基于數字化實驗的STEAM課程設計

張一鳴　和淵　侯靜雯　韓明哲

數字化實驗是以力、熱、聲、光、電、磁、生化等各類傳感器為基礎，使用傳感器采集實驗中的各類數據，并將數據傳輸到計算機、平板電腦、手機等中樞進行分析處理的新型實驗方式，具有具身性、實時性、廣延性等特征。數字化實驗在20世紀80年代出現于美國，2003年乘國家新一輪課程教材改革的東風進入我國，為我國教育改革提供了有力的支撐。近年來，國際科學教育改革掀起新浪潮，數字化實驗與科學教學的深度融合成為熱點問題，融合信息技術的科學、技術、工程、藝術、數學（Science Technology Engineering Arts Mathematics，STEAM）教育越來越受到重視。

“建造抗震房屋”是一節面向6—8年級學生開設的基于數字化實驗的STEAM課程，來自美國科學伙伴（Science Buddies）教育慈善機構提供的線上STEAM教案資源。該課程的設計符合美國新一代科學課程標準（Next Generation Science Standards，NGSS）的理念。在學科核心概念方面，學生通過該課程的學習，應能繪制一個區域內的自然災害歷史地圖，同時理解相關的地質作用能夠幫助預測未來地質事件發生的位置和可能性。學生要提出可能的方案，用有系統的流程來評估方案在多大程度上滿足了待解決問題的標準與約束條件。在跨學科概念方面，學生應能運用表格和圖像識別數據中的模式，理解穩定與變化——穩定狀態可能被突發事件打破，也可能被漸進式改變。在科學與工程實踐方面，教師要引導學生分析和解讀數據，構建解釋和設計解決方案，開展基于證據的論證。學生在課前需要了解速度、時間和距離之間的關系等先驗知識。教師在課堂上指導學生使用帶有傳感器應用程序（例如Phyphox）的智能手機、雙面膠帶、秒表、尺子、瓦楞紙板、圓柱形物體（如記號筆）等材料進行抗震建筑模型的建造。筆者對該課程的教學環節進行概述，并從課程目標、課程知識、課程活動和課程評估四個維度進行分析，為我國中小學校設計和開展基于數字化實驗的STEAM課程提供參考。

一、“建造抗震房屋”教學環節

（一）創設綜合情境

教師播放視頻，向學生介紹地震知識。地震會造成生命損失并嚴重破壞建筑物，但抗震建筑卻可以屹立不倒，保護人們的安全，且大大降低維修成本。在這個課程中，學生將建造抗震建筑模型，并使用手機和傳感器應用程序等數字化實驗工具模擬地震并測量參數。學生參與這個有趣的工程實踐課程，探索如何利用技術保障生命安全。

教師播放視頻，介紹抗震隔離系統。在一個大型振動臺上有兩個建筑模型。左邊的建筑直接連接于地面，右邊的建筑有一個抗震隔離系統，使之與地面的運動隔離。該系統的工作原理類似于汽車中的減震器（減輕顛簸感），有助于右邊建筑物減少搖晃，防止其倒塌。

教師引導學生討論：在第二段視頻中觀察到了什么？為什么像這樣的地震防護系統很重要？

（二）引入數字化實驗工具

教師向學生介紹傳感器應用程序Phyphox。這是一款利用內置傳感器的手機應用軟件，兼容Android和iOS系統，包含加速度傳感器、磁力傳感器、陀螺儀（旋轉傳感器）、光傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。目前，該軟件能實現29種內置功能，可進行加速度、角速度、頻率、周期、磁感應強度、光照強度、壓力和聲音的振幅等基本物理量的測量和分析。學生將使用Phyphox應用程序的加速度傳感器并測量設備運動的絕對加速度（選擇Phyphox應用程序導航中的“絕對”標簽）。加速度傳感器將給出物體運動的加速度，當設備處于靜止狀態時，傳感器報告數值為0。操作步驟如下。第一步，教師向學生解釋，手機含有內置加速度傳感器。這是一種可以檢測運動的電子設備（從技術上講，它測量的是以m/s為單位的加速度）。加速度傳感器被應用于手機和視頻游戲控制器的運動控制。第二步，教師向學生演示應用傳感器應用程序（如Phyphox）能夠記錄來自加速度傳感器的數據，并以圖表形式顯示。第三步，教師向學生展示搖晃手機時發生的情況。絕對加速度顯示手機所有方向的總加速度，而、和加速度計只顯示一個方向的加速度（相對于手機）。第四步，教師向學生解釋，加速度傳感器可以用來反映地震時建筑物的移動程度。

（三）教師演示

教師為學生做一個快速示范，用雙面膠帶將手機固定在一個小紙盒的頂部，屏幕朝上，通過搖動紙盒模擬地震時的地面運動。教師直接搖動盒子，它就像一棟直接連接在地面上的建筑物，建筑物移動得更多，加速度也更大。教師將箱子放在滾輪上，模仿構建抗震隔離系統。該系統中“基底”可以在建筑物下面來回移動，而建筑物則不會移動那么多，使得加速度減小。操作步驟如下。第一步，教師點擊Phyphox的播放按鈕，開始記錄。第二步，教師搖動紙箱，點擊暫停按鈕停止記錄，保存數據，以便進行數據分析。第三步，教師向學生展示圖表，測定最大加速度。教師讓學生利用技術來選擇圖表中的任何數據點并查看其數值。第四步，將盒子放在一塊瓦楞紙板上或其他圓形物體的上面。第五步，重新開始記錄，來回搖動這塊紙板幾次。盡量以搖動盒子本身的速度來搖動它。注意，盒子沒有像紙板那樣來回移動。因為有滾輪，紙板可以在盒子下面來回移動。第六步，學生停止記錄，保存數據，展示圖表。再次確定手機感受到的最大加速度，并將其數值與直接搖動盒子時的數值進行比較。第七步，教師引導學生討論：這些圖表告訴我們什么？這兩張圖是如何比較的？這與剛才看的視頻有什么關系？

（四）學生活動

教師讓學生使用指定材料來建造抗震隔離系統（如圖1）。教師演示的只是一個簡單的例子，目的是讓學生嘗試改進設計。為了達成本課的教學目標，他們將只在一個方向上搖動“地面（基底）”。

教師提問：像演示中那樣將建筑物放在滾輪上，有哪些潛在的問題？

（可能的答案包括真正的抗震隔震系統允許建筑物來回移動，但要確保建筑物最終會回到初始位置。）

教師引導學生討論：如何利用教室里的材料來改進設計？

（一些可能的方案包括用彈簧或橡皮筋將建筑拉回原位，或者在兩邊加上擋板，防止掉落。）

教師提示學生：參照工程設計過程來建構抗震隔離系統。這個過程是反復進行的，這意味著可能會重復一些步驟。工程問題沒有單一的“正確答案”，學生的設計可能在第一次嘗試時并不順利。這沒關系，就像現實世界中的工程問題一樣，學生可以在規定的時間內建造、測試和重新設計他們的系統，重復多少次都行。

二、“建造抗震房屋”案例分析

（一）課程案例分析

課程目標方面，該課程共設置了三個學習目標，分別是熟悉加速度的概念和加速度的測量、了解自然災害，以及學會分析和使用模型。學生通過本課程的學習，能夠充分理解加速度的理論知識，并應用這一知識對地震中的加速度進行說明。學生需要在深刻理解加速度概念的基礎上，在建模的實踐操作中發展科學與工程思維。

課程知識方面，課程開始時教師為學生播放有關地震的視頻，幫助學生了解抗震隔離系統和加速度的關系，并且通過提問加深學生對知識的理解。在實踐中，學生需要利用數字化實驗工具對數據進行采集和處理分析，應用其掌握的知識和工程技能預防災害。

課程活動方面，該課程的教學活動設計除了教師的演示和實驗，還有學生自主探究活動（反復實踐）。學生發現問題，接受教師輔導，模擬現實中可能出現的問題，從而達到深度學習的目標。這樣，既能夠增強學生自主學習的能力，又能夠激發學生的學習興趣，增強參與科學探究和工程實踐的信心。

課程評估方面，該課程中學生參與實踐、改進設計等活動，對自己的學習情況形成準確的認識。同時，學生以小組匯報的形式進行反思，評價抗震建筑作品，并且根據教師提出的反饋性意見，思考如何制作出成本更低、抗震效果更佳的建筑模型，并加以嘗試。該課程是基于現實問題情境設計的。學生在實踐中會遇到不確定因素甚至突發情況，不會得到唯一的“正確答案”。這有利于學生體驗真實情境下解決問題的過程。

（二）課程標準分析

課程目標方面，該課程的學習目標涵蓋NGSS的三個維度，即學科核心概念、跨學科概念及科學與工程實踐。教師通過自身演示和學生操作，將數字化實驗工具作為紐帶，使科學教學的三個維度貫穿課程始終，幫助學生理解知識，掌握技能，提高能力和素養。

課程知識方面，基于NGSS“地球與宇宙”領域學科核心概念中的“自然災害”“提出可能的解決方案”，學生需學會繪制地區自然災害圖，并對項目的主題和目標形成自己的認識，通過教師講解、瀏覽網絡資源，初步了解防震知識、理解建筑抗震的基本原理。同時，學生需研制可能的解決方案，以此為預防地震災害提供幫助。

課程活動方面，基于NGSS的科學與工程實踐，學生通過實踐建立、深化和運用他們對學科核心概念和跨學科概念的認識。小組成員發揮所長，完成抗震建筑項目的任務，如制作墻體梁柱等零部件、建筑的主體結構、防震的承重結構等。該課程設計體現“重視學生自主探究和實踐”的原則，并且強化學生對于抗震減災知識的理解。

課程評估方面，NGSS強調評價的目的在于促進學生學習。該課程中，教師、學生共同根據活動手冊的記錄內容開展過程性評價，通過抗震產品檢測進行作品評價，實現以評促改。教師采用多元評價、自我反思、拓展遷移等方法對學生進行評價，體現NGSS注重的多元化評價理念。

三、案例特點及啟示

（一）以學生核心素養發展為導向

“建造抗震房屋”STEAM課程案例具有綜合性、實踐性的特點，課程涉及科學探究、數字化實驗工具的使用、跨學科整合、基于項目的學習、真實情境下的活動、團隊合作解決問題等要素。課程綜合科學、技術、工程、藝術和數學的相關知識和技能，將知識的獲取、方法與工具的利用以及創新生產的過程有機融合，有利于培養學生理解、應用核心概念和原則的能力，促進學生核心素養發展。對于我國學生來說，在中小學階段比較注重學習概念性知識，很少有機會實踐。在當前的“雙減”背景下，核心素養導向的課程改革理念可以借助STEAM課程落實。教師利用便捷的數字化實驗工具開展STEAM教學，將手機變成教學工具，讓學生在參與、體驗、獲得知識的過程中，不僅獲得結果性知識，而且習得蘊含在項目問題解決過程中的過程性知識。

（二）數字化實驗是STEAM教育的重要手段

立足于智能化的感知和測量，數字化實驗能夠更加深入地觸及STEAM教育的本質，并且推動我國基礎教育課程教學模式的轉變。數字化實驗可用于物理、化學、地理等各個學科的實驗探究，教師在授課過程中適時穿插小型實驗，有利于增強對學生的吸引力。數字化實驗能夠清晰直觀地實時顯示數字和圖像結果，拓展研究范圍、提高數據精度，幫助學生養成以真實數據為基礎的思維習慣。數字化實驗還具有環境普適、方便遷移的特點，使實驗和探究不受地點、課型限制，克服組織障礙，促進家校融合。此外，教師使用過程記錄、網絡分享等功能，可以進行跨時空匯總分析，便于分析學情和評價教學。

（三）在學科教學的基礎上開設STEAM課程

STEAM教育對于教師的要求較高，不僅需要其在教學方法上加以轉變，而且要具備多個領域的知識和技能。美國也存在STEAM師資缺乏的問題，美國政府通過加大科研經費投入和教師培訓來解決。我國要想發展STEAM教育，也需要加大STEAM教育人才培養力度，學習國外的先進經驗，并根據我國中小學教學的實際情況進行本土化改進。在我國開設STEAM課程，教師需要根據中小學校的課程體系進行設計。STEAM教育要求學生具有一定的學科知識，否則可能會在操作時遇到困難。教師首先應該依據教材的內容，精通數字化實驗所要求的相關操作，適時使用數字化器材，做好演示實驗。在上述案例中，由具備較強的數字化勝任力的學科教師教學，學科教師需要具備整合技術的學科教學法知識（Technological Pedagogical Content Knowledge，TPACK），才能設計數字化實驗教學方案，讓學生了解技術應用、技術發展過程，具備分析新技術如何影響自己乃至周邊環境的能力。

（四）學校需要建設STEAM系列課程

在“建造抗震房屋”案例中，教師需要利用多種材料和工具開展數字化實驗教學。由于是實踐性課程，教師在備課時需要花費較多時間進行實驗、模擬學生可能出現的問題，以便在課程中為學生提供指導。因此，對于學校而言，要開設這樣一節STEAM課程需要投入更多人力和物力。我國中小學校要高效實施STEAM課程，需要學校管理層的支持和推動。只有他們對STEAM教育有足夠的了解并意識到STEAM教育對學生發展的重要意義，才能更有動力去推動數字化實驗室的建設、教師的數字化實驗技能培訓等工作。由于STEAM課程涉及多個學科，因此學校開設STEAM課程首先要從“融合”二字上下功夫，需要多個學科的教師合作。學校應調動教師的積極性，讓教師伴隨著課程建設而共同成長。STEAM課程開發是一個難得的教學改革契機，學校要充分思考和兼顧自身特色，立足實際，攻堅克難，實現育人機制的全面升級。

參考文獻

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[3] 劉林.中學物理數字化實驗常用手段與策略[J].中小學數字化教學，2020（11）：14-17.

（作者張一鳴系人民教育出版社在站博士后、期刊編輯室編輯；和淵系中國人民大學附屬中學高級教師；侯靜雯系鄭州師范學院教師教育綜合技能訓練中心講師；韓明哲系美國俄亥俄州立大學計算機科學與工程系碩士研究生）

責任編輯：祝元志