張一鳴　和淵　侯靜雯　韓明哲

數(shù)字化實驗是以力、熱、聲、光、電、磁、生化等各類傳感器為基礎(chǔ)，使用傳感器采集實驗中的各類數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C、平板電腦、手機等中樞進行分析處理的新型實驗方式，具有具身性、實時性、廣延性等特征。數(shù)字化實驗在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)于美國，2003年乘國家新一輪課程教材改革的東風(fēng)進入我國，為我國教育改革提供了有力的支撐。近年來，國際科學(xué)教育改革掀起新浪潮，數(shù)字化實驗與科學(xué)教學(xué)的深度融合成為熱點問題，融合信息技術(shù)的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)（Science Technology Engineering Arts Mathematics，STEAM）教育越來越受到重視。

“建造抗震房屋”是一節(jié)面向6—8年級學(xué)生開設(shè)的基于數(shù)字化實驗的STEAM課程，來自美國科學(xué)伙伴（Science Buddies）教育慈善機構(gòu)提供的線上STEAM教案資源。該課程的設(shè)計符合美國新一代科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（Next Generation Science Standards，NGSS）的理念。在學(xué)科核心概念方面，學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)能繪制一個區(qū)域內(nèi)的自然災(zāi)害歷史地圖，同時理解相關(guān)的地質(zhì)作用能夠幫助預(yù)測未來地質(zhì)事件發(fā)生的位置和可能性。學(xué)生要提出可能的方案，用有系統(tǒng)的流程來評估方案在多大程度上滿足了待解決問題的標(biāo)準(zhǔn)與約束條件。在跨學(xué)科概念方面，學(xué)生應(yīng)能運用表格和圖像識別數(shù)據(jù)中的模式，理解穩(wěn)定與變化——穩(wěn)定狀態(tài)可能被突發(fā)事件打破，也可能被漸進式改變。在科學(xué)與工程實踐方面，教師要引導(dǎo)學(xué)生分析和解讀數(shù)據(jù)，構(gòu)建解釋和設(shè)計解決方案，開展基于證據(jù)的論證。學(xué)生在課前需要了解速度、時間和距離之間的關(guān)系等先驗知識。教師在課堂上指導(dǎo)學(xué)生使用帶有傳感器應(yīng)用程序（例如Phyphox）的智能手機、雙面膠帶、秒表、尺子、瓦楞紙板、圓柱形物體（如記號筆）等材料進行抗震建筑模型的建造。筆者對該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)進行概述，并從課程目標(biāo)、課程知識、課程活動和課程評估四個維度進行分析，為我國中小學(xué)校設(shè)計和開展基于數(shù)字化實驗的STEAM課程提供參考。

一、“建造抗震房屋”教學(xué)環(huán)節(jié)

（一）創(chuàng)設(shè)綜合情境

教師播放視頻，向?qū)W生介紹地震知識。地震會造成生命損失并嚴(yán)重破壞建筑物，但抗震建筑卻可以屹立不倒，保護人們的安全，且大大降低維修成本。在這個課程中，學(xué)生將建造抗震建筑模型，并使用手機和傳感器應(yīng)用程序等數(shù)字化實驗工具模擬地震并測量參數(shù)。學(xué)生參與這個有趣的工程實踐課程，探索如何利用技術(shù)保障生命安全。

教師播放視頻，介紹抗震隔離系統(tǒng)。在一個大型振動臺上有兩個建筑模型。左邊的建筑直接連接于地面，右邊的建筑有一個抗震隔離系統(tǒng)，使之與地面的運動隔離。該系統(tǒng)的工作原理類似于汽車中的減震器（減輕顛簸感），有助于右邊建筑物減少搖晃，防止其倒塌。

教師引導(dǎo)學(xué)生討論：在第二段視頻中觀察到了什么？為什么像這樣的地震防護系統(tǒng)很重要？

（二）引入數(shù)字化實驗工具

教師向?qū)W生介紹傳感器應(yīng)用程序Phyphox。這是一款利用內(nèi)置傳感器的手機應(yīng)用軟件，兼容Android和iOS系統(tǒng)，包含加速度傳感器、磁力傳感器、陀螺儀（旋轉(zhuǎn)傳感器）、光傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。目前，該軟件能實現(xiàn)29種內(nèi)置功能，可進行加速度、角速度、頻率、周期、磁感應(yīng)強度、光照強度、壓力和聲音的振幅等基本物理量的測量和分析。學(xué)生將使用Phyphox應(yīng)用程序的加速度傳感器并測量設(shè)備運動的絕對加速度（選擇Phyphox應(yīng)用程序?qū)Ш街械摹敖^對”標(biāo)簽）。加速度傳感器將給出物體運動的加速度，當(dāng)設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)時，傳感器報告數(shù)值為0。操作步驟如下。第一步，教師向?qū)W生解釋，手機含有內(nèi)置加速度傳感器。這是一種可以檢測運動的電子設(shè)備（從技術(shù)上講，它測量的是以m/s為單位的加速度）。加速度傳感器被應(yīng)用于手機和視頻游戲控制器的運動控制。第二步，教師向?qū)W生演示應(yīng)用傳感器應(yīng)用程序（如Phyphox）能夠記錄來自加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并以圖表形式顯示。第三步，教師向?qū)W生展示搖晃手機時發(fā)生的情況。絕對加速度顯示手機所有方向的總加速度，而、和加速度計只顯示一個方向的加速度（相對于手機）。第四步，教師向?qū)W生解釋，加速度傳感器可以用來反映地震時建筑物的移動程度。

（三）教師演示

教師為學(xué)生做一個快速示范，用雙面膠帶將手機固定在一個小紙盒的頂部，屏幕朝上，通過搖動紙盒模擬地震時的地面運動。教師直接搖動盒子，它就像一棟直接連接在地面上的建筑物，建筑物移動得更多，加速度也更大。教師將箱子放在滾輪上，模仿構(gòu)建抗震隔離系統(tǒng)。該系統(tǒng)中“基底”可以在建筑物下面來回移動，而建筑物則不會移動那么多，使得加速度減小。操作步驟如下。第一步，教師點擊Phyphox的播放按鈕，開始記錄。第二步，教師搖動紙箱，點擊暫停按鈕停止記錄，保存數(shù)據(jù)，以便進行數(shù)據(jù)分析。第三步，教師向?qū)W生展示圖表，測定最大加速度。教師讓學(xué)生利用技術(shù)來選擇圖表中的任何數(shù)據(jù)點并查看其數(shù)值。第四步，將盒子放在一塊瓦楞紙板上或其他圓形物體的上面。第五步，重新開始記錄，來回搖動這塊紙板幾次。盡量以搖動盒子本身的速度來搖動它。注意，盒子沒有像紙板那樣來回移動。因為有滾輪，紙板可以在盒子下面來回移動。第六步，學(xué)生停止記錄，保存數(shù)據(jù)，展示圖表。再次確定手機感受到的最大加速度，并將其數(shù)值與直接搖動盒子時的數(shù)值進行比較。第七步，教師引導(dǎo)學(xué)生討論：這些圖表告訴我們什么？這兩張圖是如何比較的？這與剛才看的視頻有什么關(guān)系？

（四）學(xué)生活動

教師讓學(xué)生使用指定材料來建造抗震隔離系統(tǒng)（如圖1）。教師演示的只是一個簡單的例子，目的是讓學(xué)生嘗試改進設(shè)計。為了達成本課的教學(xué)目標(biāo)，他們將只在一個方向上搖動“地面（基底）”。

教師提問：像演示中那樣將建筑物放在滾輪上，有哪些潛在的問題？

（可能的答案包括真正的抗震隔震系統(tǒng)允許建筑物來回移動，但要確保建筑物最終會回到初始位置。）

教師引導(dǎo)學(xué)生討論：如何利用教室里的材料來改進設(shè)計？

（一些可能的方案包括用彈簧或橡皮筋將建筑拉回原位，或者在兩邊加上擋板，防止掉落。）

教師提示學(xué)生：參照工程設(shè)計過程來建構(gòu)抗震隔離系統(tǒng)。這個過程是反復(fù)進行的，這意味著可能會重復(fù)一些步驟。工程問題沒有單一的“正確答案”，學(xué)生的設(shè)計可能在第一次嘗試時并不順利。這沒關(guān)系，就像現(xiàn)實世界中的工程問題一樣，學(xué)生可以在規(guī)定的時間內(nèi)建造、測試和重新設(shè)計他們的系統(tǒng)，重復(fù)多少次都行。

二、“建造抗震房屋”案例分析

（一）課程案例分析

課程目標(biāo)方面，該課程共設(shè)置了三個學(xué)習(xí)目標(biāo)，分別是熟悉加速度的概念和加速度的測量、了解自然災(zāi)害，以及學(xué)會分析和使用模型。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠充分理解加速度的理論知識，并應(yīng)用這一知識對地震中的加速度進行說明。學(xué)生需要在深刻理解加速度概念的基礎(chǔ)上，在建模的實踐操作中發(fā)展科學(xué)與工程思維。

課程知識方面，課程開始時教師為學(xué)生播放有關(guān)地震的視頻，幫助學(xué)生了解抗震隔離系統(tǒng)和加速度的關(guān)系，并且通過提問加深學(xué)生對知識的理解。在實踐中，學(xué)生需要利用數(shù)字化實驗工具對數(shù)據(jù)進行采集和處理分析，應(yīng)用其掌握的知識和工程技能預(yù)防災(zāi)害。

課程活動方面，該課程的教學(xué)活動設(shè)計除了教師的演示和實驗，還有學(xué)生自主探究活動（反復(fù)實踐）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，接受教師輔導(dǎo)，模擬現(xiàn)實中可能出現(xiàn)的問題，從而達到深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)。這樣，既能夠增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，又能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強參與科學(xué)探究和工程實踐的信心。

課程評估方面，該課程中學(xué)生參與實踐、改進設(shè)計等活動，對自己的學(xué)習(xí)情況形成準(zhǔn)確的認識。同時，學(xué)生以小組匯報的形式進行反思，評價抗震建筑作品，并且根據(jù)教師提出的反饋性意見，思考如何制作出成本更低、抗震效果更佳的建筑模型，并加以嘗試。該課程是基于現(xiàn)實問題情境設(shè)計的。學(xué)生在實踐中會遇到不確定因素甚至突發(fā)情況，不會得到唯一的“正確答案”。這有利于學(xué)生體驗真實情境下解決問題的過程。

（二）課程標(biāo)準(zhǔn)分析

課程目標(biāo)方面，該課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)涵蓋NGSS的三個維度，即學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念及科學(xué)與工程實踐。教師通過自身演示和學(xué)生操作，將數(shù)字化實驗工具作為紐帶，使科學(xué)教學(xué)的三個維度貫穿課程始終，幫助學(xué)生理解知識，掌握技能，提高能力和素養(yǎng)。

課程知識方面，基于NGSS“地球與宇宙”領(lǐng)域?qū)W科核心概念中的“自然災(zāi)害”“提出可能的解決方案”，學(xué)生需學(xué)會繪制地區(qū)自然災(zāi)害圖，并對項目的主題和目標(biāo)形成自己的認識，通過教師講解、瀏覽網(wǎng)絡(luò)資源，初步了解防震知識、理解建筑抗震的基本原理。同時，學(xué)生需研制可能的解決方案，以此為預(yù)防地震災(zāi)害提供幫助。

課程活動方面，基于NGSS的科學(xué)與工程實踐，學(xué)生通過實踐建立、深化和運用他們對學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念的認識。小組成員發(fā)揮所長，完成抗震建筑項目的任務(wù)，如制作墻體梁柱等零部件、建筑的主體結(jié)構(gòu)、防震的承重結(jié)構(gòu)等。該課程設(shè)計體現(xiàn)“重視學(xué)生自主探究和實踐”的原則，并且強化學(xué)生對于抗震減災(zāi)知識的理解。

課程評估方面，NGSS強調(diào)評價的目的在于促進學(xué)生學(xué)習(xí)。該課程中，教師、學(xué)生共同根據(jù)活動手冊的記錄內(nèi)容開展過程性評價，通過抗震產(chǎn)品檢測進行作品評價，實現(xiàn)以評促改。教師采用多元評價、自我反思、拓展遷移等方法對學(xué)生進行評價，體現(xiàn)NGSS注重的多元化評價理念。

三、案例特點及啟示

（一）以學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向

“建造抗震房屋”STEAM課程案例具有綜合性、實踐性的特點，課程涉及科學(xué)探究、數(shù)字化實驗工具的使用、跨學(xué)科整合、基于項目的學(xué)習(xí)、真實情境下的活動、團隊合作解決問題等要素。課程綜合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的相關(guān)知識和技能，將知識的獲取、方法與工具的利用以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過程有機融合，有利于培養(yǎng)學(xué)生理解、應(yīng)用核心概念和原則的能力，促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展。對于我國學(xué)生來說，在中小學(xué)階段比較注重學(xué)習(xí)概念性知識，很少有機會實踐。在當(dāng)前的“雙減”背景下，核心素養(yǎng)導(dǎo)向的課程改革理念可以借助STEAM課程落實。教師利用便捷的數(shù)字化實驗工具開展STEAM教學(xué)，將手機變成教學(xué)工具，讓學(xué)生在參與、體驗、獲得知識的過程中，不僅獲得結(jié)果性知識，而且習(xí)得蘊含在項目問題解決過程中的過程性知識。

（二）數(shù)字化實驗是STEAM教育的重要手段

立足于智能化的感知和測量，數(shù)字化實驗?zāi)軌蚋由钊氲赜|及STEAM教育的本質(zhì)，并且推動我國基礎(chǔ)教育課程教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。數(shù)字化實驗可用于物理、化學(xué)、地理等各個學(xué)科的實驗探究，教師在授課過程中適時穿插小型實驗，有利于增強對學(xué)生的吸引力。數(shù)字化實驗?zāi)軌蚯逦庇^地實時顯示數(shù)字和圖像結(jié)果，拓展研究范圍、提高數(shù)據(jù)精度，幫助學(xué)生養(yǎng)成以真實數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的思維習(xí)慣。數(shù)字化實驗還具有環(huán)境普適、方便遷移的特點，使實驗和探究不受地點、課型限制，克服組織障礙，促進家校融合。此外，教師使用過程記錄、網(wǎng)絡(luò)分享等功能，可以進行跨時空匯總分析，便于分析學(xué)情和評價教學(xué)。

（三）在學(xué)科教學(xué)的基礎(chǔ)上開設(shè)STEAM課程

STEAM教育對于教師的要求較高，不僅需要其在教學(xué)方法上加以轉(zhuǎn)變，而且要具備多個領(lǐng)域的知識和技能。美國也存在STEAM師資缺乏的問題，美國政府通過加大科研經(jīng)費投入和教師培訓(xùn)來解決。我國要想發(fā)展STEAM教育，也需要加大STEAM教育人才培養(yǎng)力度，學(xué)習(xí)國外的先進經(jīng)驗，并根據(jù)我國中小學(xué)教學(xué)的實際情況進行本土化改進。在我國開設(shè)STEAM課程，教師需要根據(jù)中小學(xué)校的課程體系進行設(shè)計。STEAM教育要求學(xué)生具有一定的學(xué)科知識，否則可能會在操作時遇到困難。教師首先應(yīng)該依據(jù)教材的內(nèi)容，精通數(shù)字化實驗所要求的相關(guān)操作，適時使用數(shù)字化器材，做好演示實驗。在上述案例中，由具備較強的數(shù)字化勝任力的學(xué)科教師教學(xué)，學(xué)科教師需要具備整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)法知識（Technological Pedagogical Content Knowledge，TPACK），才能設(shè)計數(shù)字化實驗教學(xué)方案，讓學(xué)生了解技術(shù)應(yīng)用、技術(shù)發(fā)展過程，具備分析新技術(shù)如何影響自己乃至周邊環(huán)境的能力。

（四）學(xué)校需要建設(shè)STEAM系列課程

在“建造抗震房屋”案例中，教師需要利用多種材料和工具開展數(shù)字化實驗教學(xué)。由于是實踐性課程，教師在備課時需要花費較多時間進行實驗、模擬學(xué)生可能出現(xiàn)的問題，以便在課程中為學(xué)生提供指導(dǎo)。因此，對于學(xué)校而言，要開設(shè)這樣一節(jié)STEAM課程需要投入更多人力和物力。我國中小學(xué)校要高效實施STEAM課程，需要學(xué)校管理層的支持和推動。只有他們對STEAM教育有足夠的了解并意識到STEAM教育對學(xué)生發(fā)展的重要意義，才能更有動力去推動數(shù)字化實驗室的建設(shè)、教師的數(shù)字化實驗技能培訓(xùn)等工作。由于STEAM課程涉及多個學(xué)科，因此學(xué)校開設(shè)STEAM課程首先要從“融合”二字上下功夫，需要多個學(xué)科的教師合作。學(xué)校應(yīng)調(diào)動教師的積極性，讓教師伴隨著課程建設(shè)而共同成長。STEAM課程開發(fā)是一個難得的教學(xué)改革契機，學(xué)校要充分思考和兼顧自身特色，立足實際，攻堅克難，實現(xiàn)育人機制的全面升級。

參考文獻

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[3] 劉林.中學(xué)物理數(shù)字化實驗常用手段與策略[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2020（11）：14-17.

（作者張一鳴系人民教育出版社在站博士后、期刊編輯室編輯；和淵系中國人民大學(xué)附屬中學(xué)高級教師；侯靜雯系鄭州師范學(xué)院教師教育綜合技能訓(xùn)練中心講師；韓明哲系美國俄亥俄州立大學(xué)計算機科學(xué)與工程系碩士研究生）

責(zé)任編輯：祝元志