基于STEM理念的信息科技与初中物理实验融合探析

魏玉彬 张晓

摘要：本文探究STEM教育理念下如何在信息科技课堂通过跨学科任务培养学生的学科核心素养，以过程与控制单元的“用开源硬件探究声控灯的工作原理”项目式学习为例，在“CDIE”项目式教学模式下以开源硬件为载体，在真实生活情境中展开探究实验，在经历发现问题、分析问题、探究学习、解决问题后，提升学生的核心素养。

关键词：STEM教育 信息科技 实验教学开源硬件

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中指出筛选科学原理和实践应用并重的学科内容，从实践应用出发，倡导真实性学习，帮助学生理解基本概念和原理，鼓励学生在创新实践活动中学习。[1]《义务教育物理课程标准（2022年版）》中指出初中物理课程教学要注重科學探究，提高学生分析、解决问题的实践和科学思维能力。[2]STEM是科学、技术、工程和数学四门学科的简称，强调多学科融合。STEM教育并不是四门学科的简单叠加，而是强调有机融合，以能够更好地培养学生的创新精神和实践能力。不难看出，新课程标准越来越注重学科融合以及解决实际问题的实践能力，这也与STEM教育理念相契合。因此，本文将STEM教育理念结合信息科技课程融入到物理实验课程中，培养学生在实际问题或项目为导向的实验课程中真正掌握科学原理与知识技能并灵活迁移运用解决真实问题的能力。

一、STEM教育理念下开展信息科技与物理实验融合的跨学科教学

初中物理“实验探究”课程包含测量类和探究类的学生必做实验28个，体现了物理课程实践性的特点，主要目的是培养学生动手实践和收集实验数据的能力，对实验数据进行分析和处理并有效解释的能力、表达和交流的能力，同时也是信息科技学科信息意识核心素养的重要体现。

（一）STEM理念改变传统物理实验教学的单一目的性

传统的物理实验教学以演示为主，具有很强的单一目的性，这种以知识学习为目的的物理实验忽视了对学生学科核心素养的培养。STEM教育理念最终目的是为了培养学生的创新精神和实践能力。这就从根本上改变了知识本位的实验课堂教学。

首先，STEM教育理念强调以真实生活中问题案例情境为导向，利用多学科相关联的知识来解决问题。这与传统的演示实验以教师为中心，学生被动接受知识的教学方式不同，可以引导学生根据项目或问题设计实验过程，通过实际操作，解决真实的问题或任务。这有助于提升学生的动手操作能力和思维能力。

其次，STEM教育理念注重学生的团队合作和交流能力的培养。在解决实际问题的过程中，学生通过与团队成员的协作和交流中更高效地解决问题，可以不断提升学生团队合作和交流能力。

（二）STEM理念下基于项目的“CDIE”物理实验教学模式

“CDIE”教学模式指“激发构思（C），充分设计（D），稳步实施（I），有效评价（E）”教学模式。 基于项目的“CDIE”教学模式融合了真实性学习、项目化学习。“项目教学”能够以“实验项目”为载体，开展探究活动，将一个与真实问题相关的项目让学生在团队协作中完成问题解决方案的设计、实验项目实施及最终评价环节。[3]

项目式“CDIE”教学模式需要教师活动和学生活动的有效配合，“构思”环节需要教师分析教学内容，创设问题情境提出与物理实验相关的生活中的真实问题，学生则根据真实问题发现物理现象。“设计”环节则由教师为学生提供学习支架，学生根据支架明确实验问题并设计实验过程。“实施”环节教师指导学生实施实验的过程，学生则根据设计进行实验操作，记录并分析实验过程中产生的各种数据，完成实验总结并与预设实验结果进行对比调整继续优化实验过程或调整实验结果，“评价”环节通过教师评和学生自评对整个实验过程进行反思，对设计和实施过程继续优化，在不断的学习与设计的迭代循环中，最终完成实验教学。

二、“用开源硬件探究声控灯的工作原理”教学设计与实施

（一）教学内容分析

“用开源硬件探究声控灯的奥秘”主要让学生通过开源硬件及计算机编程尝试实现过程与控制。声控灯的硬件结构使用Arduino UNO开发板及声音传感器、光敏电阻等搭建硬件。让学生围绕常见的声控灯实例分析生活中声控灯的典型应用场景，从中发现计算机和程序在控制声控灯亮灭过程中的作用。通过使用Linkboy编程软件实现声控灯的编程验证。跨学科概念涉及到电路设计与连接、数学逻辑运算、计算机图形化、编程、道德与法治等。

（二）学习者分析

初中高年级的学生具备相对成熟的抽象思维和逻辑思维能力，能够通过合作学习完成简单实验的探究。初中阶段他们学习了python编程，对算法的特征和描述方式有一定的了解，并且能够对简单的问题使用自然语言和流程图进行算法的描述，对串并联电路有一定的了解。他们在小学阶段还学习了Scarino图形化编程和Arduino板的知识，能够快速入门并使用Linkboy图形化编程软件进行编程，可以在教师的引导下结合生活尝试完成开源硬件线路的连接。因此，对于本节课学习“用开源硬件探究声控灯的奥秘”有一定的基础知识，能够很好地完成课堂任务。

（三）素养目标

基于STEM教育理念，将“用开源硬件探究声控灯的工作原理”项目的教学目标分为学科核心知识与核心素养培养目标分析如下。科学：声控灯的原理；电路设计的基本知识。技术：开源硬件的连接；使用Linkboy编程开发程序，实现声控灯的正常工作。工程：声控灯结构设计；根据电路结构设计，完成开源硬件的引脚连接；对搭建好的结构进行测试、调整、优化。数学：逻辑“与、或、非”运算；根据阈值判断LED灯亮灭的条件设计。物理：串、并联电路。

信息意识：学生能够感知到信息科技对个体与社会在学习和生活上的影响，理解声控灯控制系统实现的原理。计算思维：学生通过分析声控灯的工作原理，识别其中的输入、计算、输出环节，并能够用Linkboy编程开发程序实现模块化、逻辑化编程。数字化学习与创新：学生能够利用网络资源或其它信息化途径了解不同元器件内部的模块内容及各个模块的功能，并且利用线上平台或工具，与同伴进行分享、交流，提升数字素养与技能。信息社会责任：理解计算机如何控制声控灯的原理，感受信息科技对生活各方面的影响，能够理解系统中存在的问题并提出有效的解决方案。

（四）教学设计与实施

【真实情境 导入课题】

教师展示视频：记者采访居民反映小区楼道声控灯出现整晚都在亮30秒，灭1秒的重复状态。教师出示问题：视频中被采访的居民反映了哪些问题？

学生观看视频并讨论发现视频中出现的问题：视频中声控灯坏了造成了资源浪费和影响小区居民休息。

声控灯在日常生活中处处可见，以至于学生往往会忽略常见事物，不会去深究它的工作原理，通过一个实例新闻让学生把目光聚焦到声控灯上，引发学生思考及兴趣。

【分析问题 构思方案】

教师展示常见声控灯的结构图片，让学生结合开源硬件观察声控灯结构图并讨论：声控灯的硬件组成及各种硬件的作用。

学生讨论后发现声控灯由光敏电阻、声音传感器、控制器和LED灯四个模块组成及各个模块的作用。控制器：收集信息并通过计算控制灯的亮灭；LED灯：照明；光敏电阻：获取模块周围的光照强度信息；声音传感器：获取模块周围的声音强度信息。

教师引导学生根据观察和已经学过的关于过程与控制系统的知识并分析声控灯控制系统中“输入” “计算”和“输出”分别由哪些硬件完成。传感器是声控灯的输入设备， Arduino UNO板是声控灯的计算设备，LED灯是声控灯的输出设备。通过该环节即回顾了之前的过程与控制系统的知识，也为接下来用开源硬件模拟声控灯做了铺垫。

【设计实施 验证方案】

学生通过小组合作完成声控灯的硬件搭建。搭建的过程中教师要提醒学生注意硬件模块的端口与控制器的端口要对应，教师可以提前录制一个关于线路连接的视频。学生结合学过的电路知识及生活中得经验把开源硬件连接起来。此处涉及到串并联电路及传感器端口与控制器端口的问题，教师可以给学生实时的讲解。

搭建完成的声控灯需要添加程序才能让其正常工作。教师引导学生根据声控灯的工作过程先用自然语言描述其算法，然后把自然语言转化为流程图。根據流程图设计的算法在Linkboy编程软件中进行编程并下载程序验证声控灯是否能够正常工作。引导学生继续在程序中改变程序中声音传感器和光敏电阻的阈值，让学生发现阈值大小是控制声控灯灵敏度的关键。

【学以致用 解决问题】

学生完成声控灯的模拟实验后，回到导入环节学生发现的问题上来，结合模拟声控灯的实验过程对问题进行分析，得出该小区声控灯的“声音传感器”或控制程序中阈值等方面出现问题。虽然答案可能不是唯一的但是重要的是思考的过程中对整个探究实验的过程进行知识的升华。

（五）课堂评价设计

依据学习目标设置能够诠释核心素养内涵的综合性课堂评价的评价方式。围绕信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个方面，准确把握学习要求中不同的学习水平要求，采用合适的评价方式，体现核心概念和关键知识。本课选择针对任务活动的过程性评价、自我评价和问卷测试这几种评价相结合的评价方式。评价的最终目的是能够提升学生的学习效果和教师的教学质量，最终达到提升学生核心素养的目的。

三、反思总结

STEM教育理念下的跨学科融合教学能帮助学生掌握信息科技基础知识和技能，是学科核心素养落地的重要手段。在面向素养本位的课程改革下，为促进素养育人的落地，信息科技课程要打破学科知识与技能的固有逻辑，回归学生自身的学习与发展。以跨学科学习的形式重构课程内容，引入体现生活价值的、真实性的学习问题与实践，建构有意义的学习，通过项目式的学习方式和探究式的问题解决模式，解决传统信息技术教学中知识学习与实践操作不能兼顾的问题。[4]

参考文献：

[1]义务教育信息科技课程标准（2022年版）.中华人民共和国教育部制定.

[2]义务教育物理课程标准（2022年版）.中华人民共和国教育部制定.

[3]刘子妍.基于真实性学习的“CDIE”项目化教学模式构建研究[J].中国信息技术教育，2022（15）.

[4]顾小清.以跨学科学习促进信息科技课程核心素养落地[J]. 现代远程教育研究，2023，35（6）.