進行優化，為學生創建類似工程學建構的過程，培養了學生的綜合素養，提升了解決問題的能力。

（1）原設計

《智能燈》是物聯網技術模塊的內容，教學重點是利用傳感器控制LED燈的開關及亮度，內容涉及光線傳感器等硬件設備及編程平臺。在常見的教學設計中，教師一般采用如下教學流程：介紹光線傳感器的工作原理—利用光線傳感器測量當前實驗環境中的光照值并記錄—搭建LED燈模塊—利用軟件平臺編寫程序—光照值變量低于平均照度值時，LED燈開啟—光照值變量高于平均照度值時，LED燈關閉—學生實驗，教師指導—總結程序特點，歸納智能燈的原理。

（2）思考焦點

從常規思路而言，本課是較為典型的“傳感器入手、編程主導、實驗驗證”的設計流程。從教學外顯來看，此教學過程中，主要教學內容一一呈現，并無疏漏。但是仔細觀察，本課的教學重點有所偏頗，看似內容都有所介紹，但是缺乏教學重點的主題。因此，學習的過程是機械的模仿，而并非STEM項目所倡導的綜合應用能力運用。

（3）改進型設計

基于STEM工程素養的教學過程可以對整個內容進行合理的工程性的規劃：

教學主題：《聽話的智能燈》。

項目要求：利用光線傳感器制作智能臺燈。

教學過程：

①出示實物：感應式臺燈：人來燈亮，10秒鐘后熄滅。

②組織討論：感應式臺燈是什么？學生討論，引發出人體紅外傳感器對燈的控制。

③遷移規劃：如果你要為自己設計一款可以隨時根據環境改變光照的臺燈，你會怎么做（如表2）？

④實驗嘗試：學生根據自己的規劃，實驗智能燈。可以選擇多種智能傳感設備，LED燈的工作方式也可以根據學生的規劃進行私人訂制。

⑤探究原理：何為“聽話的智能燈”？歸納出“聽話”的原因，豐富完善自己的作品。

教學評析：以上教學設計是較為典型的STEM項目化的信息技術課，教學過程以具體的項目為核心，將工程素養作為推動學習的內在動因，幫助學生在工程規劃的基礎上，利用信息化手段實施工程操作，進而完成具體的工程作品。學生的學習過程不是跟隨教師指揮棒的模仿與操練了，而是帶有明確指標指向的綜合性創作過程。

3.信息技術課程中延伸數學素養，體驗計算思維的過程

數學素養也是STEM素養的組成部分之一，數學素養是指學習者所具有的創造、歸納、演繹和數學建模能力的總成。其注重強調定義，強調問題存在的條件；在認識問題時，能夠將已有的嚴格的數學概念廣義化，用于認識現實中的問題。

在信息技術學科中，數學素養具體落實為一定的計算思維能力，能夠對求解過程進行合理優化、對編程內容進行符合要求的修改、可以借助算法思維工具處理數據。

對于信息技術教學而言，數學素養是計算思維的基礎，當學習者具備一定的數學素養后，可以進行一定的計算思維的培養和訓練。因此，數學素養是實現計算思維的必要條件之一，計算思維也為數學素養提供了實踐的載體。

（1）原設計

《機器人走迷宮》是信息技術課程中常見的一課，本課的學段跨度較大，依據不同的軌道，難度差異也大相徑庭。在教學過程中，本課是教師常難以把控的一節課。在常規的設計中，一般思路如下：機器人測光值—圓形軌道入手—六邊形軌道練習—八字形迷宮提升迷宮難度—學生練習—各小組匯報。

（2）思考焦點

以上教學過程中，教師對于已有知識的鋪墊到位，為迷宮的介入提供了必要的知識基礎。但是顯而易見，教學過程中，一節課的課時顯然不足以支撐全部的實驗過程，導致學生無法在有限的課時內完成任務。分析未達成的原因，學生對迷宮程序的編寫花費了大量的時間，導致后續時間不足。

（3）改進型設計

STEM素養強調對學生數學素養的培養，需要創設符合學生認知發展需要的學習腳手架，讓學生在有限的時間內容，高效地完成需要建立的認知地圖。本課可改進如下：

復習機器人循線的程序。

思考1：如果有更多軌道線應該如何修改程序？修改源程序適應不同的軌道線。

思考2：如果軌道線直接彼此交叉應該如何修改程序？增加變量，判斷機器人的位置。

思考3：為了盡快到達終點，還需要增加哪些傳感器？增加碰撞傳感器或超聲波傳感器。

實驗：驗證自我的預設，并調整程序。

總結：評價實驗過程，優化程序、調整機器人結構。

教學評析：在以上設計中，計算思維成為教學的主導，借助數學基礎知識，將不同的軌道要求細化為不同的數學問題，讓學生通過邏輯推理的方式進行運算和優化，最終實現程序的遷移。在實際教學中，具備一定數學基礎的學生可以較為順利地完成該任務，基礎薄弱的學生可以在小組內部得以鍛煉，取得了較為成功的教學效果。

STEM素養的體現核心

STEM素養是一種綜合素養，它在信息技術課程中具體細化為技術素養、工程素養和數學素養，并借助合理的教學主題進行物化。在此過程中，信息接收的主體是處于學習主體的學生，課程服務的最終目標是實現信息技術課程的核心素養。在教學過程中，要關注以下幾點：

首先，關注綜合素養。以上三種素養并非孤立的，而是一個完整的素養主題的不同方面，教學過程中應將其進行綜合考量，而并不能彼此分割。

其次，關注灰度核心地帶。三種素養之間有交叉兼容的部分，我們稱之為灰度核心地帶。此部分內容，為發展典型素養提供條件，如必要的知識補充、內容復習等，切不可因為關注核心素養而忽視了灰度核心地帶的重要作用。

最后，STEM素養除了本文研究的三種素養外，還有科學素養，即運用科學知識（如物理、化學、生物科學和地球空間科學）理解自然界并參與影響自然界的有關決策的能力。在信息技術學科中，科學素養分化在三項素養中，成為其中重要的組成部分。