陈建
2023年5月，教育部发布《基础教育课程教学改革深化行动方案》，强调聚焦核心素养导向的跨学科主题学习等教学改革重难点问题，推进数字化赋能教学质量提升[1]。由于跨学科主题学习容量大、耗时长，学生对各学科的知识储备不足，传统模式教学难以适应教育改革的需求。STEAM教育的独特价值在于将科学、技术、工程、艺术和数学多个学科的课程知识统整为一个有机整体，在信息技术手段支持下，为学生提供富有现实意义的学习情境，并通过解决实际问题来培养学生的创新精神和实践能力。STEAM教育蕴含了学科融合、问题解决和技术赋能三个核心理念，因此STEAM课程是践行新课标、开展跨学科主题学习的一种重要方式。
一、信息技术支持下的STEAM课程模式建构
基于上述思考，笔者以问题解决为指引，以跨学科式“做中学”为实现路径，以工程技术为主线，开展信息技术支持下的STEAM课程设计探索，提出了“三段五环”教学模式（如图1）。“三段”指课前、课中、课后。“五环”指聚焦问题与确定需求、调查研究与学习支持、设计制作与测试优化、展示交流与扩充创意、评价提升与反思复盘。
信息技术融会贯通于课程的各环节，改变教学环境，为学生提供在智慧课堂的学习体验，以期帮助学生突破跨学科知识的局限，促进学生综合能力的发展和学习方式的变革，有效提升学生的核心素养。信息技术的应用为达成“会科学探究、善技术实践、能工程创新、懂数学思维、有艺术品位”的复合型人才目标奠定了基础。
二、信息技术支持下的STEAM课程设计
为了更好地检验“三段五环”教学模式的科学性和实用性，笔者设计了STEAM课程案例“地震我来报——研制地震报警仪”并展开实践探索。
（一）课程目标
1.知识与技能
掌握地震发生的原因，根据地震报警仪的原理，制作一个简易地震预警装置，并通过模拟地震的方法进行结果的假设与推理。
2.过程与方法
体会“确立问题—了解特点—设计方案—制作测试—修正方案”的工程技术流程，学会自己独立设计，相互修正设计。
3.情感态度与价值观
增强团队分工合作能力，培养工程思维，享受创造的愉悦。
（二）课程重难点分析
1.活动重点
（1）地震报警仪装置的自主设计和制作。
（2）展示时能阐明设计理念及改进办法。
2.活动难点
如何提高地震报警仪的灵敏度。
（三）学科融合点
S（科学）：认识地震发生的原因，了解地震报警仪的结构原理。
T（技术）：学会电路装置的连接，能运用选择的材料，根据设计方案制作一台性能良好的地震报警仪。
E（工程）：能够运用工程思维来设计产品，并在制作过程中针对遇到的问题进行调整改进。
M（数学）：学会收集和分析数据、核算研发经费。
三、信息技术支持下的STEAM课程实施
（一）聚焦问题与确定需求
1.聚焦问题
近年来地震灾害频发的现象，引发了学生对地震问题的关注。学生通过网络查找、调查采访、实地考察等多种途径了解了地震的成因及危害，深刻感受到地震的危害。
如何及时挽救生命和减少损失呢？在震撼与担忧之余，学生纷纷把探究的视角转向了地震的预警防范上。课堂上，学生围绕“如果我们的城市发生地震，如何能提前知道，以为逃生争取时间？”这一问题展开探讨，并选定“地震报警装置的制作”这一驱动任务进行研究，由此开启了“地震我来报——研制地震报警仪”STEAM课程实践之旅。
2.确定需求
在明确任务后，教师顺势引导学生讨论完成评价标准，共同确定了课程评价量规（见表1），让学生明确本项目的要求：制作出一款长、宽、高不超过50厘米，研发成本低、性能好的地震报警仪。学生可从灵敏度、创意、牢固性和外形、成本、展示介绍这五个方面评价项目作品的完成程度。
【设计意图】围绕“制作一款地震报警装置系统”这一工程问题，教师引导学生开展基于问题情境的解决任务式学习。学生既能从中学到知识与技能，又能体验到动手动脑的乐趣，核心素养得到有效发展。
（二）调查研究与学习支持
1.调查研究
教师依据本课程所涉及的STEAM知识框架和概念基础，进行在线问题测试（见表2），从而更好地把控课堂教学。教师由前测数据（如图2）发现学生对地震成因、地震报警仪的工作原理等知识有所欠缺，需要构建学习支持。
2.学习支持
本课程包括理论学习和实验探索两项体验活动，均是为制作出一款性能良好的地震报警仪做知识、技能和方法的储备。
（1）积累地震报警仪知识——理论学习。教师在在线学习平台发布地震报警仪系列微课资源（如图3），供学生自主选择观看。该微课资源包含地震成因介绍、地震预警原理揭示、地动仪的历史、地震预警系统制作技巧四方面内容，帮助学生了解地震报警仪在设计原理、发展变化、制作技巧等方面的知识，让学生对地震原因与地震预测有全面的认识和思考。同时，学生掌握了地震报警仪利用的是垂体摆动力学原理和物理声光电磁运动原理，即当地震报警仪检测到震动时，内部电路接通进而触发报警，起到警示的作用。
（2）积累地震报警仪知识——实验探索。该环节包括如下三个探究活动。
探究活动一：地震成因模拟实验
地震所引起的地面震动是一种复杂的运动，它是横波和纵波共同作用的结果。为了研究横波和纵波的强度和破坏性，师生合作进行设计，利用乐高Ev3套件及电机组件制作一款地震震动台，模拟地震时的横波和纵波，用以检验地震报警仪的性能。
探究活动二：电路仿真接通实验
学生在平板电脑上进行地震报警仪电路仿真模拟（如图4），通过连接实验元件和导线，进行串联、并联电路的接通练习。
探究活动三：编程基本操作练习
学生可与教师交流在组装感应装置时遇到的问题。教师及时给予学生个性化指导，启发学生了解传感器与地震报警装置之间的联系、思考使用传感器检测地震的原因。
【设计意图】教师借助在线问题测试可及时了解学情。在交互学习环境中提供系列微课资源，能填补学生知识与技能上的空缺。传感器组装及仿真电路的实验模拟可有效突破传统材料和工具的使用局限，扩大学生思考问题的视角。
（三）设计制作与测试优化
学生以小组为单位，聚焦“如何将震动转换成报警”这一核心问题展开深入研究，思考制作地震报警仪的材料、形状及其方法，并对照设计图将自己的创意付诸实践，最终根据数据分析情况，对地震报警仪做出调整和改进。
当学生为了实现精准“报警”而不断调节羊角钉与铜丝的距离时；当学生为了将感应结果有效传递到电路，加装震动传感器时；当学生将喇叭和警示灯串联起来，震动导致小喇叭发出声音、警示灯不断闪烁时；当学生发现稍有震动，装置就会进入报警状态，进一步深入思考如何克服误判的问题时……他们体会到地震报警仪已经不再只是一架装置，而是一套涉及多方面因素的工程体系。在这样的实践操作与不断反思调试中，学生建构的知识是生动的，更是源于实践的。
【设计意图】学生制作并理解地震报警仪的工作原理，将实践创意与知识建构相连接，发展工程思维，提升运用技术解决问题的能力。
（四）展示交流与扩充创意
1.展示交流
（1）分组展示成果。教师组织学生召开地震报警仪“产品发布会”。教师利用在线学习平台发起图片收集，各小组使用平板电脑拍照上传设计图（如图5），围绕地震报警仪的设计理念、团队分工、经费核算、遇到困难及解决方法等方面进行成果展示与交流分享。
各小组选用Arduino控制板、震动传感器、蜂鸣器和LED灯环扩展板等材料，制作了一系列不同提示效果的地震报警仪，有实现声光同时报警的“简易光感闪烁”地震报警仪、“乐高编程组合”地震报警仪、“电磁感应”地震报警仪，有记录地震波痕迹的“悬挂式摆锤”地震报警仪，“合页式触发”地震报警仪……
学生在实践中加深对科学知识的印象，获得成就感。
（2）组间评价质疑。教师组织各小组反思制作过程中遇到的问题，引导学生深入思考。
如：当楼下装修时这个地震报警仪会不会报警？若夜晚熟睡时发生地震，“悬挂式摆锤”地震报警仪如何提醒人们逃生？如何解决悬挂小球铜丝摆动困难导致电路不易闭合的问题？
（3）优秀作品评选。教师抛出问题：“大家制作的这些地震报警仪大小不同、形状不同、材料不同，但有什么相同之处呢？”
在交流讨论的过程中，学生逐渐认识到所制作的地震报警仪都是通过信号转换实现报警功能，对地震报警仪的工作原理获得更清晰的认识。
教师组织学生使用地震震动台检测地震报警仪的性能，随后利用在线投票系统评选出“优秀地震报警仪设计奖”。
2.扩充创意
（1）了解地震预警。教师播放视频《地震波还有61秒到达》。该视频通过介绍四川长宁县地震中预警系统“跑赢”地震波的成功案例，让学生感悟到科学家在破解地震预测难题方面所做的努力。
（2）关注制作差距。教师引导学生产生疑问“我们制作的地震报警仪和科研人员研制的地震预警系统有哪些差距”并基于灵敏度、抗干扰、智能化等方面寻找差距（如图6），感悟到科学家有效解决“精准捕捉地震波”“不会被其他震动干扰”“可智能及时地反馈数据”等技术难题的巧妙构思，引导学生探讨地震报警仪背后的工程学原理，以及科技如何提高了地震预警准确度。
在反馈过程中，教师将学生的思维引向深入：“作为小学生，虽然我们不能解决复杂的地震预警问题，但就像爱因斯坦的小板凳，谁又能小觑其中蕴藏的潜力呢？愿每个孩子在探索中做到有思想、会分析、乐动手，都能用探究之心，创新之眼，去点亮属于自己的科技之梦！”
【设计意图】课程以工程技术为主线，以在线学习平台和平板电脑为依托，以产品设计为导向，在展示中以更高阶的思维打破学生的思维局限，实现创新思维的培养；同时可让学生深刻体会智能机器的应用为社会生活带来的积极作用，激发民族自豪感，为学生播种责任和担当的种子。
（五）评价提升与反思复盘
教师引导学生在云平台学习空间上传主题作品并提出要求如下。
1.晒晒我制作的地震报警仪。
2.如果再给一次制作机会，你们的设计方案会有哪些改变？试着通过写作来说明，并发到学习空间讨论。
【设计意图】教师利用问题和任务延续学生的研究和沟通积极性。
四、信息技术支持下的STEAM课程实践效果
本课程以STEAM理念为中心，以信息技术为技术支撑，构建培养学生跨学科思维的“三段五环”教学模式。在课前、课中和课后有机融合了“聚焦问题与确定需求”“调查研究与学习支持”“设计制作与测试优化”“展示交流与扩充创意”“评价提升与反思复盘”五个环节，综合设计知识线、任务线、学科线三条线索来提升学生的高阶认知，培养学生综合解决问题的能力和创新能力。
（一）技术赋能学习，体现高阶思维
信息技术可有效改变、创新教与学的方式，使教学定位更精准、课程资源更丰富、学习方式更多元。
首先，在线学习平台中的视频播放、在线投票、抢答器的使用，让课堂充满趣味，激发了学生的学习热情。其次，通过上网搜索信息、学习系列微课、在线答题检测、拍照上传作品，以移动电子终端系统为载体展现多元化的学习成果，学生经历了从设计到制作到再改进作品的完整流程。从学生制作的风格多样的地震报警仪可以看出，课程本身能让学生内在的创造力迸发出来，课程效果表明学生的好奇心、想象力、质疑精神和合作意识得到显着提升。
（二）学科有效融合，助推问题解决
“地震我来报——研制地震报警仪”课程基于地震预警防范这一真实需求展开，建立科学、工程、信息技术、数学等学科知识的有效联结。通过对“制作一台性能良好的地震报警仪”这一工程问题进行层层拆解，学生对地震由起初的陌生，到积极面对，进而开拓地震报警仪设计方法。他们收获的是问题解决的思维和方法，并最终达到STEAM教育目标。
本课例基于STEAM教育理念，探讨了人工智能融合课程的模式构建及实施过程，但课程资源建设与硬件建设的矛盾如何解决，仍是我们在提高STEAM课程的实践性和可操作性的过程中需要关注的问题。
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于印发《基础教育课程教学改革深化行动方案》的通知[EB/OL].（2023-05-09）[2024-01-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/jcj_kcjcgh/202306/t20230601_1062380.html？eqid=f138e5850000b36500000006648c075a.
（作者系河北省唐山市开平区育才小学高级教师）
责任编辑：李 媛
