基于信息技术学科有效开展STEAM学科融合教学
芦斌
目前，中国很多地方正如火如荼地开展steam教学实践，其中很多都是以信息技术课程为基础进行拓展实施。但在教学实践中，笔者发现很多STEAM实践难以融入原有的学校课程体系。这主要是因为STEAM教育理念作为外来新事物在本土化过程中比较难以落地。一线教育实际情况距离STEAM教学还存在一定的差距，教师的教学策略、基本素养等都还没有明晰可操作的有效路径。因此，本文将探索如何基于信息技术学科有效开展STEAM学科融合教学。
● 问题与现状
问题1：课时规划与教学内容的矛盾。国内的STEAM教育与国外不同，是自下而上的民间探索，缺乏整体课程体系规划，STEAM的课型往往需要多课时、跨学科，而学校常规教学、标准的课标任务又与STEAM类型课程设计不太相符，因此，教师如何有效整合标准化的课内内容、分解耦合多课时的课程模式是亟待解决的问题。
问题2：项目探究与基础学习的矛盾。STEAM教育更多的是基于实际问题的项目式探究学习，因为课时安排，学生需要在短时间内“速成”大量的知识、技能，因此，教师往往会采取模仿、跟做的教学模式体系，让学生在极短时间内完成一个作品或一类研究，导致学生对基础知识、基本技能的掌握有欠缺，在制作过程中单纯模仿，思维深度、理解认识存在不足。因此，教师如何有效兼顾项目探究与基础学习、思维训练是课程设计中面临的难题。
问题3：跨学科融合的问题。在研究了多个STEAM教学案例后笔者发现，很多STEAM课程或仅涉及一个学科，所引用的知识是部分的、零散不成体系的;或过于注重机器人、3D打印等本学科所涉及的知识，只训练编程、拼搭技能或三维设计能力等，没有与数学、艺术、科学等其他学科知识进行有效的结合;或各个学科知识单独存在于课程中，知识间是封闭的而未能相互融合。因此，设计具有连续性、系统性、跨学科融合性的小学STEAM课程成为亟待解决的问题。
● 教育实践探索
1.课程设计思路
以学生生活中的电子蜡烛产品为主题切入，引导学生认识声音及感知声音的技术，运用程序控制，完整设计声控灯光系统，以及针对性的创意外观设计。在这个过程中，围绕主题，从学生的角度出发，分别融入科学、技术、工程、艺术、数学的教学目标设计。①科学目标：通过科学知识声音的传播与感知研究导入，理解声音传感器麦克风的基本工作原理;②技术目标：学生自主探究初步认识电子蜡烛中的关键传感器——麦克风，并逐步掌握和运用声音大小对角色或舞台的开关控制及大小颜色变化值等，进而触发相应交互;③数学目标：通过数学图表推算、模型构建等方式，逐步培育学生编程所需的基本算理和模型构建方法，养成学生良好的数理思维习惯，为程序设计创新奠定坚实的基础;④工程目标：通过工程化的实践操作，将所学的虚拟环境中的算法，结合实际传感器及输出LED等设备，实现整体电子蜡烛的设计制作与完善;⑤艺术目标：通过引导学生对电子蜡烛不同应用的艺术化、产品化的包装，将人文艺术设计融入作品的创作设计中。
2.分课时安排
由于一节课一般是40分钟，对于如此内容量的课程一般安排2～3课时，本文以两课时任务分解为例。从两个课时的分解任务目标上看，第一课时，主要通过融合数学、科学、工程的学习，解决虚拟环境下，电子蜡烛设计的核心关键程序、关键原理、关键模型的学习掌握，同时熟悉声控的基本原理。第二课时，主要解决真实环境下制作电子蜡烛过程中的硬件电子设备及硬件控制程序调试等问题。由于算法相似、模型相似，所以可以一以贯之。两个课时分别涉及多门学科，但又相互联系，因此，在课程安排上即使有时间跨度，通过一定的核心知识联系也可以让学生回忆起前认知。
3.具体方案
第一课时：创意电子蜡烛（虚拟）
①导入实物。通过展示实物电子蜡烛根据气流变化闪动及吹灭效果，启发引导学生如何设计制作一个电子蜡烛。
②科学分析，揭示原理。学生通过声音的产生、传播的科学原理学习以及激光薄膜振动实验，在实验探究中了解声音传感的基本科学原理，即从振动到传播再到振动，再进一步转化成电信号的基本工作原理。
③工程思想，系统分析。对电子蜡烛进行系统分析，并启发学生思考蜡烛对象由哪些对象构成、如何用麦克风测声音，即探索音量指令的使用，并进一步通过实验记录探索如何用音量指令来判断气流或声音。
④生活引导，程序分析。教师通过提问“烛火是怎么熄灭的？”一步步引导到自然语言“烛火是在侦测到音量或气流变化后熄灭的”，再到“判断音量的值变大了就熄灭”，再引申到类Scratch语言“如果音量值大于某个值就熄灭（隐藏）”，这样可以让学生很自然地过渡到指令的设计，并在学生尝试设计后总结提示“某个值”要在吹气范围内关键的阈值。通过学生测试程序发现执行存在问题，蜡烛效果不能执行成功，教师进一步提示“这个侦测判断是执行一次吗？”，并引导“程序开始后就在不断侦测，怎样实现不断的？”，进而引出循环嵌套的完整过程。总结并出示流程图，帮助学生梳理整体程序思路。
⑤数模构建，程序完善。在主體程序完成的基础上，教师引导思考还存在哪些问题，激发学生探索程序完善的切入点，如“如何初始化让蜡烛恢复显示”“烛火在吹灭前是否应该随着吹气变化”，并出示火焰变化效果案例及数值表（如下图），通过观察应用数学抽象思维，提炼其关系“烛火大小=100-音量”，引导学生完善作品。在程序完善后，教师总结利用外设传感设备对动画控制的两种方法，即“开关”法、“变量”法。
⑥思维导图，优化拓展。借助思维导图工具，启发学生在基本完成作品的基础上，提出“如何让作品更有趣”为题，展开讨论，罗列出“蜡烛数量”“吹灭方式”“烛火变化”“熄灭效果”等多个方面，激发学生改造优化作品的想法。教师适度从“美化背景或蜡烛”“烛火的明暗、角度变化”“蜡烛熄灭后能有什么”“多个蜡烛”进行提示引导。
⑦自我表达，展示交流。借助广播系统，展示学生作品，并模仿产品发布会，让学生介绍自己的作品。
第二课时：创意点子蜡烛（实物）
①导入。通过上节课的虚拟电子蜡烛案例切入引导学生思考如何制作一个实体电子蜡烛。
②科学引入，电路学习。认识Arduino的接线方式，通过科学研究方法比较研究，利用杜邦线可以方便插拔的特性，引导学生分析各线路的使用必要性，以及揭示电流的作用与灯点亮的基本工作原理，并出示对应的电路图。
③程序分析，回忆旧知。引导学生回顾上节课作品程序含义，从原来程序通过“显示”和“隐藏”来控制烛火的亮、灭，迁移到新的指令：? ? ? ? ? ? ? ? ?。启发学生自主探究如何赋值？赋值范围？如超出范围，会出现什么情况？并通过实验得到指令的正确使用方式及对应控制灯光的效果，最后通过新指令修改程序，实现蜡烛亮及吹蜡烛的效果。
④工程思维，优化程序。借助上节课的程序原理及结构，实现吹灭蜡烛的效果，以及未吹灭时真实的烛火时暗时明效果。学生尝试操作。
⑤艺术加工，制作蜡烛实体。利用透明薄纸、双面胶、剪刀等工具启发学生根据不同的生活场景制作出漂亮又有个性的蜡烛烛体，并与电子元器件结合，包装外观同时注意线路器件的摆放排布。
⑥作品交流。进行作品展示，引导学生从产品的名称、功能、外观、应用范围等方面介绍自己的作品。
● 教学策略分析
1.生活引入，学科融合
在设计STEAM课例时，资源应该来源于生活实际，但教师要进行有效的甄别，选择在学生原有知识能力范围内或者略高的案例内容。另外，在项目设计或问题解决过程中将一些原本单一学科的知识或能力培养，无痕地穿插在整体项目中。例如，本文案例中在初识声音传感器（麦克风）时，通过薄膜激光反射科学实验快速了解声音是如何产生、传递和感知的，并进一步了解揭示声音传感器利用这些原理将振动转化为电信号的工作原理。又如，在学习声音变化与蜡烛明暗变化关系时，利用数学列表方法抽象提炼两个数据间的数值关系进一步引出公式的推导，进而形成程序计算语言的表达，培养计算设计思维，这是一个典型的数学与技术、工程的有机融合案例。再如，在数字电路使用过程中，学生通过亲手实践体验“电”的作用与基本工作原理，并提炼出在Arduino数字电路中的工作原理，形成对智能硬件应用的基础认识。在这几类知识学习过程中，教师没有刻意分离单独讲解，而是自然融入案例设计或问题解决的过程中，进而实现STEAM教育学科融合教学的目的。
2.拆分任务，梯度教学
在制作一个较为复杂的作品时，往往需要投入大量的时间、资源，涉及多方面学科，问题节点也较多，领域广泛，教师在有限的时间里往往会压缩任务或者简化学习过程，甚至有时采用模仿学习的方式去实现STEAM学科融合教学，学生的想法没有得到真正的释放，学生的综合实践能力、问题解决能力也不能得到有效提升。
为此，需要对任务进行拆分，像本文案例中，作为一个完整的电子蜡烛其实要分成多个主要任务：①理解声音获取及对应音量控制程序基本逻辑原理。②熟练使用两种程序控制方式实现开关控制和线性变化控制对象属性变化。③探索蜡烛变化的多种方式及实现原理。④硬件电子蜡烛的各类元器件链接及对应端口认识。⑤了解Arduino控制板输入输出的基本控制方式。⑥声音传感器的有效使用及采集数值的准确使用。⑦LED灯光的两种控制方式开关控制和PWM线性控制。⑧电子蜡烛外观包装制作的方法。⑨硬件故障的排除及多种功能应用的拓展。
面对如此纷繁复杂的任务，教师需要对拆分出的任务进行重新规整，在本文案例中，教师将任务分解到两个课时的教学活动中，第一课时主要针对声音控制程序学习和蜡烛两种变化方式的学习，第二课时主要针对电子器件链接及实物硬件控制的综合应用。作为本课程的核心内容，声音控制程序是贯穿两个课时的关键抓手，第一课时在较为单一封闭的虚拟环境中实现程序，第二课时则是在学生认识该类声控程序算法的基础上进一步扩展到硬件的综合熟练应用，解决更多实践类问题。这样的拆分，将任务难度分解，分级出现给予学生自主逐步深入的可能，同时，也便于教师清晰地讲解知识难点，逐个击破，学生成就感与获得感不断提升。
3.由软及硬，由虚入实
目前，带有程序设计类型的STEAM教学内容难点主要集中在软件层面，学生在刚入门阶段主要着重在软件程序算法方面的学习，对硬件知识积累掌握程度有限，而在实施硬件介入的STEAM学科融合类项目时，学生的问题主要集中在如何排除硬件故障与调试软硬件的整体协调问题上。通过相对偏重软件设计方面的作品案例，从学生易于上手的功能入手，使学生在屏幕上可以快速构建一个虚拟化的电子作品，获得较多的成就感，并借助软件上的程序算法学习，深度掌握整个电子蜡烛中的核心代码，进而引出硬件电子蜡烛后，学生便有了较强的背景知识做支持，进而为作品的顺利制作提供了一个有效的阶梯。其实，除了本文案例可以借用软件或者虚拟化的作品来过渡到硬件教学外，还有如智能寻线赛车、打地鼠等作品案例都可以使用类似的方法。在智能寻线赛车中，可以利用虚拟赛车仿真在图形赛道中自动识别寻路前行，讓学生充分理解赛车自动驾驶的控制原理与基本逻辑，实现真实智能赛车时可以快速构建核心算法程序，并将精力放在传感器参数判断、马达输出合理功率等硬件问题的调试与排除上，为完整的作品制作提供一个很好的过渡媒介。
4.掌握核心，培养能力
在这个系统项目课程中，其科学分析探究能力、数学建模抽象思维、传感应用的算法思维以及传感器的综合应用是课程的关键核心，如何通过项目引导学生在掌握核心能力的同时启发培养其综合应用创新能力，则至关重要。不同学科之间的融合以及多种情境下的问题解决是STEAM教育研究的热点。在本文案例中笔者也发现，课程项目的分步实施以及梯度化设计，也为STEAM核心能力的培养提供了更多可能。因此，可以认为，未来的STEAM教育发展前景将更为广阔，也更有助于学生科技创造力的培养。
