基于STEM理念的初中信息科技問題鏈教學模式探究

靳飛飛 阮霞

摘 ?要 ?STEM教育不僅注重學生對基本知識和基本技能的掌握，更注重培養(yǎng)學生整合運用知識的能力。STEM融入初中信息科技課堂，以信息科技為中心，進行有效的學科融合，加深了學生對知識的理解，提高了學生運用知識解決實際問題的能力。問題鏈教學模式通過問題的步步深入，深化知識體系，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)意創(chuàng)造能力。

關鍵詞 ?STEM理念；信息科技；問題鏈教學模式

中圖分類號：G633.67 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）05-0090-04

0 ?引言

隨著科技的飛速發(fā)展，社會對人才的要求發(fā)生了巨大的變化，單純的技術型人才不再適應社會的需求[1]。信息時代背景下，更需要勇于提出問題、善于動手實踐、敢于創(chuàng)新創(chuàng)造的跨學科綜合人才。基于STEM理念的信息科技學科問題鏈教學模式能夠培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析分解問題、自主設計方案解決問題的能力，幫助學生解決現(xiàn)實生活中的真實問題。

1 ?基于STEM理念的問題鏈教學模式概述

STEM教育[5]源于美國，是Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）和Ma-

thematics（數(shù)學）四個學科英文首字母的組合。STEM教育打破學科界限，將四門學科內容有機地整合在一起，使學科學習一體化，從整合的視角培養(yǎng)學生利用掌握的知識和技能去分析問題、分解問題的能力，并能將知識靈活應用遷移進而解決真實的問題。它是一種基于真實世界應用的綜合性學習模式，強調知識在現(xiàn)實生活場景中的應用，是一種創(chuàng)新型教育模式。

問題鏈教學模式[4]是指教師在對學情和教學內容深度研究的基礎上，結合學生已有的知識水平和經(jīng)驗，根據(jù)每節(jié)課的教學目標及教學內容，圍繞核心問題提出的層序分明、緊密連接的一系列問題，層層深入，引導學生思考的一種教學模式。維果斯基提出的最近發(fā)展區(qū)理論和皮亞杰發(fā)展的建構主義學習理論共同支撐起了問題鏈教學模式。

筆者通過對相關文獻、案例的研究分析，結合信息科技學科的特點，最終提出基于STEM理念的問題鏈教學模式。將課堂內容分解為相互關聯(lián)、不斷遞進并激發(fā)學生思維能力的一系列問題，形成問題鏈。該教學模式以問題解決為主線展開，在真實的問題情境下，引導學生通過發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、分解問題、解決問題和回顧問題等教學活動過程，習得多學科知識，內化作品設計的思想和方法，培養(yǎng)學生的高階思維能力。

2 ?STEM理念下問題鏈教學模式的設計模型

綜合考慮STEM教育“真”問題解決、普適性、項目式學習、層次性、高階能力培養(yǎng)[3]等特征[6]，基于STEM理念的學科教學多以“問題解決”展開，問題鏈的設計是關鍵。

此模式教學環(huán)節(jié)可分為創(chuàng)設情境、發(fā)現(xiàn)問題，分析問題、整體規(guī)劃，問題驅動、工程設計，回顧問題、知識建構四個環(huán)節(jié)。教師在對教學內容、教學實施、教學經(jīng)驗的整體把握，以及對學生學情有深入了解的基礎上，通過創(chuàng)設真實的情境，提出核心問題。核心問題的獲取是問題鏈設計的關鍵。然而核心問題宏觀且開放，要落實到具體教學實踐中，不易操作，所以要在分析的基礎上，將其分解為相互關聯(lián)、不斷遞進并激發(fā)學生思維能力的基礎問題、提高問題、拓展問題，再對每部分問題進行進一步分解，形成多個問題鏈，幫助學生更好地解決問題。

問題鏈的背后就是整個教學過程，最后要對解決問題的過程和方法進行回顧總結，形成完整的知識體系。基于STEM理念的“問題鏈”教學實踐模型如圖1所示。

3 ?STEM理念下問題鏈教學模式實踐案例

“編輯引導層做多段動畫”選自泰山出版社初中信息技術第4冊第3單元微項目2的活動2，本活動旨在讓學生通過設計多段路徑動畫體會多條引導線的設計和應用。核心問題是如何在同一層中做多段運動動畫。

設計探究活動二：繪制合適的引導線，使火炬先從頤和園出發(fā)沿左側綠線到奧森（用時10秒鐘），在奧森停留5秒鐘后，沿右側綠色線路以越來越快的速度傳遞到大運河森林公園，如圖2所示。

該案例設計的跨學科知識包括數(shù)學、技術、物理、工程等。具體如下。

數(shù)學（M）：路程問題，速度×時間=路程，類推出動畫中幀和幀頻的關系，幀頻×時間=幀數(shù)，精準的計算，嚴密的推理。極限思想的遷移與運用。

技術（T）：引導線動畫的原理、引導線繪制的要點。

工程（E）：從發(fā)現(xiàn)問題、界定問題、分析問題、解決問題中發(fā)現(xiàn)的新問題，再次界定問題，制定新的解決方案……直到問題徹底解決，體現(xiàn)STEM教育理念中的工程設計循環(huán)。

物理：運動狀態(tài)的界定，有靜止、勻速運動、加速運動、減速運動，也有直線運動、曲線運動等多種狀態(tài)。

3.1 ?創(chuàng)設情境，發(fā)現(xiàn)問題

以解決現(xiàn)實生活中的“真”問題來創(chuàng)設情境，是學科課堂中滲透STEM理念的有效路徑。在實際教學中，教師結合教學內容給學生創(chuàng)設真實的情境，引導學生運用多學科知識去思考和探索，以此培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，改變傳統(tǒng)教學中過于注重知識傳授，過于強調接受式學習、模仿訓練的現(xiàn)狀。

教師創(chuàng)設真實情境，引發(fā)學生思考，在思考的過程中，學生通過對舊知識、舊經(jīng)驗的提取和歸納，自然而然發(fā)現(xiàn)本節(jié)課的核心問題。

例如，在“編輯引導層做多段動畫”這節(jié)課中，教師創(chuàng)設的情境如下：如何實現(xiàn)奧運火炬先從頤和園出發(fā)沿左側綠線到奧森（用時10秒鐘），在奧森停留5秒鐘后，沿右側綠色線路以越來越快的速度繼續(xù)傳遞到大運河森林公園？教師提出核心問題：如何制作多段引導線動畫？

問題情境的創(chuàng)設，打破學科界限，學生已有的知識和經(jīng)驗被激活，思考如何制作多段引導線動畫。基于STEM理念的學科教學可以幫助學生理解學科間的緊密聯(lián)系，將碎片知識系統(tǒng)化，通過理論與實踐，引導學生掌握知識的本質。

3.2 ?分析問題，整體規(guī)劃

鑒于問題的復雜性，教師引領學生對問題進行分析和分解，厘清解決問題的思路。

【問題1】通過整體分析，這個引導線動畫有幾種運動狀態(tài)？

【問題2】這幾種狀態(tài)可以用一段動畫實現(xiàn)嗎？

通過問題指引，讓學生對數(shù)學中的基本概念和知識進行重新梳理，使問題更加具體、真實，思考更加全面、深刻。

3.3 ?問題驅動，工程設計

核心問題宏觀且開放，不容易實現(xiàn)，需要在具體的教學過程中，對核心問題進行拆分，分解成一組有中心、有序列、系統(tǒng)性、既相對獨立又相互關聯(lián)的子問題組成的問題鏈[2]。這種問題鏈的教學模式符合維果斯基提出的最近發(fā)展區(qū)理論，以學生原有的知識儲備設計基礎問題，結合最近發(fā)展區(qū)理論設置提高問題和拓展問題，讓學生跳一跳能夠得著，鍛煉學生的發(fā)散思維能力，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、利用跨學科知識解決問題的能力，使學生的工程設計思維能力得到提升，注重學生作為課堂主體的真實的學習體驗。

例如，本節(jié)課中引導學生對核心問題“如何制作多段引導線動畫”進行分解，分解為基礎問題“如何制作一段引導線動畫”、提高問題“如何實現(xiàn)不同運動狀態(tài)的銜接”、拓展問題“如何在一個引導層中繪制多段引導線”，并分別設置三個問題的問題鏈，一個個問題一問接一問、一環(huán)套一環(huán)，環(huán)環(huán)相扣，這樣的問題設計，也是學生解決問題的過程體現(xiàn)。具體問題鏈如下。

3.3.1 ?基礎問題

如何制作一段引導線動畫？

【問題3】第一種狀態(tài)中的“用時10秒鐘”，有這個時間的限制，我們需要關注動畫設計界面中的什么信息？

學生關注到了具體的時間限制，有時間，密切相關的信息肯定是動畫的現(xiàn)有幀頻信息。學生把注意力集中到了幀頻上。

【問題4】怎樣得到這段動畫的幀數(shù)？

有了幀頻和時間，教師引入數(shù)學中的路程問題，幫助學生理解計算幀數(shù)的公式。

教師通過逐步引導、層層設問，讓學生慢慢接近問題的核心，完成由生活中的現(xiàn)象到計算機能夠處理的問題模型的轉變，感受重復循環(huán)化繁為簡的魅力。讓學生在自主探究中解決問題，在“嘗試—驗證—糾錯—調整—再嘗試”這樣的循環(huán)過程中培養(yǎng)計算思維。

3.3.2 ?提高問題

如何實現(xiàn)不同運動狀態(tài)的銜接？

【問題5】“停留5秒鐘”如何理解？火炬手動了嗎？時間軸有時間的推移嗎？時間軸經(jīng)過了多

少幀？

學生確定好了第一段的動畫后，怎么實現(xiàn)兩端動畫或者多段動畫的銜接呢，想到了“關鍵幀”的作用。“時間5秒”又用到了“基礎問題”中的計算幀數(shù)的知識。“停留”即運動對象沒有位置的變化，為了實現(xiàn)不同運動狀態(tài)的銜接，只需要“關鍵幀”就可以了，不需要做任何的動畫形式。

3.3.3 ?拓展問題

如何在一個引導層中繪制多段引導線？

【問題6】“越來越快”跟什么的值有關？這個值是怎樣界定的？如果我們容易混淆，怎樣以最快的方法驗證一下呢？

從“越來越快”聯(lián)想到物理中的加速運動，在動畫中只需要修改一個屬性值就可以，當時學生容易把數(shù)值的正負跟加速還是減速直接的對應關系記憶混淆了。如何引導學生在忘記的時候以最快的速度確定出正確的對應關系呢？這個地方用到數(shù)學中的極限思想。學生都知道“加速”還是“減速”跟屬性中的“緩動值”有關，“緩動值”的范圍是100到-100，那么我們可以教學生利用極限思想，假設將“緩動值”設置為最大的100時，播放動畫查看運動的速度變化就可以很快地確定正確答案。

【問題7】剛才我們分析的是火炬手的運動狀態(tài)，他是被引導層，那么引導層中的引導線如何設

計呢？

學生們在設計好被引導層之后，引導層如何操作呢，如何實現(xiàn)3段運動狀態(tài)呢？常規(guī)的思維是對照被引導層在相應的幀位置“插入關鍵幀”，在每兩個關鍵幀之間繪制不同的引導線，再對實例進行吸附操作就可以正確地完成引導線動畫。

3.3.4 ?自由創(chuàng)作、展示交流

在設計之前，教師明確評價標準：

1）引導線繪制符合要求；

2）能夠正確實現(xiàn)動畫形式；

3）能夠流利地講解出自己的思路和設計步驟。

學生完成設計后，依據(jù)評價標準先進行自評，播放動畫看實現(xiàn)了要求的效果嗎。再同桌之間互相檢查每段動畫的時間是否正確。

在交流的過程中，有的學生別出心裁，還可以用一條連續(xù)的引導線實現(xiàn)實例的3種運動狀態(tài)。

通過展示交流，引導學生不僅要學會發(fā)現(xiàn)自我，還要學會欣賞別人，有發(fā)現(xiàn)美、欣賞美的眼睛，最大限度地調動其創(chuàng)作的積極性，增強其學習自信心。

3.3.5 ?拓展提升

【問題8】生活中可以用引導線動畫來實現(xiàn)的例子有哪些？

教師播放自己課前制作好的引導線動畫的小視頻，大到天體的運動，小到走迷宮游戲、蝴蝶的飛舞、樹葉的飄落，等等，都可以用引導線動畫實現(xiàn)，增強了學生對動畫形式的理解，發(fā)散了學生的思維。

3.4 ?回顧問題，知識建構

教師利用思維導圖幫助學生回顧問題，梳理本節(jié)課的知識點進行知識建構。通過制作引導線動畫，教導學生要做生活的有心人，感受生活之美，激發(fā)對生活的熱愛之情。同時帶領學生進行問題分析、工程設計、科學思維、數(shù)學推理，豐富了課程內涵，體現(xiàn)了動畫編程的魅力，更體現(xiàn)了STEM理念的多學科融合。在問題驅動下，引導學生自主、合作、探究學習，發(fā)揮團隊作用。

4 ?STEM理念指導下信息科技問題鏈教學模式

的優(yōu)勢

1）具有趣味性特征的STEM教育和以學生個人經(jīng)驗為基礎的問題鏈的設計，能激發(fā)學生的學習動機，讓學生積極主動地探究一個個趣味性的問題，能夠把問題中的實際情境轉化為解決問題。

2）學生在基于STEM教育理念的信息科技問題鏈教學模式下，能夠積極主動地運用跨學科知識把核心問題分解成一個個子問題，通過對子問題的層層剝離來解決核心問題，培養(yǎng)學生利用信息科技對跨學科知識進行整合的能力，提高了學生分析問題解決問題的能力，培養(yǎng)了學生的計算思維。

3）基于STEM教育協(xié)作性的特征和問題鏈設計的梯度性，在課堂上，教師以“組內異質，組間同質”的原則劃分小組，保證小組之間的學習水平相當，小組內成員之間可以互幫互助，提高了學生的交流技巧和團隊協(xié)作的能力。完整的問題鏈教學過程，啟發(fā)學生思維，幫助學生形成完整的知識結構系統(tǒng)，提高學生綜合運用知識解決實際問題的能力，幫助教師和學生把握教與學的深度和廣度。

5 ?結束語

基于STEM理念的信息科技問題鏈教學模式，能以現(xiàn)實生活中的真實問題和真實情境，以問題鏈引發(fā)學生思考，激發(fā)學生的學習興趣，讓學生積極主動地深入剖析問題所涉及的相關學科知識去探究解決問題的方法。通過問題的引導，學生在分析問題、解決問題的過程中，不僅加深了對問題的理解，還鞏固了對學科知識的理解。

在教學過程中，教師不再受到單一學科知識的束縛，將各門學科知識有機融合起來，引導學生在輕松愉快的學習環(huán)境中，利用發(fā)散思維分析分解問題、思考問題，從而解決問題，提高了學生的邏輯思維能力、交流合作能力和利用跨學科知識解決問題的能力，發(fā)展了學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能，為培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的學生指明了方向。

6 ?參考文獻

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