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摘要：本文介绍了在教学过程中引入和采用先进的STEM教学理念和开放式教学科创平台，通过在有限的课时内合理规划和考量教学过程中不同学科“应知”和“应会”内容和难易程度的平衡，注重多学科知识的有机融合和灵活运用，从切实提髙STEM的4种素养角度有效激发学生自主学习、自主创新能力的探索和实践。
关键词：信息科技 STEM 多学科知识融合 开放式教学 科技创新平台
计算机、机器人和物联网是目前中小学信息科技课程教学和科技创新活动中开展较为普遍的内容。它们有一个共同点，就是技术发展和变化非常迅速，而且多学科高度融合。这对课程的教学目标、教学模式、教学手段和教学成效的提升提出了更高要求。多年来，我国中小学信息科技课程的发展经历了几个不同的探索阶段，包括从基础的Basic程序语言编程着手到重视日常的计算机应用软件教学。但这些入门和普及型的教学内容与实际应用之间存在一定脱节，学生往往像瞎子摸象一样，即便学了也不清楚该如何实际运用。因此，教学中常有学生根本不爱学、不愿学信息科技教材的内容[1]，也暴露出了现有的教材内容跟不上近年来以移动和个人智能为代表的信息技术的快速发展，没有捕捉到当下学生对相关知识的兴趣点。
为此，我们通过引入先进的STEM教学理念和采用全新的教学科技创新平台，构建了以侧重多学科知识的完整普及，并结合与生活实际密切相关的教学案例来激发学生参与热情和提高教学成效的新教学模式。
一、多学科“应知”、“应会”并举教学模式构建
1.基于STEM的教学目标解析
STEM教育理念最早源自于美国，它旨在将原本分散的科学、技术、工程、数学4门课程融合为一个新的有机整体，注重综合培养学生的4种基本素养：即运用基础科学知识（如物理、化学和自然科学等）的科学素养，理解新技术发展过程和运用其革新和改造自然和社会的技术素养，熟悉创新设计思维和开发过程并能够创造性地加以运用的工程素养，以及运用数学原理发现、表达和解决所遇到的实际问题的数学素养。这对解决目前中小学信息科技课程所存在的问题提供了一种新的思路，因此，国内对这一先进的教学模式给予了高度重视，并积极开展了探索和实践[2-3]。
但是，在现有的信息科技课程教学过程中如何融入和贯彻这种先进的教学理念呢？通过总结这些年来我校传统的机器人特色活动[4]，我们提出了以多学科知识融合作为“应知”目标，以创客案例实践作为“应会”导向的教学模式。前者更加强调不同学科知识的全面普及，着眼于学生科技思维模式的建立和综合素养的培养，不再过分强调和枸泥于单一编程或软硬件应用技能的系统传授和学习；后者则注重以启迪不同学生个体的兴趣和创意作为着力点，并且在教学过程中有计划地引导学生对其所学的各门基础课程知识及本课程相关学科基本概念的灵活应用，做到对所学知识运用和解决问题方法的真正“应会”。
为此，我们首先对课程所涉及学科知识和应知应会的深度进行了全面的梳理，结合STEM4种基本素养的要求将教学过程中应知和应会的内容分解为“有什么？是什么？为什么？学什么？做什么？如何做？”等6个方面。力求让学生结合教学实践案例更加全面了解与之相关的学科发展过程和知识轮廓；同时根据各种基础知識点的难度不同，米用实景演不、社会实践、动手练习、案例制作、开放教学等多种模式，用有计划、分阶段和平行式的教学规划让学生以交互的、主动的、实践的、能在各学科间有意识地建立起有机联系的方式来完成整个课程的学习。
2.开放式教学科技创新平台的总体架构
为了实现这样一个具有较高起点的教学构想和目标，首要任务就是创建一个更为有效的多学科教学科技创新平台。为此，我们借鉴和分析了乐高机器人等国内外先进教学产品的特点，结合Linux和Arduino等开源软硬件日益成熟，以及近年来个人智能移动设备和无线移动网络等最新IT技术和产品快速普及的便利条件[5-7]，与有关高校和企业合作开发了一个全新的、着眼于普及型教学而不是仅适合竞赛活动的开放式科技创新平台OIS（Open Intelligent Solution）[8]，这个平台具有以下特点。
①积木式：无论软、硬件都具有分层架构清晰、高度模块化的特点，有利于在教学中充分展示不同学科的知识点和基本概念，同时各部分均可以灵活地拼搭接，便于调动学生动手实践的热情。
②简便易学：尽可能采用学生日常使用和最易熟悉的IT产品和技术，具有直观的图形开发界面，不要求学生具备较高的编程知识和入门水平，使学生能够将主要精力充分集中在创意的实现上。
③开放性：可以兼容多种主流技术平台和厂家产品；尽可能采用了开源和共享技术，软、硬件可以独立升级，以充分适应各种IT技术的变化和快速发展；OIS-CPU可以兼容多种主流的操作系统和宿主于百余种市售的个人移动设备上，与侧重于竞赛使用的套件型产品有很大的不同，绝大部分硬件都可以由学生自己选择和采购，具有较高的价比高，易于在教学和科技创新活动中普及。
④多功能：能适应计算机、机器人、物联网等不同的课程案例教学，同时具有多种开发方式和扩充可能，能够满足校内外、教与学不同模式的需求，便于感兴趣的学生进一步进行学习开发。
与时下流行的单纯采用Arduino的教学平台相比OIS-CPU+Arduino提供了一个更清晰的分层硬件架构和更强大的移动计算性能、多机网络通信能力和更丰富的人机接口手段，知识覆盖面更广。同时，图形化的开发和仿真手段也大大降低了案例学习和实现的难度。能克服信息科技课程课时较少、校内外衔接难的实际难题。实践证明，这个教学平台为我们开展多学科教学模式的探索和普及提供了有效手段。
二、教学案例分析
物联网是传感器、互联网、智能控制及信息处理技术高度融合的新一代信息技术[6]。物联网的应用范围和应用前景几乎涵盖了我们日常生活的方方面面。因此，也越来越多地引起了国内高校乃至中小学校的重视。由于物联网的应用对象与学生的日常生活密切相关，学生更容易通过自身的观察和对应用对象的逐步了解，积极融入课程教学和实践过程。 这里就结合“基于物联网的城市道路景观绿植节水型智能浇灌系统”的教学案例来简要介绍新的教学模式的实践过程。首先，我们安排学生去现场仔细观察园林工人对道路景观绿植的实际浇灌过程，并引导他们通过思考发现问题，提出如何利用智能化手段来实现节省人工、节水和改善浇灌效果，继而利用OIS平台展开各学科知识的教学和实践内容。
除了课堂上基本概念的讲解，使学生熟悉和了解“有什么”和“是什么”之外，按照教学目标构想，我们还有计划地安排了多项数学、物理和自然常识综合应用的内容，引导学生运用已经学过的基础知识进行定量的数学建模和物理实验。包括向园林工人了解实际的浇灌方法及不同季节和天气情况下浇灌的次数等基础数据；通过漫灌、滴灌和浸灌3种不同方式的物理实验比较其节水效果；用非标几何体的体积计算求得浇水车贮水量；实地勘察道路花盆的数量并在网上查阅上海道路总长、降雨量和降水天数等数据，来综合论证及定量评估预期的节水效果。
在学生动手进行原型设计和制作阶段，我们又结合这个案例的应用环境在室外，物理实验中电阻式土壤湿度计的读数值存在偏差，调试中曾出现水泵发热烧毁等现象，有针对性地安排了测量误差校正和信号校正、究余和优先级等安全可靠性的工程概念教学内容。并且根据实践过程中学生提出的创意，还增加了有雨水收集功能的优化设计方案。从实际教学效果看，结合案例的教学和实践，学生都能很快理解这些对他们而言看似比较深奥的概念和原理。
目前，STEM已逐步扩展为了STEAM，就是在STEM的基础上加入了艺术与设计（Arts）。
三、结语
新教学模式的探索和实践让我们充分认识到，在信息科技课程教学中贯彻STEAM教学理念实际上是一个教学目标、教学模式、教学平台和教学手段有机融合的过程。也就是要将教与学的关注点始终落实在STEM所强调的要让学生在整合的学习情境中形成正确的工程技术思维，锻炼他们的组织合作能力、问题解决能力和实践创新能力之上。用通俗的比喻，就是不再仅仅引导他们去“瞎子摸象”，而是启迪他们去“曹冲称象”，而这也正是信息科技课程教改的发展方向。
从本文案例可以看出，“应知”和“应会”并举并不意味着简单地放弃知识的传授，而是要以更具针对性的教学规划和更直观灵活的教学手段在有限的课时中最大限度地开拓学生的视野。在教的过程中强调对各个不同学科知识的“应知”，力图使学生更为全面地了解学科的基本概念和知识轮廓，这个过程就像学海拾珠；而在学的过程中则通过引入切合学生认知和生活实际的导向式案例，在用中求知，在做中学会，启发他们巧思成串，重视引导学生建立起正确的工程和设计思维，培养他们动手、动脑，运用所学知识解决出现的实践问题，充分激发和肯定不同学生个体的探知欲。
过程中我们也深刻地体会到处于互联网时代的中小学生对新事物的理解能力和思维的开阔性。不能再机械地以大脑生理发育阶段，知识面和深度存在较大局限等旧有的教育思维模式来人为地构设出各种条条框框，也不能忽视当下学生家长本身素质的提高及他们在学生综合素质培养方面所投入的旺盛精力和热情。采用更有便于校內外教学有机结合的开放式教学科技创新平台，并辅以微信公众平台、大学生社团传帮带等多样化的教学手段，完全有可能在较高起点和较快节奏条件下完成较高水平的信息技术课程教学目标。当然，尽管这种新的教学尝试已经取得了较好效果，并得到了学生和家长的积极回应，学生采用OIS平台完成的多个创意作品也在上海市青少年科技创新大赛上取得了不错的成绩，但其探索过程仍需要我们通过更多的案例和实践不断地加以总结和提高。
参考文献
[1].朱敏.上海市中小学信息科技课程再思考[J].中小学信息技术教育，2015（8）：6—10
[2].叶兆宁.STEM教育走进中小学科学课堂——融合：实现STEM教育的有效策略[J].中国科技教育，2013（2）：10-15
[3].杜娟，臧晶晶.STEM教育视野下小学低年级智能机器人教学模式研究[J].中小学信息技术教育，2014（5）：52-54
[4].林君秋.优化学科整合 提高拓展型课程的教学效能——以机器人科目“转向控制”单元设计为例分析[J].现代中小学教育，2012（3）
[5].北京西觅亚科技有限公司.走进乐高机器人[M].北京：科学普及出版社，2012
[6].Adrian McEwen，Hakim Cassimally著.张崇明译.物联网设计：从原型到产品[M].北京：人民邮电出版社，2015
[7].（美）MassimoBanzi著.于欣龙，郭浩贽译.硬件开源电子设计平台：爱上Arduino（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2012
[8].叶灵，林君秋，吴胜昔.机器人集成教学平台的开发与应用[C].南京：第33届中国控制会议论文集（F卷）：8457—8461，中国自动化学会，2014
点评
作者在基于STEM教育理念的信息科技课程教学实践中，通过自身认识、研究和探索，提出了以多学科知识融合作为“应知”目标，以创客案例实践作为“应会”导向的教学模式，并通过创建开放式教学科创平台等相关举措和个案研究，取得了初步实践效果。上述以论文形式反映出的具有一定创新性的科技教育实践经验和理性思考，对广大科技辅导员具有较好的参考价值和示范作用。
如果作者在所论述的信息科技课程实践探索中，能够更深入地挖掘所依托的STEM教育理念的核心内涵，并注意与其他相关先进教育理论相结合，以进一步阐述和佐证实践的科学性和教育性，则会使本文的学术性更为明显。
——翟立原（中国青少年科技辅导员协会理论工作委员会副主任委员，第24届全国青少年科技辅导员论文征集活动评审委员会主任委员）
关键词：信息科技 STEM 多学科知识融合 开放式教学 科技创新平台
计算机、机器人和物联网是目前中小学信息科技课程教学和科技创新活动中开展较为普遍的内容。它们有一个共同点，就是技术发展和变化非常迅速，而且多学科高度融合。这对课程的教学目标、教学模式、教学手段和教学成效的提升提出了更高要求。多年来，我国中小学信息科技课程的发展经历了几个不同的探索阶段，包括从基础的Basic程序语言编程着手到重视日常的计算机应用软件教学。但这些入门和普及型的教学内容与实际应用之间存在一定脱节，学生往往像瞎子摸象一样，即便学了也不清楚该如何实际运用。因此，教学中常有学生根本不爱学、不愿学信息科技教材的内容[1]，也暴露出了现有的教材内容跟不上近年来以移动和个人智能为代表的信息技术的快速发展，没有捕捉到当下学生对相关知识的兴趣点。
为此，我们通过引入先进的STEM教学理念和采用全新的教学科技创新平台，构建了以侧重多学科知识的完整普及，并结合与生活实际密切相关的教学案例来激发学生参与热情和提高教学成效的新教学模式。
一、多学科“应知”、“应会”并举教学模式构建
1.基于STEM的教学目标解析
STEM教育理念最早源自于美国，它旨在将原本分散的科学、技术、工程、数学4门课程融合为一个新的有机整体，注重综合培养学生的4种基本素养：即运用基础科学知识（如物理、化学和自然科学等）的科学素养，理解新技术发展过程和运用其革新和改造自然和社会的技术素养，熟悉创新设计思维和开发过程并能够创造性地加以运用的工程素养，以及运用数学原理发现、表达和解决所遇到的实际问题的数学素养。这对解决目前中小学信息科技课程所存在的问题提供了一种新的思路，因此，国内对这一先进的教学模式给予了高度重视，并积极开展了探索和实践[2-3]。
但是，在现有的信息科技课程教学过程中如何融入和贯彻这种先进的教学理念呢？通过总结这些年来我校传统的机器人特色活动[4]，我们提出了以多学科知识融合作为“应知”目标，以创客案例实践作为“应会”导向的教学模式。前者更加强调不同学科知识的全面普及，着眼于学生科技思维模式的建立和综合素养的培养，不再过分强调和枸泥于单一编程或软硬件应用技能的系统传授和学习；后者则注重以启迪不同学生个体的兴趣和创意作为着力点，并且在教学过程中有计划地引导学生对其所学的各门基础课程知识及本课程相关学科基本概念的灵活应用，做到对所学知识运用和解决问题方法的真正“应会”。
为此，我们首先对课程所涉及学科知识和应知应会的深度进行了全面的梳理，结合STEM4种基本素养的要求将教学过程中应知和应会的内容分解为“有什么？是什么？为什么？学什么？做什么？如何做？”等6个方面。力求让学生结合教学实践案例更加全面了解与之相关的学科发展过程和知识轮廓；同时根据各种基础知識点的难度不同，米用实景演不、社会实践、动手练习、案例制作、开放教学等多种模式，用有计划、分阶段和平行式的教学规划让学生以交互的、主动的、实践的、能在各学科间有意识地建立起有机联系的方式来完成整个课程的学习。
2.开放式教学科技创新平台的总体架构
为了实现这样一个具有较高起点的教学构想和目标，首要任务就是创建一个更为有效的多学科教学科技创新平台。为此，我们借鉴和分析了乐高机器人等国内外先进教学产品的特点，结合Linux和Arduino等开源软硬件日益成熟，以及近年来个人智能移动设备和无线移动网络等最新IT技术和产品快速普及的便利条件[5-7]，与有关高校和企业合作开发了一个全新的、着眼于普及型教学而不是仅适合竞赛活动的开放式科技创新平台OIS（Open Intelligent Solution）[8]，这个平台具有以下特点。
①积木式：无论软、硬件都具有分层架构清晰、高度模块化的特点，有利于在教学中充分展示不同学科的知识点和基本概念，同时各部分均可以灵活地拼搭接，便于调动学生动手实践的热情。
②简便易学：尽可能采用学生日常使用和最易熟悉的IT产品和技术，具有直观的图形开发界面，不要求学生具备较高的编程知识和入门水平，使学生能够将主要精力充分集中在创意的实现上。
③开放性：可以兼容多种主流技术平台和厂家产品；尽可能采用了开源和共享技术，软、硬件可以独立升级，以充分适应各种IT技术的变化和快速发展；OIS-CPU可以兼容多种主流的操作系统和宿主于百余种市售的个人移动设备上，与侧重于竞赛使用的套件型产品有很大的不同，绝大部分硬件都可以由学生自己选择和采购，具有较高的价比高，易于在教学和科技创新活动中普及。
④多功能：能适应计算机、机器人、物联网等不同的课程案例教学，同时具有多种开发方式和扩充可能，能够满足校内外、教与学不同模式的需求，便于感兴趣的学生进一步进行学习开发。
与时下流行的单纯采用Arduino的教学平台相比OIS-CPU+Arduino提供了一个更清晰的分层硬件架构和更强大的移动计算性能、多机网络通信能力和更丰富的人机接口手段，知识覆盖面更广。同时，图形化的开发和仿真手段也大大降低了案例学习和实现的难度。能克服信息科技课程课时较少、校内外衔接难的实际难题。实践证明，这个教学平台为我们开展多学科教学模式的探索和普及提供了有效手段。
二、教学案例分析
物联网是传感器、互联网、智能控制及信息处理技术高度融合的新一代信息技术[6]。物联网的应用范围和应用前景几乎涵盖了我们日常生活的方方面面。因此，也越来越多地引起了国内高校乃至中小学校的重视。由于物联网的应用对象与学生的日常生活密切相关，学生更容易通过自身的观察和对应用对象的逐步了解，积极融入课程教学和实践过程。 这里就结合“基于物联网的城市道路景观绿植节水型智能浇灌系统”的教学案例来简要介绍新的教学模式的实践过程。首先，我们安排学生去现场仔细观察园林工人对道路景观绿植的实际浇灌过程，并引导他们通过思考发现问题，提出如何利用智能化手段来实现节省人工、节水和改善浇灌效果，继而利用OIS平台展开各学科知识的教学和实践内容。
除了课堂上基本概念的讲解，使学生熟悉和了解“有什么”和“是什么”之外，按照教学目标构想，我们还有计划地安排了多项数学、物理和自然常识综合应用的内容，引导学生运用已经学过的基础知识进行定量的数学建模和物理实验。包括向园林工人了解实际的浇灌方法及不同季节和天气情况下浇灌的次数等基础数据；通过漫灌、滴灌和浸灌3种不同方式的物理实验比较其节水效果；用非标几何体的体积计算求得浇水车贮水量；实地勘察道路花盆的数量并在网上查阅上海道路总长、降雨量和降水天数等数据，来综合论证及定量评估预期的节水效果。
在学生动手进行原型设计和制作阶段，我们又结合这个案例的应用环境在室外，物理实验中电阻式土壤湿度计的读数值存在偏差，调试中曾出现水泵发热烧毁等现象，有针对性地安排了测量误差校正和信号校正、究余和优先级等安全可靠性的工程概念教学内容。并且根据实践过程中学生提出的创意，还增加了有雨水收集功能的优化设计方案。从实际教学效果看，结合案例的教学和实践，学生都能很快理解这些对他们而言看似比较深奥的概念和原理。
目前，STEM已逐步扩展为了STEAM，就是在STEM的基础上加入了艺术与设计（Arts）。
三、结语
新教学模式的探索和实践让我们充分认识到，在信息科技课程教学中贯彻STEAM教学理念实际上是一个教学目标、教学模式、教学平台和教学手段有机融合的过程。也就是要将教与学的关注点始终落实在STEM所强调的要让学生在整合的学习情境中形成正确的工程技术思维，锻炼他们的组织合作能力、问题解决能力和实践创新能力之上。用通俗的比喻，就是不再仅仅引导他们去“瞎子摸象”，而是启迪他们去“曹冲称象”，而这也正是信息科技课程教改的发展方向。
从本文案例可以看出，“应知”和“应会”并举并不意味着简单地放弃知识的传授，而是要以更具针对性的教学规划和更直观灵活的教学手段在有限的课时中最大限度地开拓学生的视野。在教的过程中强调对各个不同学科知识的“应知”，力图使学生更为全面地了解学科的基本概念和知识轮廓，这个过程就像学海拾珠；而在学的过程中则通过引入切合学生认知和生活实际的导向式案例，在用中求知，在做中学会，启发他们巧思成串，重视引导学生建立起正确的工程和设计思维，培养他们动手、动脑，运用所学知识解决出现的实践问题，充分激发和肯定不同学生个体的探知欲。
过程中我们也深刻地体会到处于互联网时代的中小学生对新事物的理解能力和思维的开阔性。不能再机械地以大脑生理发育阶段，知识面和深度存在较大局限等旧有的教育思维模式来人为地构设出各种条条框框，也不能忽视当下学生家长本身素质的提高及他们在学生综合素质培养方面所投入的旺盛精力和热情。采用更有便于校內外教学有机结合的开放式教学科技创新平台，并辅以微信公众平台、大学生社团传帮带等多样化的教学手段，完全有可能在较高起点和较快节奏条件下完成较高水平的信息技术课程教学目标。当然，尽管这种新的教学尝试已经取得了较好效果，并得到了学生和家长的积极回应，学生采用OIS平台完成的多个创意作品也在上海市青少年科技创新大赛上取得了不错的成绩，但其探索过程仍需要我们通过更多的案例和实践不断地加以总结和提高。
参考文献
[1].朱敏.上海市中小学信息科技课程再思考[J].中小学信息技术教育，2015（8）：6—10
[2].叶兆宁.STEM教育走进中小学科学课堂——融合：实现STEM教育的有效策略[J].中国科技教育，2013（2）：10-15
[3].杜娟，臧晶晶.STEM教育视野下小学低年级智能机器人教学模式研究[J].中小学信息技术教育，2014（5）：52-54
[4].林君秋.优化学科整合 提高拓展型课程的教学效能——以机器人科目“转向控制”单元设计为例分析[J].现代中小学教育，2012（3）
[5].北京西觅亚科技有限公司.走进乐高机器人[M].北京：科学普及出版社，2012
[6].Adrian McEwen，Hakim Cassimally著.张崇明译.物联网设计：从原型到产品[M].北京：人民邮电出版社，2015
[7].（美）MassimoBanzi著.于欣龙，郭浩贽译.硬件开源电子设计平台：爱上Arduino（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2012
[8].叶灵，林君秋，吴胜昔.机器人集成教学平台的开发与应用[C].南京：第33届中国控制会议论文集（F卷）：8457—8461，中国自动化学会，2014
点评
作者在基于STEM教育理念的信息科技课程教学实践中，通过自身认识、研究和探索，提出了以多学科知识融合作为“应知”目标，以创客案例实践作为“应会”导向的教学模式，并通过创建开放式教学科创平台等相关举措和个案研究，取得了初步实践效果。上述以论文形式反映出的具有一定创新性的科技教育实践经验和理性思考，对广大科技辅导员具有较好的参考价值和示范作用。
如果作者在所论述的信息科技课程实践探索中，能够更深入地挖掘所依托的STEM教育理念的核心内涵，并注意与其他相关先进教育理论相结合，以进一步阐述和佐证实践的科学性和教育性，则会使本文的学术性更为明显。
——翟立原（中国青少年科技辅导员协会理论工作委员会副主任委员，第24届全国青少年科技辅导员论文征集活动评审委员会主任委员）