基于案例分析的STEM教育App发展探究

郭杰誉

摘  要：文章针对当前 STEM移动学习资源建设比较滞后，App作为移动学习资源的重要成分未得到足够关注的现状，首先界定了 STEM教育App的概念，接着对国内外STEM教育App和一般教育App的研究现状进行概述，得到初步启发;然后就多款国内外STEM教育App进行介绍和基本特征概述，并从功能类型、学习理论和认知层次的角度进行深入分析，由此探索出STEM教育App的发展之路：深入研究STEM教育理念与App的结合之路，建设STEM教育App研发体系，加强STEM教育App教学应用研究，建设STEM教育App评估机制，大力推广STEM教育理念以疏通发展生态圈。

关键词：STEM教育App;案例分析;发展探究

中图分类号：G434        文献标志码：A         文章编号：1673-8454（2019）10-0016-06

一、STEM教育App概念界定

STEM是“Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）” 四门学科英文首字母的缩写，各国对于STEM的认知不尽相同。2017年教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》认为STEM是一种课程组织方式，采用项目学习解决问题，将四门学科进行整合，培养学生创新能力[1]，即STEM教育理念强调学科融合、面向具体问题、强调对知识的综合运用能力和创新思维能力的培养。

App即“Application”的缩写，是在移动终端设备上使用的、能实现某些特定功能的第三方应用[2]。教育App是指运行于智能移动终端的、能帮助学习者学习的应用程序[3]，因此本研究将STEM教育App界定为：实现STEM教育理念，培养学习者科学素养、技术素养、工程素养、数学素养以及跨学科思维能力的教育App。

二、研究现状概述

相关调查研究发现，国外STEM教育App比较丰富，国内STEM教育App数量很少，国内外与此相关的研究文献均很少;而国内一般教育App的研究文献比较丰富，因此，本研究选取与K-12阶段相关的一般教育App文献进行分析，以期得到更全面、更深刻的启示。

1.国内外STEM教育App研究现状

针对国内研究现状，笔者主要在中國知网和万方数据库进行检索;针对国外研究现状，主要在Web of Science和国外科技报告信息资源服务系统上进行检索。

笔者在中国知网和万方数据库以“STEM”&“App”“STEM教育”&“App”为关键词进行搜索，仅在知网上得到两篇相关文章。其中一篇《学习者为中心的STEM课程设计——多种教学App的跨学科整合应用案例》[4]是关于课程设计的，该课程设计虽运用多款信息工具，但只是实现了四大学科知识有机整合的教学理念，并未见实质的STEM教育App研究。另一篇是关于澳大利亚将推出STEM早期学习App的报道[5]，澳大利亚ELLA先导项目证明儿童使用App学习外语效果优良，因此推出以兴趣为驱动的ELSA项目，研发STEM早期学习App，以期在激发学生对科学、技术、工程、数学的兴趣上取得与ELLA项目相同的效果[5]。

笔者在Web of Science平台以“STEM education”&“App”为检索条件，未得到相关的文献;在“外文学科研究科技报告全文数据库”以“全部= STEM”&“全部= education”&“全部= App ”为检索条件，仅命中两篇，且是同一份关于美国STEM教育小组和STEM教育App竞赛报告——（STEM）教育小组和国会学术竞赛的历史与现状，该报告指出众议院在2013年2月宣布将举行一年一度的国会STEM教育学术竞赛，竞赛面向在校高中生或家庭学校的学生，其中第一届国会STEM教育学术竞赛的重点是为移动、平板电脑和计算机平台开发应用程序（App）[6]。

总之，目前国内外针对STEM教育App的研究均较少。当前STEM教育App还未引起国内STEM教育领域的注意;而在美国有众议院通过的面向高中学生的STEM教育年度竞赛，其中STEM教育App是绕不过的主题;澳大利亚对STEM教育App的研发很重视，通过推出高层次的项目来推进STEM教育App的发展。

2.一般教育App研究现状

笔者以“教育App”为关键词在中国知网进行检索，得到了485条数据（截稿时止），从研究内容来看，主要包括：分析发展现状并提出建议类、设计与开发类、基于App的教学应用类、评估标准研究类;从用户角度可分为学前教育类、K-12教育类以及成人类。由于学龄前教育、K-12教育类App与STEM教育阶段的学生群体高度重合，因此选取与学龄前教育、K-12教育相关的教育App研究文献进行分析。

（1）分析发展现状并提出建议类

马玉慧等指出移动学习资源形态已经从基于通讯手机的静态学习资源，经过基于PDA的情景感知学习支持系统阶段，发展到基于智能移动终端的教育App阶段，结合国内外教育App建设机制、推广机制、监管机制的发展现状，提出政府、教育科研机构、公司、个人等多方建设者应该积极合作，政府从教育App规范建设、相关政策方面起引领和指导作用，科研机构可与公司合作，将教育App的理论研究成果落地等建议[3]。

张国云等从“技术赋能学习”视角提出物联网技术促进学习情境化和智能化感知、云计算促进按需自助的学习服务发展、大数据为个性化学习提供精准服务、三维计算技术增强沉浸式学习体验等新兴技术在教育App中的应用场景[7]。

陈莹等对安卓平台的小学教育App进行统计分析发现，下载量在10万级别的主要是语言学习和思维训练类App，大多数教育App开发者缺乏对用户需求的调研，目标定位模糊，内容上存在知识堆砌等问题，App Store（苹果系统）平台上的教育App在制作精细程度和用户体验方面远超安卓App，但是免费的应用程序较少[8]。

（2）设计与开发类

王建刚等阐述了文本、图片、视频、音频、动画等媒体形式呈现知识的规律和应用特点，并提出包括选题、教学设计、媒体设计、技术实现等五个步骤的App学习资源建设模式[9]。

顾红清提出要充分结合文学、数学、科学、工具及益智游戏到儿童教育App的产品设计中，在视觉设计方面注重使用彩虹色，并给出儿童教育App产品的设计框架和设计细节[10]。

汪正刚依据幼儿的生理和心理特征，结合儿童认知发展特点，提出儿童早教类App的设计理念、设计原则，以及包括语言能力、感知能力、观察能力、注意能力、记忆能力、想象能力、思维能力、行为能力等八个要素及设计方法，并进行开发验证[11]。

（3）基于App的教学应用类

郑伟伟运用教学辅助类App，解决以往科学课程使用多媒体资料时破坏课堂整体感和流畅感的问题，以及实时评价、形成性评价困难和传统投影技术质量不佳等问题[12]。袁敏婷探索将数个科普类App运用在小学科学教学中的方式，解决室外观察实验仪器缺乏、活动空间受限、教师知识范围有限、相关图书资源缺乏等问题，确保各层次的学生都能在知识的理解和掌握上有所突破[13]。李玉兰将3D Projection、Think 3D、Iso20rtho三款App融入中学的“三视图”传统课堂，增大教学容量、增强教学直观性、提高教学效率、实现个性化教学[14]。

（4）评估标准研究类

宋莉娜等通过研究美国评价机制理论基础、娱乐软件分级委员会（ESRB）的标准，从评价主体、评价目标与功能、软件评价标准、评价流程等维度分析美国获奖儿童教育App评价模式，提出我国建立儿童教育软件评价体系的必要性，以及加强相关科研研究，评价主体多样化，鼓励非盈利组织参与和强调家长在评价中的角色等建议[15]。赵慧臣分析教育类App的理论依据应该包括教学设计理论、软件评价理论和文化心理理论，提出评价维度应该包括面向教育、技术设计和艺术审美三大领域[16]。

3.初步启发

结合一般教育App的研究现状，可以从以下几个方面规划STEM教育App的发展之路：吸取一般教育App的研发经验，避免缺乏用户需求调研、目标定位模糊、知识点堆砌、研究成果不能落地等问题;探索设计STEM教育App理论依据，并进行开发验证;探索STEM教育App在教学中的应用;考虑建设STEM教育App评估机制等。

三、STEM教育App案例分析

1.国外STEM教育App列举与基本特征概括

美国的STEM教育App较为丰富，本研究主要分析20多款美国STEM教育App[17]，见表1。表1中标出费用或免费的App，笔者均已在App Store平台搜索到。

下面，笔者将以一款帮助小孩了解天气现象的App——“MP Weather”（即MarcoPolo 天气）为例进行介绍。MP Weather是App Store 2014年度最佳App，该款教育App面向0-5岁小孩设计，主要介绍天气、气温、风级等知识。

学习者可以调节场景中的天气、气温、风级等选项，而场景中动物、植物、小主人公的反应等会随天气状况的不同而改变，如当温度下降时，小主人公会打颤，提醒小朋友给它换厚衣服;当在雪天种花时，花会很快枯萎;当温度逐渐升高时，雪人会融化等等;此外，还有给小主人公换衣服、递食物、放风筝、栽花、堆雪人等互动动作。该App很好地体现了在真实情境下学习知识、综合思考问题的STEM教学理念，画面内容丰富、互动性强、操作流畅、趣味与学习并存。

对表1中众多App进行初步研究，筆者发现以下两个特征：

（1）从学科和学段、年龄角度对App准确定位，评估机制比较完善

从表1可以看出，美国STEM教育App从学科和学段、年龄角度对App定位明确，App介绍中一般会指出产品类型、适合的学生年级、主要功能、培养的能力等信息。

儿童教育App是娱乐与教育的结合，非盈利机构娱乐软件分级委员会（Entertainment Software Rating Board，简称ESRB）为互动娱乐软件产品制定了一套标准的分级系统，其在美国和加拿大使用广泛。ESRB分级用于给消费者（尤其是家长）关于产品的年龄适宜性予以简便且可靠的指导，ESRB标识包括分级标识和描述词表，可见教育App的评估机制也比较完善。

（2）功能相近的App成群组出现，保证持续学习、全面学习

如Human Body Organs系列，包括Human Body Parts：Heart Quiz、Body Parts：Small and Large Intestines Quiz等数款App;神奇的化学元素、抽认卡、元素等App也是成组出现的关于化学学习的产品;Middle School Math系列数学App针对不同年级有不同的版本。这些成群组出现的产品，便于学生快速找到学习资源，从而有利于持续学习、全面学习。

2.国内STEM教育App列举与基本特征概述

笔者在安卓系统（OPPO手机）的“应用商店”平台以“STEM教育”为关键词进行搜索，前15款App中只有“未知树STEM”与主题相关;在App Store（iPhone手机）平台以“STEM教育”为关键词进行搜索，排名前五的国内STEM教育产品分别是“阿U学科学kids-儿童STEM益智教育平台（4+，6-8岁）”“尼诺发现之旅-听小恐龙讲故事（4+，6-8岁）”“未知树STEM”“MakeBlock-玩转STEAM机器人（4+）”“金耳朵英语-AI智能分级阅读（4+，北京大学STEM+智慧课程）”。

以“阿U学科学”为例进行介绍，该App是一款面向K-12低年级阶段的科普产品，主要分为探索、科学、学堂、娱乐和视频五个模块，其中探索和科学两个模块均由数个科学小主题组成，如探索模块有物质探索、地球万象、天气百态、恐龙来了等主题。科学模块有水中的生命、疫苗的作用、变色的太阳、造纸术等主题。每个小主题一般通过模拟现实场景，或主人公阿U参与的情景剧进行讲解，情景剧一般穿插问答和模拟实验两种方式进行具体知识点的讲解，学习者可以通过帮助阿U做实验等方式参与到活动中。学堂和娱乐模块属于益智游戏。视频模块中有丰富的以主人公阿U的生活为原型创造的动画片，有科学、儿歌、阿U知道等板块。总体来说该款App科普知识丰富，与学习者交互流畅、寓教于乐。

从上述分析介绍可以看出：①国内已有优质的STEM教育产品，但数量很少;②国内现有的STEM教育App主要面向K-12低年级阶段，高年级阶段匮乏。

3.STEM教育App案例深入分析

根据App主要功能特征，将上述国内外数款优秀的STEM教育App分为知识呈现类、模拟创造类、训练进阶类、编程控制类，并指出其所体现的学习理论和认知目标层次。

（1）知识呈现类

知识呈现类App讲究情境还原，让学习者接受动态、“真实”的知识，从“真实情境”中学习知识和解决问题，符合STEM教育理念。情景还原或情境模拟可以实现听觉、视觉甚至触觉方面的感知与互动，帮助学生建立起知识与现实之间的联系。如阿U学科学的“探索”和“科学”模块以及介绍气象知识的MP Weather和介绍太空、天体、航天器知识的Solar Walk系列App。

联通主义强调“节点”和“连接”，建构主义强调学习的情境性和探究性学习，知识呈现类App提供的情境，可帮助学生建立知识与现实的联系，无疑很好地体现了联通主义学习理论和建构主义学习理论的思想，其认知目标层次较低，主要集中在知道和领会的层次。

（2）模拟创造类

模拟创造类，充分采用了虚拟实验的理念，将现实中不易集中的、昂贵的或存在一定安全隐患的资源，通过信息技术呈现在移动端，可以进行无限度的探索。这非常有利于激发学习者的想象力和潜能，潜移默化地培养学生对知识进行深层抽象和迁移运用的能力。

比如“烧杯”App，可将任意化学元素放在“烧杯”中进行实验，快速验证学习者的想法，既安全又高效;如“机器人梦工厂”可以将各种零件进行“组装”，不存在器材磨损、零件丢失等现实中常见的问题，还可以激发学生无限的创造力;“尼诺发现之旅”也属于此类，该款模拟考古发现的App，学习者可以了解文物挖掘的基本流程、国内区域文化特征以及众多典型的文物。

认知学习理论认为，学习不是在外部环境的支配下被动地形成“刺激-反应”联结，而是主动地在头脑内部建构认知结构，学习不是通过联系与强化形成的反应习惯，而是通过顿悟与理解获得期待。当有机体当前的学习依赖于其原有的认知结构和当前的刺激情境时，学习受主体的预期所引导，而不是受习惯所支配。

学习者使用此类App进行模拟创造时，存在主体预期引导、顿悟、主动地形成认知结构等思维活动，因此笔者认为该类App体现出认知主义的相关理论。其认知目标层次较高，可体现出运用、分析甚至综合、评价的能力。

（3）训练进阶类

训练进阶类，其特点是针对某项特定技能，设计不同等级、不同类型的训练，以Elevate、Lumosity等脑力训练类App为例。该类App不仅需要考虑是否能达到预期训练效果，也要考虑如何保持学习者的兴趣，使学习者持续关注训练。

行为主义理论的核心观点认为，学习过程是有机体在一定条件下形成刺激与反应的联结从而获得新经验的过程，强化在“刺激-反应”联结的建立中起着重要作用。该类App一般会设计奖励等机制吸引学习者持续关注，并且其进阶训练的逻辑就是运用了强化作用，因此笔者认为该类 App 充分运用了行为主义的理论，其认知目标属于中等层次，即领会、分析和运用。

（4）编程控制类

最后一类是编程控制类，目前中小学生接触的主要是图形化编程，相对于代码编程，图形化编程减弱了代码编程的枯燥性、抽象性，符合中小学生的认知水平，既能帮助学习者掌握编程的逻辑和思想，又能維持其学习的兴趣。Code Block 编程岛-Steam编程教育、Jimu机器人、Scratch编程系列都属于编程控制类。

笔者认为该类 App体现了行为主义和认知主义等多种学习理论，编程的过程需要不断地试错，这明显体现了行为主义学习理论;学习者需要将自己的想法、想实现的功能通过程序设计实现中，认知主义学习理论强调的“主体预期”“顿悟与理解”会在整个编程过程中不断出现，迭代学习者的认知;该类App的认知目标比较高，学习者需要对编程知识和编程逻辑有较高的分析、综合甚至评价、改进能力。

四、STEM教育App发展探究

1.深入探究STEM教育理念与App的融合之路

“如何将STEM教育理念融入App”是当前亟需研究的核心问题。从一般教育App的研究现状和STEM教育App案例分析入手，本研究提供三个层面的解决思路：一是理论层面，从App功能类型、学习理论、认知目标等方面进行剖析与构建;二是研发设计层面，紧跟信息技术的发展，如增强现实、大数据等技术，用技术设计新的功能，来满足复杂的学习需求;三是开发实现层面，可以完全独立开发，也可在已有教育App的基础上探索改进方向，优化现有资源。

2.从学段、学科及类型三个维度出发建设STEM教育App研发系统

从学生学段、学科两个维度出发，并结合产品类型，建立STEM教育App研发体系（见图1），指导科研机构、各级学校、教育企业或个人进行产品定位，促进STEM教育App在类型、功能等方面全面发展。

具体来说，一方面可以在现有教育App产品的基础上，结合STEM教育App研发体系，进行一定的资源整合、改进或优化;另一方面需要继续研究学习理论、教学策略、交互设计、学生认知特点等理论与STEM 教育理念融合的方法与设计，并进行开发、验证。

图1提出了一种STEM教育App初级研发体系，针对学段、学科以及具体类型还可以进一步改进或细化，该体系需要学习理论、认知理论、学生认知特征、交互设计等多方理论的综合支撑。

3.融入STEM项目（课程）以促进STEM教育App教学应用研究

将STEM教育App融入STEM课堂中，有三个主要作用，一是促进了STEM教育App的推广，使学生可以系统地了解到STEM教育App;二是优化教学，可以帮助学生更有效地学习。比如建议中学生在学习化学时，可以使用烧杯、抽认卡等App;在学习地理时，可以使用Solar Walk系列App;学习生物时，可以使用The Human Body（人体探秘）系列产品;三是相当于对产品进行验证，可收集学生的使用体验、建议和真正的学习需求，促进产品的更新迭代。

4.建设STEM教育App评估机制

目前，国内还没有统一具体的标准来判断符合STEM教育理念的产品，国内关于STEM教育课程、项目的评估机制正处于初步提出阶段，一般教育App的评估机制也在不断发展中，因此关于STEM教育App的评估机制可以综合参考两类评估机制的标准和内容，与这两类评估机制的探索保持同步，及时建立STEM教育App的标杆，促进STEM教育App的快速、良性发展。

5.大力推广STEM教育理念以疏通发展生态圈

政府引导推广STEM教学理念，科研机构、学校、企业及个人多方力量协同配合，共同促进STEM教育资源生态圈的发展，如此才能保障科研机构或教师能找到将研究成果落实的支持力量，保障社会力量找到研发和投资的方向，保障各地家长了解STEM教育理念和产品，促进产品良性循环发展。其中STEM教育App研发竞赛是一种可取的宣传方式，能够吸引学生、教师、专业技术人才、企业甚至家长等多方人员的关注与参与。

上述五个模块并不是相互孤立的，而是构成有机的整体，见图2。探究STEM教育理念与App融合的方法，为STEM教育App研发体系的建立提供支持，进而使教学应用研究成为可能;反过来教学应用的反馈，又促进前两者的进一步发展;每个环节的发展都为评估机制的产生积累了原始数据，评估机制的建立对每个环节都有反馈指导作用;大力推广STEM教育理念以疏通发展生态圈，意在使更多不同领域的专家、学者或技术人员了解STEM教育理念，疏通发展生态圈，推动上述循环过程的运转。

鉴于STEM教育App研究较少的窘境，本研究通过借鉴一般教育App的研究文献，分析国内外STEM教育App案例，完成对STEM教育App发展的初步探索，提出了五个基本模块，并指出一些具体方向，后续应就每个模块展开深入研究。

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（编辑：李晓萍）