王蕾

教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)

隨著創(chuàng)新教育的推廣，STEM項(xiàng)目與信息技術(shù)的融合已然成為學(xué)科研修的重點(diǎn)內(nèi)容，涌現(xiàn)出大量的整合課例、示范課。但是STEM項(xiàng)目究竟應(yīng)該以怎樣的方式走進(jìn)中小學(xué)的課堂？如今眾說(shuō)紛紜、各有千秋，卻無(wú)定論。

問(wèn)題分析

本文從STEM項(xiàng)目中的元概念入手，探索STEM素養(yǎng)在信息技術(shù)課程中的體現(xiàn)方式，研究STEM項(xiàng)目如何從素養(yǎng)層次與信息技術(shù)課程進(jìn)行深層次的融合，分析其在教學(xué)中具體落實(shí)和細(xì)化的方式，并呈現(xiàn)為具體的課例。

STEM素養(yǎng)與信息技術(shù)課程的聯(lián)系

教育部發(fā)布的《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出，“探索 STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式”，培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)，形成二十一世紀(jì)公民所具備的科學(xué)素養(yǎng)。

結(jié)合信息技術(shù)教學(xué)實(shí)踐情況，本文將STEM綜合素養(yǎng)細(xì)化為各具體要素（科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)），其中信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)中，包括技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)等內(nèi)容，并結(jié)合具體的信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容，將科學(xué)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)進(jìn)行有機(jī)的重整，最終落實(shí)為具體的課程。

STEM素養(yǎng)在信息技術(shù)課程中的落地方式

STEM教育強(qiáng)調(diào)各學(xué)科的整合效能，體現(xiàn)為學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升。落實(shí)在信息技術(shù)教學(xué)中，體現(xiàn)為基于STEM素養(yǎng)的信息技術(shù)教學(xué)方式的改革：從注重“基礎(chǔ)知識(shí)”與“基本技能”的雙基教學(xué)目標(biāo)，轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘龑W(xué)科素養(yǎng)的意義學(xué)習(xí)；從強(qiáng)調(diào)知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀的三維目標(biāo)體系，轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘龑W(xué)生綜合素養(yǎng)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；從考察學(xué)生技能達(dá)標(biāo)層次的評(píng)價(jià)方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)學(xué)習(xí)的過(guò)程性評(píng)價(jià)；從線性的教授技能模仿的目標(biāo)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生積極地進(jìn)行個(gè)性化的作品表達(dá)。

究其學(xué)科屬性而言，信息技術(shù)課程在STEM素養(yǎng)的指引下，以更為開(kāi)放性、綜合性、個(gè)性化的面目呈現(xiàn)于學(xué)生面前，將整合后的完整全面的資源提供給學(xué)生，使接受基于STEM素養(yǎng)的課程教育的學(xué)生，可以具備更為合理性的綜合素養(yǎng)，能夠根據(jù)生活或項(xiàng)目需要，提升開(kāi)放、自由的創(chuàng)作能力，從而創(chuàng)作具有創(chuàng)新品質(zhì)的作品。

基于STEM素養(yǎng)的信息技術(shù)教學(xué)方式

1.信息技術(shù)課程中凸顯技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力

技術(shù)素養(yǎng)是STEM素養(yǎng)的組成部分之一，技術(shù)素養(yǎng)原指學(xué)習(xí)個(gè)體對(duì)科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和做出相應(yīng)決定所必需的基本知識(shí)和能力，是對(duì)一種科學(xué)方法評(píng)價(jià)的強(qiáng)有力的認(rèn)知方式，是區(qū)分科學(xué)和技術(shù)并察覺(jué)它們之間聯(lián)系的能力。

在信息技術(shù)學(xué)科中，技術(shù)素養(yǎng)具體落實(shí)為學(xué)生掌握的信息獲取、加工、處理的能力。

在傳統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)中，技術(shù)素養(yǎng)源于三維目標(biāo)中的知識(shí)與技能目標(biāo)，對(duì)知識(shí)與技能目標(biāo)進(jìn)行了拓展和提升。技術(shù)素養(yǎng)注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自身的創(chuàng)新要求，尋求適宜的技術(shù)手段，以期達(dá)成作品。技術(shù)素養(yǎng)改變了原教學(xué)目標(biāo)中對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能的要求，強(qiáng)調(diào)在過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，技術(shù)素養(yǎng)成為學(xué)生實(shí)踐的工具和途徑。

（1）原設(shè)計(jì)

《初識(shí)人工智能》一課是義務(wù)教育階段最新的課程內(nèi)容，隨著各地對(duì)人工智能模塊的積極推動(dòng)，近期涌現(xiàn)出一批以此為主題的公開(kāi)課。根據(jù)收集的教學(xué)情況來(lái)看，該課的基本思路如下：

①生活例舉：人工智能應(yīng)用實(shí)例（生活運(yùn)用），如科大訊飛語(yǔ)音識(shí)別、智能導(dǎo)航機(jī)器人等。

②概念表達(dá)：出示人工智能的概念。

③內(nèi)涵解析：結(jié)合概念，解釋其中的核心技術(shù)，如語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的底層數(shù)據(jù)組成及交換技術(shù)等。

④學(xué)生討論：生活中還有哪些應(yīng)用的實(shí)例，學(xué)生進(jìn)行討論。

⑤外延拓展：教師提出人工智能的應(yīng)用方式，引發(fā)學(xué)生拓展思維。

（2）思考焦點(diǎn)

以上教學(xué)設(shè)計(jì)在教學(xué)實(shí)踐中較為常見(jiàn)，符合多數(shù)教師的教學(xué)設(shè)計(jì)習(xí)慣。但是在所收集的教學(xué)素養(yǎng)中，學(xué)生對(duì)人工智能的概念依舊模糊，課上雖然能夠在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行討論，但是學(xué)習(xí)過(guò)程浮于表面，并未達(dá)成實(shí)際的概念認(rèn)知。因此，當(dāng)課后反饋學(xué)習(xí)效能時(shí)，多數(shù)學(xué)生出現(xiàn)了知其然、不知其所以然的尷尬狀況。甚至有聽(tīng)課教師感言，這是一節(jié)“類信息、實(shí)品社”的偽信息技術(shù)課。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

信息技術(shù)課的技術(shù)素養(yǎng)是毋庸置疑的學(xué)科核心，在該課的教學(xué)中，首先應(yīng)該厘清人工智能的核心技術(shù)、明晰人工智能與其他新技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，才能實(shí)施達(dá)到學(xué)科素養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)。

根據(jù)此過(guò)程，建議教學(xué)過(guò)程如下：

①問(wèn)題創(chuàng)設(shè)：如果你在異地旅游，當(dāng)?shù)卣Z(yǔ)言不通，你該如何尋找你的目的地呢？

②學(xué)生展開(kāi)討論（如下頁(yè)表1）。

③教師小結(jié)以上解決策略（機(jī)器翻譯、語(yǔ)音播報(bào)、手機(jī)導(dǎo)航等），提出其共同的特點(diǎn)。

④概念歸納：機(jī)器人模擬人的智慧，借助大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換——提出人工智能的核心概念。

⑤實(shí)踐感受：打開(kāi)具備人工智能技術(shù)的軟件平臺(tái)，在線進(jìn)行語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換——將中文翻譯為英語(yǔ)、法語(yǔ)，將文字語(yǔ)言翻譯為機(jī)器語(yǔ)言播報(bào)。

⑥分析程序：了解底層數(shù)據(jù)和程序設(shè)計(jì)的基本過(guò)程，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改。

⑦應(yīng)用嘗試：自我嘗試，根據(jù)學(xué)生興趣嘗試人工智能模塊的應(yīng)用。

⑧實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新：利用簡(jiǎn)易的人工智能平臺(tái)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)短的語(yǔ)言模板應(yīng)用試驗(yàn)。

⑨總結(jié)拓展：教師出示人工智能應(yīng)用圖，總結(jié)該技術(shù)的多方面應(yīng)用。

教學(xué)評(píng)析：該教學(xué)設(shè)計(jì)借助具體的人工智能應(yīng)用技術(shù)，將概念的入口縮小，給予學(xué)生充分的體驗(yàn)機(jī)會(huì)，將技術(shù)的應(yīng)用和學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，讓學(xué)生既能建立明確的技術(shù)概念認(rèn)知，也能夠根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)合理地進(jìn)行內(nèi)化處理。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生在課程結(jié)束后，可以建立較為明確的人工智能技術(shù)概念，達(dá)到了學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)。

2.信息技術(shù)課程中拓展工程素養(yǎng)，體驗(yàn)泛在的STEM項(xiàng)目

工程素養(yǎng)是STEM素養(yǎng)的組成部分之一，工程素養(yǎng)原指從事工程實(shí)踐的工程專業(yè)技術(shù)人員面向工程實(shí)踐活動(dòng)時(shí)所具有的潛能和適應(yīng)性。具備工程素養(yǎng)的學(xué)習(xí)者具有敏捷的思維、正確的判斷和善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力；能夠?qū)⒗碚撝R(shí)和實(shí)踐融會(huì)貫通；具有可以把構(gòu)思變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的技術(shù)能力；具有很強(qiáng)的靈活性和創(chuàng)造性。

在信息技術(shù)學(xué)科中，工程素養(yǎng)具體落實(shí)為學(xué)生可以根據(jù)項(xiàng)目目標(biāo)要求設(shè)計(jì)STEM項(xiàng)目達(dá)成過(guò)程、合理規(guī)劃最優(yōu)路徑的素養(yǎng)。

對(duì)于信息技術(shù)教學(xué)而言，工程素養(yǎng)與學(xué)科核心素養(yǎng)具有異曲同工之處：信息技術(shù)核心素養(yǎng)改變了以往重技能、輕過(guò)程，重結(jié)果、輕優(yōu)化的學(xué)科導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)作品性的完整表達(dá)，注重依托具體的實(shí)踐作品承載技術(shù)的實(shí)施。工程素養(yǎng)借助工程素質(zhì)的表達(dá)方式，將STEM項(xiàng)目借助工程學(xué)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為學(xué)生創(chuàng)建類似工程學(xué)建構(gòu)的過(guò)程，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素養(yǎng)，提升了解決問(wèn)題的能力。

（1）原設(shè)計(jì)

《智能燈》是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模塊的內(nèi)容，教學(xué)重點(diǎn)是利用傳感器控制LED燈的開(kāi)關(guān)及亮度，內(nèi)容涉及光線傳感器等硬件設(shè)備及編程平臺(tái)。在常見(jiàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師一般采用如下教學(xué)流程：介紹光線傳感器的工作原理—利用光線傳感器測(cè)量當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的光照值并記錄—搭建LED燈模塊—利用軟件平臺(tái)編寫程序—光照值變量低于平均照度值時(shí)，LED燈開(kāi)啟—光照值變量高于平均照度值時(shí)，LED燈關(guān)閉—學(xué)生實(shí)驗(yàn)，教師指導(dǎo)—總結(jié)程序特點(diǎn)，歸納智能燈的原理。

（2）思考焦點(diǎn)

從常規(guī)思路而言，本課是較為典型的“傳感器入手、編程主導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的設(shè)計(jì)流程。從教學(xué)外顯來(lái)看，此教學(xué)過(guò)程中，主要教學(xué)內(nèi)容一一呈現(xiàn)，并無(wú)疏漏。但是仔細(xì)觀察，本課的教學(xué)重點(diǎn)有所偏頗，看似內(nèi)容都有所介紹，但是缺乏教學(xué)重點(diǎn)的主題。因此，學(xué)習(xí)的過(guò)程是機(jī)械的模仿，而并非STEM項(xiàng)目所倡導(dǎo)的綜合應(yīng)用能力運(yùn)用。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

基于STEM工程素養(yǎng)的教學(xué)過(guò)程可以對(duì)整個(gè)內(nèi)容進(jìn)行合理的工程性的規(guī)劃：

教學(xué)主題：《聽(tīng)話的智能燈》。

項(xiàng)目要求：利用光線傳感器制作智能臺(tái)燈。

教學(xué)過(guò)程：

①出示實(shí)物：感應(yīng)式臺(tái)燈：人來(lái)燈亮，10秒鐘后熄滅。

②組織討論：感應(yīng)式臺(tái)燈是什么？學(xué)生討論，引發(fā)出人體紅外傳感器對(duì)燈的控制。

③遷移規(guī)劃：如果你要為自己設(shè)計(jì)一款可以隨時(shí)根據(jù)環(huán)境改變光照的臺(tái)燈，你會(huì)怎么做（如表2）？

④實(shí)驗(yàn)嘗試：學(xué)生根據(jù)自己的規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)智能燈。可以選擇多種智能傳感設(shè)備，LED燈的工作方式也可以根據(jù)學(xué)生的規(guī)劃進(jìn)行私人訂制。

⑤探究原理：何為“聽(tīng)話的智能燈”？歸納出“聽(tīng)話”的原因，豐富完善自己的作品。

教學(xué)評(píng)析：以上教學(xué)設(shè)計(jì)是較為典型的STEM項(xiàng)目化的信息技術(shù)課，教學(xué)過(guò)程以具體的項(xiàng)目為核心，將工程素養(yǎng)作為推動(dòng)學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)因，幫助學(xué)生在工程規(guī)劃的基礎(chǔ)上，利用信息化手段實(shí)施工程操作，進(jìn)而完成具體的工程作品。學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程不是跟隨教師指揮棒的模仿與操練了，而是帶有明確指標(biāo)指向的綜合性創(chuàng)作過(guò)程。

3.信息技術(shù)課程中延伸數(shù)學(xué)素養(yǎng)，體驗(yàn)計(jì)算思維的過(guò)程

數(shù)學(xué)素養(yǎng)也是STEM素養(yǎng)的組成部分之一，數(shù)學(xué)素養(yǎng)是指學(xué)習(xí)者所具有的創(chuàng)造、歸納、演繹和數(shù)學(xué)建模能力的總成。其注重強(qiáng)調(diào)定義，強(qiáng)調(diào)問(wèn)題存在的條件；在認(rèn)識(shí)問(wèn)題時(shí)，能夠?qū)⒁延械膰?yán)格的數(shù)學(xué)概念廣義化，用于認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題。

在信息技術(shù)學(xué)科中，數(shù)學(xué)素養(yǎng)具體落實(shí)為一定的計(jì)算思維能力，能夠?qū)η蠼膺^(guò)程進(jìn)行合理優(yōu)化、對(duì)編程內(nèi)容進(jìn)行符合要求的修改、可以借助算法思維工具處理數(shù)據(jù)。

對(duì)于信息技術(shù)教學(xué)而言，數(shù)學(xué)素養(yǎng)是計(jì)算思維的基礎(chǔ)，當(dāng)學(xué)習(xí)者具備一定的數(shù)學(xué)素養(yǎng)后，可以進(jìn)行一定的計(jì)算思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練。因此，數(shù)學(xué)素養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的必要條件之一，計(jì)算思維也為數(shù)學(xué)素養(yǎng)提供了實(shí)踐的載體。

（1）原設(shè)計(jì)

《機(jī)器人走迷宮》是信息技術(shù)課程中常見(jiàn)的一課，本課的學(xué)段跨度較大，依據(jù)不同的軌道，難度差異也大相徑庭。在教學(xué)過(guò)程中，本課是教師常難以把控的一節(jié)課。在常規(guī)的設(shè)計(jì)中，一般思路如下：機(jī)器人測(cè)光值—圓形軌道入手—六邊形軌道練習(xí)—八字形迷宮提升迷宮難度—學(xué)生練習(xí)—各小組匯報(bào)。

（2）思考焦點(diǎn)

以上教學(xué)過(guò)程中，教師對(duì)于已有知識(shí)的鋪墊到位，為迷宮的介入提供了必要的知識(shí)基礎(chǔ)。但是顯而易見(jiàn)，教學(xué)過(guò)程中，一節(jié)課的課時(shí)顯然不足以支撐全部的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法在有限的課時(shí)內(nèi)完成任務(wù)。分析未達(dá)成的原因，學(xué)生對(duì)迷宮程序的編寫花費(fèi)了大量的時(shí)間，導(dǎo)致后續(xù)時(shí)間不足。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

STEM素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展需要的學(xué)習(xí)腳手架，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)容，高效地完成需要建立的認(rèn)知地圖。本課可改進(jìn)如下：

復(fù)習(xí)機(jī)器人循線的程序。

思考1：如果有更多軌道線應(yīng)該如何修改程序？修改源程序適應(yīng)不同的軌道線。

思考2：如果軌道線直接彼此交叉應(yīng)該如何修改程序？增加變量，判斷機(jī)器人的位置。

思考3：為了盡快到達(dá)終點(diǎn)，還需要增加哪些傳感器？增加碰撞傳感器或超聲波傳感器。

實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證自我的預(yù)設(shè)，并調(diào)整程序。

總結(jié)：評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，優(yōu)化程序、調(diào)整機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

教學(xué)評(píng)析：在以上設(shè)計(jì)中，計(jì)算思維成為教學(xué)的主導(dǎo)，借助數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，將不同的軌道要求細(xì)化為不同的數(shù)學(xué)問(wèn)題，讓學(xué)生通過(guò)邏輯推理的方式進(jìn)行運(yùn)算和優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)程序的遷移。在實(shí)際教學(xué)中，具備一定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生可以較為順利地完成該任務(wù)，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可以在小組內(nèi)部得以鍛煉，取得了較為成功的教學(xué)效果。

STEM素養(yǎng)的體現(xiàn)核心

STEM素養(yǎng)是一種綜合素養(yǎng)，它在信息技術(shù)課程中具體細(xì)化為技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，并借助合理的教學(xué)主題進(jìn)行物化。在此過(guò)程中，信息接收的主體是處于學(xué)習(xí)主體的學(xué)生，課程服務(wù)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)課程的核心素養(yǎng)。在教學(xué)過(guò)程中，要關(guān)注以下幾點(diǎn)：

首先，關(guān)注綜合素養(yǎng)。以上三種素養(yǎng)并非孤立的，而是一個(gè)完整的素養(yǎng)主題的不同方面，教學(xué)過(guò)程中應(yīng)將其進(jìn)行綜合考量，而并不能彼此分割。

其次，關(guān)注灰度核心地帶。三種素養(yǎng)之間有交叉兼容的部分，我們稱之為灰度核心地帶。此部分內(nèi)容，為發(fā)展典型素養(yǎng)提供條件，如必要的知識(shí)補(bǔ)充、內(nèi)容復(fù)習(xí)等，切不可因?yàn)殛P(guān)注核心素養(yǎng)而忽視了灰度核心地帶的重要作用。

最后，STEM素養(yǎng)除了本文研究的三種素養(yǎng)外，還有科學(xué)素養(yǎng)，即運(yùn)用科學(xué)知識(shí)（如物理、化學(xué)、生物科學(xué)和地球空間科學(xué)）理解自然界并參與影響自然界的有關(guān)決策的能力。在信息技術(shù)學(xué)科中，科學(xué)素養(yǎng)分化在三項(xiàng)素養(yǎng)中，成為其中重要的組成部分。