基于数字化实验的STEAM课程设计

张一鸣　和渊　侯静雯　韩明哲

数字化实验是以力、热、声、光、电、磁、生化等各类传感器为基础，使用传感器采集实验中的各类数据，并将数据传输到计算机、平板电脑、手机等中枢进行分析处理的新型实验方式，具有具身性、实时性、广延性等特征。数字化实验在20世纪80年代出现于美国，2003年乘国家新一轮课程教材改革的东风进入我国，为我国教育改革提供了有力的支撑。近年来，国际科学教育改革掀起新浪潮，数字化实验与科学教学的深度融合成为热点问题，融合信息技术的科学、技术、工程、艺术、数学（Science Technology Engineering Arts Mathematics，STEAM）教育越来越受到重视。

“建造抗震房屋”是一节面向6—8年级学生开设的基于数字化实验的STEAM课程，来自美国科学伙伴（Science Buddies）教育慈善机构提供的线上STEAM教案资源。该课程的设计符合美国新一代科学课程标准（Next Generation Science Standards，NGSS）的理念。在学科核心概念方面，学生通过该课程的学习，应能绘制一个区域内的自然灾害历史地图，同时理解相关的地质作用能够帮助预测未来地质事件发生的位置和可能性。学生要提出可能的方案，用有系统的流程来评估方案在多大程度上满足了待解决问题的标准与约束条件。在跨学科概念方面，学生应能运用表格和图像识别数据中的模式，理解稳定与变化——稳定状态可能被突发事件打破，也可能被渐进式改变。在科学与工程实践方面，教师要引导学生分析和解读数据，构建解释和设计解决方案，开展基于证据的论证。学生在课前需要了解速度、时间和距离之间的关系等先验知识。教师在课堂上指导学生使用带有传感器应用程序（例如Phyphox）的智能手机、双面胶带、秒表、尺子、瓦楞纸板、圆柱形物体（如记号笔）等材料进行抗震建筑模型的建造。笔者对该课程的教学环节进行概述，并从课程目标、课程知识、课程活动和课程评估四个维度进行分析，为我国中小学校设计和开展基于数字化实验的STEAM课程提供参考。

一、“建造抗震房屋”教学环节

（一）创设综合情境

教师播放视频，向学生介绍地震知识。地震会造成生命损失并严重破坏建筑物，但抗震建筑却可以屹立不倒，保护人们的安全，且大大降低维修成本。在这个课程中，学生将建造抗震建筑模型，并使用手机和传感器应用程序等数字化实验工具模拟地震并测量参数。学生参与这个有趣的工程实践课程，探索如何利用技术保障生命安全。

教师播放视频，介绍抗震隔离系统。在一个大型振动台上有两个建筑模型。左边的建筑直接连接于地面，右边的建筑有一个抗震隔离系统，使之与地面的运动隔离。该系统的工作原理类似于汽车中的减震器（减轻颠簸感），有助于右边建筑物减少摇晃，防止其倒塌。

教师引导学生讨论：在第二段视频中观察到了什么？为什么像这样的地震防护系统很重要？

（二）引入数字化实验工具

教师向学生介绍传感器应用程序Phyphox。這是一款利用内置传感器的手机应用软件，兼容Android和iOS系统，包含加速度传感器、磁力传感器、陀螺仪（旋转传感器）、光传感器、压力传感器、声音传感器、温度传感器、湿度传感器等。目前，该软件能实现29种内置功能，可进行加速度、角速度、频率、周期、磁感应强度、光照强度、压力和声音的振幅等基本物理量的测量和分析。学生将使用Phyphox应用程序的加速度传感器并测量设备运动的绝对加速度（选择Phyphox应用程序导航中的“绝对”标签）。加速度传感器将给出物体运动的加速度，当设备处于静止状态时，传感器报告数值为0。操作步骤如下。第一步，教师向学生解释，手机含有内置加速度传感器。这是一种可以检测运动的电子设备（从技术上讲，它测量的是以m/s为单位的加速度）。加速度传感器被应用于手机和视频游戏控制器的运动控制。第二步，教师向学生演示应用传感器应用程序（如Phyphox）能够记录来自加速度传感器的数据，并以图表形式显示。第三步，教师向学生展示摇晃手机时发生的情况。绝对加速度显示手机所有方向的总加速度，而、和加速度计只显示一个方向的加速度（相对于手机）。第四步，教师向学生解释，加速度传感器可以用来反映地震时建筑物的移动程度。

（三）教师演示

教师为学生做一个快速示范，用双面胶带将手机固定在一个小纸盒的顶部，屏幕朝上，通过摇动纸盒模拟地震时的地面运动。教师直接摇动盒子，它就像一栋直接连接在地面上的建筑物，建筑物移动得更多，加速度也更大。教师将箱子放在滚轮上，模仿构建抗震隔离系统。该系统中“基底”可以在建筑物下面来回移动，而建筑物则不会移动那么多，使得加速度减小。操作步骤如下。第一步，教师点击Phyphox的播放按钮，开始记录。第二步，教师摇动纸箱，点击暂停按钮停止记录，保存数据，以便进行数据分析。第三步，教师向学生展示图表，测定最大加速度。教师让学生利用技术来选择图表中的任何数据点并查看其数值。第四步，将盒子放在一块瓦楞纸板上或其他圆形物体的上面。第五步，重新开始记录，来回摇动这块纸板几次。尽量以摇动盒子本身的速度来摇动它。注意，盒子没有像纸板那样来回移动。因为有滚轮，纸板可以在盒子下面来回移动。第六步，学生停止记录，保存数据，展示图表。再次确定手机感受到的最大加速度，并将其数值与直接摇动盒子时的数值进行比较。第七步，教师引导学生讨论：这些图表告诉我们什么？这两张图是如何比较的？这与刚才看的视频有什么关系？

（四）学生活动

教师让学生使用指定材料来建造抗震隔离系统（如图1）。教师演示的只是一个简单的例子，目的是让学生尝试改进设计。为了达成本课的教学目标，他们将只在一个方向上摇动“地面（基底）”。

教师提问：像演示中那样将建筑物放在滚轮上，有哪些潜在的问题？

（可能的答案包括真正的抗震隔震系统允许建筑物来回移动，但要确保建筑物最终会回到初始位置。）

教师引导学生讨论：如何利用教室里的材料来改进设计？

（一些可能的方案包括用弹簧或橡皮筋将建筑拉回原位，或者在两边加上挡板，防止掉落。）

教师提示学生：参照工程设计过程来建构抗震隔离系统。这个过程是反复进行的，这意味着可能会重复一些步骤。工程问题没有单一的“正确答案”，学生的设计可能在第一次尝试时并不顺利。这没关系，就像现实世界中的工程问题一样，学生可以在规定的时间内建造、测试和重新设计他们的系统，重复多少次都行。

二、“建造抗震房屋”案例分析

（一）课程案例分析

课程目标方面，该课程共设置了三个学习目标，分别是熟悉加速度的概念和加速度的测量、了解自然灾害，以及学会分析和使用模型。学生通过本课程的学习，能够充分理解加速度的理论知识，并应用这一知识对地震中的加速度进行说明。学生需要在深刻理解加速度概念的基础上，在建模的实践操作中发展科学与工程思维。

课程知识方面，课程开始时教师为学生播放有关地震的视频，帮助学生了解抗震隔离系统和加速度的关系，并且通过提问加深学生对知识的理解。在实践中，学生需要利用数字化实验工具对数据进行采集和处理分析，应用其掌握的知识和工程技能预防灾害。

课程活动方面，该课程的教学活动设计除了教师的演示和实验，还有学生自主探究活动（反复实践）。学生发现问题，接受教师辅导，模拟现实中可能出现的问题，从而达到深度学习的目标。这样，既能够增强学生自主学习的能力，又能够激发学生的学习兴趣，增强参与科学探究和工程实践的信心。

课程评估方面，该课程中学生参与实践、改进设计等活动，对自己的学习情况形成准确的认识。同时，学生以小组汇报的形式进行反思，评价抗震建筑作品，并且根据教师提出的反馈性意见，思考如何制作出成本更低、抗震效果更佳的建筑模型，并加以尝试。该课程是基于现实问题情境设计的。学生在实践中会遇到不确定因素甚至突发情况，不会得到唯一的“正确答案”。这有利于学生体验真实情境下解决问题的过程。

（二）课程标准分析

课程目标方面，该课程的学习目标涵盖NGSS的三个维度，即学科核心概念、跨学科概念及科学与工程实践。教师通过自身演示和学生操作，将数字化实验工具作为纽带，使科学教学的三个维度贯穿课程始终，帮助学生理解知识，掌握技能，提高能力和素养。

课程知识方面，基于NGSS“地球与宇宙”领域学科核心概念中的“自然灾害”“提出可能的解决方案”，学生需学会绘制地区自然灾害图，并对项目的主题和目标形成自己的认识，通过教师讲解、浏览网络资源，初步了解防震知识、理解建筑抗震的基本原理。同时，学生需研制可能的解决方案，以此为预防地震灾害提供帮助。

课程活动方面，基于NGSS的科学与工程实践，学生通过实践建立、深化和运用他们对学科核心概念和跨学科概念的认识。小组成员发挥所长，完成抗震建筑项目的任务，如制作墙体梁柱等零部件、建筑的主体结构、防震的承重结构等。该课程设计体现“重视学生自主探究和实践”的原则，并且强化学生对于抗震减灾知识的理解。

课程评估方面，NGSS强调评价的目的在于促进学生学习。该课程中，教师、学生共同根据活动手册的记录内容开展过程性评价，通过抗震产品检测进行作品评价，实现以评促改。教师采用多元评价、自我反思、拓展迁移等方法对学生进行评价，体现NGSS注重的多元化评价理念。

三、案例特点及启示

（一）以学生核心素养发展为导向

“建造抗震房屋”STEAM课程案例具有综合性、实践性的特点，课程涉及科学探究、数字化实验工具的使用、跨学科整合、基于项目的学习、真实情境下的活动、团队合作解决问题等要素。课程综合科学、技术、工程、艺术和数学的相关知识和技能，将知识的获取、方法与工具的利用以及创新生产的过程有机融合，有利于培养学生理解、应用核心概念和原则的能力，促进学生核心素养发展。对于我国学生来说，在中小学阶段比较注重学习概念性知识，很少有机会实践。在当前的“双减”背景下，核心素养导向的课程改革理念可以借助STEAM课程落实。教师利用便捷的数字化实验工具开展STEAM教学，将手机变成教学工具，让学生在参与、体验、获得知识的过程中，不仅获得结果性知识，而且习得蕴含在项目问题解决过程中的过程性知识。

（二）数字化实验是STEAM教育的重要手段

立足于智能化的感知和测量，数字化实验能够更加深入地触及STEAM教育的本质，并且推动我国基础教育课程教学模式的转变。数字化实验可用于物理、化学、地理等各个学科的实验探究，教师在授课过程中适时穿插小型实验，有利于增强对学生的吸引力。数字化实验能够清晰直观地实时显示数字和图像结果，拓展研究范围、提高数据精度，帮助学生养成以真实数据为基础的思维习惯。数字化实验还具有环境普适、方便迁移的特点，使实验和探究不受地点、课型限制，克服组织障碍，促进家校融合。此外，教师使用过程记录、网络分享等功能，可以进行跨时空汇总分析，便于分析学情和评价教学。

（三）在学科教学的基础上开设STEAM课程

STEAM教育对于教师的要求较高，不仅需要其在教学方法上加以转变，而且要具备多个领域的知识和技能。美国也存在STEAM师资缺乏的问题，美国政府通过加大科研经费投入和教师培训来解决。我国要想发展STEAM教育，也需要加大STEAM教育人才培养力度，学习国外的先进经验，并根据我国中小学教学的实际情况进行本土化改进。在我国开设STEAM课程，教师需要根据中小学校的课程体系进行设计。STEAM教育要求学生具有一定的学科知识，否则可能会在操作时遇到困难。教师首先应该依据教材的内容，精通数字化实验所要求的相关操作，适时使用数字化器材，做好演示实验。在上述案例中，由具备较强的数字化胜任力的学科教师教学，学科教师需要具备整合技术的学科教学法知识（Technological Pedagogical Content Knowledge，TPACK），才能设计数字化实验教学方案，让学生了解技术应用、技术发展过程，具备分析新技术如何影响自己乃至周边环境的能力。

（四）学校需要建设STEAM系列课程

在“建造抗震房屋”案例中，教师需要利用多种材料和工具开展数字化实验教学。由于是实践性课程，教师在备课时需要花费较多时间进行实验、模拟学生可能出现的问题，以便在课程中为学生提供指导。因此，对于学校而言，要开设这样一节STEAM课程需要投入更多人力和物力。我国中小学校要高效实施STEAM课程，需要学校管理层的支持和推动。只有他们对STEAM教育有足够的了解并意识到STEAM教育对学生发展的重要意义，才能更有动力去推动数字化实验室的建设、教师的数字化实验技能培训等工作。由于STEAM课程涉及多个学科，因此学校开设STEAM课程首先要从“融合”二字上下功夫，需要多个学科的教师合作。学校应调动教师的积极性，让教师伴随着课程建设而共同成长。STEAM课程开发是一个难得的教学改革契机，学校要充分思考和兼顾自身特色，立足实际，攻坚克难，实现育人机制的全面升级。

参考文献

[1] 冯容士，李鼎.中国数字化实验十五年發展综述[J].物理教学探讨，2018（3）：10-12.

[2] SCIENCE BUDDIES. Build an Earthquake-Resistant House[EB/OL].（2017-01-01）[2022-03-20].https：//www.sciencebuddies.org/teacher-resources/lesson-plans/earthquake-resistant-buildings.

[3] 刘林.中学物理数字化实验常用手段与策略[J].中小学数字化教学，2020（11）：14-17.

（作者张一鸣系人民教育出版社在站博士后、期刊编辑室编辑；和渊系中国人民大学附属中学高级教师；侯静雯系郑州师范学院教师教育综合技能训练中心讲师；韩明哲系美国俄亥俄州立大学计算机科学与工程系硕士研究生）

责任编辑：祝元志