基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的STEAM課程設(shè)計(jì)

張一鳴　和淵　侯靜雯　韓明哲

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是以力、熱、聲、光、電、磁、生化等各類傳感器為基礎(chǔ)，使用傳感器采集實(shí)驗(yàn)中的各類數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等中樞進(jìn)行分析處理的新型實(shí)驗(yàn)方式，具有具身性、實(shí)時(shí)性、廣延性等特征。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)于美國(guó)，2003年乘國(guó)家新一輪課程教材改革的東風(fēng)進(jìn)入我國(guó)，為我國(guó)教育改革提供了有力的支撐。近年來(lái)，國(guó)際科學(xué)教育改革掀起新浪潮，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與科學(xué)教學(xué)的深度融合成為熱點(diǎn)問(wèn)題，融合信息技術(shù)的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)（Science Technology Engineering Arts Mathematics，STEAM）教育越來(lái)越受到重視。

“建造抗震房屋”是一節(jié)面向6—8年級(jí)學(xué)生開設(shè)的基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的STEAM課程，來(lái)自美國(guó)科學(xué)伙伴（Science Buddies）教育慈善機(jī)構(gòu)提供的線上STEAM教案資源。該課程的設(shè)計(jì)符合美國(guó)新一代科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（Next Generation Science Standards，NGSS）的理念。在學(xué)科核心概念方面，學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)能繪制一個(gè)區(qū)域內(nèi)的自然災(zāi)害歷史地圖，同時(shí)理解相關(guān)的地質(zhì)作用能夠幫助預(yù)測(cè)未來(lái)地質(zhì)事件發(fā)生的位置和可能性。學(xué)生要提出可能的方案，用有系統(tǒng)的流程來(lái)評(píng)估方案在多大程度上滿足了待解決問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)與約束條件。在跨學(xué)科概念方面，學(xué)生應(yīng)能運(yùn)用表格和圖像識(shí)別數(shù)據(jù)中的模式，理解穩(wěn)定與變化——穩(wěn)定狀態(tài)可能被突發(fā)事件打破，也可能被漸進(jìn)式改變。在科學(xué)與工程實(shí)踐方面，教師要引導(dǎo)學(xué)生分析和解讀數(shù)據(jù)，構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)解決方案，開展基于證據(jù)的論證。學(xué)生在課前需要了解速度、時(shí)間和距離之間的關(guān)系等先驗(yàn)知識(shí)。教師在課堂上指導(dǎo)學(xué)生使用帶有傳感器應(yīng)用程序（例如Phyphox）的智能手機(jī)、雙面膠帶、秒表、尺子、瓦楞紙板、圓柱形物體（如記號(hào)筆）等材料進(jìn)行抗震建筑模型的建造。筆者對(duì)該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行概述，并從課程目標(biāo)、課程知識(shí)、課程活動(dòng)和課程評(píng)估四個(gè)維度進(jìn)行分析，為我國(guó)中小學(xué)校設(shè)計(jì)和開展基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的STEAM課程提供參考。

一、“建造抗震房屋”教學(xué)環(huán)節(jié)

（一）創(chuàng)設(shè)綜合情境

教師播放視頻，向?qū)W生介紹地震知識(shí)。地震會(huì)造成生命損失并嚴(yán)重破壞建筑物，但抗震建筑卻可以屹立不倒，保護(hù)人們的安全，且大大降低維修成本。在這個(gè)課程中，學(xué)生將建造抗震建筑模型，并使用手機(jī)和傳感器應(yīng)用程序等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)工具模擬地震并測(cè)量參數(shù)。學(xué)生參與這個(gè)有趣的工程實(shí)踐課程，探索如何利用技術(shù)保障生命安全。

教師播放視頻，介紹抗震隔離系統(tǒng)。在一個(gè)大型振動(dòng)臺(tái)上有兩個(gè)建筑模型。左邊的建筑直接連接于地面，右邊的建筑有一個(gè)抗震隔離系統(tǒng)，使之與地面的運(yùn)動(dòng)隔離。該系統(tǒng)的工作原理類似于汽車中的減震器（減輕顛簸感），有助于右邊建筑物減少搖晃，防止其倒塌。

教師引導(dǎo)學(xué)生討論：在第二段視頻中觀察到了什么？為什么像這樣的地震防護(hù)系統(tǒng)很重要？

（二）引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)工具

教師向?qū)W生介紹傳感器應(yīng)用程序Phyphox。這是一款利用內(nèi)置傳感器的手機(jī)應(yīng)用軟件，兼容Android和iOS系統(tǒng)，包含加速度傳感器、磁力傳感器、陀螺儀（旋轉(zhuǎn)傳感器）、光傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。目前，該軟件能實(shí)現(xiàn)29種內(nèi)置功能，可進(jìn)行加速度、角速度、頻率、周期、磁感應(yīng)強(qiáng)度、光照強(qiáng)度、壓力和聲音的振幅等基本物理量的測(cè)量和分析。學(xué)生將使用Phyphox應(yīng)用程序的加速度傳感器并測(cè)量設(shè)備運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)加速度（選擇Phyphox應(yīng)用程序?qū)Ш街械摹敖^對(duì)”標(biāo)簽）。加速度傳感器將給出物體運(yùn)動(dòng)的加速度，當(dāng)設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，傳感器報(bào)告數(shù)值為0。操作步驟如下。第一步，教師向?qū)W生解釋，手機(jī)含有內(nèi)置加速度傳感器。這是一種可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的電子設(shè)備（從技術(shù)上講，它測(cè)量的是以m/s為單位的加速度）。加速度傳感器被應(yīng)用于手機(jī)和視頻游戲控制器的運(yùn)動(dòng)控制。第二步，教師向?qū)W生演示應(yīng)用傳感器應(yīng)用程序（如Phyphox）能夠記錄來(lái)自加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并以圖表形式顯示。第三步，教師向?qū)W生展示搖晃手機(jī)時(shí)發(fā)生的情況。絕對(duì)加速度顯示手機(jī)所有方向的總加速度，而、和加速度計(jì)只顯示一個(gè)方向的加速度（相對(duì)于手機(jī)）。第四步，教師向?qū)W生解釋，加速度傳感器可以用來(lái)反映地震時(shí)建筑物的移動(dòng)程度。

（三）教師演示

教師為學(xué)生做一個(gè)快速示范，用雙面膠帶將手機(jī)固定在一個(gè)小紙盒的頂部，屏幕朝上，通過(guò)搖動(dòng)紙盒模擬地震時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)。教師直接搖動(dòng)盒子，它就像一棟直接連接在地面上的建筑物，建筑物移動(dòng)得更多，加速度也更大。教師將箱子放在滾輪上，模仿構(gòu)建抗震隔離系統(tǒng)。該系統(tǒng)中“基底”可以在建筑物下面來(lái)回移動(dòng)，而建筑物則不會(huì)移動(dòng)那么多，使得加速度減小。操作步驟如下。第一步，教師點(diǎn)擊Phyphox的播放按鈕，開始記錄。第二步，教師搖動(dòng)紙箱，點(diǎn)擊暫停按鈕停止記錄，保存數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。第三步，教師向?qū)W生展示圖表，測(cè)定最大加速度。教師讓學(xué)生利用技術(shù)來(lái)選擇圖表中的任何數(shù)據(jù)點(diǎn)并查看其數(shù)值。第四步，將盒子放在一塊瓦楞紙板上或其他圓形物體的上面。第五步，重新開始記錄，來(lái)回?fù)u動(dòng)這塊紙板幾次。盡量以搖動(dòng)盒子本身的速度來(lái)?yè)u動(dòng)它。注意，盒子沒(méi)有像紙板那樣來(lái)回移動(dòng)。因?yàn)橛袧L輪，紙板可以在盒子下面來(lái)回移動(dòng)。第六步，學(xué)生停止記錄，保存數(shù)據(jù)，展示圖表。再次確定手機(jī)感受到的最大加速度，并將其數(shù)值與直接搖動(dòng)盒子時(shí)的數(shù)值進(jìn)行比較。第七步，教師引導(dǎo)學(xué)生討論：這些圖表告訴我們什么？這兩張圖是如何比較的？這與剛才看的視頻有什么關(guān)系？

（四）學(xué)生活動(dòng)

教師讓學(xué)生使用指定材料來(lái)建造抗震隔離系統(tǒng)（如圖1）。教師演示的只是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，目的是讓學(xué)生嘗試改進(jìn)設(shè)計(jì)。為了達(dá)成本課的教學(xué)目標(biāo)，他們將只在一個(gè)方向上搖動(dòng)“地面（基底）”。

教師提問(wèn)：像演示中那樣將建筑物放在滾輪上，有哪些潛在的問(wèn)題？

（可能的答案包括真正的抗震隔震系統(tǒng)允許建筑物來(lái)回移動(dòng)，但要確保建筑物最終會(huì)回到初始位置。）

教師引導(dǎo)學(xué)生討論：如何利用教室里的材料來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)？

（一些可能的方案包括用彈簧或橡皮筋將建筑拉回原位，或者在兩邊加上擋板，防止掉落。）

教師提示學(xué)生：參照工程設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)建構(gòu)抗震隔離系統(tǒng)。這個(gè)過(guò)程是反復(fù)進(jìn)行的，這意味著可能會(huì)重復(fù)一些步驟。工程問(wèn)題沒(méi)有單一的“正確答案”，學(xué)生的設(shè)計(jì)可能在第一次嘗試時(shí)并不順利。這沒(méi)關(guān)系，就像現(xiàn)實(shí)世界中的工程問(wèn)題一樣，學(xué)生可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)建造、測(cè)試和重新設(shè)計(jì)他們的系統(tǒng)，重復(fù)多少次都行。

二、“建造抗震房屋”案例分析

（一）課程案例分析

課程目標(biāo)方面，該課程共設(shè)置了三個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，分別是熟悉加速度的概念和加速度的測(cè)量、了解自然災(zāi)害，以及學(xué)會(huì)分析和使用模型。學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，能夠充分理解加速度的理論知識(shí)，并應(yīng)用這一知識(shí)對(duì)地震中的加速度進(jìn)行說(shuō)明。學(xué)生需要在深刻理解加速度概念的基礎(chǔ)上，在建模的實(shí)踐操作中發(fā)展科學(xué)與工程思維。

課程知識(shí)方面，課程開始時(shí)教師為學(xué)生播放有關(guān)地震的視頻，幫助學(xué)生了解抗震隔離系統(tǒng)和加速度的關(guān)系，并且通過(guò)提問(wèn)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。在實(shí)踐中，學(xué)生需要利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理分析，應(yīng)用其掌握的知識(shí)和工程技能預(yù)防災(zāi)害。

課程活動(dòng)方面，該課程的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)除了教師的演示和實(shí)驗(yàn)，還有學(xué)生自主探究活動(dòng)（反復(fù)實(shí)踐）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，接受教師輔導(dǎo)，模擬現(xiàn)實(shí)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，從而達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)。這樣，既能夠增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，又能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)參與科學(xué)探究和工程實(shí)踐的信心。

課程評(píng)估方面，該課程中學(xué)生參與實(shí)踐、改進(jìn)設(shè)計(jì)等活動(dòng)，對(duì)自己的學(xué)習(xí)情況形成準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，學(xué)生以小組匯報(bào)的形式進(jìn)行反思，評(píng)價(jià)抗震建筑作品，并且根據(jù)教師提出的反饋性意見，思考如何制作出成本更低、抗震效果更佳的建筑模型，并加以嘗試。該課程是基于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題情境設(shè)計(jì)的。學(xué)生在實(shí)踐中會(huì)遇到不確定因素甚至突發(fā)情況，不會(huì)得到唯一的“正確答案”。這有利于學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)情境下解決問(wèn)題的過(guò)程。

（二）課程標(biāo)準(zhǔn)分析

課程目標(biāo)方面，該課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)涵蓋NGSS的三個(gè)維度，即學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念及科學(xué)與工程實(shí)踐。教師通過(guò)自身演示和學(xué)生操作，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)工具作為紐帶，使科學(xué)教學(xué)的三個(gè)維度貫穿課程始終，幫助學(xué)生理解知識(shí)，掌握技能，提高能力和素養(yǎng)。

課程知識(shí)方面，基于NGSS“地球與宇宙”領(lǐng)域?qū)W科核心概念中的“自然災(zāi)害”“提出可能的解決方案”，學(xué)生需學(xué)會(huì)繪制地區(qū)自然災(zāi)害圖，并對(duì)項(xiàng)目的主題和目標(biāo)形成自己的認(rèn)識(shí)，通過(guò)教師講解、瀏覽網(wǎng)絡(luò)資源，初步了解防震知識(shí)、理解建筑抗震的基本原理。同時(shí)，學(xué)生需研制可能的解決方案，以此為預(yù)防地震災(zāi)害提供幫助。

課程活動(dòng)方面，基于NGSS的科學(xué)與工程實(shí)踐，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐建立、深化和運(yùn)用他們對(duì)學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念的認(rèn)識(shí)。小組成員發(fā)揮所長(zhǎng)，完成抗震建筑項(xiàng)目的任務(wù)，如制作墻體梁柱等零部件、建筑的主體結(jié)構(gòu)、防震的承重結(jié)構(gòu)等。該課程設(shè)計(jì)體現(xiàn)“重視學(xué)生自主探究和實(shí)踐”的原則，并且強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于抗震減災(zāi)知識(shí)的理解。

課程評(píng)估方面，NGSS強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)的目的在于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。該課程中，教師、學(xué)生共同根據(jù)活動(dòng)手冊(cè)的記錄內(nèi)容開展過(guò)程性評(píng)價(jià)，通過(guò)抗震產(chǎn)品檢測(cè)進(jìn)行作品評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)以評(píng)促改。教師采用多元評(píng)價(jià)、自我反思、拓展遷移等方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，體現(xiàn)NGSS注重的多元化評(píng)價(jià)理念。

三、案例特點(diǎn)及啟示

（一）以學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向

“建造抗震房屋”STEAM課程案例具有綜合性、實(shí)踐性的特點(diǎn)，課程涉及科學(xué)探究、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)工具的使用、跨學(xué)科整合、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、真實(shí)情境下的活動(dòng)、團(tuán)隊(duì)合作解決問(wèn)題等要素。課程綜合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)和技能，將知識(shí)的獲取、方法與工具的利用以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過(guò)程有機(jī)融合，有利于培養(yǎng)學(xué)生理解、應(yīng)用核心概念和原則的能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展。對(duì)于我國(guó)學(xué)生來(lái)說(shuō)，在中小學(xué)階段比較注重學(xué)習(xí)概念性知識(shí)，很少有機(jī)會(huì)實(shí)踐。在當(dāng)前的“雙減”背景下，核心素養(yǎng)導(dǎo)向的課程改革理念可以借助STEAM課程落實(shí)。教師利用便捷的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)工具開展STEAM教學(xué)，將手機(jī)變成教學(xué)工具，讓學(xué)生在參與、體驗(yàn)、獲得知識(shí)的過(guò)程中，不僅獲得結(jié)果性知識(shí)，而且習(xí)得蘊(yùn)含在項(xiàng)目問(wèn)題解決過(guò)程中的過(guò)程性知識(shí)。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是STEAM教育的重要手段

立足于智能化的感知和測(cè)量，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋由钊氲赜|及STEAM教育的本質(zhì)，并且推動(dòng)我國(guó)基礎(chǔ)教育課程教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可用于物理、化學(xué)、地理等各個(gè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)探究，教師在授課過(guò)程中適時(shí)穿插小型實(shí)驗(yàn)，有利于增強(qiáng)對(duì)學(xué)生的吸引力。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚯逦庇^地實(shí)時(shí)顯示數(shù)字和圖像結(jié)果，拓展研究范圍、提高數(shù)據(jù)精度，幫助學(xué)生養(yǎng)成以真實(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的思維習(xí)慣。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還具有環(huán)境普適、方便遷移的特點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)和探究不受地點(diǎn)、課型限制，克服組織障礙，促進(jìn)家校融合。此外，教師使用過(guò)程記錄、網(wǎng)絡(luò)分享等功能，可以進(jìn)行跨時(shí)空匯總分析，便于分析學(xué)情和評(píng)價(jià)教學(xué)。

（三）在學(xué)科教學(xué)的基礎(chǔ)上開設(shè)STEAM課程

STEAM教育對(duì)于教師的要求較高，不僅需要其在教學(xué)方法上加以轉(zhuǎn)變，而且要具備多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)和技能。美國(guó)也存在STEAM師資缺乏的問(wèn)題，美國(guó)政府通過(guò)加大科研經(jīng)費(fèi)投入和教師培訓(xùn)來(lái)解決。我國(guó)要想發(fā)展STEAM教育，也需要加大STEAM教育人才培養(yǎng)力度，學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)我國(guó)中小學(xué)教學(xué)的實(shí)際情況進(jìn)行本土化改進(jìn)。在我國(guó)開設(shè)STEAM課程，教師需要根據(jù)中小學(xué)校的課程體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。STEAM教育要求學(xué)生具有一定的學(xué)科知識(shí)，否則可能會(huì)在操作時(shí)遇到困難。教師首先應(yīng)該依據(jù)教材的內(nèi)容，精通數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所要求的相關(guān)操作，適時(shí)使用數(shù)字化器材，做好演示實(shí)驗(yàn)。在上述案例中，由具備較強(qiáng)的數(shù)字化勝任力的學(xué)科教師教學(xué)，學(xué)科教師需要具備整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)法知識(shí)（Technological Pedagogical Content Knowledge，TPACK），才能設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，讓學(xué)生了解技術(shù)應(yīng)用、技術(shù)發(fā)展過(guò)程，具備分析新技術(shù)如何影響自己乃至周邊環(huán)境的能力。

（四）學(xué)校需要建設(shè)STEAM系列課程

在“建造抗震房屋”案例中，教師需要利用多種材料和工具開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于是實(shí)踐性課程，教師在備課時(shí)需要花費(fèi)較多時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、模擬學(xué)生可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以便在課程中為學(xué)生提供指導(dǎo)。因此，對(duì)于學(xué)校而言，要開設(shè)這樣一節(jié)STEAM課程需要投入更多人力和物力。我國(guó)中小學(xué)校要高效實(shí)施STEAM課程，需要學(xué)校管理層的支持和推動(dòng)。只有他們對(duì)STEAM教育有足夠的了解并意識(shí)到STEAM教育對(duì)學(xué)生發(fā)展的重要意義，才能更有動(dòng)力去推動(dòng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)、教師的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)等工作。由于STEAM課程涉及多個(gè)學(xué)科，因此學(xué)校開設(shè)STEAM課程首先要從“融合”二字上下功夫，需要多個(gè)學(xué)科的教師合作。學(xué)校應(yīng)調(diào)動(dòng)教師的積極性，讓教師伴隨著課程建設(shè)而共同成長(zhǎng)。STEAM課程開發(fā)是一個(gè)難得的教學(xué)改革契機(jī)，學(xué)校要充分思考和兼顧自身特色，立足實(shí)際，攻堅(jiān)克難，實(shí)現(xiàn)育人機(jī)制的全面升級(jí)。

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（作者張一鳴系人民教育出版社在站博士后、期刊編輯室編輯；和淵系中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)高級(jí)教師；侯靜雯系鄭州師范學(xué)院教師教育綜合技能訓(xùn)練中心講師；韓明哲系美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系碩士研究生）

責(zé)任編輯：祝元志