以智能手機為中心的中學STEM教育課程探索

◆楊欣 劉小秋

以智能手機為中心的中學STEM教育課程探索

◆楊欣 劉小秋

介紹智能手機開展STEM教學的目的與優勢、教學課程設計，以某中學某班的STEM課程單擺物理實驗作為案例，進行通用技術教學效果分析。

智能手機；STEM教育；中學通用技術課程

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.010

中學信息技術課程是一門科學內涵豐富的課程，在課程內容更多地融入學生當前所學的物理、生物、化學等知識，是當前急切的需求之一。通過STEM（科學、技術、工程和數學）教育，以項目實踐的形式進行中學信息技術教學是當前的發展趨勢［1］。STEM教育引入中學通用技術課程，中學生自發的實踐探索越來越重要［2］。教育部《中小學教師信息技術應用能力標準（試行）》明確指出，掌握互聯網、移動設備及其他新技術的常用操作，了解其對教育教學的支持作用。利用技術手段整合多方資源，實現學校、家庭、社會相連接，拓展學生的學習空間。

傳統實驗教學中，需要固定的實驗室和額外的測量設備，課程制作成本高、學生參與度低［3］。智能手機普及率高，且內置的各類傳感器，如加速度傳感器、電子羅盤、陀螺儀、攝像頭、NFC（近場通信）等，使學生在“玩”手機過程中，能直接測量現實世界中的物理量［4］。在信息技術課程中，使用智能手機作為測量設備來設計STEM教育實踐課程，使得信息技術課程與物理課程的結合成為可能。本文設計單擺物理實驗為例，將信息技術教學與物理課程知識結合起來，從而培養學生的信息技術動手能力和科學分析能力。

1　智能手機開展STEM教學的目的

移動技術是新技術的體現，掌握并使用新的工具，并將其應用到中學通用技術課堂教學。通過工程項目設計，提高學生對科學知識的興趣，實現對物理知識的理性理解。在日常生活中對所學課本知識進行活學活用，培養學生發散思維與日常科學素養。在實驗項目實踐過程中培養學生辯證思維。智能手機不僅是娛樂工具，在合理用途下可以成為進行科學實驗的工具。

2　智能手機開展STEM教學的優勢

教學形式新穎，對學生有吸引力 智能手機在中學校園中受到抵制，學生對玩手機的興趣被壓抑。學生對手機有天然的親近感，喜愛使用智能手機。學生熟悉手機操作，且通過新穎的實驗載體帶動對實驗中科學知識的探索。

手機普及率高，手機實驗成本低 當前學生手機持有率非常高，因此，開展以手機為中心的實驗，無需購置額外的材料及實驗儀器。對學校而言，教學成本低，教師用更多的精力來創造實驗方案。

移動性好，隨時開展實驗 以手機為中心的項目教學，是一個移動的實驗室。相比傳統的固定實驗，手機為中心的實驗不局限于場地，可以在室內室外、校內校外進行實驗及學習。

3　教學課程設計

步驟一：手機內置傳感器選取。根據教學目的設計實踐項目，分析項目中測量的物理參數，選擇智能手機特定的傳感器。

步驟二：導出手機傳感器度數。針對傳感器種類，在智能手機應用商店（如Google Store、Apple Store）中下載相應的軟件工具；或者開發手機應用軟件。通過這些軟件獲取手機內置傳感器的度數，并將度數輸出到計算機。

步驟三：數據分析。將數據導入計算機，并對數據進行計算、分析。在通用技術課程中，使用已經掌握的數據分析軟件（如MS Office Excel、MATLAB等工具）。通過數據分析工具的使用，在大數據時代背景下，培養學生對數據處理初步認識。

步驟四：實驗結論的分析及科學解釋。將數據分析得到的曲線、圖標，對應到實驗項目的內容，進行誤差分析和原理解釋。

步驟五：訓練學生團隊協作。以項目組的形式將學生進行分組，以團隊合作的形式完成實驗項目。

4　單擺實驗項目教學案例

教學任務設計 高中物理課程的理想數學模型中的物理參數（如加速度及加速度不同方向上的分量等），物理教材中沒有涉及實驗，學生測量及觀測這類參數有助于物理知識的鞏固。嘗試設計并實現一個單擺實驗。智能手機作為單擺系統中的擺動節點，使用智能手機的內置加速度傳感器測量手機在運動中的x、y、z方向上的分量，如圖1所示。最后使用Excel將采集的數據繪制成曲線。

教學工具 智能手機、手機加速度應用程序Physics Toolbox Accelerometer、數據分析軟件MS Office Excel。

教學過程 使用繩索及智能手機設計物理實驗，如圖1所示；針對實驗內容設計理想狀態下的物理原理圖，如圖2所示；對導出的數據進行分析和解讀，如圖3所示。

圖1　手機單擺實驗實物圖

圖2　單擺實驗示意圖及加速度分量標記

圖3　手機采集的單擺加速度在x、y、z方向上的時間序列

課程反思 掌握智能手機使用技能；學習智能手機內置傳感器的功能，安裝智能手機軟件、Excel軟件的繪圖技能；測量數據、直觀感知加速度物理量；直接測量加速度分量，提高對加速度物理知識的認識。在物理課本中，加速度通常是通過數學計算得到的數值，特別是加速度在各個方向上的分量，需要采用理想的數學模型計算。高中物理課本中的實驗無法直接測量、觀測、感知。分析數據，培養辯證的科學思維。使用繪圖工具，直接將數據繪制成曲線，采用直觀的可視化方法分析加速度變化趨勢，通過趨勢分析存在的物理原理。現實測量的數據與理想計算的數據的區別，并分析誤差原因，從而將其他物理知識串聯起來。

5　總結

本文面向中小學通用技術課程，提出以智能手機為中心的STEM教學的一般方法、實踐項目設計步驟。教學方法實現了以下教學目的。

1）提升學習自主性。在完成分組實驗后，有一組學生主動提出用手機測量其他物理量，能自行提出實驗方案。這樣就改變了以前的師生關系，由“填壓式”教學轉換為引導型教學，表明以智能手機為中心的STEM教學能提高學生的自主性和積極性。

2）拓寬知識面。在教學案例中，10組學生均完成實驗，學會使用手機軟件、Excel軟件、數據繪圖及分析方法。部分學生項目組長對數據進行分析，查找資料進行誤差分析，通過項目實踐，自發拓展了知識面。

3）激發自主互助。與非STEM教學的信息課程相比，本次項目實踐教學案例中，學生實踐報告提及團隊的配合。智能手機的項目教學取得組內成員自發分工協作、齊頭并進的效果。■

［1］魏寧.美國“STEM高中”啟示錄［J］.中小學信息技術教育，2015（12）：66.

［2］張紅洋.美國中小學STEM教育對我國基礎教育的啟示［J］.新課程研究，2014（8）：15-17.

［3］張丹彤.讓智能手機成為中學物理實驗教學的好幫手［J］.物理教師，2014（11）：39-40.

［4］李玉峰.用智能手機輔助聲學實驗創新設計［J］.實驗教學與儀器，2014（11）：35-36.

G633.67

B

1671-489X（2016）14-0010-03

作者：楊欣，華中農業大學資源與環境學院，研究興趣涉及教育裝備設計與開發、移動地理信息技術（430070）；劉小秋，武漢市第二十三高級中學高級教師，主要從事中學STEM教學方法研究（430050）。