STEM素养在信息技术课程中的体现

王蕾

教学现场

随着创新教育的推广，STEM项目与信息技术的融合已然成为学科研修的重点内容，涌现出大量的整合课例、示范课。但是STEM项目究竟应该以怎样的方式走进中小学的课堂？如今众说纷纭、各有千秋，却无定论。

问题分析

本文从STEM项目中的元概念入手，探索STEM素养在信息技术课程中的体现方式，研究STEM项目如何从素养层次与信息技术课程进行深层次的融合，分析其在教学中具体落实和细化的方式，并呈现为具体的课例。

STEM素养与信息技术课程的联系

教育部发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》中指出，“探索 STEAM教育、创客教育等新教育模式”，培养学生的信息意识与创新意识，形成二十一世纪公民所具备的科学素养。

结合信息技术教学实践情况，本文将STEM综合素养细化为各具体要素（科学素养、技术素养、工程素养、数学素养），其中信息技术学科的核心素养中，包括技术素养、工程素养等内容，并结合具体的信息技术教学内容，将科学素养和数学素养进行有机的重整，最终落实为具体的课程。

STEM素养在信息技术课程中的落地方式

STEM教育强调各学科的整合效能，体现为学生综合素养的提升。落实在信息技术教学中，体现为基于STEM素养的信息技术教学方式的改革：从注重“基础知识”与“基本技能”的双基教学目标，转变为提升学科素养的意义学习；从强调知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的三维目标体系，转变为提升学生综合素养的项目化学习；从考察学生技能达标层次的评价方式，转变为对学习的过程性评价；从线性的教授技能模仿的目标，转变为非线性的创新能力的培养，鼓励学生积极地进行个性化的作品表达。

究其学科属性而言，信息技术课程在STEM素养的指引下，以更为开放性、综合性、个性化的面目呈现于学生面前，将整合后的完整全面的资源提供给学生，使接受基于STEM素养的课程教育的学生，可以具备更为合理性的综合素养，能够根据生活或项目需要，提升开放、自由的创作能力，从而创作具有创新品质的作品。

基于STEM素养的信息技术教学方式

1.信息技术课程中凸显技术素养，培养创新意识和实践能力

技术素养是STEM素养的组成部分之一，技术素养原指学习个体对科学和技术进行评价和做出相应决定所必需的基本知识和能力，是对一种科学方法评价的强有力的认知方式，是区分科学和技术并察觉它们之间联系的能力。

在信息技术学科中，技术素养具体落实为学生掌握的信息获取、加工、处理的能力。

在传统的教学目标中，技术素养源于三维目标中的知识与技能目标，对知识与技能目标进行了拓展和提升。技术素养注重对学生创新意识的培养，鼓励学生根据自身的创新要求，寻求适宜的技术手段，以期达成作品。技术素养改变了原教学目标中对基础知识与基本技能的要求，强调在过程中培养学生的实践能力，技术素养成为学生实践的工具和途径。

（1）原设计

《初识人工智能》一课是义务教育阶段最新的课程内容，随着各地对人工智能模块的积极推动，近期涌现出一批以此为主题的公开课。根据收集的教学情况来看，该课的基本思路如下：

①生活例举：人工智能应用实例（生活运用），如科大讯飞语音识别、智能导航机器人等。

②概念表达：出示人工智能的概念。

③内涵解析：结合概念，解释其中的核心技术，如语音识别技术的底层数据组成及交换技术等。

④学生讨论：生活中还有哪些应用的实例，学生进行讨论。

⑤外延拓展：教师提出人工智能的应用方式，引发学生拓展思维。

（2）思考焦点

以上教学设计在教学实践中较为常见，符合多数教师的教学设计习惯。但是在所收集的教学素养中，学生对人工智能的概念依旧模糊，课上虽然能够在教师的引导下进行讨论，但是学习过程浮于表面，并未达成实际的概念认知。因此，当课后反馈学习效能时，多数学生出现了知其然、不知其所以然的尴尬状况。甚至有听课教师感言，这是一节“类信息、实品社”的伪信息技术课。

（3）改进型设计

信息技术课的技术素养是毋庸置疑的学科核心，在该课的教学中，首先应该厘清人工智能的核心技术、明晰人工智能与其他新技术的区别与联系，才能实施达到学科素养目标的教学。

根据此过程，建议教学过程如下：

①问题创设：如果你在异地旅游，当地语言不通，你该如何寻找你的目的地呢？

②学生展开讨论（如下页表1）。

③教师小结以上解决策略（机器翻译、语音播报、手机导航等），提出其共同的特点。

④概念归纳：机器人模拟人的智慧，借助大数据和云平台实现各种语言的转换——提出人工智能的核心概念。

⑤实践感受：打开具备人工智能技术的软件平台，在线进行语言的转换——将中文翻译为英语、法语，将文字语言翻译为机器语言播报。

⑥分析程序：了解底层数据和程序设计的基本过程，并进行简单的修改。

⑦应用尝试：自我尝试，根据学生兴趣尝试人工智能模块的应用。

⑧实验创新：利用简易的人工智能平台，设计简短的语言模板应用试验。

⑨总结拓展：教師出示人工智能应用图，总结该技术的多方面应用。

教学评析：该教学设计借助具体的人工智能应用技术，将概念的入口缩小，给予学生充分的体验机会，将技术的应用和学生生活经验相结合，让学生既能建立明确的技术概念认知，也能够根据自身的经验合理地进行内化处理。在实际教学中，学生在课程结束后，可以建立较为明确的人工智能技术概念，达到了学科核心素养目标。

2.信息技术课程中拓展工程素养，体验泛在的STEM项目

工程素养是STEM素养的组成部分之一，工程素养原指从事工程实践的工程专业技术人员面向工程实践活动时所具有的潜能和适应性。具备工程素养的学习者具有敏捷的思维、正确的判断和善于发现问题的能力；能够将理论知识和实践融会贯通；具有可以把构思变为现实的技术能力；具有很强的灵活性和创造性。

在信息技术学科中，工程素养具体落实为学生可以根据项目目标要求设计STEM项目达成过程、合理规划最优路径的素养。

对于信息技术教学而言，工程素养与学科核心素养具有异曲同工之处：信息技术核心素养改变了以往重技能、轻过程，重结果、轻优化的学科导向，强调作品性的完整表达，注重依托具体的实践作品承载技术的实施。工程素养借助工程素质的表达方式，將STEM项目借助工程学的结构进行优化，为学生创建类似工程学建构的过程，培养了学生的综合素养，提升了解决问题的能力。

（1）原设计

《智能灯》是物联网技术模块的内容，教学重点是利用传感器控制LED灯的开关及亮度，内容涉及光线传感器等硬件设备及编程平台。在常见的教学设计中，教师一般采用如下教学流程：介绍光线传感器的工作原理—利用光线传感器测量当前实验环境中的光照值并记录—搭建LED灯模块—利用软件平台编写程序—光照值变量低于平均照度值时，LED灯开启—光照值变量高于平均照度值时，LED灯关闭—学生实验，教师指导—总结程序特点，归纳智能灯的原理。

（2）思考焦点

从常规思路而言，本课是较为典型的“传感器入手、编程主导、实验验证”的设计流程。从教学外显来看，此教学过程中，主要教学内容一一呈现，并无疏漏。但是仔细观察，本课的教学重点有所偏颇，看似内容都有所介绍，但是缺乏教学重点的主题。因此，学习的过程是机械的模仿，而并非STEM项目所倡导的综合应用能力运用。

（3）改进型设计

基于STEM工程素养的教学过程可以对整个内容进行合理的工程性的规划：

教学主题：《听话的智能灯》。

项目要求：利用光线传感器制作智能台灯。

教学过程：

①出示实物：感应式台灯：人来灯亮，10秒钟后熄灭。

②组织讨论：感应式台灯是什么？学生讨论，引发出人体红外传感器对灯的控制。

③迁移规划：如果你要为自己设计一款可以随时根据环境改变光照的台灯，你会怎么做（如表2）？

④实验尝试：学生根据自己的规划，实验智能灯。可以选择多种智能传感设备，LED灯的工作方式也可以根据学生的规划进行私人订制。

⑤探究原理：何为“听话的智能灯”？归纳出“听话”的原因，丰富完善自己的作品。

教学评析：以上教学设计是较为典型的STEM项目化的信息技术课，教学过程以具体的项目为核心，将工程素养作为推动学习的内在动因，帮助学生在工程规划的基础上，利用信息化手段实施工程操作，进而完成具体的工程作品。学生的学习过程不是跟随教师指挥棒的模仿与操练了，而是带有明确指标指向的综合性创作过程。

3.信息技术课程中延伸数学素养，体验计算思维的过程

数学素养也是STEM素养的组成部分之一，数学素养是指学习者所具有的创造、归纳、演绎和数学建模能力的总成。其注重强调定义，强调问题存在的条件；在认识问题时，能够将已有的严格的数学概念广义化，用于认识现实中的问题。

在信息技术学科中，数学素养具体落实为一定的计算思维能力，能够对求解过程进行合理优化、对编程内容进行符合要求的修改、可以借助算法思维工具处理数据。

对于信息技术教学而言，数学素养是计算思维的基础，当学习者具备一定的数学素养后，可以进行一定的计算思维的培养和训练。因此，数学素养是实现计算思维的必要条件之一，计算思维也为数学素养提供了实践的载体。

（1）原设计

《机器人走迷宫》是信息技术课程中常见的一课，本课的学段跨度较大，依据不同的轨道，难度差异也大相径庭。在教学过程中，本课是教师常难以把控的一节课。在常规的设计中，一般思路如下：机器人测光值—圆形轨道入手—六边形轨道练习—八字形迷宫提升迷宫难度—学生练习—各小组汇报。

（2）思考焦点

以上教学过程中，教师对于已有知识的铺垫到位，为迷宫的介入提供了必要的知识基础。但是显而易见，教学过程中，一节课的课时显然不足以支撑全部的实验过程，导致学生无法在有限的课时内完成任务。分析未达成的原因，学生对迷宫程序的编写花费了大量的时间，导致后续时间不足。

（3）改进型设计

STEM素养强调对学生数学素养的培养，需要创设符合学生认知发展需要的学习脚手架，让学生在有限的时间内容，高效地完成需要建立的认知地图。本课可改进如下：

复习机器人循线的程序。

思考1：如果有更多轨道线应该如何修改程序？修改源程序适应不同的轨道线。

思考2：如果轨道线直接彼此交叉应该如何修改程序？增加变量，判断机器人的位置。

思考3：为了尽快到达终点，还需要增加哪些传感器？增加碰撞传感器或超声波传感器。

实验：验证自我的预设，并调整程序。

总结：评价实验过程，优化程序、调整机器人结构。

教学评析：在以上设计中，计算思维成为教学的主导，借助数学基础知识，将不同的轨道要求细化为不同的数学问题，让学生通过逻辑推理的方式进行运算和优化，最终实现程序的迁移。在实际教学中，具备一定数学基础的学生可以较为顺利地完成该任务，基础薄弱的学生可以在小组内部得以锻炼，取得了较为成功的教学效果。

STEM素养的体现核心

STEM素养是一种综合素养，它在信息技术课程中具体细化为技术素养、工程素养和数学素养，并借助合理的教学主题进行物化。在此过程中，信息接收的主体是处于学习主体的学生，课程服务的最终目标是实现信息技术课程的核心素养。在教学过程中，要关注以下几点：

首先，关注综合素养。以上三种素养并非孤立的，而是一个完整的素养主题的不同方面，教学过程中应将其进行综合考量，而并不能彼此分割。

其次，关注灰度核心地带。三种素养之间有交叉兼容的部分，我们称之为灰度核心地带。此部分内容，为发展典型素养提供条件，如必要的知识补充、内容复习等，切不可因为关注核心素养而忽视了灰度核心地带的重要作用。

最后，STEM素养除了本文研究的三种素养外，还有科学素养，即运用科学知识（如物理、化学、生物科学和地球空间科学）理解自然界并参与影响自然界的有关决策的能力。在信息技术学科中，科学素养分化在三项素养中，成为其中重要的组成部分。