基于AR的中職STEM教學(xué)模式設(shè)計(jì)

周如玉 常承陽(yáng)

摘要：時(shí)代的不斷發(fā)展對(duì)教育提出了更高的要求。為深化職業(yè)教育改革，培養(yǎng)創(chuàng)新復(fù)合型人才，必須在中職學(xué)校開(kāi)展STEM教育。該文探討了AR與STEM課程的融合，設(shè)計(jì)出中職STEM課程教學(xué)模式，并闡述了基于AR的中職STEM課程教學(xué)實(shí)施過(guò)程。希望為我國(guó)職業(yè)STEM教育的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：AR;中職;STEM;教學(xué)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）01-0178-02

1 前言

2016年國(guó)家教育部發(fā)布《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，提出學(xué)校要探索STEM教育、創(chuàng)客教育。但是，我國(guó)STEM教育的開(kāi)展主要集中在中小學(xué)基礎(chǔ)教育階段，在職業(yè)教育中的研究比較匱乏，而職業(yè)教育作為中國(guó)教育發(fā)展的重要組成部分，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，填補(bǔ)職業(yè)技術(shù)人才缺口，就必須深化改革，同時(shí)也需要開(kāi)展STEM教育。

2 研究現(xiàn)狀

STEM是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，將科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineer）和數(shù)學(xué)（Mathematics）有機(jī)地融為一體，進(jìn)行跨學(xué)科教育。[1]國(guó)外對(duì)STEM教育的研究比較系統(tǒng)，主要包括STEM理論框架、發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題、STEM教育策略、教育評(píng)價(jià)體系和教學(xué)效果等方面的研究。[2]國(guó)內(nèi)對(duì)STEM教育研究相對(duì)滯后，沒(méi)有適合國(guó)情的頂層設(shè)計(jì)，研究主要集中在現(xiàn)狀分析、對(duì)國(guó)外文件的解讀、STEM課程資源的開(kāi)發(fā)和教學(xué)策略的實(shí)踐探索等。[3]目前，3D打印、編程、機(jī)器人等技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到STEM教育中，AR和VR則被運(yùn)用到技能培訓(xùn)中。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在教育中的巨大潛能被不斷挖掘，許多研究者將AR技術(shù)整合到教育教學(xué)中。如Shelton和Hedley用AR進(jìn)行九大行星的教學(xué)實(shí)驗(yàn);Augmented Chemistry利用AR打造一套化學(xué)分子式輔助教學(xué)系統(tǒng);新西蘭坎特伯雷大學(xué)研究人員創(chuàng)造了一個(gè)可以將建筑設(shè)計(jì)草圖轉(zhuǎn)化為3D對(duì)象，來(lái)探索不同對(duì)象物理性質(zhì)和相互作用的AR工具。[4]結(jié)果表明，AR能有效地營(yíng)造一個(gè)跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，具有調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，突破教學(xué)重難點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，提高教學(xué)質(zhì)量和效率的作用。

STEM與AR具有情境性、趣味性、探究性等特征相融點(diǎn)。綜上所述，AR技術(shù)可以激發(fā)學(xué)生對(duì)真實(shí)世界的發(fā)現(xiàn)和探究，現(xiàn)實(shí)與虛擬的交互能使學(xué)生更容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題。AR技術(shù)可以使知識(shí)多元多樣地可視化，這使學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)更方便。所以，如何將AR與STEM教育融合能更好地培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)是需要思考探索的問(wèn)題。

3 AR與STEM課程的融合

3.1 情境的融合

情境認(rèn)知理論認(rèn)為學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)是個(gè)體參與實(shí)踐并與他人、環(huán)境等相互作用的過(guò)程，是個(gè)體形成實(shí)踐活動(dòng)的能力、提高社會(huì)水平的過(guò)程，具有情境性、真實(shí)性、實(shí)踐性、探究性、主動(dòng)性等特征。[5]STEM教育以真實(shí)情景中的問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)，AR能在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上添加虛擬的效果，加強(qiáng)學(xué)習(xí)者與他人、環(huán)境的交互，使學(xué)生沉浸。因此，AR與STEM課程的融合是情境的融合。

3.2 媒介的融合

跨學(xué)科探究先要了解不同學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，則需要利用不同的媒介進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)和積累。麥克盧漢的媒介理論提出“媒介即訊息”，“媒介是人體的延伸”即媒介是人體感官能力的延伸和擴(kuò)展。AR技術(shù)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合對(duì)人的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)進(jìn)行延伸，將不同種類(lèi)的媒介進(jìn)行融合，使信息從二維平面到三維立體地轉(zhuǎn)變擴(kuò)大了信息的呈現(xiàn)面，提高信息的傳送效率，為學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)提供了條件。

3.3 交互的融合

在STEM運(yùn)用理性方法驗(yàn)證解決效果這一過(guò)程中，會(huì)面臨一些實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的身心或者環(huán)境造成損害的，或者學(xué)校沒(méi)有條件創(chuàng)建真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境或者資源浪費(fèi)等問(wèn)題。而AR技術(shù)允許學(xué)習(xí)者利用自然的方式交互虛擬的學(xué)習(xí)對(duì)象，交互效果和對(duì)真實(shí)學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行交互的效果相差無(wú)幾。因此，在條件限制的情況下，AR和STEM課程交互的融合能使學(xué)生獲得直接經(jīng)驗(yàn)，有利于問(wèn)題的解決和情境認(rèn)知的遷移。

4 中職STEM課程教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

莫比烏斯環(huán)，由德國(guó)數(shù)學(xué)家莫比烏斯和約翰·李斯丁發(fā)現(xiàn)。傳送帶的設(shè)計(jì);藝術(shù)中荷蘭著名版畫(huà)家埃舍爾的藝術(shù)作品《畫(huà)手》，一些科幻小說(shuō)和電影都是以它為依據(jù)進(jìn)行創(chuàng)作的，這體現(xiàn)了它的跨學(xué)科性。STEM教學(xué)通常分為四個(gè)環(huán)節(jié)：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題;設(shè)計(jì)解決方法;利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等知識(shí)解決問(wèn)題;運(yùn)用理性方法驗(yàn)證解決效果。[6]結(jié)合兩者的相通性質(zhì)，設(shè)計(jì)出中職STEM教學(xué)模式，如圖1所示。

5 基于AR的中職STEM課程教學(xué)實(shí)施過(guò)程

1）提出問(wèn)題或項(xiàng)目

中職STEM教育從開(kāi)始就要緊密聯(lián)系實(shí)際生活中的問(wèn)題，從真實(shí)情境出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題和詮釋問(wèn)題的能力，而AR技術(shù)對(duì)真實(shí)問(wèn)題情境的增強(qiáng)可以提高學(xué)生的沉浸感和積極性。以中職機(jī)械專(zhuān)業(yè)的STEM課程《汽車(chē)為什么能跑》設(shè)計(jì)為例，核心問(wèn)題是汽車(chē)為什么能跑？最終目標(biāo)是能做出一輛遙控電動(dòng)汽車(chē)模型。利用AR學(xué)習(xí)平臺(tái)對(duì)汽車(chē)進(jìn)行圖像識(shí)別展現(xiàn)出不同時(shí)代的汽車(chē)模型，動(dòng)畫(huà)演示汽車(chē)的發(fā)展歷史，給學(xué)生以不同時(shí)代的帶入感，在了解歷史的同時(shí)不斷去思考項(xiàng)目的核心問(wèn)題。

2）猜想假設(shè)

引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，并進(jìn)行猜想和假設(shè)。對(duì)例子《汽車(chē)為什么能跑》進(jìn)行聯(lián)想和假設(shè)，比如：汽車(chē)克服了摩擦力和空氣阻力;發(fā)動(dòng)機(jī)為汽車(chē)提供了動(dòng)力等。每個(gè)學(xué)生配備一臺(tái)AR手機(jī)，學(xué)生可以自由的實(shí)事求是地表達(dá)自己的猜想，并將自己的猜想基于位置共享匿名發(fā)布到AR平臺(tái)上。這一環(huán)節(jié)有助于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)自思考的能力。

3）組建學(xué)習(xí)共同體

組建學(xué)習(xí)共同體簡(jiǎn)單說(shuō)就是組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。根據(jù)猜想假設(shè)環(huán)節(jié)中的學(xué)生的猜想，在限制團(tuán)隊(duì)人數(shù)的基礎(chǔ)上，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)基于位置共享去尋找與自己猜想一致的人建立學(xué)習(xí)共同體，這個(gè)需要活動(dòng)空間充足。最后老師根據(jù)學(xué)生的差異性在尊重學(xué)生的意愿下進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。這樣有利于老師了解不同團(tuán)隊(duì)的初始能力并進(jìn)行分層分組指導(dǎo)，學(xué)生自主選擇的隊(duì)友在合作上也會(huì)展現(xiàn)自己活躍的一面，積極投入到協(xié)作學(xué)習(xí)中，同時(shí)培養(yǎng)他們做選擇，溝通交流，團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

4）跨學(xué)科探究

在老師和專(zhuān)業(yè)人員的指導(dǎo)下，利用有關(guān)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)去解決問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，并要科學(xué)地探究，依據(jù)理論和數(shù)據(jù)得出結(jié)論。中職STEM教育需把工程和技術(shù)作為側(cè)重點(diǎn)，提高學(xué)生動(dòng)手做的能力。利用AR學(xué)習(xí)平臺(tái)展現(xiàn)出汽車(chē)各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)模型，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)。比如學(xué)生可以利用AR觀看汽車(chē)在不同狀態(tài)（靜止和勻速、加速和減速）下的受力情況及發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件工作情況。AR在跨學(xué)科探究階段的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在節(jié)約教學(xué)時(shí)間和資源，知識(shí)可視化和形象化，便于學(xué)生進(jìn)行探究。

5）實(shí)施并驗(yàn)證

明白汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的原理之后，設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案。學(xué)生可以在AR學(xué)習(xí)平臺(tái)上進(jìn)行方案的預(yù)實(shí)驗(yàn)，像玩樂(lè)高一樣進(jìn)行汽車(chē)模型的組裝。之后，實(shí)施項(xiàng)目的終極目標(biāo)——遙控電動(dòng)汽車(chē)模型的建造。此環(huán)節(jié)需要整合前階段學(xué)習(xí)的理論知識(shí)和數(shù)據(jù)去指導(dǎo)實(shí)踐，融入自己的思考設(shè)計(jì)方案并實(shí)施方案做出產(chǎn)品，最后驗(yàn)證產(chǎn)品是否成功來(lái)反思方案的有效性。如果出現(xiàn)問(wèn)題，則要探究問(wèn)題出現(xiàn)的原因并解決，如此循環(huán)直至驗(yàn)證成功。

6）精致產(chǎn)品，小組匯報(bào)

聽(tīng)取老師和專(zhuān)家的建議優(yōu)化產(chǎn)品，培養(yǎng)“工匠精神”。比如汽車(chē)外形的設(shè)計(jì)要符合工程學(xué)原理且富有創(chuàng)意。成果匯報(bào)即將最終產(chǎn)品向老師和其他小組成員進(jìn)行展示和解說(shuō)，小組匯報(bào)可以培養(yǎng)學(xué)生反思、表達(dá)和寫(xiě)的能力，加速知識(shí)內(nèi)化，加深知識(shí)遷移應(yīng)用。

7）滲透職業(yè)規(guī)劃

中職的教育最重要的是幫助學(xué)生明確自己未來(lái)的職業(yè)選擇與職業(yè)價(jià)值，在項(xiàng)目小組的角色分工可以更好地讓他們明白自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)并在不斷地嘗試中取長(zhǎng)補(bǔ)短。這一環(huán)節(jié)最好是學(xué)校能組織學(xué)生實(shí)地考察與問(wèn)題或項(xiàng)目相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，與在職人員面對(duì)面地交流，身臨其境會(huì)讓學(xué)生對(duì)自己以后的職業(yè)方向更清晰。

8）評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)貫徹整個(gè)教學(xué)過(guò)程，評(píng)價(jià)方式多元化，綜合運(yùn)用形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過(guò)程和指標(biāo)要公開(kāi)公正公平。評(píng)價(jià)的第一項(xiàng)就是每一個(gè)學(xué)習(xí)共同體的團(tuán)結(jié)協(xié)作效用，即項(xiàng)目小組成長(zhǎng)值的量化評(píng)價(jià);第二項(xiàng)是形成性評(píng)價(jià)，即觀察學(xué)生在什么情境下學(xué)到了，在什么情境下沒(méi)有學(xué)到，觀察的是情境，而不是學(xué)生學(xué)到的知識(shí);最后一項(xiàng)是總結(jié)性評(píng)價(jià)，以產(chǎn)品為依據(jù)，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的使用價(jià)值，其中最重要的是對(duì)“創(chuàng)新”評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的量化。

6 總結(jié)

未來(lái)，一定是“跨界整合能力”效用遠(yuǎn)大于“單項(xiàng)突出”。因?yàn)?，高精尖的工作機(jī)器人能代替，而人的能力必須體現(xiàn)在整合和創(chuàng)造上，人的探究態(tài)度必須體現(xiàn)在科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)上。職業(yè)教育作為技術(shù)型人才孵化器，完善職業(yè)教育中的STEM課程研究，優(yōu)化中國(guó)職業(yè)教育技術(shù)產(chǎn)業(yè)，打造適時(shí)人才培養(yǎng)模式勢(shì)在必行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙慧臣，陸曉婷.開(kāi)展STEM教育，提高學(xué)生創(chuàng)新_訪美國(guó)STEM教育知名學(xué)者格雷特·亞克門(mén)教授[J].開(kāi)放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[2] 李揚(yáng).STEM教育視野下的科學(xué)課程構(gòu)建[D].浙江：浙江師范大學(xué)，2014.

[3] 楊亞平.整合性STEM教育理念下工程類(lèi)高職數(shù)學(xué)教學(xué)模式的建構(gòu)[D].上海：華東師范大學(xué)，2016.

[4] Billinghurst M， Dunser A.Augmented Reality in the Classroom [J].IEEE computer，2012，45（7）：56-63.

[5] 劉義，高芳.情境認(rèn)知學(xué)習(xí)理論與情境認(rèn)知教學(xué)模式簡(jiǎn)析[J].教育探索，2010（06）：88-89.

[6] 鐘啟泉，編譯.現(xiàn)代教學(xué)論發(fā)展[M].北京：教育科學(xué)出版社，1998：363.