基于STEM理念的信息科技與初中物理實驗融合探析

魏玉彬 張曉

摘要：本文探究STEM教育理念下如何在信息科技課堂通過跨學(xué)科任務(wù)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，以過程與控制單元的“用開源硬件探究聲控?zé)舻墓ぷ髟怼表椖渴綄W(xué)習(xí)為例，在“CDIE”項目式教學(xué)模式下以開源硬件為載體，在真實生活情境中展開探究實驗，在經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、探究學(xué)習(xí)、解決問題后，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM教育 信息科技 實驗教學(xué)開源硬件

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中指出篩選科學(xué)原理和實踐應(yīng)用并重的學(xué)科內(nèi)容，從實踐應(yīng)用出發(fā)，倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解基本概念和原理，鼓勵學(xué)生在創(chuàng)新實踐活動中學(xué)習(xí)。[1]《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中指出初中物理課程教學(xué)要注重科學(xué)探究，提高學(xué)生分析、解決問題的實踐和科學(xué)思維能力。[2]STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡稱，強調(diào)多學(xué)科融合。STEM教育并不是四門學(xué)科的簡單疊加，而是強調(diào)有機融合，以能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。不難看出，新課程標(biāo)準(zhǔn)越來越注重學(xué)科融合以及解決實際問題的實踐能力，這也與STEM教育理念相契合。因此，本文將STEM教育理念結(jié)合信息科技課程融入到物理實驗課程中，培養(yǎng)學(xué)生在實際問題或項目為導(dǎo)向的實驗課程中真正掌握科學(xué)原理與知識技能并靈活遷移運用解決真實問題的能力。

一、STEM教育理念下開展信息科技與物理實驗融合的跨學(xué)科教學(xué)

初中物理“實驗探究”課程包含測量類和探究類的學(xué)生必做實驗28個，體現(xiàn)了物理課程實踐性的特點，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生動手實踐和收集實驗數(shù)據(jù)的能力，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理并有效解釋的能力、表達(dá)和交流的能力，同時也是信息科技學(xué)科信息意識核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)。

（一）STEM理念改變傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的單一目的性

傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)以演示為主，具有很強的單一目的性，這種以知識學(xué)習(xí)為目的的物理實驗忽視了對學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。STEM教育理念最終目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。這就從根本上改變了知識本位的實驗課堂教學(xué)。

首先，STEM教育理念強調(diào)以真實生活中問題案例情境為導(dǎo)向，利用多學(xué)科相關(guān)聯(lián)的知識來解決問題。這與傳統(tǒng)的演示實驗以教師為中心，學(xué)生被動接受知識的教學(xué)方式不同，可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)項目或問題設(shè)計實驗過程，通過實際操作，解決真實的問題或任務(wù)。這有助于提升學(xué)生的動手操作能力和思維能力。

其次，STEM教育理念注重學(xué)生的團隊合作和交流能力的培養(yǎng)。在解決實際問題的過程中，學(xué)生通過與團隊成員的協(xié)作和交流中更高效地解決問題，可以不斷提升學(xué)生團隊合作和交流能力。

（二）STEM理念下基于項目的“CDIE”物理實驗教學(xué)模式

“CDIE”教學(xué)模式指“激發(fā)構(gòu)思（C），充分設(shè)計（D），穩(wěn)步實施（I），有效評價（E）”教學(xué)模式。 基于項目的“CDIE”教學(xué)模式融合了真實性學(xué)習(xí)、項目化學(xué)習(xí)。“項目教學(xué)”能夠以“實驗項目”為載體，開展探究活動，將一個與真實問題相關(guān)的項目讓學(xué)生在團隊協(xié)作中完成問題解決方案的設(shè)計、實驗項目實施及最終評價環(huán)節(jié)。[3]

項目式“CDIE”教學(xué)模式需要教師活動和學(xué)生活動的有效配合，“構(gòu)思”環(huán)節(jié)需要教師分析教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)問題情境提出與物理實驗相關(guān)的生活中的真實問題，學(xué)生則根據(jù)真實問題發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象。“設(shè)計”環(huán)節(jié)則由教師為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，學(xué)生根據(jù)支架明確實驗問題并設(shè)計實驗過程。“實施”環(huán)節(jié)教師指導(dǎo)學(xué)生實施實驗的過程，學(xué)生則根據(jù)設(shè)計進(jìn)行實驗操作，記錄并分析實驗過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，完成實驗總結(jié)并與預(yù)設(shè)實驗結(jié)果進(jìn)行對比調(diào)整繼續(xù)優(yōu)化實驗過程或調(diào)整實驗結(jié)果，“評價”環(huán)節(jié)通過教師評和學(xué)生自評對整個實驗過程進(jìn)行反思，對設(shè)計和實施過程繼續(xù)優(yōu)化，在不斷的學(xué)習(xí)與設(shè)計的迭代循環(huán)中，最終完成實驗教學(xué)。

二、“用開源硬件探究聲控?zé)舻墓ぷ髟怼苯虒W(xué)設(shè)計與實施

（一）教學(xué)內(nèi)容分析

“用開源硬件探究聲控?zé)舻膴W秘”主要讓學(xué)生通過開源硬件及計算機編程嘗試實現(xiàn)過程與控制。聲控?zé)舻挠布Y(jié)構(gòu)使用Arduino UNO開發(fā)板及聲音傳感器、光敏電阻等搭建硬件。讓學(xué)生圍繞常見的聲控?zé)魧嵗治錾钪新暱責(zé)舻牡湫蛻?yīng)用場景，從中發(fā)現(xiàn)計算機和程序在控制聲控?zé)袅翜邕^程中的作用。通過使用Linkboy編程軟件實現(xiàn)聲控?zé)舻木幊舔炞C。跨學(xué)科概念涉及到電路設(shè)計與連接、數(shù)學(xué)邏輯運算、計算機圖形化、編程、道德與法治等。

（二）學(xué)習(xí)者分析

初中高年級的學(xué)生具備相對成熟的抽象思維和邏輯思維能力，能夠通過合作學(xué)習(xí)完成簡單實驗的探究。初中階段他們學(xué)習(xí)了python編程，對算法的特征和描述方式有一定的了解，并且能夠?qū)唵蔚膯栴}使用自然語言和流程圖進(jìn)行算法的描述，對串并聯(lián)電路有一定的了解。他們在小學(xué)階段還學(xué)習(xí)了Scarino圖形化編程和Arduino板的知識，能夠快速入門并使用Linkboy圖形化編程軟件進(jìn)行編程，可以在教師的引導(dǎo)下結(jié)合生活嘗試完成開源硬件線路的連接。因此，對于本節(jié)課學(xué)習(xí)“用開源硬件探究聲控?zé)舻膴W秘”有一定的基礎(chǔ)知識，能夠很好地完成課堂任務(wù)。

（三）素養(yǎng)目標(biāo)

基于STEM教育理念，將“用開源硬件探究聲控?zé)舻墓ぷ髟怼表椖康慕虒W(xué)目標(biāo)分為學(xué)科核心知識與核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)分析如下。科學(xué)：聲控?zé)舻脑恚浑娐吩O(shè)計的基本知識。技術(shù)：開源硬件的連接；使用Linkboy編程開發(fā)程序，實現(xiàn)聲控?zé)舻恼９ぷ鳌９こ蹋郝暱責(zé)艚Y(jié)構(gòu)設(shè)計；根據(jù)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成開源硬件的引腳連接；對搭建好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試、調(diào)整、優(yōu)化。數(shù)學(xué)：邏輯“與、或、非”運算；根據(jù)閾值判斷LED燈亮滅的條件設(shè)計。物理：串、并聯(lián)電路。

信息意識：學(xué)生能夠感知到信息科技對個體與社會在學(xué)習(xí)和生活上的影響，理解聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)的原理。計算思維：學(xué)生通過分析聲控?zé)舻墓ぷ髟恚R別其中的輸入、計算、輸出環(huán)節(jié)，并能夠用Linkboy編程開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)模塊化、邏輯化編程。數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：學(xué)生能夠利用網(wǎng)絡(luò)資源或其它信息化途徑了解不同元器件內(nèi)部的模塊內(nèi)容及各個模塊的功能，并且利用線上平臺或工具，與同伴進(jìn)行分享、交流，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。信息社會責(zé)任：理解計算機如何控制聲控?zé)舻脑恚惺苄畔⒖萍紝ι罡鞣矫娴挠绊懀軌蚶斫庀到y(tǒng)中存在的問題并提出有效的解決方案。

（四）教學(xué)設(shè)計與實施

【真實情境 導(dǎo)入課題】

教師展示視頻：記者采訪居民反映小區(qū)樓道聲控?zé)舫霈F(xiàn)整晚都在亮30秒，滅1秒的重復(fù)狀態(tài)。教師出示問題：視頻中被采訪的居民反映了哪些問題？

學(xué)生觀看視頻并討論發(fā)現(xiàn)視頻中出現(xiàn)的問題：視頻中聲控?zé)魤牧嗽斐闪速Y源浪費和影響小區(qū)居民休息。

聲控?zé)粼谌粘Ｉ钪刑幪幙梢姡灾劣趯W(xué)生往往會忽略常見事物，不會去深究它的工作原理，通過一個實例新聞讓學(xué)生把目光聚焦到聲控?zé)羯希l(fā)學(xué)生思考及興趣。

【分析問題 構(gòu)思方案】

教師展示常見聲控?zé)舻慕Y(jié)構(gòu)圖片，讓學(xué)生結(jié)合開源硬件觀察聲控?zé)艚Y(jié)構(gòu)圖并討論：聲控?zé)舻挠布M成及各種硬件的作用。

學(xué)生討論后發(fā)現(xiàn)聲控?zé)粲晒饷綦娮琛⒙曇魝鞲衅鳌⒖刂破骱蚅ED燈四個模塊組成及各個模塊的作用。控制器：收集信息并通過計算控制燈的亮滅；LED燈：照明；光敏電阻：獲取模塊周圍的光照強度信息；聲音傳感器：獲取模塊周圍的聲音強度信息。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察和已經(jīng)學(xué)過的關(guān)于過程與控制系統(tǒng)的知識并分析聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)中“輸入” “計算”和“輸出”分別由哪些硬件完成。傳感器是聲控?zé)舻妮斎朐O(shè)備， Arduino UNO板是聲控?zé)舻挠嬎阍O(shè)備，LED燈是聲控?zé)舻妮敵鲈O(shè)備。通過該環(huán)節(jié)即回顧了之前的過程與控制系統(tǒng)的知識，也為接下來用開源硬件模擬聲控?zé)糇隽虽亯|。

【設(shè)計實施 驗證方案】

學(xué)生通過小組合作完成聲控?zé)舻挠布罱ā４罱ǖ倪^程中教師要提醒學(xué)生注意硬件模塊的端口與控制器的端口要對應(yīng)，教師可以提前錄制一個關(guān)于線路連接的視頻。學(xué)生結(jié)合學(xué)過的電路知識及生活中得經(jīng)驗把開源硬件連接起來。此處涉及到串并聯(lián)電路及傳感器端口與控制器端口的問題，教師可以給學(xué)生實時的講解。

搭建完成的聲控?zé)粜枰砑映绦虿拍茏屍湔９ぷ鳌＝處熞龑?dǎo)學(xué)生根據(jù)聲控?zé)舻墓ぷ鬟^程先用自然語言描述其算法，然后把自然語言轉(zhuǎn)化為流程圖。根據(jù)流程圖設(shè)計的算法在Linkboy編程軟件中進(jìn)行編程并下載程序驗證聲控?zé)羰欠衲軌蛘９ぷ鳌Ｒ龑?dǎo)學(xué)生繼續(xù)在程序中改變程序中聲音傳感器和光敏電阻的閾值，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)閾值大小是控制聲控?zé)綮`敏度的關(guān)鍵。

【學(xué)以致用 解決問題】

學(xué)生完成聲控?zé)舻哪M實驗后，回到導(dǎo)入環(huán)節(jié)學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問題上來，結(jié)合模擬聲控?zé)舻膶嶒炦^程對問題進(jìn)行分析，得出該小區(qū)聲控?zé)舻摹奥曇魝鞲衅鳌被蚩刂瞥绦蛑虚撝档确矫娉霈F(xiàn)問題。雖然答案可能不是唯一的但是重要的是思考的過程中對整個探究實驗的過程進(jìn)行知識的升華。

（五）課堂評價設(shè)計

依據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)置能夠詮釋核心素養(yǎng)內(nèi)涵的綜合性課堂評價的評價方式。圍繞信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個方面，準(zhǔn)確把握學(xué)習(xí)要求中不同的學(xué)習(xí)水平要求，采用合適的評價方式，體現(xiàn)核心概念和關(guān)鍵知識。本課選擇針對任務(wù)活動的過程性評價、自我評價和問卷測試這幾種評價相結(jié)合的評價方式。評價的最終目的是能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教師的教學(xué)質(zhì)量，最終達(dá)到提升學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

三、反思總結(jié)

STEM教育理念下的跨學(xué)科融合教學(xué)能幫助學(xué)生掌握信息科技基礎(chǔ)知識和技能，是學(xué)科核心素養(yǎng)落地的重要手段。在面向素養(yǎng)本位的課程改革下，為促進(jìn)素養(yǎng)育人的落地，信息科技課程要打破學(xué)科知識與技能的固有邏輯，回歸學(xué)生自身的學(xué)習(xí)與發(fā)展。以跨學(xué)科學(xué)習(xí)的形式重構(gòu)課程內(nèi)容，引入體現(xiàn)生活價值的、真實性的學(xué)習(xí)問題與實踐，建構(gòu)有意義的學(xué)習(xí)，通過項目式的學(xué)習(xí)方式和探究式的問題解決模式，解決傳統(tǒng)信息技術(shù)教學(xué)中知識學(xué)習(xí)與實踐操作不能兼顧的問題。[4]

參考文獻(xiàn)：

[1]義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）.中華人民共和國教育部制定.

[2]義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）.中華人民共和國教育部制定.

[3]劉子妍.基于真實性學(xué)習(xí)的“CDIE”項目化教學(xué)模式構(gòu)建研究[J].中國信息技術(shù)教育，2022（15）.

[4]顧小清.以跨學(xué)科學(xué)習(xí)促進(jìn)信息科技課程核心素養(yǎng)落地[J]. 現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2023，35（6）.