蘆斌

目前，中國很多地方正如火如荼地開展STEAM教學(xué)實(shí)踐，其中很多都是以信息技術(shù)課程為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展實(shí)施。但在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)很多STEAM實(shí)踐難以融入原有的學(xué)校課程體系。這主要是因?yàn)镾TEAM教育理念作為外來新事物在本土化過程中比較難以落地。一線教育實(shí)際情況距離STEAM教學(xué)還存在一定的差距，教師的教學(xué)策略、基本素養(yǎng)等都還沒有明晰可操作的有效路徑。因此，本文將探索如何基于信息技術(shù)學(xué)科有效開展STEAM學(xué)科融合教學(xué)。

● 問題與現(xiàn)狀

問題1：課時規(guī)劃與教學(xué)內(nèi)容的矛盾。國內(nèi)的STEAM教育與國外不同，是自下而上的民間探索，缺乏整體課程體系規(guī)劃，STEAM的課型往往需要多課時、跨學(xué)科，而學(xué)校常規(guī)教學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)的課標(biāo)任務(wù)又與STEAM類型課程設(shè)計不太相符，因此，教師如何有效整合標(biāo)準(zhǔn)化的課內(nèi)內(nèi)容、分解耦合多課時的課程模式是亟待解決的問題。

問題2：項(xiàng)目探究與基礎(chǔ)學(xué)習(xí)的矛盾。STEAM教育更多的是基于實(shí)際問題的項(xiàng)目式探究學(xué)習(xí)，因?yàn)檎n時安排，學(xué)生需要在短時間內(nèi)“速成”大量的知識、技能，因此，教師往往會采取模仿、跟做的教學(xué)模式體系，讓學(xué)生在極短時間內(nèi)完成一個作品或一類研究，導(dǎo)致學(xué)生對基礎(chǔ)知識、基本技能的掌握有欠缺，在制作過程中單純模仿，思維深度、理解認(rèn)識存在不足。因此，教師如何有效兼顧項(xiàng)目探究與基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、思維訓(xùn)練是課程設(shè)計中面臨的難題。

問題3：跨學(xué)科融合的問題。在研究了多個STEAM教學(xué)案例后筆者發(fā)現(xiàn)，很多STEAM課程或僅涉及一個學(xué)科，所引用的知識是部分的、零散不成體系的;或過于注重機(jī)器人、3D打印等本學(xué)科所涉及的知識，只訓(xùn)練編程、拼搭技能或三維設(shè)計能力等，沒有與數(shù)學(xué)、藝術(shù)、科學(xué)等其他學(xué)科知識進(jìn)行有效的結(jié)合;或各個學(xué)科知識單獨(dú)存在于課程中，知識間是封閉的而未能相互融合。因此，設(shè)計具有連續(xù)性、系統(tǒng)性、跨學(xué)科融合性的小學(xué)STEAM課程成為亟待解決的問題。

● 教育實(shí)踐探索

1.課程設(shè)計思路

以學(xué)生生活中的電子蠟燭產(chǎn)品為主題切入，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識聲音及感知聲音的技術(shù)，運(yùn)用程序控制，完整設(shè)計聲控?zé)艄庀到y(tǒng)，以及針對性的創(chuàng)意外觀設(shè)計。在這個過程中，圍繞主題，從學(xué)生的角度出發(fā)，分別融入科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計。①科學(xué)目標(biāo)：通過科學(xué)知識聲音的傳播與感知研究導(dǎo)入，理解聲音傳感器麥克風(fēng)的基本工作原理;②技術(shù)目標(biāo)：學(xué)生自主探究初步認(rèn)識電子蠟燭中的關(guān)鍵傳感器——麥克風(fēng)，并逐步掌握和運(yùn)用聲音大小對角色或舞臺的開關(guān)控制及大小顏色變化值等，進(jìn)而觸發(fā)相應(yīng)交互;③數(shù)學(xué)目標(biāo)：通過數(shù)學(xué)圖表推算、模型構(gòu)建等方式，逐步培育學(xué)生編程所需的基本算理和模型構(gòu)建方法，養(yǎng)成學(xué)生良好的數(shù)理思維習(xí)慣，為程序設(shè)計創(chuàng)新奠定堅實(shí)的基礎(chǔ);④工程目標(biāo)：通過工程化的實(shí)踐操作，將所學(xué)的虛擬環(huán)境中的算法，結(jié)合實(shí)際傳感器及輸出LED等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整體電子蠟燭的設(shè)計制作與完善;⑤藝術(shù)目標(biāo)：通過引導(dǎo)學(xué)生對電子蠟燭不同應(yīng)用的藝術(shù)化、產(chǎn)品化的包裝，將人文藝術(shù)設(shè)計融入作品的創(chuàng)作設(shè)計中。

2.分課時安排

由于一節(jié)課一般是40分鐘，對于如此內(nèi)容量的課程一般安排2～3課時，本文以兩課時任務(wù)分解為例。從兩個課時的分解任務(wù)目標(biāo)上看，第一課時，主要通過融合數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程的學(xué)習(xí)，解決虛擬環(huán)境下，電子蠟燭設(shè)計的核心關(guān)鍵程序、關(guān)鍵原理、關(guān)鍵模型的學(xué)習(xí)掌握，同時熟悉聲控的基本原理。第二課時，主要解決真實(shí)環(huán)境下制作電子蠟燭過程中的硬件電子設(shè)備及硬件控制程序調(diào)試等問題。由于算法相似、模型相似，所以可以一以貫之。兩個課時分別涉及多門學(xué)科，但又相互聯(lián)系，因此，在課程安排上即使有時間跨度，通過一定的核心知識聯(lián)系也可以讓學(xué)生回憶起前認(rèn)知。

3.具體方案

第一課時：創(chuàng)意電子蠟燭（虛擬）

①導(dǎo)入實(shí)物。通過展示實(shí)物電子蠟燭根據(jù)氣流變化閃動及吹滅效果，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生如何設(shè)計制作一個電子蠟燭。

②科學(xué)分析，揭示原理。學(xué)生通過聲音的產(chǎn)生、傳播的科學(xué)原理學(xué)習(xí)以及激光薄膜振動實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)探究中了解聲音傳感的基本科學(xué)原理，即從振動到傳播再到振動，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電信號的基本工作原理。

③工程思想，系統(tǒng)分析。對電子蠟燭進(jìn)行系統(tǒng)分析，并啟發(fā)學(xué)生思考蠟燭對象由哪些對象構(gòu)成、如何用麥克風(fēng)測聲音，即探索音量指令的使用，并進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)記錄探索如何用音量指令來判斷氣流或聲音。

④生活引導(dǎo)，程序分析。教師通過提問“燭火是怎么熄滅的？”一步步引導(dǎo)到自然語言“燭火是在偵測到音量或氣流變化后熄滅的”，再到“判斷音量的值變大了就熄滅”，再引申到類Scratch語言“如果音量值大于某個值就熄滅（隱藏）”，這樣可以讓學(xué)生很自然地過渡到指令的設(shè)計，并在學(xué)生嘗試設(shè)計后總結(jié)提示“某個值”要在吹氣范圍內(nèi)關(guān)鍵的閾值。通過學(xué)生測試程序發(fā)現(xiàn)執(zhí)行存在問題，蠟燭效果不能執(zhí)行成功，教師進(jìn)一步提示“這個偵測判斷是執(zhí)行一次嗎？”，并引導(dǎo)“程序開始后就在不斷偵測，怎樣實(shí)現(xiàn)不斷的？”，進(jìn)而引出循環(huán)嵌套的完整過程?？偨Y(jié)并出示流程圖，幫助學(xué)生梳理整體程序思路。

⑤數(shù)模構(gòu)建，程序完善。在主體程序完成的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)思考還存在哪些問題，激發(fā)學(xué)生探索程序完善的切入點(diǎn)，如“如何初始化讓蠟燭恢復(fù)顯示”“燭火在吹滅前是否應(yīng)該隨著吹氣變化”，并出示火焰變化效果案例及數(shù)值表（如下圖），通過觀察應(yīng)用數(shù)學(xué)抽象思維，提煉其關(guān)系“燭火大小=100-音量”，引導(dǎo)學(xué)生完善作品。在程序完善后，教師總結(jié)利用外設(shè)傳感設(shè)備對動畫控制的兩種方法，即“開關(guān)”法、“變量”法。

⑥思維導(dǎo)圖，優(yōu)化拓展。借助思維導(dǎo)圖工具，啟發(fā)學(xué)生在基本完成作品的基礎(chǔ)上，提出“如何讓作品更有趣”為題，展開討論，羅列出“蠟燭數(shù)量”“吹滅方式”“燭火變化”“熄滅效果”等多個方面，激發(fā)學(xué)生改造優(yōu)化作品的想法。教師適度從“美化背景或蠟燭”“燭火的明暗、角度變化”“蠟燭熄滅后能有什么”“多個蠟燭”進(jìn)行提示引導(dǎo)。

⑦自我表達(dá)，展示交流。借助廣播系統(tǒng)，展示學(xué)生作品，并模仿產(chǎn)品發(fā)布會，讓學(xué)生介紹自己的作品。

第二課時：創(chuàng)意點(diǎn)子蠟燭（實(shí)物）

①導(dǎo)入。通過上節(jié)課的虛擬電子蠟燭案例切入引導(dǎo)學(xué)生思考如何制作一個實(shí)體電子蠟燭。

②科學(xué)引入，電路學(xué)習(xí)。認(rèn)識Arduino的接線方式，通過科學(xué)研究方法比較研究，利用杜邦線可以方便插拔的特性，引導(dǎo)學(xué)生分析各線路的使用必要性，以及揭示電流的作用與燈點(diǎn)亮的基本工作原理，并出示對應(yīng)的電路圖。

③程序分析，回憶舊知。引導(dǎo)學(xué)生回顧上節(jié)課作品程序含義，從原來程序通過“顯示”和“隱藏”來控制燭火的亮、滅，遷移到新的指令：? ? ? ? ? ? ? ? ?。啟發(fā)學(xué)生自主探究如何賦值？賦值范圍？如超出范圍，會出現(xiàn)什么情況？并通過實(shí)驗(yàn)得到指令的正確使用方式及對應(yīng)控制燈光的效果，最后通過新指令修改程序，實(shí)現(xiàn)蠟燭亮及吹蠟燭的效果。

④工程思維，優(yōu)化程序。借助上節(jié)課的程序原理及結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)吹滅蠟燭的效果，以及未吹滅時真實(shí)的燭火時暗時明效果。學(xué)生嘗試操作。

⑤藝術(shù)加工，制作蠟燭實(shí)體。利用透明薄紙、雙面膠、剪刀等工具啟發(fā)學(xué)生根據(jù)不同的生活場景制作出漂亮又有個性的蠟燭燭體，并與電子元器件結(jié)合，包裝外觀同時注意線路器件的擺放排布。

⑥作品交流。進(jìn)行作品展示，引導(dǎo)學(xué)生從產(chǎn)品的名稱、功能、外觀、應(yīng)用范圍等方面介紹自己的作品。

● 教學(xué)策略分析

1.生活引入，學(xué)科融合

在設(shè)計STEAM課例時，資源應(yīng)該來源于生活實(shí)際，但教師要進(jìn)行有效的甄別，選擇在學(xué)生原有知識能力范圍內(nèi)或者略高的案例內(nèi)容。另外，在項(xiàng)目設(shè)計或問題解決過程中將一些原本單一學(xué)科的知識或能力培養(yǎng)，無痕地穿插在整體項(xiàng)目中。例如，本文案例中在初識聲音傳感器（麥克風(fēng)）時，通過薄膜激光反射科學(xué)實(shí)驗(yàn)快速了解聲音是如何產(chǎn)生、傳遞和感知的，并進(jìn)一步了解揭示聲音傳感器利用這些原理將振動轉(zhuǎn)化為電信號的工作原理。又如，在學(xué)習(xí)聲音變化與蠟燭明暗變化關(guān)系時，利用數(shù)學(xué)列表方法抽象提煉兩個數(shù)據(jù)間的數(shù)值關(guān)系進(jìn)一步引出公式的推導(dǎo)，進(jìn)而形成程序計算語言的表達(dá)，培養(yǎng)計算設(shè)計思維，這是一個典型的數(shù)學(xué)與技術(shù)、工程的有機(jī)融合案例。再如，在數(shù)字電路使用過程中，學(xué)生通過親手實(shí)踐體驗(yàn)“電”的作用與基本工作原理，并提煉出在Arduino數(shù)字電路中的工作原理，形成對智能硬件應(yīng)用的基礎(chǔ)認(rèn)識。在這幾類知識學(xué)習(xí)過程中，教師沒有刻意分離單獨(dú)講解，而是自然融入案例設(shè)計或問題解決的過程中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)STEAM教育學(xué)科融合教學(xué)的目的。

2.拆分任務(wù)，梯度教學(xué)

在制作一個較為復(fù)雜的作品時，往往需要投入大量的時間、資源，涉及多方面學(xué)科，問題節(jié)點(diǎn)也較多，領(lǐng)域廣泛，教師在有限的時間里往往會壓縮任務(wù)或者簡化學(xué)習(xí)過程，甚至有時采用模仿學(xué)習(xí)的方式去實(shí)現(xiàn)STEAM學(xué)科融合教學(xué)，學(xué)生的想法沒有得到真正的釋放，學(xué)生的綜合實(shí)踐能力、問題解決能力也不能得到有效提升。

為此，需要對任務(wù)進(jìn)行拆分，像本文案例中，作為一個完整的電子蠟燭其實(shí)要分成多個主要任務(wù)：①理解聲音獲取及對應(yīng)音量控制程序基本邏輯原理。②熟練使用兩種程序控制方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制和線性變化控制對象屬性變化。③探索蠟燭變化的多種方式及實(shí)現(xiàn)原理。④硬件電子蠟燭的各類元器件鏈接及對應(yīng)端口認(rèn)識。⑤了解Arduino控制板輸入輸出的基本控制方式。⑥聲音傳感器的有效使用及采集數(shù)值的準(zhǔn)確使用。⑦LED燈光的兩種控制方式開關(guān)控制和PWM線性控制。⑧電子蠟燭外觀包裝制作的方法。⑨硬件故障的排除及多種功能應(yīng)用的拓展。

面對如此紛繁復(fù)雜的任務(wù)，教師需要對拆分出的任務(wù)進(jìn)行重新規(guī)整，在本文案例中，教師將任務(wù)分解到兩個課時的教學(xué)活動中，第一課時主要針對聲音控制程序?qū)W習(xí)和蠟燭兩種變化方式的學(xué)習(xí)，第二課時主要針對電子器件鏈接及實(shí)物硬件控制的綜合應(yīng)用。作為本課程的核心內(nèi)容，聲音控制程序是貫穿兩個課時的關(guān)鍵抓手，第一課時在較為單一封閉的虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)程序，第二課時則是在學(xué)生認(rèn)識該類聲控程序算法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展到硬件的綜合熟練應(yīng)用，解決更多實(shí)踐類問題。這樣的拆分，將任務(wù)難度分解，分級出現(xiàn)給予學(xué)生自主逐步深入的可能，同時，也便于教師清晰地講解知識難點(diǎn)，逐個擊破，學(xué)生成就感與獲得感不斷提升。

3.由軟及硬，由虛入實(shí)

目前，帶有程序設(shè)計類型的STEAM教學(xué)內(nèi)容難點(diǎn)主要集中在軟件層面，學(xué)生在剛?cè)腴T階段主要著重在軟件程序算法方面的學(xué)習(xí)，對硬件知識積累掌握程度有限，而在實(shí)施硬件介入的STEAM學(xué)科融合類項(xiàng)目時，學(xué)生的問題主要集中在如何排除硬件故障與調(diào)試軟硬件的整體協(xié)調(diào)問題上。通過相對偏重軟件設(shè)計方面的作品案例，從學(xué)生易于上手的功能入手，使學(xué)生在屏幕上可以快速構(gòu)建一個虛擬化的電子作品，獲得較多的成就感，并借助軟件上的程序算法學(xué)習(xí)，深度掌握整個電子蠟燭中的核心代碼，進(jìn)而引出硬件電子蠟燭后，學(xué)生便有了較強(qiáng)的背景知識做支持，進(jìn)而為作品的順利制作提供了一個有效的階梯。其實(shí)，除了本文案例可以借用軟件或者虛擬化的作品來過渡到硬件教學(xué)外，還有如智能尋線賽車、打地鼠等作品案例都可以使用類似的方法。在智能尋線賽車中，可以利用虛擬賽車仿真在圖形賽道中自動識別尋路前行，讓學(xué)生充分理解賽車自動駕駛的控制原理與基本邏輯，實(shí)現(xiàn)真實(shí)智能賽車時可以快速構(gòu)建核心算法程序，并將精力放在傳感器參數(shù)判斷、馬達(dá)輸出合理功率等硬件問題的調(diào)試與排除上，為完整的作品制作提供一個很好的過渡媒介。

4.掌握核心，培養(yǎng)能力

在這個系統(tǒng)項(xiàng)目課程中，其科學(xué)分析探究能力、數(shù)學(xué)建模抽象思維、傳感應(yīng)用的算法思維以及傳感器的綜合應(yīng)用是課程的關(guān)鍵核心，如何通過項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生在掌握核心能力的同時啟發(fā)培養(yǎng)其綜合應(yīng)用創(chuàng)新能力，則至關(guān)重要。不同學(xué)科之間的融合以及多種情境下的問題解決是STEAM教育研究的熱點(diǎn)。在本文案例中筆者也發(fā)現(xiàn)，課程項(xiàng)目的分步實(shí)施以及梯度化設(shè)計，也為STEAM核心能力的培養(yǎng)提供了更多可能。因此，可以認(rèn)為，未來的STEAM教育發(fā)展前景將更為廣闊，也更有助于學(xué)生科技創(chuàng)造力的培養(yǎng)。