基于信息技術學科有效開展STEAM學科融合教學

蘆斌

目前，中國很多地方正如火如荼地開展STEAM教學實踐，其中很多都是以信息技術課程為基礎進行拓展實施。但在教學實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)很多STEAM實踐難以融入原有的學校課程體系。這主要是因為STEAM教育理念作為外來新事物在本土化過程中比較難以落地。一線教育實際情況距離STEAM教學還存在一定的差距，教師的教學策略、基本素養(yǎng)等都還沒有明晰可操作的有效路徑。因此，本文將探索如何基于信息技術學科有效開展STEAM學科融合教學。

● 問題與現(xiàn)狀

問題1：課時規(guī)劃與教學內容的矛盾。國內的STEAM教育與國外不同，是自下而上的民間探索，缺乏整體課程體系規(guī)劃，STEAM的課型往往需要多課時、跨學科，而學校常規(guī)教學、標準的課標任務又與STEAM類型課程設計不太相符，因此，教師如何有效整合標準化的課內內容、分解耦合多課時的課程模式是亟待解決的問題。

問題2：項目探究與基礎學習的矛盾。STEAM教育更多的是基于實際問題的項目式探究學習，因為課時安排，學生需要在短時間內“速成”大量的知識、技能，因此，教師往往會采取模仿、跟做的教學模式體系，讓學生在極短時間內完成一個作品或一類研究，導致學生對基礎知識、基本技能的掌握有欠缺，在制作過程中單純模仿，思維深度、理解認識存在不足。因此，教師如何有效兼顧項目探究與基礎學習、思維訓練是課程設計中面臨的難題。

問題3：跨學科融合的問題。在研究了多個STEAM教學案例后筆者發(fā)現(xiàn)，很多STEAM課程或僅涉及一個學科，所引用的知識是部分的、零散不成體系的;或過于注重機器人、3D打印等本學科所涉及的知識，只訓練編程、拼搭技能或三維設計能力等，沒有與數(shù)學、藝術、科學等其他學科知識進行有效的結合;或各個學科知識單獨存在于課程中，知識間是封閉的而未能相互融合。因此，設計具有連續(xù)性、系統(tǒng)性、跨學科融合性的小學STEAM課程成為亟待解決的問題。

● 教育實踐探索

1.課程設計思路

以學生生活中的電子蠟燭產品為主題切入，引導學生認識聲音及感知聲音的技術，運用程序控制，完整設計聲控燈光系統(tǒng)，以及針對性的創(chuàng)意外觀設計。在這個過程中，圍繞主題，從學生的角度出發(fā)，分別融入科學、技術、工程、藝術、數(shù)學的教學目標設計。①科學目標：通過科學知識聲音的傳播與感知研究導入，理解聲音傳感器麥克風的基本工作原理;②技術目標：學生自主探究初步認識電子蠟燭中的關鍵傳感器——麥克風，并逐步掌握和運用聲音大小對角色或舞臺的開關控制及大小顏色變化值等，進而觸發(fā)相應交互;③數(shù)學目標：通過數(shù)學圖表推算、模型構建等方式，逐步培育學生編程所需的基本算理和模型構建方法，養(yǎng)成學生良好的數(shù)理思維習慣，為程序設計創(chuàng)新奠定堅實的基礎;④工程目標：通過工程化的實踐操作，將所學的虛擬環(huán)境中的算法，結合實際傳感器及輸出LED等設備，實現(xiàn)整體電子蠟燭的設計制作與完善;⑤藝術目標：通過引導學生對電子蠟燭不同應用的藝術化、產品化的包裝，將人文藝術設計融入作品的創(chuàng)作設計中。

2.分課時安排

由于一節(jié)課一般是40分鐘，對于如此內容量的課程一般安排2～3課時，本文以兩課時任務分解為例。從兩個課時的分解任務目標上看，第一課時，主要通過融合數(shù)學、科學、工程的學習，解決虛擬環(huán)境下，電子蠟燭設計的核心關鍵程序、關鍵原理、關鍵模型的學習掌握，同時熟悉聲控的基本原理。第二課時，主要解決真實環(huán)境下制作電子蠟燭過程中的硬件電子設備及硬件控制程序調試等問題。由于算法相似、模型相似，所以可以一以貫之。兩個課時分別涉及多門學科，但又相互聯(lián)系，因此，在課程安排上即使有時間跨度，通過一定的核心知識聯(lián)系也可以讓學生回憶起前認知。

3.具體方案

第一課時：創(chuàng)意電子蠟燭（虛擬）

①導入實物。通過展示實物電子蠟燭根據(jù)氣流變化閃動及吹滅效果，啟發(fā)引導學生如何設計制作一個電子蠟燭。

②科學分析，揭示原理。學生通過聲音的產生、傳播的科學原理學習以及激光薄膜振動實驗，在實驗探究中了解聲音傳感的基本科學原理，即從振動到傳播再到振動，再進一步轉化成電信號的基本工作原理。

③工程思想，系統(tǒng)分析。對電子蠟燭進行系統(tǒng)分析，并啟發(fā)學生思考蠟燭對象由哪些對象構成、如何用麥克風測聲音，即探索音量指令的使用，并進一步通過實驗記錄探索如何用音量指令來判斷氣流或聲音。

④生活引導，程序分析。教師通過提問“燭火是怎么熄滅的？”一步步引導到自然語言“燭火是在偵測到音量或氣流變化后熄滅的”，再到“判斷音量的值變大了就熄滅”，再引申到類Scratch語言“如果音量值大于某個值就熄滅（隱藏）”，這樣可以讓學生很自然地過渡到指令的設計，并在學生嘗試設計后總結提示“某個值”要在吹氣范圍內關鍵的閾值。通過學生測試程序發(fā)現(xiàn)執(zhí)行存在問題，蠟燭效果不能執(zhí)行成功，教師進一步提示“這個偵測判斷是執(zhí)行一次嗎？”，并引導“程序開始后就在不斷偵測，怎樣實現(xiàn)不斷的？”，進而引出循環(huán)嵌套的完整過程。總結并出示流程圖，幫助學生梳理整體程序思路。

⑤數(shù)模構建，程序完善。在主體程序完成的基礎上，教師引導思考還存在哪些問題，激發(fā)學生探索程序完善的切入點，如“如何初始化讓蠟燭恢復顯示”“燭火在吹滅前是否應該隨著吹氣變化”，并出示火焰變化效果案例及數(shù)值表（如下圖），通過觀察應用數(shù)學抽象思維，提煉其關系“燭火大小=100-音量”，引導學生完善作品。在程序完善后，教師總結利用外設傳感設備對動畫控制的兩種方法，即“開關”法、“變量”法。

⑥思維導圖，優(yōu)化拓展。借助思維導圖工具，啟發(fā)學生在基本完成作品的基礎上，提出“如何讓作品更有趣”為題，展開討論，羅列出“蠟燭數(shù)量”“吹滅方式”“燭火變化”“熄滅效果”等多個方面，激發(fā)學生改造優(yōu)化作品的想法。教師適度從“美化背景或蠟燭”“燭火的明暗、角度變化”“蠟燭熄滅后能有什么”“多個蠟燭”進行提示引導。

⑦自我表達，展示交流。借助廣播系統(tǒng)，展示學生作品，并模仿產品發(fā)布會，讓學生介紹自己的作品。

第二課時：創(chuàng)意點子蠟燭（實物）

①導入。通過上節(jié)課的虛擬電子蠟燭案例切入引導學生思考如何制作一個實體電子蠟燭。

②科學引入，電路學習。認識Arduino的接線方式，通過科學研究方法比較研究，利用杜邦線可以方便插拔的特性，引導學生分析各線路的使用必要性，以及揭示電流的作用與燈點亮的基本工作原理，并出示對應的電路圖。

③程序分析，回憶舊知。引導學生回顧上節(jié)課作品程序含義，從原來程序通過“顯示”和“隱藏”來控制燭火的亮、滅，遷移到新的指令：? ? ? ? ? ? ? ? ?。啟發(fā)學生自主探究如何賦值？賦值范圍？如超出范圍，會出現(xiàn)什么情況？并通過實驗得到指令的正確使用方式及對應控制燈光的效果，最后通過新指令修改程序，實現(xiàn)蠟燭亮及吹蠟燭的效果。

④工程思維，優(yōu)化程序。借助上節(jié)課的程序原理及結構，實現(xiàn)吹滅蠟燭的效果，以及未吹滅時真實的燭火時暗時明效果。學生嘗試操作。

⑤藝術加工，制作蠟燭實體。利用透明薄紙、雙面膠、剪刀等工具啟發(fā)學生根據(jù)不同的生活場景制作出漂亮又有個性的蠟燭燭體，并與電子元器件結合，包裝外觀同時注意線路器件的擺放排布。

⑥作品交流。進行作品展示，引導學生從產品的名稱、功能、外觀、應用范圍等方面介紹自己的作品。

● 教學策略分析

1.生活引入，學科融合

在設計STEAM課例時，資源應該來源于生活實際，但教師要進行有效的甄別，選擇在學生原有知識能力范圍內或者略高的案例內容。另外，在項目設計或問題解決過程中將一些原本單一學科的知識或能力培養(yǎng)，無痕地穿插在整體項目中。例如，本文案例中在初識聲音傳感器（麥克風）時，通過薄膜激光反射科學實驗快速了解聲音是如何產生、傳遞和感知的，并進一步了解揭示聲音傳感器利用這些原理將振動轉化為電信號的工作原理。又如，在學習聲音變化與蠟燭明暗變化關系時，利用數(shù)學列表方法抽象提煉兩個數(shù)據(jù)間的數(shù)值關系進一步引出公式的推導，進而形成程序計算語言的表達，培養(yǎng)計算設計思維，這是一個典型的數(shù)學與技術、工程的有機融合案例。再如，在數(shù)字電路使用過程中，學生通過親手實踐體驗“電”的作用與基本工作原理，并提煉出在Arduino數(shù)字電路中的工作原理，形成對智能硬件應用的基礎認識。在這幾類知識學習過程中，教師沒有刻意分離單獨講解，而是自然融入案例設計或問題解決的過程中，進而實現(xiàn)STEAM教育學科融合教學的目的。

2.拆分任務，梯度教學

在制作一個較為復雜的作品時，往往需要投入大量的時間、資源，涉及多方面學科，問題節(jié)點也較多，領域廣泛，教師在有限的時間里往往會壓縮任務或者簡化學習過程，甚至有時采用模仿學習的方式去實現(xiàn)STEAM學科融合教學，學生的想法沒有得到真正的釋放，學生的綜合實踐能力、問題解決能力也不能得到有效提升。

為此，需要對任務進行拆分，像本文案例中，作為一個完整的電子蠟燭其實要分成多個主要任務：①理解聲音獲取及對應音量控制程序基本邏輯原理。②熟練使用兩種程序控制方式實現(xiàn)開關控制和線性變化控制對象屬性變化。③探索蠟燭變化的多種方式及實現(xiàn)原理。④硬件電子蠟燭的各類元器件鏈接及對應端口認識。⑤了解Arduino控制板輸入輸出的基本控制方式。⑥聲音傳感器的有效使用及采集數(shù)值的準確使用。⑦LED燈光的兩種控制方式開關控制和PWM線性控制。⑧電子蠟燭外觀包裝制作的方法。⑨硬件故障的排除及多種功能應用的拓展。

面對如此紛繁復雜的任務，教師需要對拆分出的任務進行重新規(guī)整，在本文案例中，教師將任務分解到兩個課時的教學活動中，第一課時主要針對聲音控制程序學習和蠟燭兩種變化方式的學習，第二課時主要針對電子器件鏈接及實物硬件控制的綜合應用。作為本課程的核心內容，聲音控制程序是貫穿兩個課時的關鍵抓手，第一課時在較為單一封閉的虛擬環(huán)境中實現(xiàn)程序，第二課時則是在學生認識該類聲控程序算法的基礎上進一步擴展到硬件的綜合熟練應用，解決更多實踐類問題。這樣的拆分，將任務難度分解，分級出現(xiàn)給予學生自主逐步深入的可能，同時，也便于教師清晰地講解知識難點，逐個擊破，學生成就感與獲得感不斷提升。

3.由軟及硬，由虛入實

目前，帶有程序設計類型的STEAM教學內容難點主要集中在軟件層面，學生在剛入門階段主要著重在軟件程序算法方面的學習，對硬件知識積累掌握程度有限，而在實施硬件介入的STEAM學科融合類項目時，學生的問題主要集中在如何排除硬件故障與調試軟硬件的整體協(xié)調問題上。通過相對偏重軟件設計方面的作品案例，從學生易于上手的功能入手，使學生在屏幕上可以快速構建一個虛擬化的電子作品，獲得較多的成就感，并借助軟件上的程序算法學習，深度掌握整個電子蠟燭中的核心代碼，進而引出硬件電子蠟燭后，學生便有了較強的背景知識做支持，進而為作品的順利制作提供了一個有效的階梯。其實，除了本文案例可以借用軟件或者虛擬化的作品來過渡到硬件教學外，還有如智能尋線賽車、打地鼠等作品案例都可以使用類似的方法。在智能尋線賽車中，可以利用虛擬賽車仿真在圖形賽道中自動識別尋路前行，讓學生充分理解賽車自動駕駛的控制原理與基本邏輯，實現(xiàn)真實智能賽車時可以快速構建核心算法程序，并將精力放在傳感器參數(shù)判斷、馬達輸出合理功率等硬件問題的調試與排除上，為完整的作品制作提供一個很好的過渡媒介。

4.掌握核心，培養(yǎng)能力

在這個系統(tǒng)項目課程中，其科學分析探究能力、數(shù)學建模抽象思維、傳感應用的算法思維以及傳感器的綜合應用是課程的關鍵核心，如何通過項目引導學生在掌握核心能力的同時啟發(fā)培養(yǎng)其綜合應用創(chuàng)新能力，則至關重要。不同學科之間的融合以及多種情境下的問題解決是STEAM教育研究的熱點。在本文案例中筆者也發(fā)現(xiàn)，課程項目的分步實施以及梯度化設計，也為STEAM核心能力的培養(yǎng)提供了更多可能。因此，可以認為，未來的STEAM教育發(fā)展前景將更為廣闊，也更有助于學生科技創(chuàng)造力的培養(yǎng)。