林君秋+葉靈

摘要：本文介紹了在教學(xué)過程中引入和采用先進(jìn)的STEM教學(xué)理念和開放式教學(xué)科創(chuàng)平臺(tái)，通過在有限的課時(shí)內(nèi)合理規(guī)劃和考量教學(xué)過程中不同學(xué)科“應(yīng)知”和“應(yīng)會(huì)”內(nèi)容和難易程度的平衡，注重多學(xué)科知識(shí)的有機(jī)融合和靈活運(yùn)用，從切實(shí)提髙STEM的4種素養(yǎng)角度有效激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新能力的探索和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：信息科技 STEM 多學(xué)科知識(shí)融合 開放式教學(xué) 科技創(chuàng)新平臺(tái)

計(jì)算機(jī)、機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)是目前中小學(xué)信息科技課程教學(xué)和科技創(chuàng)新活動(dòng)中開展較為普遍的內(nèi)容。它們有一個(gè)共同點(diǎn)，就是技術(shù)發(fā)展和變化非常迅速，而且多學(xué)科高度融合。這對(duì)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模式、教學(xué)手段和教學(xué)成效的提升提出了更高要求。多年來，我國中小學(xué)信息科技課程的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)不同的探索階段，包括從基礎(chǔ)的Basic程序語言編程著手到重視日常的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件教學(xué)。但這些入門和普及型的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用之間存在一定脫節(jié)，學(xué)生往往像瞎子摸象一樣，即便學(xué)了也不清楚該如何實(shí)際運(yùn)用。因此，教學(xué)中常有學(xué)生根本不愛學(xué)、不愿學(xué)信息科技教材的內(nèi)容[1]，也暴露出了現(xiàn)有的教材內(nèi)容跟不上近年來以移動(dòng)和個(gè)人智能為代表的信息技術(shù)的快速發(fā)展，沒有捕捉到當(dāng)下學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的興趣點(diǎn)。

為此，我們通過引入先進(jìn)的STEM教學(xué)理念和采用全新的教學(xué)科技創(chuàng)新平臺(tái)，構(gòu)建了以側(cè)重多學(xué)科知識(shí)的完整普及，并結(jié)合與生活實(shí)際密切相關(guān)的教學(xué)案例來激發(fā)學(xué)生參與熱情和提高教學(xué)成效的新教學(xué)模式。

一、多學(xué)科“應(yīng)知”、“應(yīng)會(huì)”并舉教學(xué)模式構(gòu)建

1.基于STEM的教學(xué)目標(biāo)解析

STEM教育理念最早源自于美國，它旨在將原本分散的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)4門課程融合為一個(gè)新的有機(jī)整體，注重綜合培養(yǎng)學(xué)生的4種基本素養(yǎng)：即運(yùn)用基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)（如物理、化學(xué)和自然科學(xué)等）的科學(xué)素養(yǎng)，理解新技術(shù)發(fā)展過程和運(yùn)用其革新和改造自然和社會(huì)的技術(shù)素養(yǎng)，熟悉創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和開發(fā)過程并能夠創(chuàng)造性地加以運(yùn)用的工程素養(yǎng)，以及運(yùn)用數(shù)學(xué)原理發(fā)現(xiàn)、表達(dá)和解決所遇到的實(shí)際問題的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。這對(duì)解決目前中小學(xué)信息科技課程所存在的問題提供了一種新的思路，因此，國內(nèi)對(duì)這一先進(jìn)的教學(xué)模式給予了高度重視，并積極開展了探索和實(shí)踐[2-3]。

但是，在現(xiàn)有的信息科技課程教學(xué)過程中如何融入和貫徹這種先進(jìn)的教學(xué)理念呢？通過總結(jié)這些年來我校傳統(tǒng)的機(jī)器人特色活動(dòng)[4]，我們提出了以多學(xué)科知識(shí)融合作為“應(yīng)知”目標(biāo)，以創(chuàng)客案例實(shí)踐作為“應(yīng)會(huì)”導(dǎo)向的教學(xué)模式。前者更加強(qiáng)調(diào)不同學(xué)科知識(shí)的全面普及，著眼于學(xué)生科技思維模式的建立和綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)，不再過分強(qiáng)調(diào)和枸泥于單一編程或軟硬件應(yīng)用技能的系統(tǒng)傳授和學(xué)習(xí)；后者則注重以啟迪不同學(xué)生個(gè)體的興趣和創(chuàng)意作為著力點(diǎn)，并且在教學(xué)過程中有計(jì)劃地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)其所學(xué)的各門基礎(chǔ)課程知識(shí)及本課程相關(guān)學(xué)科基本概念的靈活應(yīng)用，做到對(duì)所學(xué)知識(shí)運(yùn)用和解決問題方法的真正“應(yīng)會(huì)”。

為此，我們首先對(duì)課程所涉及學(xué)科知識(shí)和應(yīng)知應(yīng)會(huì)的深度進(jìn)行了全面的梳理，結(jié)合STEM4種基本素養(yǎng)的要求將教學(xué)過程中應(yīng)知和應(yīng)會(huì)的內(nèi)容分解為“有什么？是什么？為什么？學(xué)什么？做什么？如何做？”等6個(gè)方面。力求讓學(xué)生結(jié)合教學(xué)實(shí)踐案例更加全面了解與之相關(guān)的學(xué)科發(fā)展過程和知識(shí)輪廓；同時(shí)根據(jù)各種基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的難度不同，米用實(shí)景演不、社會(huì)實(shí)踐、動(dòng)手練習(xí)、案例制作、開放教學(xué)等多種模式，用有計(jì)劃、分階段和平行式的教學(xué)規(guī)劃讓學(xué)生以交互的、主動(dòng)的、實(shí)踐的、能在各學(xué)科間有意識(shí)地建立起有機(jī)聯(lián)系的方式來完成整個(gè)課程的學(xué)習(xí)。

2.開放式教學(xué)科技創(chuàng)新平臺(tái)的總體架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)具有較高起點(diǎn)的教學(xué)構(gòu)想和目標(biāo)，首要任務(wù)就是創(chuàng)建一個(gè)更為有效的多學(xué)科教學(xué)科技創(chuàng)新平臺(tái)。為此，我們借鑒和分析了樂高機(jī)器人等國內(nèi)外先進(jìn)教學(xué)產(chǎn)品的特點(diǎn)，結(jié)合Linux和Arduino等開源軟硬件日益成熟，以及近年來個(gè)人智能移動(dòng)設(shè)備和無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等最新IT技術(shù)和產(chǎn)品快速普及的便利條件[5-7]，與有關(guān)高校和企業(yè)合作開發(fā)了一個(gè)全新的、著眼于普及型教學(xué)而不是僅適合競賽活動(dòng)的開放式科技創(chuàng)新平臺(tái)OIS（Open Intelligent Solution）[8]，這個(gè)平臺(tái)具有以下特點(diǎn)。

①積木式：無論軟、硬件都具有分層架構(gòu)清晰、高度模塊化的特點(diǎn)，有利于在教學(xué)中充分展示不同學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)和基本概念，同時(shí)各部分均可以靈活地拼搭接，便于調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的熱情。

②簡便易學(xué)：盡可能采用學(xué)生日常使用和最易熟悉的IT產(chǎn)品和技術(shù)，具有直觀的圖形開發(fā)界面，不要求學(xué)生具備較高的編程知識(shí)和入門水平，使學(xué)生能夠?qū)⒅饕Τ浞旨性趧?chuàng)意的實(shí)現(xiàn)上。

③開放性：可以兼容多種主流技術(shù)平臺(tái)和廠家產(chǎn)品；盡可能采用了開源和共享技術(shù)，軟、硬件可以獨(dú)立升級(jí)，以充分適應(yīng)各種IT技術(shù)的變化和快速發(fā)展；OIS-CPU可以兼容多種主流的操作系統(tǒng)和宿主于百余種市售的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備上，與側(cè)重于競賽使用的套件型產(chǎn)品有很大的不同，絕大部分硬件都可以由學(xué)生自己選擇和采購，具有較高的價(jià)比高，易于在教學(xué)和科技創(chuàng)新活動(dòng)中普及。

④多功能：能適應(yīng)計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等不同的課程案例教學(xué)，同時(shí)具有多種開發(fā)方式和擴(kuò)充可能，能夠滿足校內(nèi)外、教與學(xué)不同模式的需求，便于感興趣的學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行學(xué)習(xí)開發(fā)。

與時(shí)下流行的單純采用Arduino的教學(xué)平臺(tái)相比OIS-CPU+Arduino提供了一個(gè)更清晰的分層硬件架構(gòu)和更強(qiáng)大的移動(dòng)計(jì)算性能、多機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信能力和更豐富的人機(jī)接口手段，知識(shí)覆蓋面更廣。同時(shí)，圖形化的開發(fā)和仿真手段也大大降低了案例學(xué)習(xí)和實(shí)現(xiàn)的難度。能克服信息科技課程課時(shí)較少、校內(nèi)外銜接難的實(shí)際難題。實(shí)踐證明，這個(gè)教學(xué)平臺(tái)為我們開展多學(xué)科教學(xué)模式的探索和普及提供了有效手段。

二、教學(xué)案例分析

物聯(lián)網(wǎng)是傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、智能控制及信息處理技術(shù)高度融合的新一代信息技術(shù)[6]。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景幾乎涵蓋了我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。因此，也越來越多地引起了國?nèi)高校乃至中小學(xué)校的重視。由于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)象與學(xué)生的日常生活密切相關(guān)，學(xué)生更容易通過自身的觀察和對(duì)應(yīng)用對(duì)象的逐步了解，積極融入課程教學(xué)和實(shí)踐過程。endprint

這里就結(jié)合“基于物聯(lián)網(wǎng)的城市道路景觀綠植節(jié)水型智能澆灌系統(tǒng)”的教學(xué)案例來簡要介紹新的教學(xué)模式的實(shí)踐過程。首先，我們安排學(xué)生去現(xiàn)場仔細(xì)觀察園林工人對(duì)道路景觀綠植的實(shí)際澆灌過程，并引導(dǎo)他們通過思考發(fā)現(xiàn)問題，提出如何利用智能化手段來實(shí)現(xiàn)節(jié)省人工、節(jié)水和改善澆灌效果，繼而利用OIS平臺(tái)展開各學(xué)科知識(shí)的教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容。

除了課堂上基本概念的講解，使學(xué)生熟悉和了解“有什么”和“是什么”之外，按照教學(xué)目標(biāo)構(gòu)想，我們還有計(jì)劃地安排了多項(xiàng)數(shù)學(xué)、物理和自然常識(shí)綜合應(yīng)用的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)建模和物理實(shí)驗(yàn)。包括向園林工人了解實(shí)際的澆灌方法及不同季節(jié)和天氣情況下澆灌的次數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過漫灌、滴灌和浸灌3種不同方式的物理實(shí)驗(yàn)比較其節(jié)水效果；用非標(biāo)幾何體的體積計(jì)算求得澆水車貯水量；實(shí)地勘察道路花盆的數(shù)量并在網(wǎng)上查閱上海道路總長、降雨量和降水天數(shù)等數(shù)據(jù)，來綜合論證及定量評(píng)估預(yù)期的節(jié)水效果。

在學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和制作階段，我們又結(jié)合這個(gè)案例的應(yīng)用環(huán)境在室外，物理實(shí)驗(yàn)中電阻式土壤濕度計(jì)的讀數(shù)值存在偏差，調(diào)試中曾出現(xiàn)水泵發(fā)熱燒毀等現(xiàn)象，有針對(duì)性地安排了測量誤差校正和信號(hào)校正、究余和優(yōu)先級(jí)等安全可靠性的工程概念教學(xué)內(nèi)容。并且根據(jù)實(shí)踐過程中學(xué)生提出的創(chuàng)意，還增加了有雨水收集功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。從實(shí)際教學(xué)效果看，結(jié)合案例的教學(xué)和實(shí)踐，學(xué)生都能很快理解這些對(duì)他們而言看似比較深?yuàn)W的概念和原理。

目前，STEM已逐步擴(kuò)展為了STEAM，就是在STEM的基礎(chǔ)上加入了藝術(shù)與設(shè)計(jì)（Arts）。

三、結(jié)語

新教學(xué)模式的探索和實(shí)踐讓我們充分認(rèn)識(shí)到，在信息科技課程教學(xué)中貫徹STEAM教學(xué)理念實(shí)際上是一個(gè)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模式、教學(xué)平臺(tái)和教學(xué)手段有機(jī)融合的過程。也就是要將教與學(xué)的關(guān)注點(diǎn)始終落實(shí)在STEM所強(qiáng)調(diào)的要讓學(xué)生在整合的學(xué)習(xí)情境中形成正確的工程技術(shù)思維，鍛煉他們的組織合作能力、問題解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力之上。用通俗的比喻，就是不再僅僅引導(dǎo)他們?nèi)ァ跋棺用蟆?，而是啟迪他們?nèi)ァ安軟_稱象”，而這也正是信息科技課程教改的發(fā)展方向。

從本文案例可以看出，“應(yīng)知”和“應(yīng)會(huì)”并舉并不意味著簡單地放棄知識(shí)的傳授，而是要以更具針對(duì)性的教學(xué)規(guī)劃和更直觀靈活的教學(xué)手段在有限的課時(shí)中最大限度地開拓學(xué)生的視野。在教的過程中強(qiáng)調(diào)對(duì)各個(gè)不同學(xué)科知識(shí)的“應(yīng)知”，力圖使學(xué)生更為全面地了解學(xué)科的基本概念和知識(shí)輪廓，這個(gè)過程就像學(xué)海拾珠；而在學(xué)的過程中則通過引入切合學(xué)生認(rèn)知和生活實(shí)際的導(dǎo)向式案例，在用中求知，在做中學(xué)會(huì)，啟發(fā)他們巧思成串，重視引導(dǎo)學(xué)生建立起正確的工程和設(shè)計(jì)思維，培養(yǎng)他們動(dòng)手、動(dòng)腦，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決出現(xiàn)的實(shí)踐問題，充分激發(fā)和肯定不同學(xué)生個(gè)體的探知欲。

過程中我們也深刻地體會(huì)到處于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的中小學(xué)生對(duì)新事物的理解能力和思維的開闊性。不能再機(jī)械地以大腦生理發(fā)育階段，知識(shí)面和深度存在較大局限等舊有的教育思維模式來人為地構(gòu)設(shè)出各種條條框框，也不能忽視當(dāng)下學(xué)生家長本身素質(zhì)的提高及他們?cè)趯W(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)方面所投入的旺盛精力和熱情。采用更有便于校內(nèi)外教學(xué)有機(jī)結(jié)合的開放式教學(xué)科技創(chuàng)新平臺(tái)，并輔以微信公眾平臺(tái)、大學(xué)生社團(tuán)傳幫帶等多樣化的教學(xué)手段，完全有可能在較高起點(diǎn)和較快節(jié)奏條件下完成較高水平的信息技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)。當(dāng)然，盡管這種新的教學(xué)嘗試已經(jīng)取得了較好效果，并得到了學(xué)生和家長的積極回應(yīng)，學(xué)生采用OIS平臺(tái)完成的多個(gè)創(chuàng)意作品也在上海市青少年科技創(chuàng)新大賽上取得了不錯(cuò)的成績，但其探索過程仍需要我們通過更多的案例和實(shí)踐不斷地加以總結(jié)和提高。

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點(diǎn)評(píng)

作者在基于STEM教育理念的信息科技課程教學(xué)實(shí)踐中，通過自身認(rèn)識(shí)、研究和探索，提出了以多學(xué)科知識(shí)融合作為“應(yīng)知”目標(biāo)，以創(chuàng)客案例實(shí)踐作為“應(yīng)會(huì)”導(dǎo)向的教學(xué)模式，并通過創(chuàng)建開放式教學(xué)科創(chuàng)平臺(tái)等相關(guān)舉措和個(gè)案研究，取得了初步實(shí)踐效果。上述以論文形式反映出的具有一定創(chuàng)新性的科技教育實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理性思考，對(duì)廣大科技輔導(dǎo)員具有較好的參考價(jià)值和示范作用。

如果作者在所論述的信息科技課程實(shí)踐探索中，能夠更深入地挖掘所依托的STEM教育理念的核心內(nèi)涵，并注意與其他相關(guān)先進(jìn)教育理論相結(jié)合，以進(jìn)一步闡述和佐證實(shí)踐的科學(xué)性和教育性，則會(huì)使本文的學(xué)術(shù)性更為明顯。

——翟立原（中國青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會(huì)理論工作委員會(huì)副主任委員，第24屆全國青少年科技輔導(dǎo)員論文征集活動(dòng)評(píng)審委員會(huì)主任委員）endprint