基于STEM視角的中學信息技術課程群建設與實踐

韓冬兵 北京師范大學附屬實驗中學

于曉雅 北京教育學院

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）以“立德樹人”為宗旨，對原有的信息技術課程體系進行了調(diào)整，加強了必修模塊中程序和算法部分的內(nèi)容，重新構(gòu)建和豐富了信息素養(yǎng)內(nèi)容，并將信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任列為學科四大核心素養(yǎng)。新課標尤其關注學生個性化、多樣化的學習和發(fā)展需求，鼓勵吸納學科領域的前沿成果，倡導基于項目的學習方式，鼓勵學生在數(shù)字化環(huán)境中學習與實踐，積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發(fā)式、探究式、體驗式等課堂教學。這些與STEM教育的核心理念不謀而合。那么，如何通過對課程的頂層設計，更好地落地核心素養(yǎng)目標？如何有效組織與實施教學，發(fā)展學生的信息素養(yǎng)？這是當前信息技術教學研究關注的問題。

筆者基于北京中小學信息技術課程現(xiàn)狀，將STEM教育理念融入初高中信息技術走班制教學的常規(guī)教學模式中，通過合理地構(gòu)建教學內(nèi)容、設計教學目標和改進教學模式，培養(yǎng)學生運用知識解決問題的能力、交流與合作的能力、創(chuàng)新意識與實踐能力以及批判性思維、算法思維等，并探索了適用于初高中不同學段學生的STEM課堂活動項目，形成了信息技術學科內(nèi)綜合及跨學科多主題、多層次的STEM課程。

● 信息技術課程群建設思路

1.學科課程群設計的理論依據(jù)

建構(gòu)主義認為，學習不是知識由教師向?qū)W生的傳遞，而是學生建構(gòu)自己的知識的過程。學習是主動的，知識或意義是學習者通過新舊知識經(jīng)驗間反復的、雙向的相互作用過程而建構(gòu)成的。斯皮羅等人認為，學習分為初級學習和高級學習兩種。初級學習要求學生知道一些重要的事實和概念，高級學習則要求學生把握概念的復雜性，并廣泛而靈活地運用到具體的情境中。促進思維發(fā)生是實現(xiàn)高級學習的核心，這就需要教師深入知識的內(nèi)在邏輯，搭建知識的脈絡框架，幫助學生清晰地理解和把握概念，并將其與真實的生活情境聯(lián)系起來，靈活運用技能去分析解決問題，進行創(chuàng)造性的應用。

筆者所在學校開設的信息技術課程是將必修課、選修課及專修課三類課程結(jié)合起來，形成一個多維度、進階型、有針對性的課程體系，并以新課標為依托，從知識、思維、能力等角度多維設定目標，貫穿整個教學過程。將STEM教育理念融入信息技術校本課程，旨在以真實情境中的實際問題為基礎，以項目活動為依托，為學生提供“做中學、學中做”的活動環(huán)境，在學生探究問題的過程中培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，發(fā)展計算思維。

從學生的角度來說，信息技術課程體系的構(gòu)建不僅讓學生在項目活動中親身體驗人工智能、開源硬件、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術的應用，理解技術背后的原理到設計實現(xiàn)簡單的信息系統(tǒng)的過程，促進對所學知識的理解與建構(gòu)，更重要的是基于真實情境的、以科學探究為導向的項目式學習活動，讓學生融于情境，敢于表達，樂于實踐，勇于擔當，進而培養(yǎng)學生深度學習的思維能力、科學探究的精神，合作意識和創(chuàng)新意識，為未來的發(fā)展打下基礎。

從教師的角度來說，通過全程參與基于STEM教育理念的信息技術系列課程建設，能促進教師以全局的眼光來審視信息技術的內(nèi)涵、學科本質(zhì)和育人目標，由知識導向轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰蚝蛢r值導向。

2.學情分析——走班制

筆者所在學校是六年制完全中學，初高中信息技術課程均為自主設計的課程。目前，初中階段的信息技術必修課程開設了Python趣味編程、初識人工智能等六個模塊，每位學生要在初一學年選修六個模塊中的四個。因此，筆者選擇Lego機器人、開源硬件等不同的平臺，為學生營造一個嚴謹而輕松的學習環(huán)境，有利于學生通過通俗易懂的實例來理解問題解決的方法和思路。在初二年級開設了F1 in school、Arduino創(chuàng)意設計等綜合性比較強的STEM課程，滿足學生個性化的發(fā)展需求。

在高中階段，2014年開始實行藝術、技術、生涯規(guī)劃、批判性思考分類課程走班制度，由學科教師自主設置模塊課程供全校高一和高二年級學生自主選修。每周，高一和高二年級各有4課時分類走班課，學生在整個高中階段必選一門信息技術課程、一門通用技術課程，再任選一門技術類課程。走班制注重對學生個性的培養(yǎng)和個體主觀能動性的發(fā)揮。學生在學習的過程中根據(jù)自身的學習興趣、個人能力和發(fā)展需要，有的放矢地選擇自己喜歡的課程。

● 學科課程群建設的目標

課程群建設的目標有三個層次：國家、學校以及學科。注重學科基礎，培養(yǎng)學生良好的科學素養(yǎng)是學校教學的重要特色。注重品德培養(yǎng)，關注學生心理健康和人格發(fā)展是教育共同的認知。同時，在技術學科的課程與教學中，以工具性的知識技能為基礎，指向過程性的素養(yǎng)培育，重視學生思維培養(yǎng)和社會責任擔當，發(fā)展學生認識自我、處理與社會的關系的能力。

信息技術課程群課程設置

● 信息技術課程實施驗證

1.學科課程群的內(nèi)容架構(gòu)

學?，F(xiàn)有的基于分類走班制的信息技術課程群包含7大類，約15門課程（如上頁圖）。整個課程涵蓋了計算機科學和計算機應用兩大體系，從必修課、選修課、專修課到課外小組，形成了針對初高中學生的有學科特色且多層次的信息技術課程體系。

為了實現(xiàn)學生的高級學習，需要對教學內(nèi)容進行有效構(gòu)建，筆者根據(jù)每門課程本身的特點，結(jié)合國家信息技術課程中必修1和必修2的內(nèi)容，重新設計教學內(nèi)容，將必修的內(nèi)容融入到走班課程的教學中，讓學生既在專業(yè)的知識領域有深入的學習，又能掌握信息技術基礎知識與技能，增強信息意識，發(fā)展計算思維。例如，“人工智能初步”課程中的第一單元，筆者將內(nèi)容設計為Python基礎、Numpy與Matplotlib，這一部分是將《必修1 數(shù)據(jù)與計算》中的算法與程序?qū)崿F(xiàn)部分、數(shù)據(jù)處理與應用部分以及《選擇性必修 人工智能初步》中語法基礎部分這三項內(nèi)容進行整合，重新提煉和設計，在實踐過程中注意避免陷入過于注重具體技術細節(jié)的誤區(qū)，而應從人工智能的本質(zhì)，即用計算方法解決智能問題出發(fā)，著力于學生計算思維的培養(yǎng)。

2.STEM視角下的學科教學模式

基于STEM教育理念，學生是課堂的主體，在課堂教學活動的設計中，強調(diào)在問題情境中有效促進跨學科知識的整合。為此，筆者在教學模式上做了兩個主要改變：一是從技術中心到主題設計導向，二是在項目式學習中注重真實情境中的問題解決。將問題貫穿于項目始終，由教師提供“支架”，引導學生提出解決方案。

（1）從技術中心到主題設計導向

以“移動應用設計”課程為例，最初的課例是純粹從技術角度出發(fā)設計課堂項目，如針對畫布、圖像精靈等知識點，以技術為中心設計“打地鼠”游戲項目。而從STEM教育的視角出發(fā)，筆者對課程重新做了整體設計，在理解學生、學科和技術的基礎上，開展課程設計和活動設計，貫穿“關心自己，關注環(huán)境，關愛他人”一條主線，課堂項目的設計不再是獨立的，而是由主線貫穿起來，把教學內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學生的學習活動，整合學習情境、學習內(nèi)容和學習資源，進而引導學生真正運用習得的知識解決真實情境中的復雜問題。

（2）真實情境下的問題解決

學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，是學生在長期的學習之后所具備的必備品格、關鍵能力和價值觀念?；谡鎸嵡榫诚碌膯栴}解決的活動設計有助于上述目標的達成。例如，在《人工智能初識》一課中，教師可以引導學生結(jié)合自身生活經(jīng)驗，提出智能處理中的問題，如將人臉識別、語音識別與學?？记谙到y(tǒng)、智能家居安保系統(tǒng)相結(jié)合，將文字識別與智能車庫、智能朗讀相結(jié)合等，學生通過親身體驗人工智能真實應用，了解了所要解決的問題。

另外，有效的教學情境需要包含一系列進階問題，這些環(huán)環(huán)相扣的問題能有效地引導學生盡快進入狀態(tài)、適應情境，從而引入新知、解決問題和引發(fā)思考。首先，起始類問題需要源于學生日常生活，難易程度要適合全班學生的實際水平，以保證大多數(shù)學生在課堂上都處于學習狀態(tài)。其次，問題需要指向教學目標，同時能夠幫助學生分解復雜情境中涉及的一系列關鍵點。面對關鍵點的挑戰(zhàn)，教師適時給學生提供與已有知識有一定鏈接的小問題，以此理解新的知識，并最終解決問題。最后，拋出拓展性的問題，引導學生有效地應用新習得的知識，進一步地深入思考。例如，在《人工智能初步》一課中，在聚類算法的教學設計中，筆者設計了共享單車停車點的選擇案例。在課堂活動項目中，利用真實的海量停車數(shù)據(jù)，分步驟搜尋解決問題的方案，并對KMeans算法和DBSCAN算法兩種聚類算法的特點進行解析，深入挖掘經(jīng)典算法中的核心參數(shù)設置與執(zhí)行效果之間的關系，通過多次探索實驗，加深學生對經(jīng)典算法原理的理解。

3.從學科教學實踐到跨學科STEAM體驗課程

筆者所在學校還在特殊班型的班級開展了STEAM體驗課程。該課程是跨音樂、美術、信息技術、通用技術學科的綜合類動手實踐課程，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、批判性思維和實踐能力。課程的項目主題為學校體育藝術中心和別墅模型設計與制作兩個主題。除此之外，還設計了如四合院、學校分校下沉廣場設計、傳統(tǒng)文化節(jié)宮燈設計等項目，這些項目將在后續(xù)課程中陸續(xù)實施。

在課堂實施過程中，教師會將學科知識與生活經(jīng)驗、思維發(fā)展與真實情境聯(lián)系起來。例如，學校國際部遷走后，計劃在原址籌建體藝中心，據(jù)此教師設計了體藝中心的STEAM項目。設計、制作體育藝術中心，賦予建筑智能控制功能，同時呈現(xiàn)藝術元素。在選定真實情境后，很重要的一步就是追溯專家解決問題的思路。教師要引導學生思考體育場館設計需要考慮的因素，如場館功能分區(qū)、人流的動線設計、疏散路線等。對于學生來說，掌握這樣的專業(yè)技能是有困難的，所以教師要根據(jù)需求，引導學生實際考察學校和周邊的體育場館，從網(wǎng)絡上收集設計圖和相關資料，觀察和體驗各項設施，考慮設計時的一些細節(jié)等。另外，學生還需要使用傳感器和智能硬件，獲取場館的環(huán)境信息，使用諸如人臉識別、語音識別、語音合成、文字識別等人工智能控制模塊，搭建小型智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)真實情境下的問題解決。

從畫圖紙，到自己排料下料、模型搭建、添加藝術要素和智能控制部件等，完成這樣一個整體項目的設計，需要綜合各個學科的知識和技能，在實施過程中教師要有意識地引導學生就“能否改進用戶的體驗”等問題進行探究和討論。最后的課程評價除了成品外，學生還會以學習報告的形式對作品進行反思，如總結(jié)場館的搭造經(jīng)驗，包括框架結(jié)構(gòu)如何設計、采用什么材料更為環(huán)保、與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)一致、風格統(tǒng)一等，并反思作品的不足之處。

● 課程群的推廣與展望

基于STEM視角，筆者所在學校開展了初高中不同學段信息技術課程群的建設與實踐，注重課堂實施，開發(fā)了配套的校本教材、自主學習平臺、教學案例集等多種課程資源，研究成果具有較強的推廣價值。衍生出的一系列項目資源、教學素材和課堂活動案例，從初高中一體化的維度為中學信息技術課堂教學和STEM教育理念提供了更加系統(tǒng)、多元的一線教學案例。