例談數(shù)字化在STEM教育中的應(yīng)用

方曉磊

摘要：隨著數(shù)字化的發(fā)展和普及，數(shù)字化資源具有的教學(xué)價(jià)值不可估量。STEM教育必將數(shù)字化納入課程體系，恰當(dāng)?shù)臄?shù)字化資源可以讓學(xué)習(xí)過(guò)程更科學(xué)，課堂更開(kāi)放，學(xué)生更自主。在基于探究、基于項(xiàng)目和基于真實(shí)情境的STEM學(xué)習(xí)中，數(shù)字化資源的協(xié)助，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化 STEM教育 學(xué)科融合 科學(xué)教育

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)正改變著我們周?chē)氖澜纾瑪?shù)字化技術(shù)在學(xué)生單科學(xué)習(xí)中的作用已經(jīng)得到了大家認(rèn)可。關(guān)于數(shù)字化如何在STEM教育中的應(yīng)用，筆者是對(duì)自己所教的小學(xué)科學(xué)課進(jìn)行了大膽的改革，結(jié)合基礎(chǔ)課程開(kāi)展了相關(guān)的STEM活動(dòng)，接下來(lái)將列舉數(shù)字化技術(shù)在相關(guān)STEM教育活動(dòng)的開(kāi)展情況。

一、數(shù)字化技術(shù)在STEM教育中的必要性

STEM暨科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）與數(shù)學(xué)（Mathematics）首字母的縮寫(xiě)。科學(xué)是通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)已有的客觀世界的規(guī)律。技術(shù)是手段，是方法和技能。工程是發(fā)明創(chuàng)造出物品的過(guò)程。數(shù)學(xué)研究的數(shù)量關(guān)系，是科學(xué)的語(yǔ)言，是基本工具。STEM教育是一種提倡解決真實(shí)問(wèn)題的跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

我們的基礎(chǔ)課程強(qiáng)調(diào)科學(xué)和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)。很多傳統(tǒng)的課堂，活動(dòng)設(shè)計(jì)是站在教的角度。當(dāng)站在學(xué)的角度去設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)，通過(guò)師生的思維導(dǎo)圖不難發(fā)現(xiàn)，工程和技術(shù)領(lǐng)域是不可或缺的。如在學(xué)習(xí)《技術(shù)工具發(fā)展史》中，知道陽(yáng)光下影子的規(guī)律后，調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，所有的孩子都希望擁有一個(gè)自己的日晷。STEM教育理念的提出，體現(xiàn)了教育工作者對(duì)技術(shù)和工程領(lǐng)域的重視，他們強(qiáng)調(diào)四門(mén)學(xué)科融合，希望孩子像科學(xué)家那樣，像工程師那樣，有效解決問(wèn)題。現(xiàn)實(shí)中的科學(xué)家的工作離不開(kāi)現(xiàn)代化技術(shù)的支持，在學(xué)校教育教學(xué)中技術(shù)更多的是以數(shù)字化形式體現(xiàn)。無(wú)論是教師STEM課程融合，還是學(xué)生跨學(xué)科探究都離不開(kāi)數(shù)字化技術(shù)的幫助。

二、數(shù)字化讓探究過(guò)程更科學(xué)

（一）促進(jìn)“真”科學(xué)問(wèn)題的提出

我們傳統(tǒng)課堂中的探究問(wèn)題，往往是教師提問(wèn)或者干脆直接提供問(wèn)題。如老師提供幾張鐵銹照片，然后問(wèn)道：“大家能提出什么科學(xué)問(wèn)題呀？”學(xué)生則不假思索地答道：“為什么鐵會(huì)生銹？”“自行車(chē)生銹了，該怎么辦？”“鐵銹是什么？”因此可以看出這種沒(méi)有真實(shí)情境準(zhǔn)備的，孩子們提出的是無(wú)的放矢的偽問(wèn)題。學(xué)生在課堂提出來(lái)的是被逼出來(lái)的“科學(xué)問(wèn)題”。

數(shù)字化介入的STEM課堂又會(huì)是怎么樣的呢？在《拯救共享單車(chē)》項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，學(xué)生親身去找生活中哪些地方有生銹的現(xiàn)象。在有了“這些地方很潮濕”的主觀感受后，他們使用濕度傳感器對(duì)比了容易生銹的地方和不容易生銹地方的濕度，從而提出“鐵生銹與濕度（水）有關(guān)嗎”的問(wèn)題。

對(duì)比“為什么會(huì)生銹？”和“鐵生銹與濕度（水）有關(guān)嗎？”，可以發(fā)現(xiàn)前面一個(gè)問(wèn)題過(guò)于開(kāi)放，是一種不需“實(shí)地考察”、無(wú)須思考的條件反射式回答出來(lái)的問(wèn)題，學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中幾乎沒(méi)有思維的參與。再看“鐵生銹與水分有關(guān)嗎？”這個(gè)問(wèn)題，是學(xué)生自己提出的，基于真實(shí)調(diào)查的，問(wèn)題更具體，只有鐵和濕度兩個(gè)變量。整個(gè)過(guò)程學(xué)生既要?jiǎng)邮忠惨兴季S參與。

不難看出，數(shù)字化可以促進(jìn)孩子對(duì)紛繁復(fù)雜的真實(shí)情境的理性認(rèn)識(shí)，能夠促進(jìn)學(xué)生提出自己可以探究“真”科學(xué)問(wèn)題。

（二）讓學(xué)生的研究更自主、更有深度

單科學(xué)習(xí)也會(huì)開(kāi)展研究活動(dòng)，如科學(xué)課堂上有觀察方法的訓(xùn)練，利用感官（看、聞、聽(tīng)、摸、嘗）和儀器（溫度計(jì)、顯微鏡）去觀察。

在《聲音的變化》這節(jié)傳統(tǒng)的科學(xué)課中，教師組織學(xué)生用不同力度撥動(dòng)橡皮筋來(lái)了解聲音的強(qiáng)弱，用敲擊不同的水位高度的杯子認(rèn)識(shí)聲音高低，最后教師總結(jié)得出結(jié)論。通過(guò)課后訪談學(xué)生發(fā)現(xiàn)，大部分孩子得出了“用力越大聲音越強(qiáng)，用力越小聲音越弱。”“敲擊的物體越長(zhǎng)聲音越低，越短聲音越高。”的結(jié)論。對(duì)于教師總結(jié)的“幅度”和“頻率”等概念，學(xué)生表達(dá)不清，認(rèn)識(shí)模糊。訪談教師時(shí)，老師也是一肚子苦水，現(xiàn)有的教具只能幫助學(xué)生建構(gòu)這些表面淺顯的認(rèn)識(shí)，真正的結(jié)論（強(qiáng)弱與幅度的關(guān)系，高低與頻率的關(guān)系）只能灌輸給學(xué)生。在傳統(tǒng)教具下的單科學(xué)習(xí)中，學(xué)生能發(fā)現(xiàn)這些規(guī)律已實(shí)屬不易。如何讓研究得到繼續(xù)，研究得更深入？

請(qǐng)看一個(gè)關(guān)于《聲音》主題的STEM活動(dòng)。在《聲音的利用與防護(hù)》這節(jié)課中檢測(cè)學(xué)生用分貝儀聲音強(qiáng)弱，很快學(xué)生就發(fā)現(xiàn)用力鼓掌聲音越強(qiáng)，用力小聲音弱。然后學(xué)生又繼續(xù)檢測(cè)了更多的聲源。當(dāng)檢測(cè)到音叉時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)只用力敲擊一次音叉，分貝儀上監(jiān)測(cè)到的聲音就在逐漸減弱。于是他們懷疑了以前的想法（用力大聲音強(qiáng)，用力小聲音弱）。在安靜地檢測(cè)了人耳不容易聽(tīng)見(jiàn)的橡皮筋的聲音，并結(jié)合高清攝像放慢橡皮筋振動(dòng)的過(guò)程后，學(xué)生提出相對(duì)于傳統(tǒng)課堂上更有深度的問(wèn)題——“聲音的強(qiáng)弱是否與振動(dòng)幅度有關(guān)？”。隨后的活動(dòng)學(xué)生找老師借來(lái)了光電傳感器比較了振幅大小的變化，發(fā)現(xiàn)了原來(lái)聲音強(qiáng)弱與振動(dòng)幅度有關(guān)。隨著觀察過(guò)程的深入，他們最終選擇了合適的材料設(shè)計(jì)制作了自己的降噪耳機(jī)。

在《制作我的樂(lè)器》這節(jié)STEM課中，學(xué)生用《頻率計(jì)》App不僅檢測(cè)出聲音高低與振動(dòng)快慢關(guān)系，還利用手持式設(shè)備對(duì)比音階頻率制作出“試管琴”和“注射器笛子”

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的單科學(xué)習(xí)教學(xué)過(guò)程中，教師一般是通過(guò)講解完成的，學(xué)生需要一定的理解能力，雖然有些用心的教師會(huì)去尋找一些多媒體資源，但很多的資料（如動(dòng)畫(huà)片）不真實(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中只是一種間接的獲取，也是被動(dòng)的參與。整個(gè)過(guò)程學(xué)生游離事外，學(xué)生往往看到的是表面現(xiàn)象，是淺顯不準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。

再看基于數(shù)字化的STEM課堂，數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用，讓學(xué)生觀察得更精確，也讓實(shí)驗(yàn)觀察可量化。數(shù)字化技術(shù)是更可靠、更真實(shí)的可視化工具。數(shù)字化工具成為學(xué)生的“眼睛”，眼界開(kāi)闊了，研究自然就深入了。

三、數(shù)字化讓STEM課堂更開(kāi)放

傳統(tǒng)的課堂往往是封閉的。課堂要素往往只有教材、教師、學(xué)生。如傳統(tǒng)的科學(xué)課《動(dòng)物的卵》，課堂流程大致是：教師先通過(guò)多媒體展示各種各樣的卵，再帶領(lǐng)孩子認(rèn)識(shí)卵的結(jié)構(gòu)，最后教師播放動(dòng)畫(huà)片《小蝌蚪找媽媽》。在完成教材規(guī)定的內(nèi)容后，問(wèn)孩子有什么收獲時(shí)，學(xué)生也往往只是復(fù)述板書(shū)內(nèi)容。回顧整個(gè)課堂，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)就是聽(tīng)的過(guò)程。

對(duì)比傳統(tǒng)課堂，STEM活動(dòng)內(nèi)容更豐富，而基于數(shù)字化技術(shù)的STEM課堂也更加開(kāi)放。

在STEM活動(dòng)——《我的卵生寵物》中，學(xué)生面對(duì)心愛(ài)的孵化寵物，會(huì)自覺(jué)地自學(xué)相關(guān)知識(shí)。在筆者的課堂里，曾有一名女生想孵化小雞，面對(duì)一些稍微專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題時(shí)，該生會(huì)在教師的協(xié)助通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)資料。當(dāng)搜集資料知道雞蛋孵化需要的溫度、濕度以及其他注意事項(xiàng)時(shí)，她召集好幾位好友開(kāi)了籌備會(huì)，制訂了孵化計(jì)劃。在他們的不懈努力下，孵蛋器成功地孵出了三只小雞。班級(jí)的其他同學(xué)還驗(yàn)證出了決定海龜性別的臨界溫度，孵化出了不同性別的海龜。相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)，數(shù)字化的課堂更豐富、更開(kāi)放。

四、數(shù)字化讓STEM教育中學(xué)生的產(chǎn)品物化更容易

傳統(tǒng)課堂上的“產(chǎn)品”往往是以文字表達(dá)出來(lái)的結(jié)論。如《各種各樣的橋》這節(jié)課，學(xué)生的認(rèn)識(shí)就是各種各樣的橋。而在STEM活動(dòng)中，孩子可以通過(guò)激光雕刻技術(shù)和3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)、制作并組裝自己的橋。

再如《能量》教學(xué)中，傳統(tǒng)的課堂只會(huì)利用PPT加視頻輔助教學(xué)，學(xué)生通過(guò)視聽(tīng)活動(dòng)獲取了一些轉(zhuǎn)化的知識(shí)。而數(shù)字化環(huán)境下的STEM課堂，學(xué)生可以設(shè)計(jì)并制作自己的作品或產(chǎn)品。在這一過(guò)程中，學(xué)生們可以借助于開(kāi)源硬件的多種模塊功能進(jìn)行產(chǎn)品組裝和改造，不僅學(xué)會(huì)了科學(xué)原理，還能像工程師那樣制作橡皮筋小車(chē)，組裝氫能源遙控車(chē)。

五、數(shù)字化促進(jìn)STEM課堂的其他方面的發(fā)展

數(shù)字化環(huán)境下的STEM課堂還可以借助于互聯(lián)網(wǎng)與其他創(chuàng)客交流互動(dòng)，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。促進(jìn)生生交流、設(shè)計(jì)者與設(shè)計(jì)者等課堂內(nèi)外的交流。筆者的學(xué)校中還有學(xué)生將自己的作品通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行售賣(mài)，在這就不再贅述。

六、結(jié)論和啟示

數(shù)字化的有效運(yùn)用，可以使STEM教育所倡導(dǎo)的“像科學(xué)家那樣”“像工程師那樣”“跨學(xué)科概念”的融合得以深化。STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)加數(shù)字化，提高了理論知識(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)用性，在教學(xué)中融合STEM+數(shù)字化理念是未來(lái)科學(xué)教學(xué)的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊曉哲，任友群.數(shù)字化時(shí)代的STEM教育與創(chuàng)客教育[J].開(kāi)放教育究，2015，21（5）：3540.

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責(zé)任編輯：陸晨陽(yáng)