例談數(shù)字化在STEM教育中的應(yīng)用

方曉磊

摘要：隨著數(shù)字化的發(fā)展和普及，數(shù)字化資源具有的教學價值不可估量。STEM教育必將數(shù)字化納入課程體系，恰當?shù)臄?shù)字化資源可以讓學習過程更科學，課堂更開放，學生更自主。在基于探究、基于項目和基于真實情境的STEM學習中，數(shù)字化資源的協(xié)助，更有利于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化 STEM教育 學科融合 科學教育

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)正改變著我們周圍的世界，數(shù)字化技術(shù)在學生單科學習中的作用已經(jīng)得到了大家認可。關(guān)于數(shù)字化如何在STEM教育中的應(yīng)用，筆者是對自己所教的小學科學課進行了大膽的改革，結(jié)合基礎(chǔ)課程開展了相關(guān)的STEM活動，接下來將列舉數(shù)字化技術(shù)在相關(guān)STEM教育活動的開展情況。

一、數(shù)字化技術(shù)在STEM教育中的必要性

STEM暨科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）與數(shù)學（Mathematics）首字母的縮寫。科學是通過觀察和實驗發(fā)現(xiàn)已有的客觀世界的規(guī)律。技術(shù)是手段，是方法和技能。工程是發(fā)明創(chuàng)造出物品的過程。數(shù)學研究的數(shù)量關(guān)系，是科學的語言，是基本工具。STEM教育是一種提倡解決真實問題的跨學科學習。

我們的基礎(chǔ)課程強調(diào)科學和數(shù)學的學習。很多傳統(tǒng)的課堂，活動設(shè)計是站在教的角度。當站在學的角度去設(shè)計學習活動時，通過師生的思維導(dǎo)圖不難發(fā)現(xiàn)，工程和技術(shù)領(lǐng)域是不可或缺的。如在學習《技術(shù)工具發(fā)展史》中，知道陽光下影子的規(guī)律后，調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，所有的孩子都希望擁有一個自己的日晷。STEM教育理念的提出，體現(xiàn)了教育工作者對技術(shù)和工程領(lǐng)域的重視，他們強調(diào)四門學科融合，希望孩子像科學家那樣，像工程師那樣，有效解決問題?，F(xiàn)實中的科學家的工作離不開現(xiàn)代化技術(shù)的支持，在學校教育教學中技術(shù)更多的是以數(shù)字化形式體現(xiàn)。無論是教師STEM課程融合，還是學生跨學科探究都離不開數(shù)字化技術(shù)的幫助。

二、數(shù)字化讓探究過程更科學

（一）促進“真”科學問題的提出

我們傳統(tǒng)課堂中的探究問題，往往是教師提問或者干脆直接提供問題。如老師提供幾張鐵銹照片，然后問道：“大家能提出什么科學問題呀？”學生則不假思索地答道：“為什么鐵會生銹？”“自行車生銹了，該怎么辦？”“鐵銹是什么？”因此可以看出這種沒有真實情境準備的，孩子們提出的是無的放矢的偽問題。學生在課堂提出來的是被逼出來的“科學問題”。

數(shù)字化介入的STEM課堂又會是怎么樣的呢？在《拯救共享單車》項目式學習中，學生親身去找生活中哪些地方有生銹的現(xiàn)象。在有了“這些地方很潮濕”的主觀感受后，他們使用濕度傳感器對比了容易生銹的地方和不容易生銹地方的濕度，從而提出“鐵生銹與濕度（水）有關(guān)嗎”的問題。

對比“為什么會生銹？”和“鐵生銹與濕度（水）有關(guān)嗎？”，可以發(fā)現(xiàn)前面一個問題過于開放，是一種不需“實地考察”、無須思考的條件反射式回答出來的問題，學生在這個過程中幾乎沒有思維的參與。再看“鐵生銹與水分有關(guān)嗎？”這個問題，是學生自己提出的，基于真實調(diào)查的，問題更具體，只有鐵和濕度兩個變量。整個過程學生既要動手也要有思維參與。

不難看出，數(shù)字化可以促進孩子對紛繁復(fù)雜的真實情境的理性認識，能夠促進學生提出自己可以探究“真”科學問題。

（二）讓學生的研究更自主、更有深度

單科學習也會開展研究活動，如科學課堂上有觀察方法的訓練，利用感官（看、聞、聽、摸、嘗）和儀器（溫度計、顯微鏡）去觀察。

在《聲音的變化》這節(jié)傳統(tǒng)的科學課中，教師組織學生用不同力度撥動橡皮筋來了解聲音的強弱，用敲擊不同的水位高度的杯子認識聲音高低，最后教師總結(jié)得出結(jié)論。通過課后訪談學生發(fā)現(xiàn)，大部分孩子得出了“用力越大聲音越強，用力越小聲音越弱?！薄扒脫舻奈矬w越長聲音越低，越短聲音越高?！钡慕Y(jié)論。對于教師總結(jié)的“幅度”和“頻率”等概念，學生表達不清，認識模糊。訪談教師時，老師也是一肚子苦水，現(xiàn)有的教具只能幫助學生建構(gòu)這些表面淺顯的認識，真正的結(jié)論（強弱與幅度的關(guān)系，高低與頻率的關(guān)系）只能灌輸給學生。在傳統(tǒng)教具下的單科學習中，學生能發(fā)現(xiàn)這些規(guī)律已實屬不易。如何讓研究得到繼續(xù)，研究得更深入？

請看一個關(guān)于《聲音》主題的STEM活動。在《聲音的利用與防護》這節(jié)課中檢測學生用分貝儀聲音強弱，很快學生就發(fā)現(xiàn)用力鼓掌聲音越強，用力小聲音弱。然后學生又繼續(xù)檢測了更多的聲源。當檢測到音叉時，學生發(fā)現(xiàn)只用力敲擊一次音叉，分貝儀上監(jiān)測到的聲音就在逐漸減弱。于是他們懷疑了以前的想法（用力大聲音強，用力小聲音弱）。在安靜地檢測了人耳不容易聽見的橡皮筋的聲音，并結(jié)合高清攝像放慢橡皮筋振動的過程后，學生提出相對于傳統(tǒng)課堂上更有深度的問題——“聲音的強弱是否與振動幅度有關(guān)？”。隨后的活動學生找老師借來了光電傳感器比較了振幅大小的變化，發(fā)現(xiàn)了原來聲音強弱與振動幅度有關(guān)。隨著觀察過程的深入，他們最終選擇了合適的材料設(shè)計制作了自己的降噪耳機。

在《制作我的樂器》這節(jié)STEM課中，學生用《頻率計》App不僅檢測出聲音高低與振動快慢關(guān)系，還利用手持式設(shè)備對比音階頻率制作出“試管琴”和“注射器笛子”

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的單科學習教學過程中，教師一般是通過講解完成的，學生需要一定的理解能力，雖然有些用心的教師會去尋找一些多媒體資源，但很多的資料（如動畫片）不真實，學生在學習中只是一種間接的獲取，也是被動的參與。整個過程學生游離事外，學生往往看到的是表面現(xiàn)象，是淺顯不準確的認識。

再看基于數(shù)字化的STEM課堂，數(shù)字化技術(shù)的運用，讓學生觀察得更精確，也讓實驗觀察可量化。數(shù)字化技術(shù)是更可靠、更真實的可視化工具。數(shù)字化工具成為學生的“眼睛”，眼界開闊了，研究自然就深入了。

三、數(shù)字化讓STEM課堂更開放

傳統(tǒng)的課堂往往是封閉的。課堂要素往往只有教材、教師、學生。如傳統(tǒng)的科學課《動物的卵》，課堂流程大致是：教師先通過多媒體展示各種各樣的卵，再帶領(lǐng)孩子認識卵的結(jié)構(gòu)，最后教師播放動畫片《小蝌蚪找媽媽》。在完成教材規(guī)定的內(nèi)容后，問孩子有什么收獲時，學生也往往只是復(fù)述板書內(nèi)容。回顧整個課堂，學生的學習活動就是聽的過程。

對比傳統(tǒng)課堂，STEM活動內(nèi)容更豐富，而基于數(shù)字化技術(shù)的STEM課堂也更加開放。

在STEM活動——《我的卵生寵物》中，學生面對心愛的孵化寵物，會自覺地自學相關(guān)知識。在筆者的課堂里，曾有一名女生想孵化小雞，面對一些稍微專業(yè)的問題時，該生會在教師的協(xié)助通過互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)資料。當搜集資料知道雞蛋孵化需要的溫度、濕度以及其他注意事項時，她召集好幾位好友開了籌備會，制訂了孵化計劃。在他們的不懈努力下，孵蛋器成功地孵出了三只小雞。班級的其他同學還驗證出了決定海龜性別的臨界溫度，孵化出了不同性別的海龜。相對于傳統(tǒng)教學，數(shù)字化的課堂更豐富、更開放。

四、數(shù)字化讓STEM教育中學生的產(chǎn)品物化更容易

傳統(tǒng)課堂上的“產(chǎn)品”往往是以文字表達出來的結(jié)論。如《各種各樣的橋》這節(jié)課，學生的認識就是各種各樣的橋。而在STEM活動中，孩子可以通過激光雕刻技術(shù)和3D打印技術(shù)設(shè)計、制作并組裝自己的橋。

再如《能量》教學中，傳統(tǒng)的課堂只會利用PPT加視頻輔助教學，學生通過視聽活動獲取了一些轉(zhuǎn)化的知識。而數(shù)字化環(huán)境下的STEM課堂，學生可以設(shè)計并制作自己的作品或產(chǎn)品。在這一過程中，學生們可以借助于開源硬件的多種模塊功能進行產(chǎn)品組裝和改造，不僅學會了科學原理，還能像工程師那樣制作橡皮筋小車，組裝氫能源遙控車。

五、數(shù)字化促進STEM課堂的其他方面的發(fā)展

數(shù)字化環(huán)境下的STEM課堂還可以借助于互聯(lián)網(wǎng)與其他創(chuàng)客交流互動，進行產(chǎn)品設(shè)計。促進生生交流、設(shè)計者與設(shè)計者等課堂內(nèi)外的交流。筆者的學校中還有學生將自己的作品通過物聯(lián)網(wǎng)進行售賣，在這就不再贅述。

六、結(jié)論和啟示

數(shù)字化的有效運用，可以使STEM教育所倡導(dǎo)的“像科學家那樣”“像工程師那樣”“跨學科概念”的融合得以深化。STEM項目學習加數(shù)字化，提高了理論知識在現(xiàn)實生活中的實用性，在教學中融合STEM+數(shù)字化理念是未來科學教學的方向。

參考文獻：

[1]楊曉哲，任友群.數(shù)字化時代的STEM教育與創(chuàng)客教育[J].開放教育究，2015，21（5）：3540.

[2]區(qū)建峰.STEM理念融合與教育裝備創(chuàng)新發(fā)展[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2014（18）：18.

責任編輯：陸晨陽