基于STEM理念的信息科技與初中物理實(shí)驗(yàn)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?xiàng)目式學(xué)習(xí)為例，在“CDIE”項(xiàng)目式教學(xué)模式下以開源硬件為載體，在真實(shí)生活情境中展開探究實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)踐應(yīng)用并重的學(xué)科內(nèi)容，從實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解基本概念和原理，鼓勵(lì)學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)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(shí)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(jiǎn)稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合。STEM教育并不是四門學(xué)科的簡(jiǎn)單疊加，而是強(qiáng)調(diào)有機(jī)融合，以能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)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(shí)際問題的實(shí)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(shí)驗(yàn)課程中，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際問題或項(xiàng)目為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)課程中真正掌握科學(xué)原理與知識(shí)技能并靈活遷移運(yùn)用解決真實(shí)問題的能力。

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

初中物理“實(shí)驗(yàn)探究”課程包含測(cè)量類和探究類的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)28個(gè)，體現(xiàn)了物理課程實(shí)踐性的特點(diǎn)，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)也是信息科技學(xué)科信息意識(shí)核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)。

（一）STEM理念改變傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的單一目的性

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)以演示為主，具有很強(qiáng)的單一目的性，這種以知識(shí)學(xué)習(xí)為目的的物理實(shí)驗(yàn)忽視了對(duì)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(shí)踐能力。這就從根本上改變了知識(shí)本位的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)。

首先，STEM教育理念強(qiáng)調(diào)以真實(shí)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(shí)來解決問題。這與傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)以教師為中心，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的教學(xué)方式不同，可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目或問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，通過實(shí)際操作，解決真實(shí)的問題或任務(wù)。這有助于提升學(xué)生的動(dòng)手操作能力和思維能力。

其次，STEM教育理念注重學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和交流能力的培養(yǎng)。在解決實(shí)際問題的過程中，學(xué)生通過與團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)合作和交流能力。

（二）STEM理念下基于項(xiàng)目的“CDIE”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

“CDIE”教學(xué)模式指“激發(fā)構(gòu)思（C），充分設(shè)計(jì)（D），穩(wěn)步實(shí)施（I），有效評(píng)價(jià)（E）”教學(xué)模式。 基于項(xiàng)目的“CDIE”教學(xué)模式融合了真實(shí)性學(xué)習(xí)、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)?！绊?xiàng)目教學(xué)”能夠以“實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”為載體，開展探究活動(dòng)，將一個(gè)與真實(shí)問題相關(guān)的項(xiàng)目讓學(xué)生在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中完成問題解決方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施及最終評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)。[3]

項(xiàng)目式“CDIE”教學(xué)模式需要教師活動(dòng)和學(xué)生活動(dòng)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(shí)驗(yàn)相關(guān)的生活中的真實(shí)問題，學(xué)生則根據(jù)真實(shí)問題發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象?！霸O(shè)計(jì)”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(shí)驗(yàn)問題并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程。“實(shí)施”環(huán)節(jié)教師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)施實(shí)驗(yàn)的過程，學(xué)生則根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄并分析實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)總結(jié)并與預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比調(diào)整繼續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程或調(diào)整實(shí)驗(yàn)結(jié)果，“評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)通過教師評(píng)和學(xué)生自評(píng)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行反思，對(duì)設(shè)計(jì)和實(shí)施過程繼續(xù)優(yōu)化，在不斷的學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)的迭代循環(huán)中，最終完成實(shí)驗(yàn)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(jì)與實(shí)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(jì)算機(jī)編程嘗試實(shí)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?shí)例分析生活中聲控?zé)舻牡湫蛻?yīng)用場(chǎng)景，從中發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)聲控?zé)舻木幊舔?yàn)證?？鐚W(xué)科概念涉及到電路設(shè)計(jì)與連接、數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算、計(jì)算機(jī)圖形化、編程、道德與法治等。

（二）學(xué)習(xí)者分析

初中高年級(jí)的學(xué)生具備相對(duì)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(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)的探究。初中階段他們學(xué)習(xí)了python編程，對(duì)算法的特征和描述方式有一定的了解，并且能夠?qū)?jiǎn)單的問題使用自然語言和流程圖進(jìn)行算法的描述，對(duì)串并聯(lián)電路有一定的了解。他們?cè)谛W(xué)階段還學(xué)習(xí)了Scarino圖形化編程和Arduino板的知識(shí)，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(duì)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(shí)，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?xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)分為學(xué)科核心知識(shí)與核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)分析如下?？茖W(xué)：聲控?zé)舻脑恚浑娐吩O(shè)計(jì)的基本知識(shí)。技術(shù)：開源硬件的連接；使用Linkboy編程開發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)聲控?zé)舻恼９ぷ?。工程：聲控?zé)艚Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；根據(jù)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成開源硬件的引腳連接；對(duì)搭建好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試、調(diào)整、優(yōu)化。數(shù)學(xué)：邏輯“與、或、非”運(yùn)算；根據(jù)閾值判斷LED燈亮滅的條件設(shè)計(jì)。物理：串、并聯(lián)電路。

信息意識(shí)：學(xué)生能夠感知到信息科技對(duì)個(gè)體與社會(huì)在學(xué)習(xí)和生活上的影響，理解聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理。計(jì)算思維：學(xué)生通過分析聲控?zé)舻墓ぷ髟?，識(shí)別其中的輸入、計(jì)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(gè)模塊的功能，并且利用線上平臺(tái)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(huì)責(zé)任：理解計(jì)算機(jī)如何控制聲控?zé)舻脑?，感受信息科技?duì)生活各方面的影響，能夠理解系統(tǒng)中存在的問題并提出有效的解決方案。

（四）教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

【真實(shí)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(fèi)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(huì)忽略常見事物，不會(huì)去深究它的工作原理，通過一個(gè)實(shí)例新聞讓學(xué)生把目光聚焦到聲控?zé)羯?，引發(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?、控制器和LED燈四個(gè)模塊組成及各個(gè)模塊的作用?？刂破鳎菏占畔⒉⑼ㄟ^計(jì)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(qiáng)度信息；聲音傳感器：獲取模塊周圍的聲音強(qiáng)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(shí)并分析聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)中“輸入” “計(jì)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?jì)算設(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(shí)，也為接下來用開源硬件模擬聲控?zé)糇隽虽亯|。

【設(shè)計(jì)實(shí)施 驗(yàn)證方案】

學(xué)生通過小組合作完成聲控?zé)舻挠布罱?。搭建的過程中教師要提醒學(xué)生注意硬件模塊的端口與控制器的端口要對(duì)應(yīng)，教師可以提前錄制一個(gè)關(guān)于線路連接的視頻。學(xué)生結(jié)合學(xué)過的電路知識(shí)及生活中得經(jīng)驗(yàn)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(shí)時(shí)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(jì)的算法在Linkboy編程軟件中進(jìn)行編程并下載程序驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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?shí)驗(yàn)過程對(duì)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(duì)整個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行知識(shí)的升華。

（五）課堂評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

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(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)方式。圍繞信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)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(píng)價(jià)方式，體現(xiàn)核心概念和關(guān)鍵知識(shí)。本課選擇針對(duì)任務(wù)活動(dòng)的過程性評(píng)價(jià)、自我評(píng)價(jià)和問卷測(cè)試這幾種評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式。評(píng)價(jià)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(shí)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(shí)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(jià)值的、真實(shí)性的學(xué)習(xí)問題與實(shí)踐，建構(gòu)有意義的學(xué)習(xí)，通過項(xiàng)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(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)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(guó)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(guó)教育部制定.

[3]劉子妍.基于真實(shí)性學(xué)習(xí)的“CDIE”項(xiàng)目化教學(xué)模式構(gòu)建研究[J].中國(guó)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）.