例谈数字化在STEM教育中的应用

方晓磊

摘要：随着数字化的发展和普及，数字化资源具有的教学价值不可估量。STEM教育必将数字化纳入课程体系，恰当的数字化资源可以让学习过程更科学，课堂更开放，学生更自主。在基于探究、基于项目和基于真实情境的STEM学习中，数字化资源的协助，更有利于培养学生的科学素养。

关键词：数字化 STEM教育 学科融合 科学教育

引言

随着互联网、物联网、智能硬件的发展，数字化技术正改变着我们周围的世界，数字化技术在学生单科学习中的作用已经得到了大家认可。关于数字化如何在STEM教育中的应用，笔者是对自己所教的小学科学课进行了大胆的改革，结合基础课程开展了相关的STEM活动，接下来将列举数字化技术在相关STEM教育活动的开展情况。

一、数字化技术在STEM教育中的必要性

STEM暨科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）首字母的缩写。科学是通过观察和实验发现已有的客观世界的规律。技术是手段，是方法和技能。工程是发明创造出物品的过程。数学研究的数量关系，是科学的语言，是基本工具。STEM教育是一种提倡解决真实问题的跨学科学习。

我们的基础课程强调科学和数学的学习。很多传统的课堂，活动设计是站在教的角度。当站在学的角度去设计学习活动时，通过师生的思维导图不难发现，工程和技术领域是不可或缺的。如在学习《技术工具发展史》中，知道阳光下影子的规律后，调查后发现，所有的孩子都希望拥有一个自己的日晷。STEM教育理念的提出，体现了教育工作者对技术和工程领域的重视，他们强调四门学科融合，希望孩子像科学家那样，像工程师那样，有效解决问题。现实中的科学家的工作离不开现代化技术的支持，在学校教育教学中技术更多的是以数字化形式体现。无论是教师STEM课程融合，还是学生跨学科探究都离不开数字化技术的帮助。

二、数字化让探究过程更科学

（一）促进“真”科学问题的提出

我们传统课堂中的探究问题，往往是教师提问或者干脆直接提供问题。如老师提供几张铁锈照片，然后问道：“大家能提出什么科学问题呀？”学生则不假思索地答道：“为什么铁会生锈？”“自行车生锈了，该怎么办？”“铁锈是什么？”因此可以看出这种没有真实情境准备的，孩子们提出的是无的放矢的伪问题。学生在课堂提出来的是被逼出来的“科学问题”。

数字化介入的STEM课堂又会是怎么样的呢？在《拯救共享单车》项目式学习中，学生亲身去找生活中哪些地方有生锈的现象。在有了“这些地方很潮湿”的主观感受后，他们使用湿度传感器对比了容易生锈的地方和不容易生锈地方的湿度，从而提出“铁生锈与湿度（水）有关吗”的问题。

对比“为什么会生锈？”和“铁生锈与湿度（水）有关吗？”，可以发现前面一个问题过于开放，是一种不需“实地考察”、无须思考的条件反射式回答出来的问题，学生在这个过程中几乎没有思维的参与。再看“铁生锈与水分有关吗？”这个问题，是学生自己提出的，基于真实调查的，问题更具体，只有铁和湿度兩个变量。整个过程学生既要动手也要有思维参与。

不难看出，数字化可以促进孩子对纷繁复杂的真实情境的理性认识，能够促进学生提出自己可以探究“真”科学问题。

（二）让学生的研究更自主、更有深度

单科学习也会开展研究活动，如科学课堂上有观察方法的训练，利用感官（看、闻、听、摸、尝）和仪器（温度计、显微镜）去观察。

在《声音的变化》这节传统的科学课中，教师组织学生用不同力度拨动橡皮筋来了解声音的强弱，用敲击不同的水位高度的杯子认识声音高低，最后教师总结得出结论。通过课后访谈学生发现，大部分孩子得出了“用力越大声音越强，用力越小声音越弱。”“敲击的物体越长声音越低，越短声音越高。”的结论。对于教师总结的“幅度”和“频率”等概念，学生表达不清，认识模糊。访谈教师时，老师也是一肚子苦水，现有的教具只能帮助学生建构这些表面浅显的认识，真正的结论（强弱与幅度的关系，高低与频率的关系）只能灌输给学生。在传统教具下的单科学习中，学生能发现这些规律已实属不易。如何让研究得到继续，研究得更深入？

请看一个关于《声音》主题的STEM活动。在《声音的利用与防护》这节课中检测学生用分贝仪声音强弱，很快学生就发现用力鼓掌声音越强，用力小声音弱。然后学生又继续检测了更多的声源。当检测到音叉时，学生发现只用力敲击一次音叉，分贝仪上监测到的声音就在逐渐减弱。于是他们怀疑了以前的想法（用力大声音强，用力小声音弱）。在安静地检测了人耳不容易听见的橡皮筋的声音，并结合高清摄像放慢橡皮筋振动的过程后，学生提出相对于传统课堂上更有深度的问题——“声音的强弱是否与振动幅度有关？”。随后的活动学生找老师借来了光电传感器比较了振幅大小的变化，发现了原来声音强弱与振动幅度有关。随着观察过程的深入，他们最终选择了合适的材料设计制作了自己的降噪耳机。

在《制作我的乐器》这节STEM课中，学生用《频率计》App不仅检测出声音高低与振动快慢关系，还利用手持式设备对比音阶频率制作出“试管琴”和“注射器笛子”

通过对比可以发现，传统的单科学习教学过程中，教师一般是通过讲解完成的，学生需要一定的理解能力，虽然有些用心的教师会去寻找一些多媒体资源，但很多的资料（如动画片）不真实，学生在学习中只是一种间接的获取，也是被动的参与。整个过程学生游离事外，学生往往看到的是表面现象，是浅显不准确的认识。

再看基于数字化的STEM课堂，数字化技术的运用，让学生观察得更精确，也让实验观察可量化。数字化技术是更可靠、更真实的可视化工具。数字化工具成为学生的“眼睛”，眼界开阔了，研究自然就深入了。

三、数字化让STEM课堂更开放

传统的课堂往往是封闭的。课堂要素往往只有教材、教师、学生。如传统的科学课《动物的卵》，课堂流程大致是：教师先通过多媒体展示各种各样的卵，再带领孩子认识卵的结构，最后教师播放动画片《小蝌蚪找妈妈》。在完成教材规定的内容后，问孩子有什么收获时，学生也往往只是复述板书内容。回顾整个课堂，学生的学习活动就是听的过程。

对比传统课堂，STEM活动内容更丰富，而基于数字化技术的STEM课堂也更加開放。

在STEM活动——《我的卵生宠物》中，学生面对心爱的孵化宠物，会自觉地自学相关知识。在笔者的课堂里，曾有一名女生想孵化小鸡，面对一些稍微专业的问题时，该生会在教师的协助通过互联网查阅相关资料。当搜集资料知道鸡蛋孵化需要的温度、湿度以及其他注意事项时，她召集好几位好友开了筹备会，制订了孵化计划。在他们的不懈努力下，孵蛋器成功地孵出了三只小鸡。班级的其他同学还验证出了决定海龟性别的临界温度，孵化出了不同性别的海龟。相对于传统教学，数字化的课堂更丰富、更开放。

四、数字化让STEM教育中学生的产品物化更容易

传统课堂上的“产品”往往是以文字表达出来的结论。如《各种各样的桥》这节课，学生的认识就是各种各样的桥。而在STEM活动中，孩子可以通过激光雕刻技术和3D打印技术设计、制作并组装自己的桥。

再如《能量》教学中，传统的课堂只会利用PPT加视频辅助教学，学生通过视听活动获取了一些转化的知识。而数字化环境下的STEM课堂，学生可以设计并制作自己的作品或产品。在这一过程中，学生们可以借助于开源硬件的多种模块功能进行产品组装和改造，不仅学会了科学原理，还能像工程师那样制作橡皮筋小车，组装氢能源遥控车。

五、数字化促进STEM课堂的其他方面的发展

数字化环境下的STEM课堂还可以借助于互联网与其他创客交流互动，进行产品设计。促进生生交流、设计者与设计者等课堂内外的交流。笔者的学校中还有学生将自己的作品通过物联网进行售卖，在这就不再赘述。

六、结论和启示

数字化的有效运用，可以使STEM教育所倡导的“像科学家那样”“像工程师那样”“跨学科概念”的融合得以深化。STEM项目学习加数字化，提高了理论知识在现实生活中的实用性，在教学中融合STEM+数字化理念是未来科学教学的方向。

参考文献：

[1]杨晓哲，任友群.数字化时代的STEM教育与创客教育[J].开放教育究，2015，21（5）：3540.

[2]区建峰.STEM理念融合与教育装备创新发展[J].中国现代教育装备，2014（18）：18.

责任编辑：陆晨阳