基于翻轉(zhuǎn)課堂的高中STEM 教學(xué)案例探究
——以自動化傳送帶模型為例

廣西柳州市鋼一中學(xué) 韋麗姣

STEM 教育倡導(dǎo)多學(xué)科融合、注重創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)，在基礎(chǔ)教育階段實施STEM 教育對于培養(yǎng)面向未來的科技創(chuàng)新型人才具有重要的意義。2016 年，教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》通知中提出有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在“眾創(chuàng)空間”、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用；2018 年，中國教育科學(xué)研究院正式啟動“中國STEM 教育2029創(chuàng)新行動計劃”。雖然STEM 教育逐漸被提上日程，但時至今日，中國STEM 課程體系尚未完全建立，STEM 教學(xué)模式還未成熟。因此，本文設(shè)計并實施了基于翻轉(zhuǎn)課堂的STEM 教學(xué)案例，希望能提升學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識解決實際問題的能力，豐富STEM 教學(xué)案例資源。

一、STEM 教育、Arduino 與翻轉(zhuǎn)課堂融合的可行性

STEM 教育是一種運(yùn)用跨學(xué)科知識解決問題的教學(xué)理念。STEM 教育是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有機(jī)整合，融合四個學(xué)科領(lǐng)域的知識和運(yùn)用的教育。STEM 教育具有跨學(xué)科、趣味性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性等核心特征。STEM 教學(xué)理念的落實需要依托教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式。

Arduino 是一類便捷靈活的開源電子原型平臺。Arduino 開發(fā)板具有豐富的接口，可以通過杜邦線連接多種傳感器、LED、馬達(dá)、舵機(jī)等電子零件，使用者在Arduino IDE 中編寫好程序后上傳到Arduino 開發(fā)板中執(zhí)行，從而控制電子零件實現(xiàn)相應(yīng)的功能。學(xué)生使用Arduino 設(shè)計開發(fā)作品，能在實踐中學(xué)習(xí)應(yīng)用物理、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)、工程等學(xué)科理論知識，鍛煉邏輯思維，提升創(chuàng)新能力。

翻轉(zhuǎn)課堂也稱顛倒課堂，是一種先學(xué)后教的教學(xué)模式，即學(xué)生在課前根據(jù)教師提供的資源包自主學(xué)習(xí)，記憶和理解知識，課上學(xué)生通過協(xié)作完成學(xué)習(xí)活動等方式內(nèi)化知識。翻轉(zhuǎn)課堂創(chuàng)建了學(xué)生自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)的環(huán)境，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

綜上可知，STEM 教育、Arduino和翻轉(zhuǎn)課堂具有充分融合的基礎(chǔ)。STEM 教育可以Arduino 為課程內(nèi)容載體，以翻轉(zhuǎn)課堂為教學(xué)模式去組織實施，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)應(yīng)用多學(xué)科知識，提升自學(xué)能力、合作能力和創(chuàng)新能力。

二、基于翻轉(zhuǎn)課堂的高中STEM教學(xué)模式設(shè)計

基于翻轉(zhuǎn)課堂的STEM 教學(xué)過程分為三個階段——課前、課中和課后，如圖1 所示。

圖1 STEM 教學(xué)過程課前、課中和課后三個階段的設(shè)計

課前，教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，包括教學(xué)內(nèi)容分析、學(xué)情分析、教學(xué)目標(biāo)分析、教學(xué)資源設(shè)計、教學(xué)過程設(shè)計等，上傳學(xué)習(xí)資源，劃分學(xué)習(xí)小組。學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)，提交課前自主學(xué)習(xí)任務(wù)單，討論交流學(xué)習(xí)中遇到的困難。

課中，教師根據(jù)學(xué)生課前學(xué)習(xí)反饋和疑難問題進(jìn)行針對性講解，對共性問題重點講解，個別問題個性化輔導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生開展探究活動。學(xué)生以小組為單位合作學(xué)習(xí)，小組成員分工明確，及時溝通交流，確保完成學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生探究結(jié)束后，進(jìn)行小組成果展示與作品評價，在交流過程中取長補(bǔ)短，體驗創(chuàng)造的成就感和分享的快樂。最后，師生共同總結(jié)。

課后，教師和學(xué)生進(jìn)行教學(xué)反思，總結(jié)閃光之處和不足之處。教師和學(xué)生填寫評價量表，檢驗教學(xué)目標(biāo)是否達(dá)成。評價指標(biāo)體系的客觀性、科學(xué)性、全面性、系統(tǒng)性對于學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)改進(jìn)的導(dǎo)向、激勵、調(diào)控和診斷具有重要價值。因而，STEM 教育的評價為過程性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合，評價對象為小組評價和個體評價相結(jié)合，評價方式為自評、互評和師評三者結(jié)合。

三、基于翻轉(zhuǎn)課堂的高中STEM教學(xué)案例設(shè)計與實踐

融入地方特色的教學(xué)內(nèi)容既能吸引學(xué)生興趣，又能加深學(xué)生對本土人文風(fēng)情的認(rèn)識。柳州是一座工業(yè)城市，柳鋼集團(tuán)就在學(xué)校附近，以鋼鐵生產(chǎn)流程的模型制作為主題開展STEM 教育比較貼近學(xué)生實際。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，需要把礦石通過傳送帶運(yùn)往高爐。因此，本文以自動化傳送帶模型的控制為例，讓學(xué)生體會STEM 學(xué)習(xí)過程。自動化傳送帶模型涉及物理、信息技術(shù)、通用技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科，涵蓋的STEM知識如下：光的漫反射原理、紅外數(shù)字避障傳感器和電機(jī)的工作原理（S），電子技術(shù)和編程技術(shù)（T），模型的工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動知識（E），測量距離、計算時間以及數(shù)據(jù)的處理（M）。

（一）課前階段

教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，準(zhǔn)備學(xué)習(xí)資源，開發(fā)微課視頻、微課件、課前學(xué)習(xí)任務(wù)單，把學(xué)習(xí)資料上傳到UMU互動學(xué)習(xí)平臺。資料中介紹了紅外數(shù)字避障傳感器的工作原理和控制方法；直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理、電機(jī)驅(qū)動模塊的結(jié)構(gòu)、用Arduino 和電機(jī)驅(qū)動模塊控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的方法、if...else 語句的使用方法。學(xué)生登錄UMU 平臺自主學(xué)習(xí)，學(xué)后提交任務(wù)單。學(xué)生可以通過UMU、QQ、微信線上討論交流問題。教師在平臺中查看學(xué)生的學(xué)習(xí)時長和任務(wù)單完成情況，初步了解學(xué)生通過課前自主學(xué)習(xí)后對知識的掌握情況，為后續(xù)設(shè)計課堂教學(xué)活動提供決策依據(jù)。

（二）課中階段

學(xué)生以小組為單位開展合作學(xué)習(xí)活動，在小組合作學(xué)習(xí)活動中，通過創(chuàng)設(shè)合適的問題情境，吸引學(xué)生的興趣，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，貫徹“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念。具體步驟如下。

（1）由手動控制傳送帶運(yùn)動引出自動控制傳送帶運(yùn)動的問題。（2）學(xué)生回顧相應(yīng)電子零件的功能，厘清傳送帶整體控制流程。（3）學(xué)生根據(jù)參考接線圖搭建電路。通過搭建電路，學(xué)會安裝電機(jī)，熟悉開發(fā)板和傳感器、電機(jī)驅(qū)動模塊的連接，電機(jī)驅(qū)動模塊和電機(jī)、電池的連接。（4）學(xué)生討論設(shè)計控制傳送帶的算法，繪制流程圖。通過設(shè)計算法，厘清實現(xiàn)控制功能的邏輯，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、邏輯思維和計算思維。（5）學(xué)生根據(jù)算法流程圖，在Arduino IDE 中編寫程序。通過編寫程序，熟悉define、pinMode、digitalRead、digitalWrite、delay 函數(shù)和if 語句的使用方法，掌握編程基礎(chǔ)知識和技巧。（6）學(xué)生上傳程序到Arduino 開發(fā)板中，調(diào)試修改程序。在調(diào)試過程中，學(xué)生可能會遇到新問題，例如，物體運(yùn)送到高處后傳送帶還在工作。這些問題讓學(xué)生自己尋找出現(xiàn)問題的原因及解決問題的辦法，提升解決問題的能力。（7）學(xué)生展示交流本組成果并根據(jù)評價量表進(jìn)行點評。通過作品展示，增進(jìn)生生之間的交流，提升學(xué)生的表達(dá)能力，使學(xué)生體會到成功的喜悅感。（8）教師使用思維導(dǎo)圖呈現(xiàn)傳送帶模型控制所需硬件和軟件，強(qiáng)調(diào)電子控制的一般流程，幫助學(xué)生鞏固記憶知識點，梳理控制邏輯。

（三）課后階段

課后學(xué)生填寫學(xué)習(xí)反思和評價量表。反思的目的是讓學(xué)生通過回顧學(xué)習(xí)過程，記錄收獲與需要改進(jìn)之處，督促自身不斷進(jìn)步。評價是教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)之一。小組評價包含合作交流能力、作品制作能力和作品展示能力三方面。個體評價分為自評和組內(nèi)互評，自評主要包含自主學(xué)習(xí)能力、合作交流能力和學(xué)習(xí)效果三方面，互評主要分為學(xué)習(xí)態(tài)度、合作交流和任務(wù)完成度三方面。教師撰寫教學(xué)反思和評價，評價學(xué)生個體和小組，通過反思不斷積累教育教學(xué)經(jīng)驗和完善教育教學(xué)方法。

（四）實踐效果

學(xué)生通過使用Arduino 實現(xiàn)傳送帶的自動化控制，體驗了綜合應(yīng)用多學(xué)科知識解決問題的過程，知道了實際生活中傳送帶的工作原理，明確了傳感器和電機(jī)等電子零件的工作原理和控制方法，提升了自主學(xué)習(xí)能力、合作交流能力和運(yùn)用跨學(xué)科知識解決問題的能力。

綜上所述，在高中實施基于翻轉(zhuǎn)課堂的STEM 教育對于培養(yǎng)學(xué)生將跨學(xué)科知識進(jìn)行融合的能力，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、合作交流能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。在實施STEM教育的過程中還遇到一些問題，今后將積極探索解決問題的辦法，開發(fā)更有趣味性的STEM 教育主題，探尋行之有效的STEM 教育培養(yǎng)途徑。