基于翻轉課堂的高中STEM 教學案例探究
——以自動化傳送帶模型為例

廣西柳州市鋼一中學 韋麗姣

STEM 教育倡導多學科融合、注重創新精神和實踐能力培養，在基礎教育階段實施STEM 教育對于培養面向未來的科技創新型人才具有重要的意義。2016 年，教育部印發的《教育信息化“十三五”規劃》通知中提出有條件的地區要積極探索信息技術在“眾創空間”、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用；2018 年，中國教育科學研究院正式啟動“中國STEM 教育2029創新行動計劃”。雖然STEM 教育逐漸被提上日程，但時至今日，中國STEM 課程體系尚未完全建立，STEM 教學模式還未成熟。因此，本文設計并實施了基于翻轉課堂的STEM 教學案例，希望能提升學生綜合運用多學科知識解決實際問題的能力，豐富STEM 教學案例資源。

一、STEM 教育、Arduino 與翻轉課堂融合的可行性

STEM 教育是一種運用跨學科知識解決問題的教學理念。STEM 教育是將科學、技術、工程和數學有機整合，融合四個學科領域的知識和運用的教育。STEM 教育具有跨學科、趣味性、情境性、協作性、設計性等核心特征。STEM 教學理念的落實需要依托教學內容和教學模式。

Arduino 是一類便捷靈活的開源電子原型平臺。Arduino 開發板具有豐富的接口，可以通過杜邦線連接多種傳感器、LED、馬達、舵機等電子零件，使用者在Arduino IDE 中編寫好程序后上傳到Arduino 開發板中執行，從而控制電子零件實現相應的功能。學生使用Arduino 設計開發作品，能在實踐中學習應用物理、數學、信息技術、工程等學科理論知識，鍛煉邏輯思維，提升創新能力。

翻轉課堂也稱顛倒課堂，是一種先學后教的教學模式，即學生在課前根據教師提供的資源包自主學習，記憶和理解知識，課上學生通過協作完成學習活動等方式內化知識。翻轉課堂創建了學生自主學習與合作學習的環境，符合學生的認知規律。

綜上可知，STEM 教育、Arduino和翻轉課堂具有充分融合的基礎。STEM 教育可以Arduino 為課程內容載體，以翻轉課堂為教學模式去組織實施，讓學生在實踐中學習應用多學科知識，提升自學能力、合作能力和創新能力。

二、基于翻轉課堂的高中STEM教學模式設計

基于翻轉課堂的STEM 教學過程分為三個階段——課前、課中和課后，如圖1 所示。

圖1 STEM 教學過程課前、課中和課后三個階段的設計

課前，教師進行教學設計，包括教學內容分析、學情分析、教學目標分析、教學資源設計、教學過程設計等，上傳學習資源，劃分學習小組。學生線上自主學習，提交課前自主學習任務單，討論交流學習中遇到的困難。

課中，教師根據學生課前學習反饋和疑難問題進行針對性講解，對共性問題重點講解，個別問題個性化輔導，引導學生開展探究活動。學生以小組為單位合作學習，小組成員分工明確，及時溝通交流，確保完成學習任務。學生探究結束后，進行小組成果展示與作品評價，在交流過程中取長補短，體驗創造的成就感和分享的快樂。最后，師生共同總結。

課后，教師和學生進行教學反思，總結閃光之處和不足之處。教師和學生填寫評價量表，檢驗教學目標是否達成。評價指標體系的客觀性、科學性、全面性、系統性對于學生學習和教師教學改進的導向、激勵、調控和診斷具有重要價值。因而，STEM 教育的評價為過程性評價和終結性評價相結合，評價對象為小組評價和個體評價相結合，評價方式為自評、互評和師評三者結合。

三、基于翻轉課堂的高中STEM教學案例設計與實踐

融入地方特色的教學內容既能吸引學生興趣，又能加深學生對本土人文風情的認識。柳州是一座工業城市，柳鋼集團就在學校附近，以鋼鐵生產流程的模型制作為主題開展STEM 教育比較貼近學生實際。在鋼鐵生產過程中，需要把礦石通過傳送帶運往高爐。因此，本文以自動化傳送帶模型的控制為例，讓學生體會STEM 學習過程。自動化傳送帶模型涉及物理、信息技術、通用技術、工程、數學學科，涵蓋的STEM知識如下：光的漫反射原理、紅外數字避障傳感器和電機的工作原理（S），電子技術和編程技術（T），模型的工程結構和機械傳動知識（E），測量距離、計算時間以及數據的處理（M）。

（一）課前階段

教師進行教學設計，準備學習資源，開發微課視頻、微課件、課前學習任務單，把學習資料上傳到UMU互動學習平臺。資料中介紹了紅外數字避障傳感器的工作原理和控制方法；直流電機的結構與工作原理、電機驅動模塊的結構、用Arduino 和電機驅動模塊控制直流電機的正反轉的方法、if...else 語句的使用方法。學生登錄UMU 平臺自主學習，學后提交任務單。學生可以通過UMU、QQ、微信線上討論交流問題。教師在平臺中查看學生的學習時長和任務單完成情況，初步了解學生通過課前自主學習后對知識的掌握情況，為后續設計課堂教學活動提供決策依據。

（二）課中階段

學生以小組為單位開展合作學習活動，在小組合作學習活動中，通過創設合適的問題情境，吸引學生的興趣，發揮學生主觀能動性，貫徹“教師為主導，學生為主體”的教學理念。具體步驟如下。

（1）由手動控制傳送帶運動引出自動控制傳送帶運動的問題。（2）學生回顧相應電子零件的功能，厘清傳送帶整體控制流程。（3）學生根據參考接線圖搭建電路。通過搭建電路，學會安裝電機，熟悉開發板和傳感器、電機驅動模塊的連接，電機驅動模塊和電機、電池的連接。（4）學生討論設計控制傳送帶的算法，繪制流程圖。通過設計算法，厘清實現控制功能的邏輯，培養學生的設計思維、邏輯思維和計算思維。（5）學生根據算法流程圖，在Arduino IDE 中編寫程序。通過編寫程序，熟悉define、pinMode、digitalRead、digitalWrite、delay 函數和if 語句的使用方法，掌握編程基礎知識和技巧。（6）學生上傳程序到Arduino 開發板中，調試修改程序。在調試過程中，學生可能會遇到新問題，例如，物體運送到高處后傳送帶還在工作。這些問題讓學生自己尋找出現問題的原因及解決問題的辦法，提升解決問題的能力。（7）學生展示交流本組成果并根據評價量表進行點評。通過作品展示，增進生生之間的交流，提升學生的表達能力，使學生體會到成功的喜悅感。（8）教師使用思維導圖呈現傳送帶模型控制所需硬件和軟件，強調電子控制的一般流程，幫助學生鞏固記憶知識點，梳理控制邏輯。

（三）課后階段

課后學生填寫學習反思和評價量表。反思的目的是讓學生通過回顧學習過程，記錄收獲與需要改進之處，督促自身不斷進步。評價是教學過程的重要環節之一。小組評價包含合作交流能力、作品制作能力和作品展示能力三方面。個體評價分為自評和組內互評，自評主要包含自主學習能力、合作交流能力和學習效果三方面，互評主要分為學習態度、合作交流和任務完成度三方面。教師撰寫教學反思和評價，評價學生個體和小組，通過反思不斷積累教育教學經驗和完善教育教學方法。

（四）實踐效果

學生通過使用Arduino 實現傳送帶的自動化控制，體驗了綜合應用多學科知識解決問題的過程，知道了實際生活中傳送帶的工作原理，明確了傳感器和電機等電子零件的工作原理和控制方法，提升了自主學習能力、合作交流能力和運用跨學科知識解決問題的能力。

綜上所述，在高中實施基于翻轉課堂的STEM 教育對于培養學生將跨學科知識進行融合的能力，提升學生的自主學習能力、合作交流能力和創新能力具有重要意義。在實施STEM教育的過程中還遇到一些問題，今后將積極探索解決問題的辦法，開發更有趣味性的STEM 教育主題，探尋行之有效的STEM 教育培養途徑。