基于STEM教育的中小學(xué)“未來(lái)教室”展望

文 / 楊琳玲 鄭立新

現(xiàn)在，各項(xiàng)前沿技術(shù)迅速進(jìn)入教學(xué)領(lǐng)域，平板電腦、傳感器、 3D打印技術(shù)蓄勢(shì)待發(fā)，數(shù)字教室、互動(dòng)教室、虛擬教室、智慧教室等概念彌漫于教育領(lǐng)域，為教育變革提供了各種可能。未來(lái)科技會(huì)如何促進(jìn)教育值得大家期待，前沿產(chǎn)品將如何改變教室激發(fā)人們暢想。本文以STEM教育為背景，展望了如何構(gòu)建中小學(xué)“未來(lái)教室”，以提升中小學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

未來(lái)教室及其國(guó)內(nèi)外建設(shè)現(xiàn)狀

（一）未來(lái)教室是什么

教室的形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及室內(nèi)設(shè)備的陳設(shè)，都極大地受到教育理念、教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容的影響，這也使得人們對(duì)未來(lái)的教室產(chǎn)生過(guò)很多思考和遐想。例如，在1899年的巴黎世博會(huì)上，就出現(xiàn)了在當(dāng)時(shí)人們想象中2000年法國(guó)的教室的樣子，如下圖所示。

當(dāng)然我們知道，圖中的愿望到現(xiàn)在也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但這無(wú)疑都是人們對(duì)教室未來(lái)發(fā)展的積極創(chuàng)意和向往。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們心中未來(lái)的教室也在不斷演變。現(xiàn)階段的未來(lái)教室應(yīng)該在先進(jìn)的教學(xué)理念指導(dǎo)下，順應(yīng)科技發(fā)展趨勢(shì)，將適合的科技新成果作為教具、學(xué)具，合理地應(yīng)用在教室環(huán)境中，幫助師生更有效地開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，最大程度地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

（二）國(guó)內(nèi)外建設(shè)現(xiàn)狀

出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代的“蘋(píng)果明日教室”是較早期的未來(lái)教室，教師和學(xué)生可以使用大量的新技術(shù)和設(shè)備，例如計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)、掃描儀以及DVD刻錄、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等，這些都配備在教室環(huán)境中，就像使用書(shū)和紙一樣方便。

21世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)政府、學(xué)校、科研院所和公司都在未來(lái)教室領(lǐng)域開(kāi)展了積極的探索，很多高科技產(chǎn)品，如交互式電子白板、觸摸屏、傳感器、平板電腦等，被逐漸應(yīng)用到教室環(huán)境中，供教師進(jìn)行探索性教學(xué)實(shí)踐。下表是近年來(lái)一些國(guó)家和地區(qū)創(chuàng)建的未來(lái)教室實(shí)例。

通過(guò)對(duì)以上的未來(lái)教室項(xiàng)目的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，未來(lái)教室的發(fā)展和各國(guó)提出的先進(jìn)教育理念息息相關(guān)，而技術(shù)應(yīng)用則需要考慮學(xué)生如何有效開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，教師如何對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行有效引導(dǎo)和評(píng)價(jià)，學(xué)校、教師及家長(zhǎng)如何對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接。

基于STEM教育的中小學(xué)未來(lái)教室模型構(gòu)想

20世紀(jì)80年代，美國(guó)政府為解決其科技人才短缺的問(wèn)題，在教育領(lǐng)域提出了STEM計(jì)劃，鼓勵(lì)學(xué)生主修科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)(STEM)領(lǐng)域。近30年來(lái)，美國(guó)政府和眾多科研機(jī)構(gòu)、高校、基金會(huì)，通過(guò)立法、撥款、專(zhuān)項(xiàng)等方式推動(dòng)著STEM教育不斷深化。 STEM教育建立在學(xué)科融合的基礎(chǔ)上，以設(shè)計(jì)和探索為目的，對(duì)技術(shù)問(wèn)題解決進(jìn)行科學(xué)的探索，其課程目標(biāo)是提升學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

在基于STEM教育的中小學(xué)未來(lái)教室中，學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下，圍繞一個(gè)真實(shí)問(wèn)題，組建小組，利用各種前沿技術(shù)開(kāi)展學(xué)習(xí)和研究。在學(xué)習(xí)研究的過(guò)程中，小組成員可以面對(duì)面或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式與學(xué)習(xí)伙伴進(jìn)行交流，利用技術(shù)搜集、分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)、測(cè)試和改進(jìn)問(wèn)題解決方案，并在一定范圍內(nèi)交流研究成果。筆者根據(jù)多年在一線(xiàn)開(kāi)展科技教育和信息技術(shù)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，嘗試設(shè)計(jì)了遵循STEM教育理念的未來(lái)教室模型。

（一）未來(lái)教室中的構(gòu)成要素

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等的出現(xiàn)與應(yīng)用正在逐步將我們生活的地球變成數(shù)字地球、智慧地球?；赟TEM教育的中小學(xué)未來(lái)教室則正是構(gòu)建在這樣一個(gè)數(shù)字地球、智慧地球的基礎(chǔ)上，主要采用的技術(shù)和設(shè)備包括體感技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、智能眼鏡、 3D打印技術(shù)等。

1.體感技術(shù)

利用體感技術(shù)，師生可以通過(guò)肢體與教室中的數(shù)字設(shè)備和環(huán)境互動(dòng)，教師能夠利用其虛擬出學(xué)生喜歡的學(xué)習(xí)環(huán)境，以幫助學(xué)生進(jìn)行技能學(xué)習(xí)，如引導(dǎo)并糾正學(xué)生的實(shí)驗(yàn)步驟、動(dòng)作等。利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析功能，教師可以采集學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行評(píng)價(jià)、診斷、反饋。以微軟Kinect平臺(tái)為例，可以通過(guò)Kinect攝像頭采集鏡頭前主要人物的肢體動(dòng)作，通過(guò)傳感器等技術(shù)和設(shè)備采集到系統(tǒng)中，進(jìn)行對(duì)比分析或控制輸出人物的動(dòng)作。這些都非常符合STEM教育的需求，能夠極大提升教學(xué)效果以及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人技術(shù)涉及數(shù)學(xué)、仿生學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制論、人工智能、機(jī)械工程設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域，它可以更好地將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)聯(lián)系起來(lái)，提升學(xué)生的科技素養(yǎng)。近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)是教育界研究的熱門(mén)話(huà)題，機(jī)器人這一高科技產(chǎn)品正逐漸走下神壇，走入校門(mén)，許多教育型的機(jī)器人平臺(tái)也如雨后春筍般產(chǎn)生。以某品牌EV3教育型機(jī)器人為例，它不僅可以作為信息技術(shù)或通用技術(shù)課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容，還能夠借助強(qiáng)大的傳感器功能開(kāi)展與數(shù)學(xué)、物理、生物等學(xué)科有效融合的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)如模型搭建、工程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)分析等功能，完成智能門(mén)、智能清潔等任務(wù)，使普通教室成為一個(gè)充滿(mǎn)創(chuàng)意的智能教室。

3.智能眼鏡

可穿戴計(jì)算機(jī)是人們近年來(lái)致力研究的一項(xiàng)技術(shù)，而智能眼鏡則是其中的突出代表。在Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)技術(shù)的支持下，它能夠幫助學(xué)生以最快的速度搜索到所需的網(wǎng)絡(luò)資料，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)，能夠隨時(shí)實(shí)現(xiàn)分享或錄制課堂信息，且不會(huì)影響學(xué)生參與課堂學(xué)習(xí)。

4.3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)能夠較真實(shí)地呈現(xiàn)設(shè)計(jì)物品，令學(xué)生獲得直觀(guān)、深刻的體驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)驗(yàn)、零件打印、作品整體成型等體驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生能夠?qū)W習(xí)科學(xué)分析、數(shù)學(xué)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)及制作等內(nèi)容，提升工程思維能力。

（二）未來(lái)教室中的環(huán)境構(gòu)建

基于STEM教育的未來(lái)教室更像一個(gè)在教師指導(dǎo)下開(kāi)展科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)室。教師作為引導(dǎo)者，提出研究任務(wù)，并適時(shí)為學(xué)生提供必要的幫助。教室的主人是以組為單位的學(xué)生團(tuán)隊(duì)，他們可以進(jìn)行學(xué)習(xí)、思考、討論、設(shè)計(jì)、制作、總結(jié)及展示，各司其職，各展其才。教室可以分為多個(gè)區(qū)域，如體感教學(xué)區(qū)、操作區(qū)、討論學(xué)習(xí)區(qū)、展示區(qū)等，目的就是更好地實(shí)現(xiàn)教育功能。如下圖所示：

綜上所述，基于STEM教育的未來(lái)教室可以有效地將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等的學(xué)習(xí)融合在一起，讓學(xué)生從解決實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，在培養(yǎng)STEM思維的同時(shí)，不斷提升學(xué)生綜合素養(yǎng)。