基于STEAM理論的智慧課堂教學模式研究與設計

田蜜 楊德剛

摘 要：智慧課堂教學是順應教育信息化的熱點產物，也是智慧教育落實到課堂的有力依據，對未來智慧教育融入校園十分有意義。STEAM理論強調的跨學科思維，為未來智慧課堂發展提供了新方向。本研究從分析STEAM理念與智慧課堂的內在聯系出發，通過查閱文獻以及結合調研，分析了基于STEAM理論的智慧課堂教學現狀。最后，從情境與問題、探究與數學、工程與制作、創意與擴展以及評價與反思五個環節構建出基于STEAM理論的智慧課堂教學模式，并針對七年級信息技術3D打印內容“制作水杯”進行了教學設計，旨在教學過程中有機融合STEAM理論與智慧課堂技術，最終提高智慧課堂教學效率。

關鍵詞：智慧課堂；STEAM教育；教學模式；人工智能

中圖分類號：G4文獻標識碼：A文章編號：2096-0069（2023）02-0078-07

一、問題提出

智慧課堂是在“互聯網+”背景下，將技術與教育相融合且對教育教學有著理念創新、實踐革命的智能新產物。2019年2月，中共中央、國務院發布了《中國教育現代化2035》，為我國教育信息化的未來發展方向提出了新指標與新方案?！吨袊逃F代化2035》提出要加速智慧化校園的發展，而智慧課堂就是建設智慧校園的典型成果，其在教學中的應用越來越受到關注。

STEAM理論指將科學、技術、工程、藝術和數學多個學科知識有機結合和運用的跨學科實踐理論[1]。在教育部頒布的《教育信息化“十三五”規劃》中，鼓勵采取跨學科教育、創客教育等新型創新實踐的教學模式。為了培養能夠適應現代化信息社會的人才，需要總體提升學生的跨學科綜合能力和創新能力。

智慧課堂和STEAM理論分別在教育界得到了初步應用，但目前也出現了一些需要改進的地方。學者大多從單一的角度來分析智慧課堂或者 STEAM 教育存在的問題，對于兩者的結合的研究極少，處于初級階段。

因此，本研究將STEAM核心理論引入到智慧課堂教學中，以期為后續STEAM理論與智慧課堂的深度融合貢獻一份力量。

二、STEAM理論與智慧課堂的內在耦合性

（一）STEAM理論的核心概念

以學科整合為特點的STEAM理論是面向未來復合型人才培養的創客教育范式[3]。它強調真實場景的建構，教師通常拋出實際的問題，并設計靈活的項目式探究過程以及采用多學科的思維方式來引導學生進行有計劃、有目的的學習。STEAM教學理念倡導跨學科知識、綜合性知識以及強調培養學生動手操作能力，順應了時代的發展需要，與當今社會倡導核心素養的知識觀、人才觀和創新觀高度契合。

（二）智慧課堂的核心概念

智慧課堂是智慧教育將技術與教育結合的焦點轉移到教師的“教”和學生的“學”的過程中的必然產物，也是智慧教育的核心。它可以通過“云—臺—端”的技術支撐，實現信息技術與教學課堂有機融合，構建智能、高效、個性化的課堂，且全程跟蹤記錄學習過程，以此來促進學生智慧成長。智慧課堂教學的靈活性、及時性和交互性等特點，可以使教學資源充分融入教學情境。

（三）兩者的內在耦合性分析

隨著新興產業的產生與發展，新興技術對教育行業的影響是不可忽視的，其特點從一定程度上推動了教育的改革。但是在教學過程中，新生技術的使用是要與教育教學不斷磨合、改進的。智慧課堂基于數據分析的教學課堂可以對學生的學習情況精準了解、學習興趣個性把握、學習趨勢準確判斷。相對于傳統課堂，智慧課堂更加順應了素質教育的要求。STEAM理論的核心包括的STEAM素養、問題解決能力和創造性思維培養[4]，對學生在未來的智慧發展、價值取向、思維培養方面有著積極作用，這也與當今所推崇的素質教育理念相一致。將STEAM理論應用于智慧課堂中，從一定程度上講，就是把科學、技術、工程、藝術、數學等跨學科知識有機結合到智慧課堂的課前、課中、課后的各個環節中，對培養學生的主動性、積極性和綜合性有著積極的作用。雖說現在一部分學校已經開展了智慧課堂，但是在課堂體驗、課程環節設計上依然存在較大的提升空間，因此將STEAM理論融入智慧課堂教學的普遍應用是值得研究的，未來這樣的教學方式必將是大勢所趨。

三、基于STEAM理論的智慧課堂教學現狀調研設計與實施

（一）調研方法、調研內容與調研過程

為切實了解中學生對目前智慧課堂的學習感想，以及基于STEAM理論的智慧課堂開展情況，發現教學中的問題，為后續開展基于STEAM理論的智慧課堂教學提供數據支撐，本課題進行了基于STEAM理論的智慧課堂教學現狀調研設計，主要是針對已經參與智慧課堂教學實踐的學生進行調查。本次研究隨機抽選了某區A中學七、八、九3個年級的學生，共207名。據了解，該中學七年級、八年級的教學方式為智慧課堂教學，九年級曾進行過智慧課堂教學，因為升學壓力而轉換成傳統授課方式，但不影響調研。問卷設置了基本信息情況、智慧課堂參與情況、智慧課堂學習態度、智慧課堂學習興趣、智慧課堂開展協作學習情況、智慧課堂跨學科學習情況等共13道檢測題，通過問卷星進行問卷分發，發放問卷207份，回收207份，回收率為100%。剔除2份無效問卷后，問卷有效率為99%。

（二）調查結果與內容分析

通過調查發現，70%的七年級學生對智慧課堂教學形式是喜歡的，但較少開展小組協作學習和跨學科的動手操作學習。八年級、九年級學生只有大約40%對智慧課堂的學習表示喜歡，對智慧課堂的學習興趣遠不如七年級學生。結合現場訪談可知，七年級學生對這種新型上課方式是有好奇心和新鮮感的，學習適應能力很強。但隨著學習壓力的增強和教學模式的固定，使得學生對智慧課堂的學習產生了畏懼與沮喪情緒，降低了學生的學習熱情。

智慧課堂的研究理論和實踐探索要與時俱進。據調研，目前，智慧課堂慢慢出現了一些需要改進的地方。一方面智慧課堂教學實施過程中存在一些形式化問題，一定程度上忽略了學生內心變化和學生智慧能力的習得。另一方面，評價過程相對依賴數據。

四、基于STEAM理論的智慧課堂教學模式建構

（一）要素分析

為充分發揮STEAM理論下智慧課堂教學模式的效果，設計出符合學生認知規律的跨學科性智慧課堂教學流程，體現該模式的最大價值，本研究對該模式的核心元素以及各個要素之間的關系進行了梳理。先進技術，例如智能技術、信息化平臺、智慧教育方法等，可以促進學生智慧學習。學者方海光等人[5]提到基于平板的課堂教學包括教師、學生、技術支撐以及教材。數字化學習環境為教師提供了豐富的教學媒體工具，便于教師合理優化教學過程。對于學生而言，數字化學習環境將傳統的課本知識拓展成網絡化資源，便于學生隨時獲取，實現了學生個性化學習。數字化平臺將教師、學生、教學活動和教學資源緊緊聯系在一起。因此，基于STEAM理論的智慧課堂教學模式關鍵是要從跨學科教學活動、數字化環境支撐、教學主體三方面出發，聚焦學生智慧發展。

（二）設計原則

以STEAM理論為基礎的智慧課堂構建遵循跨學科理念、任務驅動、協作學習和技術支撐四項原則。

1.堅持注重融入跨學科理念原則，重塑教學流程

以STEAM跨學科理念重塑智慧課堂教學流程，課前設計體現STEAM理念、課中組織運用STEAM理念、課后反饋擴展依靠STEAM理念。在課前，教師選擇接近生活的教學情境，促使學生從不同渠道收集資料，學會舉一反三，提出不同的問題思考方向。教學認知方向從學校延伸到社會，由單一學科知識延伸到多個學科知識綜合使用。在課中，通過數字化平臺和交互式白板等多種媒體，給學生提供多種學習資料、視頻，重現不同的教學場景，讓學生了解不同方面的知識，培養學生對課程中問題的多維分析能力、表達能力及思考能力，培養學生不同方面的才能。在課后，督促學生進行自我反思，養成批判思維，對自己沒掌握的知識進行互查和復查；提倡學生參與課外延伸實踐活動，學會整合學科知識并學以致用。

2.堅持注重任務驅動原則，激發學生興趣

基于STEAM跨學科理念的智慧課堂注重以解決問題為指引，通過對問題的分析與思考，收集不同渠道的資料，從不同方面尋找解決方案?；诳鐚W科理念的智慧課堂注重培養學生問題解決能力，提高學生學習興趣，利用網絡平臺和STEAM跨學科思維，促使學生在利用整合學科知識解決問題的過程中主動構建知識，在探究性學習過程中將知識慢慢固化，且注重實踐活動的開展，針對學習者設置模糊的一個或多個類型的動手活動，學生可以通過探索，學習到不同的解決問題的方法，從不同角度思考問題、解決問題，使學生更樂意沉浸于學習，激發其學習熱情。

3.堅持注重協作學習原則，促進分享交流

基于STEAM跨學科理念的智慧課堂注重協作學習原則，采用同質分組、異質分類的原則，使小組成員發揮各自所長，小組成員優勢互補，將組間力量發揮到最大程度。各小組可以互相交流學習，各抒己見，通過小組成員的相互協作以及各組之間激烈競爭，使學生樹立正確的競爭意識，在競爭中成長。

4.堅持注重突出技術支撐原則，提供智能服務

基于STEAM跨學科理念的智慧課堂注重突出技術支撐原則，充分利用智慧化環境。智慧課堂以利用信息技術賦能教學為指引，利用新一代的信息技術，將課堂打造成智慧化學習環境；利用大數據與人工智能技術，實現實時學生學習數據呈現，精準掌握學生學情，將基于教師經驗的傳統人工判斷轉變為基于數據的精準識別。動態跟蹤學生數據，更有利于教師教學決策合理化、科學化。

（三）設計呈現

以STEAM理論為基礎的智慧課堂教學模式設計的關鍵要素主要包括了跨學科教學活動、技術支撐、教學主體、學生學習路徑等，設計原則包括以STEAM理論重塑智慧課堂、以問題解決為指引、注重小組合作、體現技術支撐。教學模式設計決定了學生教學活動的設計，同時也決定了學生的學習效果?；赟TEAM理論的智慧課堂教學模式設計如圖1所示。該模式以劉邦奇教授的智慧課堂三段式與李克東教授的跨學科STEAM教學活動5EX式為構建依據[6]，從跨學科活動設計入手，旨在培養學生智慧環境中的跨學科思維、問題動手解決能力等綜合素養。在此基礎上，以智慧環境支撐教學方式為基礎，與教學主體、跨學科教學活動相互有機連接，形成一個以學生為主體、以教師為主導的多元交互的智慧教育環境。

在厘清教學主體與整個教學邏輯的基礎上，本研究設計了基于STEAM理論的智慧課堂實踐活動。該實踐活動分為3個階段，分別對應了不同的教學活動與教學目標：課前的情景與問題，課中的探究與教學、工程與制作、擴展與創意，課后評價與反思。旨在以問題為導向，設定接近真實的情境，在探究中用跨學科思維與工程學的實驗方法，通過多個環節環環相扣來完成并創新教學任務成果。最后，在課后評價體現STEAM的多維性。同時，從技術賦能跨學科教學活動方面，分為具體的跨學科教學活動以及相應的學習路徑和技術支撐，將技術與STEAM教育理念融會貫通教學全過程。

課前作為教學過程準備階段，主要是對學生學情進行智能診斷，教師在了解學生學情的情況下，鼓勵學生提出疑問，為后續的教學目標做好鋪墊。與傳統的智慧課堂教學形式不同，在基于STEAM的智慧課堂上，教師利用智慧課堂大數據分析技術，可以創設一個能夠引起學生興趣且與生活相關的跨學科場景，激發學生的聯想、創新、創造精神。提出問題的過程是思考和創新的過程。學生根據自身需要，通過網絡搜索各種資料，或是通過終端下載教師在平臺上上傳的資料，最后綜合各個角度的思考，運用多方面知識，在教師的引導下，提出關于該項學習的問題并思考。這一階段也是在培養學生的資料收集能力與思考判斷能力，流程步驟如圖2所示。

課中是培養學生跨學科思維和綜合能力的關鍵，側重于對學生理論與實踐的結合，即動手實踐能力的鍛煉。在此環節，首先，在進行探究與教學階段，學生可以通過選擇教師在平臺上推送的各種類型的資料，例如，微課視頻、文本文檔、思維導圖等進行問題探究學習。對問題的思考視角由狹隘變為更廣泛和更復雜的理解。教師引導學生利用各種工具對問題做出假設，用科學的方法對問題解決的指標進行量化，用數學邏輯思維分析最終預設數據。在這個過程中，學生需要觀察、理解、運用數學數據來度量最后完成成果的可行性和成功率。其次，工程與制作階段是檢驗學生預設實驗的可行性的關鍵，學生利用工程思維方法來明確任務、分析任務，并進行方案設定與組員分工布置。由于教師設置的是模糊的任務，小組可以經過討論和決策后，設置屬于自己小組的個性化活動，在活動過程中注重資源分享與疑問討論。教師對不同小組給予不同指導，引導學生采用合適的工具與創作方法，展現學生的工具使用能力與創新能力。再次，通過平臺將小組完成的初步成果進行展示，學生分工匯報，由其他組提出問題后，進行小組總結。在此過程中，充分鍛煉學生信息處理能力、溝通社交能力以及工具使用能力、語言組織能力與表達能力。最后，在擴展與創意階段，通過學生互評與教師點評，教師進行更高階任務的布置，并針對不同小組進行個性化答疑，鞏固知識。各小組進行知識擴展、學習反思，并進行創意嘗試，最后形成創意任務結果，并通過平臺呈現。課中流程步驟如圖3所示。

在課后與教學活動中，利用平臺進行練習反饋，以及利用智慧課堂線上記錄學習軌跡，例如答題情況、參與討論情況、答疑情況及最后小組作業展示情況。并對線下小組中的個人貢獻、小組合作表現等進行量表考評，充分將診斷性評價、過程性評價及結果性評價相結合，線上與線下評價相結合，教師評價與學生評價相結合。具體的評價與反思流程如圖4所示。

五、基于STEAM理論的智慧課堂教學設計

融入了STEAM理論的智慧課堂教學設計與傳統智慧課堂的不同之處在于，其在課前、課中及課后充分融合了跨學科思維與智慧課堂技術支持，并利用同質分層、異質分組的分組原則進行小組項目式實踐，以真實的問題為驅動，讓學生可以在動手操作中解決現實問題，從而潛移默化地實現學生知識深度構建。

（一）教學內容與教學目標設計

本研究針對重慶大學出版社出版的七年級《信息技術》下冊第三章“3D打印”中的“制作水杯”課程內容進行教學設計，以在真實情境中解決生活中的問題作為切入點，引導學生利用多個渠道進行信息搜集，充分考慮到多種情況，進行項目設計和邏輯判斷。同時，發揮小組合作精神和項目式探究學習優勢，引導學生將跨學科知識利用到3D打印制作環節中，培養學生創新思維與創新創造能力。該部分的內容是初中信息技術重點內容，是前段理論知識的延伸和擴展，如何使用3D設計軟件繪制和編輯出三維立體模型是這部分的重點和難點。

（二）教學對象分析

教學對象是七年級下學期的學生，這個階段的學生可以合理有效地使用網絡工具和資源，對3D打印技術知識有初步了解且充滿好奇心，但課堂中的動手實踐機會較少，對新型有吸引力的教學方式有一定的需求。

（三）教學過程設計

1.情境與問題

在課前，利用智慧課堂平臺給學生推送3D打印技術概念、原理、運用領域、設計方法等基礎問題，根據學生作答情況及時對學生學情進行把握。根據學生學情設計出一個真實的跨學科場景，在平臺播放制作水杯獻愛心視頻，明確本節課目標。引導學生先通過平臺發放的微課學習資料，以及從網絡上查找的其他各種資料，綜合考慮水杯外觀、尺寸大小、建模方法等體現藝術、數學、技術等思維的跨學科角度，設計意圖在于激發學生創造欲與動手實踐動力。通過初設水杯的步驟及方法，也讓學生思考并提出本次課程的問題，通過同學互助、教師引導展開本次課程。

2.探究與教學

在課中，學生通過選擇線上視頻以及利用平臺提問等功能進行自主探究學習，對初設的水杯的形狀、實施難度、設計含義等多方面進行考量。對水杯模型問題采用量化的方式，利用數學邏輯思維確定作品的外觀尺寸、圖形參數以及最后作品成功率等。設計意圖在于讓學生培養邏輯思維能力、獨立思考能力，為后面學生學習過程的針對性、計劃性做出合理安排和鋪墊。

3.工程與制作

在初步對制作水杯進行規劃后，利用同質分層，異質分組的原則分成不同的小組。通過小組任務分析及不同意見綜合，確定最佳實現方案。利用工程思維將制作大任務分為一個個小任務，最終以小組合理分工合作的方式完成制作。在此小組學習過程中，若學生對3D one設計軟件存在操作問題，可利用平臺隨時和老師、同學進行討論，教師也可及時給予學生個性化指導。通過對3D one工具草圖繪制功能、基本實體命令、特征造型命令、渲染功能等技巧的使用，設計出屬于本組獨一無二的作品。設計意圖在于讓學生利用工程學的思維方式完整地設計并制作一個作品，培養學生動手能力與工具使用能力，并通過小組合作培養學生合作精神、分享意識。

4.拓展與創意

在完成設計水杯作品制作后，各小組通過平臺進行作品展示。在此過程中，小組對自己的成果進行展示、評價，其他小組和老師補充評價。教師對小組提出更高階的任務要求，促進學生反思，打破學生思想桎梏，在學生改進和創意完成作品之后，利用平臺進行最終作品展示。設計意圖在于鍛煉學生的表達能力與自我反思能力，通過再創作增加學生知識學習深度。

5.評價與反思

在課后，在平臺上發布知識點小結測試，安排學生獨立完成并上傳。根據學生完成情況、作品評價情況及平臺記錄討論發言軌跡，對學生個人進行綜合評價。評價方式結合學前診斷評級、過程性評價及最后綜合性評價。評價內容包括線上與線下的內容，具體包括知識掌握情況、問題發現、表達方式、思維邏輯、小組表現等多種元素。在反思后，鼓勵學生將設計的模型切片打印出來，體現STEAM延伸。設計意圖在于促進教師和學生反思、進步，充分發揮STEAM理念的作用，結合智慧平臺促進教育教學水平提升。

六、結論

信息時代為智慧課堂的發展提供了技術支持與發展機遇，智慧課堂作為智慧教育實踐在具體教學過程中的產物，使技術與教育得到了融合，因此贏得了教育界的關注。STEAM理論在教學目標上注重學生主體地位，注重學生個性化發展。這與智慧課堂教學目標趨于一致。本研究設計了基于STEAM理論的智慧課堂教學現狀調查問卷，調研結果顯示：傳統智慧課堂教學趨于形式化，工具的使用生硬化，教學評價過度關注數據，缺少學生發展性評價，學生動手能力差，很少與STEAM跨學科教育融合，導致學生興趣低。因此，本研究提出了以STEAM理論為中心，構建面向培養學生跨學科思維的智慧課堂教學模式。該模式在課前、課中和課后有機融合了情境與問題、探究與教學、工程與制作、創意與擴展以及評價與反思五個環節。另外，本研究以學習路徑和技術支撐對設計的跨學科教學活動進行解剖，并基于此模式設計了七年級信息技術“制作水杯”3D打印課程，以此達到STEAM理論與智慧教育的有效配合，提高學生學習效率。

基金項目：教育部人文社科規劃項目“‘雙一流視野下教師教育學科群及評價體系研究”（18YJA880061）；重慶市教委研究生教改項目“應用型研究生培養模式改革的實踐探索與應用推廣”（yjg193089）；重慶師范大學智慧教育專項“基于STEAM理論的中小學智慧課堂教學模式設計”（YZH21013）

作者簡介：田蜜（1994 — ），女，重慶銅梁人，碩士研究生，研究方向為創客教育、智慧教育；楊德剛（1976 — ），男，四川自貢人，博士，教授、碩士生導師，研究方向為人工智能等。

參考文獻

[1]張輝蓉，唐佳欣，楊淏璇.基于深度學習的中小學生STEAM學習質量評價指標體系構建[J].中國電化教育，2021（1）：102-109.

[2]雷懿. 智慧課堂發展研究[D].重慶：西南大學，2021.

[3]崔鴻，朱家華，張秀紅.基于項目的STEAM學習探析：核心素養的視角[J].華東師范大學學報（教育科學版），2017，35（4）：54-61，135-136.

[4]朱祥烈，岳佳麗.小學STEAM教育中學生成長指標細化及評價路徑暢通[J].四川教育，2021（8）：28-31.

[5]方海光，侯偉鋒，王曉春，等.基于PADClass模型的數字化課堂學習過程數據挖掘與分析研究[J].電化教育研究，2014，35（10）：110-113，120.

[6]李克東，李穎.STEAM教育跨學科學習活動5EX設計模型[J].電化教育研究，2019，40（4）：5-13.

（責任編輯 孫興麗）

Abstract： Smart classroom teaching is a hot product conforming to educational informatization and a powerful basis for the implementation of smart education in the classroom. It is of great significance for the integration of smart education into the campus in the future. And the interdisciplinary thinking emphasized by STEAM concept provides a new direction for the development of smart classroom in the future. Starting from the analysis of the internal relationship between STEAM concept and smart classroom， this paper analyzes the current situation of smart classroom teaching based on STEAM theory through literature review and investigation. Finally， a smart classroom teaching mode based on STEAM theory is constructed from five links： context and questions， exploration and mathematics， engineering and technology， creativity and expansion， and evaluation and reflection. The teaching design is carried out with the 3D printed content of Grade 7 information technology "making water cup"， which aims to organically integrate STEAM theory and smart classroom technology in the teaching process， and finally improve the efficiency of smart classroom teaching.

Key words： Smart classroom; STEAM education; Teaching mode; Artificial intelligence