基于STEM理念的信息科技與初中物理實驗融合探析

魏玉彬 張曉

摘要：本文探究STEM教育理念下如何在信息科技課堂通過跨學科任務培養學生的學科核心素養，以過程與控制單元的“用開源硬件探究聲控燈的工作原理”項目式學習為例，在“CDIE”項目式教學模式下以開源硬件為載體，在真實生活情境中展開探究實驗，在經歷發現問題、分析問題、探究學習、解決問題后，提升學生的核心素養。

關鍵詞：STEM教育 信息科技 實驗教學開源硬件

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中指出篩選科學原理和實踐應用并重的學科內容，從實踐應用出發，倡導真實性學習，幫助學生理解基本概念和原理，鼓勵學生在創新實踐活動中學習。[1]《義務教育物理課程標準（2022年版）》中指出初中物理課程教學要注重科學探究，提高學生分析、解決問題的實踐和科學思維能力。[2]STEM是科學、技術、工程和數學四門學科的簡稱，強調多學科融合。STEM教育并不是四門學科的簡單疊加，而是強調有機融合，以能夠更好地培養學生的創新精神和實踐能力。不難看出，新課程標準越來越注重學科融合以及解決實際問題的實踐能力，這也與STEM教育理念相契合。因此，本文將STEM教育理念結合信息科技課程融入到物理實驗課程中，培養學生在實際問題或項目為導向的實驗課程中真正掌握科學原理與知識技能并靈活遷移運用解決真實問題的能力。

一、STEM教育理念下開展信息科技與物理實驗融合的跨學科教學

初中物理“實驗探究”課程包含測量類和探究類的學生必做實驗28個，體現了物理課程實踐性的特點，主要目的是培養學生動手實踐和收集實驗數據的能力，對實驗數據進行分析和處理并有效解釋的能力、表達和交流的能力，同時也是信息科技學科信息意識核心素養的重要體現。

（一）STEM理念改變傳統物理實驗教學的單一目的性

傳統的物理實驗教學以演示為主，具有很強的單一目的性，這種以知識學習為目的的物理實驗忽視了對學生學科核心素養的培養。STEM教育理念最終目的是為了培養學生的創新精神和實踐能力。這就從根本上改變了知識本位的實驗課堂教學。

首先，STEM教育理念強調以真實生活中問題案例情境為導向，利用多學科相關聯的知識來解決問題。這與傳統的演示實驗以教師為中心，學生被動接受知識的教學方式不同，可以引導學生根據項目或問題設計實驗過程，通過實際操作，解決真實的問題或任務。這有助于提升學生的動手操作能力和思維能力。

其次，STEM教育理念注重學生的團隊合作和交流能力的培養。在解決實際問題的過程中，學生通過與團隊成員的協作和交流中更高效地解決問題，可以不斷提升學生團隊合作和交流能力。

（二）STEM理念下基于項目的“CDIE”物理實驗教學模式

“CDIE”教學模式指“激發構思（C），充分設計（D），穩步實施（I），有效評價（E）”教學模式。 基于項目的“CDIE”教學模式融合了真實性學習、項目化學習。“項目教學”能夠以“實驗項目”為載體，開展探究活動，將一個與真實問題相關的項目讓學生在團隊協作中完成問題解決方案的設計、實驗項目實施及最終評價環節。[3]

項目式“CDIE”教學模式需要教師活動和學生活動的有效配合，“構思”環節需要教師分析教學內容，創設問題情境提出與物理實驗相關的生活中的真實問題，學生則根據真實問題發現物理現象。“設計”環節則由教師為學生提供學習支架，學生根據支架明確實驗問題并設計實驗過程。“實施”環節教師指導學生實施實驗的過程，學生則根據設計進行實驗操作，記錄并分析實驗過程中產生的各種數據，完成實驗總結并與預設實驗結果進行對比調整繼續優化實驗過程或調整實驗結果，“評價”環節通過教師評和學生自評對整個實驗過程進行反思，對設計和實施過程繼續優化，在不斷的學習與設計的迭代循環中，最終完成實驗教學。

二、“用開源硬件探究聲控燈的工作原理”教學設計與實施

（一）教學內容分析

“用開源硬件探究聲控燈的奧秘”主要讓學生通過開源硬件及計算機編程嘗試實現過程與控制。聲控燈的硬件結構使用Arduino UNO開發板及聲音傳感器、光敏電阻等搭建硬件。讓學生圍繞常見的聲控燈實例分析生活中聲控燈的典型應用場景，從中發現計算機和程序在控制聲控燈亮滅過程中的作用。通過使用Linkboy編程軟件實現聲控燈的編程驗證。跨學科概念涉及到電路設計與連接、數學邏輯運算、計算機圖形化、編程、道德與法治等。

（二）學習者分析

初中高年級的學生具備相對成熟的抽象思維和邏輯思維能力，能夠通過合作學習完成簡單實驗的探究。初中階段他們學習了python編程，對算法的特征和描述方式有一定的了解，并且能夠對簡單的問題使用自然語言和流程圖進行算法的描述，對串并聯電路有一定的了解。他們在小學階段還學習了Scarino圖形化編程和Arduino板的知識，能夠快速入門并使用Linkboy圖形化編程軟件進行編程，可以在教師的引導下結合生活嘗試完成開源硬件線路的連接。因此，對于本節課學習“用開源硬件探究聲控燈的奧秘”有一定的基礎知識，能夠很好地完成課堂任務。

（三）素養目標

基于STEM教育理念，將“用開源硬件探究聲控燈的工作原理”項目的教學目標分為學科核心知識與核心素養培養目標分析如下。科學：聲控燈的原理；電路設計的基本知識。技術：開源硬件的連接；使用Linkboy編程開發程序，實現聲控燈的正常工作。工程：聲控燈結構設計；根據電路結構設計，完成開源硬件的引腳連接；對搭建好的結構進行測試、調整、優化。數學：邏輯“與、或、非”運算；根據閾值判斷LED燈亮滅的條件設計。物理：串、并聯電路。

信息意識：學生能夠感知到信息科技對個體與社會在學習和生活上的影響，理解聲控燈控制系統實現的原理。計算思維：學生通過分析聲控燈的工作原理，識別其中的輸入、計算、輸出環節，并能夠用Linkboy編程開發程序實現模塊化、邏輯化編程。數字化學習與創新：學生能夠利用網絡資源或其它信息化途徑了解不同元器件內部的模塊內容及各個模塊的功能，并且利用線上平臺或工具，與同伴進行分享、交流，提升數字素養與技能。信息社會責任：理解計算機如何控制聲控燈的原理，感受信息科技對生活各方面的影響，能夠理解系統中存在的問題并提出有效的解決方案。

（四）教學設計與實施

【真實情境 導入課題】

教師展示視頻：記者采訪居民反映小區樓道聲控燈出現整晚都在亮30秒，滅1秒的重復狀態。教師出示問題：視頻中被采訪的居民反映了哪些問題？

學生觀看視頻并討論發現視頻中出現的問題：視頻中聲控燈壞了造成了資源浪費和影響小區居民休息。

聲控燈在日常生活中處處可見，以至于學生往往會忽略常見事物，不會去深究它的工作原理，通過一個實例新聞讓學生把目光聚焦到聲控燈上，引發學生思考及興趣。

【分析問題 構思方案】

教師展示常見聲控燈的結構圖片，讓學生結合開源硬件觀察聲控燈結構圖并討論：聲控燈的硬件組成及各種硬件的作用。

學生討論后發現聲控燈由光敏電阻、聲音傳感器、控制器和LED燈四個模塊組成及各個模塊的作用。控制器：收集信息并通過計算控制燈的亮滅；LED燈：照明；光敏電阻：獲取模塊周圍的光照強度信息；聲音傳感器：獲取模塊周圍的聲音強度信息。

教師引導學生根據觀察和已經學過的關于過程與控制系統的知識并分析聲控燈控制系統中“輸入” “計算”和“輸出”分別由哪些硬件完成。傳感器是聲控燈的輸入設備， Arduino UNO板是聲控燈的計算設備，LED燈是聲控燈的輸出設備。通過該環節即回顧了之前的過程與控制系統的知識，也為接下來用開源硬件模擬聲控燈做了鋪墊。

【設計實施 驗證方案】

學生通過小組合作完成聲控燈的硬件搭建。搭建的過程中教師要提醒學生注意硬件模塊的端口與控制器的端口要對應，教師可以提前錄制一個關于線路連接的視頻。學生結合學過的電路知識及生活中得經驗把開源硬件連接起來。此處涉及到串并聯電路及傳感器端口與控制器端口的問題，教師可以給學生實時的講解。

搭建完成的聲控燈需要添加程序才能讓其正常工作。教師引導學生根據聲控燈的工作過程先用自然語言描述其算法，然后把自然語言轉化為流程圖。根據流程圖設計的算法在Linkboy編程軟件中進行編程并下載程序驗證聲控燈是否能夠正常工作。引導學生繼續在程序中改變程序中聲音傳感器和光敏電阻的閾值，讓學生發現閾值大小是控制聲控燈靈敏度的關鍵。

【學以致用 解決問題】

學生完成聲控燈的模擬實驗后，回到導入環節學生發現的問題上來，結合模擬聲控燈的實驗過程對問題進行分析，得出該小區聲控燈的“聲音傳感器”或控制程序中閾值等方面出現問題。雖然答案可能不是唯一的但是重要的是思考的過程中對整個探究實驗的過程進行知識的升華。

（五）課堂評價設計

依據學習目標設置能夠詮釋核心素養內涵的綜合性課堂評價的評價方式。圍繞信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個方面，準確把握學習要求中不同的學習水平要求，采用合適的評價方式，體現核心概念和關鍵知識。本課選擇針對任務活動的過程性評價、自我評價和問卷測試這幾種評價相結合的評價方式。評價的最終目的是能夠提升學生的學習效果和教師的教學質量，最終達到提升學生核心素養的目的。

三、反思總結

STEM教育理念下的跨學科融合教學能幫助學生掌握信息科技基礎知識和技能，是學科核心素養落地的重要手段。在面向素養本位的課程改革下，為促進素養育人的落地，信息科技課程要打破學科知識與技能的固有邏輯，回歸學生自身的學習與發展。以跨學科學習的形式重構課程內容，引入體現生活價值的、真實性的學習問題與實踐，建構有意義的學習，通過項目式的學習方式和探究式的問題解決模式，解決傳統信息技術教學中知識學習與實踐操作不能兼顧的問題。[4]

參考文獻：

[1]義務教育信息科技課程標準（2022年版）.中華人民共和國教育部制定.

[2]義務教育物理課程標準（2022年版）.中華人民共和國教育部制定.

[3]劉子妍.基于真實性學習的“CDIE”項目化教學模式構建研究[J].中國信息技術教育，2022（15）.

[4]顧小清.以跨學科學習促進信息科技課程核心素養落地[J]. 現代遠程教育研究，2023，35（6）.