基于STEM理念的初中信息科技问题链教学模式探究

2023-09-06靳飞飞阮霞

中国教育技术装备 2023年5期

靳飞飞阮霞

摘要 STEM教育不仅注重学生对基本知识和基本技能的掌握，更注重培养学生整合运用知识的能力。STEM融入初中信息科技课堂，以信息科技为中心，进行有效的学科融合，加深了学生对知识的理解，提高了学生运用知识解决实际问题的能力。问题链教学模式通过问题的步步深入，深化知识体系，培养学生的创新思维能力和创意创造能力。

关键词 STEM理念；信息科技；问题链教学模式

中图分类号：G633.67 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）05-0090-04

0 引言

隨着科技的飞速发展，社会对人才的要求发生了巨大的变化，单纯的技术型人才不再适应社会的需求[1]。信息时代背景下，更需要勇于提出问题、善于动手实践、敢于创新创造的跨学科综合人才。基于STEM理念的信息科技学科问题链教学模式能够培养学生发现问题、分析分解问题、自主设计方案解决问题的能力，帮助学生解决现实生活中的真实问题。

1 基于STEM理念的问题链教学模式概述

STEM教育[5]源于美国，是Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）和Ma-

thematics（数学）四个学科英文首字母的组合。STEM教育打破学科界限，将四门学科内容有机地整合在一起，使学科学习一体化，从整合的视角培养学生利用掌握的知识和技能去分析问题、分解问题的能力，并能将知识灵活应用迁移进而解决真实的问题。它是一种基于真实世界应用的综合性学习模式，强调知识在现实生活场景中的应用，是一种创新型教育模式。

问题链教学模式[4]是指教师在对学情和教学内容深度研究的基础上，结合学生已有的知识水平和经验，根据每节课的教学目标及教学内容，围绕核心问题提出的层序分明、紧密连接的一系列问题，层层深入，引导学生思考的一种教学模式。维果斯基提出的最近发展区理论和皮亚杰发展的建构主义学习理论共同支撑起了问题链教学模式。

笔者通过对相关文献、案例的研究分析，结合信息科技学科的特点，最终提出基于STEM理念的问题链教学模式。将课堂内容分解为相互关联、不断递进并激发学生思维能力的一系列问题，形成问题链。该教学模式以问题解决为主线展开，在真实的问题情境下，引导学生通过发现问题、分析问题、分解问题、解决问题和回顾问题等教学活动过程，习得多学科知识，内化作品设计的思想和方法，培养学生的高阶思维能力。

2 STEM理念下问题链教学模式的设计模型

综合考虑STEM教育“真”问题解决、普适性、项目式学习、层次性、高阶能力培养[3]等特征[6]，基于STEM理念的学科教学多以“问题解决”展开，问题链的设计是关键。

此模式教学环节可分为创设情境、发现问题，分析问题、整体规划，问题驱动、工程设计，回顾问题、知识建构四个环节。教师在对教学内容、教学实施、教学经验的整体把握，以及对学生学情有深入了解的基础上，通过创设真实的情境，提出核心问题。核心问题的获取是问题链设计的关键。然而核心问题宏观且开放，要落实到具体教学实践中，不易操作，所以要在分析的基础上，将其分解为相互关联、不断递进并激发学生思维能力的基础问题、提高问题、拓展问题，再对每部分问题进行进一步分解，形成多个问题链，帮助学生更好地解决问题。

问题链的背后就是整个教学过程，最后要对解决问题的过程和方法进行回顾总结，形成完整的知识体系。基于STEM理念的“问题链”教学实践模型如图1所示。

3 STEM理念下问题链教学模式实践案例

“编辑引导层做多段动画”选自泰山出版社初中信息技术第4册第3单元微项目2的活动2，本活动旨在让学生通过设计多段路径动画体会多条引导线的设计和应用。核心问题是如何在同一层中做多段运动动画。

设计探究活动二：绘制合适的引导线，使火炬先从颐和园出发沿左侧绿线到奥森（用时10秒钟），在奥森停留5秒钟后，沿右侧绿色线路以越来越快的速度传递到大运河森林公园，如图2所示。

该案例设计的跨学科知识包括数学、技术、物理、工程等。具体如下。

数学（M）：路程问题，速度×时间=路程，类推出动画中帧和帧频的关系，帧频×时间=帧数，精准的计算，严密的推理。极限思想的迁移与运用。

技术（T）：引导线动画的原理、引导线绘制的要点。

工程（E）：从发现问题、界定问题、分析问题、解决问题中发现的新问题，再次界定问题，制定新的解决方案……直到问题彻底解决，体现STEM教育理念中的工程设计循环。

物理：运动状态的界定，有静止、匀速运动、加速运动、减速运动，也有直线运动、曲线运动等多种状态。

3.1 创设情境，发现问题

以解决现实生活中的“真”问题来创设情境，是学科课堂中渗透STEM理念的有效路径。在实际教学中，教师结合教学内容给学生创设真实的情境，引导学生运用多学科知识去思考和探索，以此培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，改变传统教学中过于注重知识传授，过于强调接受式学习、模仿训练的现状。

教师创设真实情境，引发学生思考，在思考的过程中，学生通过对旧知识、旧经验的提取和归纳，自然而然发现本节课的核心问题。

例如，在“编辑引导层做多段动画”这节课中，教师创设的情境如下：如何实现奥运火炬先从颐和园出发沿左侧绿线到奥森（用时10秒钟），在奥森停留5秒钟后，沿右侧绿色线路以越来越快的速度继续传递到大运河森林公园？教师提出核心问题：如何制作多段引导线动画？

问题情境的创设，打破学科界限，学生已有的知识和经验被激活，思考如何制作多段引导线动画。基于STEM理念的学科教学可以帮助学生理解学科间的紧密联系，将碎片知识系统化，通过理论与实践，引导学生掌握知识的本质。

3.2 分析问题，整体规划

鉴于问题的复杂性，教师引领学生对问题进行分析和分解，厘清解决问题的思路。

【问题1】通过整体分析，这个引导线动画有几种运动状态？

【问题2】这几种状态可以用一段动画实现吗？

通过问题指引，让学生对数学中的基本概念和知识进行重新梳理，使问题更加具体、真实，思考更加全面、深刻。

3.3 问题驱动，工程设计

核心问题宏观且开放，不容易实现，需要在具体的教学过程中，对核心问题进行拆分，分解成一组有中心、有序列、系統性、既相对独立又相互关联的子问题组成的问题链[2]。这种问题链的教学模式符合维果斯基提出的最近发展区理论，以学生原有的知识储备设计基础问题，结合最近发展区理论设置提高问题和拓展问题，让学生跳一跳能够得着，锻炼学生的发散思维能力，培养其发现问题、分析问题、利用跨学科知识解决问题的能力，使学生的工程设计思维能力得到提升，注重学生作为课堂主体的真实的学习体验。

例如，本节课中引导学生对核心问题“如何制作多段引导线动画”进行分解，分解为基础问题“如何制作一段引导线动画”、提高问题“如何实现不同运动状态的衔接”、拓展问题“如何在一个引导层中绘制多段引导线”，并分别设置三个问题的问题链，一个个问题一问接一问、一环套一环，环环相扣，这样的问题设计，也是学生解决问题的过程体现。具体问题链如下。

3.3.1 基础问题

如何制作一段引导线动画？

【问题3】第一种状态中的“用时10秒钟”，有这个时间的限制，我们需要关注动画设计界面中的什么信息？

学生关注到了具体的时间限制，有时间，密切相关的信息肯定是动画的现有帧频信息。学生把注意力集中到了帧频上。

【问题4】怎样得到这段动画的帧数？

有了帧频和时间，教师引入数学中的路程问题，帮助学生理解计算帧数的公式。

教师通过逐步引导、层层设问，让学生慢慢接近问题的核心，完成由生活中的现象到计算机能够处理的问题模型的转变，感受重复循环化繁为简的魅力。让学生在自主探究中解决问题，在“尝试—验证—纠错—调整—再尝试”这样的循环过程中培养计算思维。

3.3.2 提高问题

如何实现不同运动状态的衔接？

【问题5】“停留5秒钟”如何理解？火炬手动了吗？时间轴有时间的推移吗？时间轴经过了多

少帧？

学生确定好了第一段的动画后，怎么实现两端动画或者多段动画的衔接呢，想到了“关键帧”的作用。“时间5秒”又用到了“基础问题”中的计算帧数的知识。“停留”即运动对象没有位置的变化，为了实现不同运动状态的衔接，只需要“关键帧”就可以了，不需要做任何的动画形式。

3.3.3 拓展问题

如何在一个引导层中绘制多段引导线？

【问题6】“越来越快”跟什么的值有关？这个值是怎样界定的？如果我们容易混淆，怎样以最快的方法验证一下呢？

从“越来越快”联想到物理中的加速运动，在动画中只需要修改一个属性值就可以，当时学生容易把数值的正负跟加速还是减速直接的对应关系记忆混淆了。如何引导学生在忘记的时候以最快的速度确定出正确的对应关系呢？这个地方用到数学中的极限思想。学生都知道“加速”还是“减速”跟属性中的“缓动值”有关，“缓动值”的范围是100到-100，那么我们可以教学生利用极限思想，假设将“缓动值”设置为最大的100时，播放动画查看运动的速度变化就可以很快地确定正确答案。

【问题7】刚才我们分析的是火炬手的运动状态，他是被引导层，那么引导层中的引导线如何设

计呢？

学生们在设计好被引导层之后，引导层如何操作呢，如何实现3段运动状态呢？常规的思维是对照被引导层在相应的帧位置“插入关键帧”，在每两个关键帧之间绘制不同的引导线，再对实例进行吸附操作就可以正确地完成引导线动画。

3.3.4 自由创作、展示交流

在设计之前，教师明确评价标准：

1）引导线绘制符合要求；

2）能够正确实现动画形式；

3）能够流利地讲解出自己的思路和设计步骤。

学生完成设计后，依据评价标准先进行自评，播放动画看实现了要求的效果吗。再同桌之间互相检查每段动画的时间是否正确。

在交流的过程中，有的学生别出心裁，还可以用一条连续的引导线实现实例的3种运动状态。

通过展示交流，引导学生不仅要学会发现自我，还要学会欣赏别人，有发现美、欣赏美的眼睛，最大限度地调动其创作的积极性，增强其学习自信心。

3.3.5 拓展提升

【问题8】生活中可以用引导线动画来实现的例子有哪些？

教师播放自己课前制作好的引导线动画的小视频，大到天体的运动，小到走迷宫游戏、蝴蝶的飞舞、树叶的飘落，等等，都可以用引导线动画实现，增强了学生对动画形式的理解，发散了学生的思维。

3.4 回顾问题，知识建构

教师利用思维导图帮助学生回顾问题，梳理本节课的知识点进行知识建构。通过制作引导线动画，教导学生要做生活的有心人，感受生活之美，激发对生活的热爱之情。同时带领学生进行问题分析、工程设计、科学思维、数学推理，丰富了课程内涵，体现了动画编程的魅力，更体现了STEM理念的多学科融合。在问题驱动下，引导学生自主、合作、探究学习，发挥团队作用。

4 STEM理念指导下信息科技问题链教学模式

的优势

1）具有趣味性特征的STEM教育和以学生个人经验为基础的问题链的设计，能激发学生的学习动机，让学生积极主动地探究一个个趣味性的问题，能够把问题中的实际情境转化为解决问题。

2）学生在基于STEM教育理念的信息科技问题链教学模式下，能够积极主动地运用跨学科知识把核心问题分解成一个个子问题，通过对子问题的层层剥离来解决核心问题，培养学生利用信息科技对跨学科知识进行整合的能力，提高了学生分析问题解决问题的能力，培养了学生的计算思维。

3）基于STEM教育协作性的特征和问题链设计的梯度性，在课堂上，教师以“组内异质，组间同质”的原则划分小组，保证小组之间的学习水平相当，小组内成员之间可以互帮互助，提高了学生的交流技巧和团队协作的能力。完整的问题链教学过程，启发学生思维，帮助学生形成完整的知识结构系统，提高学生综合运用知识解决实际问题的能力，帮助教师和学生把握教与学的深度和广度。

5 结束语

基于STEM理念的信息科技问题链教学模式，能以现实生活中的真实问题和真实情境，以问题链引发学生思考，激发学生的学习兴趣，让学生积极主动地深入剖析问题所涉及的相关学科知识去探究解决问题的方法。通过问题的引导，学生在分析问题、解决问题的过程中，不仅加深了对问题的理解，还巩固了对学科知识的理解。

在教学过程中，教师不再受到单一学科知识的束缚，将各门学科知识有机融合起来，引导学生在轻松愉快的学习环境中，利用发散思维分析分解问题、思考问题，从而解决问题，提高了学生的逻辑思维能力、交流合作能力和利用跨学科知识解决问题的能力，发展了学生的创新思维和创新技能，为培养具有STEM素养的学生指明了方向。

6 参考文献

[1] 阮霞，靳飞飞.基于STEM教育理念的小学信息技术教学

[J].教育艺术，2020（11）：30-31.

[2] 毛愫愫，阮霞.基于STEM教育理念的小学信息技术教学

设计：以《几何图形旋美丽》为例[J].教育艺术，

2020（12）：34-35.

[3] 黄雪娇，周东岱，黄金，等.基于知识建构的STEM教学

模式構建研究[J].现代教育技术，2019（6）：115-121.

[4] 王卫全，郭苗苗，王晨.通达计算思维的问题驱动教学