基于STEM视角的中学信息技术课程群建设与实践
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作者:韩冬兵 于晓雅
摘要：在新课程改革持续推进的背景下，作者借鉴STEM教育理念，针对不同类型的学生发展需求，构建了多维度、进阶型的信息技术课程群，并对信息技术学科的教学模式及跨学科的STEAM体验课程做了初步分析与探讨。
关键词：信息技术课程；STEM教育；分类走班；课程建设
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2023）01-0039-04
《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）以“立德树人”为宗旨，对原有的信息技术课程体系进行了调整，加强了必修模块中程序和算法部分的内容，重新构建和丰富了信息素养内容，并将信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任列为学科四大核心素养。新课标尤其关注学生个性化、多样化的学习和发展需求，鼓励吸纳学科领域的前沿成果，倡导基于项目的学习方式，鼓励学生在数字化环境中学习与实践，积极探索基于情境、问题导向的互邮健⑵舴⑹健⑻骄渴健⑻逖槭降瓤翁媒萄АＵ庑┯STEM教育的核心理念不谋而合。那么，如何通过对课程的顶层设计，更好地落地核心素养目标？如何有效组织与实施教学，发展学生的信息素养？这是当前信息技术教学研究关注的问题。
笔者基于北京中小学信息技术课程现状，将STEM教育理念融入初高中信息技术走班制教学的常规教学模式中，通过合理地构建教学内容、设计教学目标和改进教学模式，培养学生运用知识解决问题的能力、交流与合作的能力、创新意识与实践能力以及批判性思维、算法思维等，并探索了适用于初高中不同学段学生的STEM课堂活动项目，形成了信息技术学科内综合及跨学科多主题、多层次的STEM课程。
信息技术课程群建设思路
1.学科课程群设计的理论依据
建构主义认为，学习不是知识由教师向学生的传递，而是学生建构自己的知识的过程。学习是主动的，知识或意义是学习者通过新旧知识经验间反复的、双向的相互作用过程而建构成的。斯皮罗等人认为，学习分为初级学习和高级学习两种。初级学习要求学生知道一些重要的事实和概念，高级学习则要求学生把握概念的复杂性，并广泛而灵活地运用到具体的情境中。促进思维发生是实现高级学习的核心，这就需要教师深入知识的内在逻辑，搭建知识的脉络框架，帮助学生清晰地理解和把握概念，并将其与真实的生活情境联系起来，灵活运用技能去分析解决问题，进行创造性的应用。
笔者所在学校开设的信息技术课程是将必修课、选修课及专修课三类课程结合起来，形成一个多维度、进阶型、有针对性的课程体系，并以新课标为依托，从知识、思维、能力等角度多维设定目标，贯穿整个教学过程。将STEM教育理念融入信息技术校本课程，旨在以真实情境中的实际问题为基础，以项目活动为依托，为学生提供“做中学、学中做”的活动环境，在学生探究问题的过程中培养学生的核心素养，发展计算思维。
从学生的角度来说，信息技术课程体系的构建不仅让学生在项目活动中亲身体验人工智能、开源硬件、物联网、虚拟现实等技术的应用，理解技术背后的原理到设计实现简单的信息系统的过程，促进对所学知识的理解与建构，更重要的是基于真实情境的、以科学探究为导向的项目式学习活动，让学生融于情境，敢于表达，乐于实践，勇于担当，进而培养学生深度学习的思维能力、科学探究的精神，合作意识和创新意识，为未来的发展打下基础。
从教师的角度来说，通过全程参与基于STEM教育理念的信息技术系列课程建设，能促进教师以全局的眼光来审视信息技术的内涵、学科本质和育人目标，由知识导向转变为能力导向和价值导向。
2.学情分析――走班制
笔者所在学校是六年制完全中学，初高中信息技术课程均为自主设计的课程。目前，初中阶段的信息技术必修课程开设了Python趣味编程、初识人工智能等六个模块，每位学生要在初一学年选修六个模块中的四个。因此，笔者选择Lego机器人、开源硬件等不同的平台，为学生营造一个严谨而轻松的学习环境，有利于学生通过通俗易懂的实例来理解问题解决的方法和思路。在初二年级开设了F1 in school、Arduino创意设计等综合性比较强的STEM课程，满足学生个性化的发展需求。
在高中阶段，2014年开始实行艺术、技术、生涯规划、批判性思考分类课程走班制度，由学科教师自主设置模块课程供全校高一和高二年级学生自主选修。每周，高一和高二年级各有4课时分类走班课，学生在整个高中阶段必选一门信息技术课程、一门通用技术课程，再任选一门技术类课程。走班制注重对学生个性的培养和个体主观能动性的发挥。学生在学习的过程中根据自身的学习兴趣、个人能力和发展需要，有的放矢地选择自己喜欢的课程。
学科课程群建设的目标
课程群建设的目标有三个层次：国家、学校以及学科。注重学科基础，培养学生良好的科学素养是学校教学的重要特色。注重品德培养，关注学生心理健康和人格发展是教育共同的认知。同时，在技术学科的课程与教学中，以工具性的知识技能为基础，指向过程性的素养培育，重视学生思维培养和社会责任担当，发展学生认识自我、处理与社会的关系的能力。
信息技术课程实施验证
1.学科课程群的内容架构
学校现有的基于分类走班制的信息技术课程群包含7大类，约15门课程（如上页图）。整个课程涵盖了计算机科学和计算机应用两大体系，从必修课、选修课、专修课到课外小组，形成了针对初高中学生的有学科特色且多层次的信息技术课程体系。
为了实现学生的高级学习，需要对教学内容进行有效构建，笔者根据每门课程本身的特点，结合国家信息技术课程中必修1和必修2的内容，重新设计教学内容，将必修的内容融入到走班课程的教学中，让学生既在专业的知识领域有深入的学习，又能掌握信息技术基础知识与技能，增强信息意识，发展计算思维。例如，“人工智能初步”课程中的第一单元，笔者将内容设计为Python基础、Numpy与Matplotlib，这一部分是将《必修1 数据与计算》中的算法与程序实现部分、数据处理与应用部分以及《选择性必修 人工智能初步》中语法基础部分这三项内容进行整合，重新提炼和设计，在实践过程中注意避免陷入过于注重具体技术细节的误区，而应从人工智能的本质，即用计算方法解决智能问题出发，着力于学生计算思维的培养。
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2.STEM视角下的学科教学模式
基于STEM教育理念，学生是课堂的主体，在课堂教学活动的设计中，强调在问题情境中有效促进跨学科知识的整合。为此，笔者在教学模式上做了两个主要改变：一是从技术中心到主题设计导向，二是在项目式学习中注重真实情境中的问题解决。将问题贯穿于项目始终，由教师提供“支架”，引导学生提出解决方案。
（1）从技术中心到主题设计导向
以“移动应用设计”课程为例，最初的课例是纯粹从技术角度出发设计课堂项目，如针对画布、图像精灵等知识点，以技术为中心设计“打地鼠”游戏项目。而从STEM教育的视角出发，笔者对课程重新做了整体设计，在理解学生、学科和技术的基础上，开展课程设计和活动设计，贯穿“关心自己，关注环境，关爱他人”一条主线，课堂项目的设计不再是独立的，而是由主线贯穿起来，把教学内容转化为学生的学习活动，整合学习情境、学习内容和学习资源，进而引导学生真正运用习得的知识解决真实情境中的复杂问题。
（2）真实情境下的问题解决
学生核心素养的培养，是学生在长期的学习之后所具备的必备品格、关键能力和价值观念。基于真实情境下的问题解决的活动设计有助于上述目标的达成。例如，在《人工智能初识》一课中，教师可以引导学生结合自身生活经验，提出智能处理中的问题，如将人脸识别、语音识别与学校考勤系统、智能家居安保系统相结合，将文字识别与智能车库、智能朗读相结合等，学生通过亲身体验人工智能真实应用，了解了所要解决的问题。
另外，有效的教学情境需要包含一系列进阶问题，这些环环相扣的问题能有效地引导学生尽快进入状态、适应情境，从而引入新知、解决问题和引发思考。首先，起始类问题需要源于学生日常生活，难易程度要适合全班学生的实际水平，以保证大多数学生在课堂上都处于学习状态。其次，问题需要指向教学目标，同时能够帮助学生分解复杂情境中涉及的一系列关键点。面对关键点的挑战，教师适时给学生提供与已有知识有一定链接的小问题，以此理解新的知识，并最终解决问题。最后，抛出拓展性的问题，引导学生有效地应用新习得的知识，进一步地深入思考。例如，在《人工智能初步》一课中，在聚类算法的教学设计中，笔者设计了共享单车停车点的选择案例。在课堂活动项目中，利用真实的海量停车数据，分步骤搜寻解决问题的方案，并对KMeans算法和DBSCAN算法两种聚类算法的特点进行解析，深入挖掘经典算法中的核心参数设置与执行效果之间的关系，通过多次探索实验，加深学生对经典算法原理的理解。
3.从学科教学实践到跨学科STEAM体验课程
笔者所在学校还在特殊班型的班级开展了STEAM体验课程。该课程是跨音乐、美术、信息技术、通用技术学科的综合类动手实践课程，旨在培养学生的创新精神、批判性思维和实践能力。课程的项目主题为学校体育艺术中心和别墅模型设计与制作两个主题。除此之外，还设计了如四合院、学校分校下沉广场设计、传统文化节宫灯设计等项目，这些项目将在后续课程中陆续实施。
在课堂实施过程中，教师会将学科知识与生活经验、思维发展与真实情境联系起来。例如，学校国际部迁走后，计划在原址筹建体艺中心，据此教师设计了体艺中心的STEAM项目。设计、制作体育艺术中心，赋予建筑智能控制功能，同时呈现艺术元素。在选定真实情境后，很重要的一步就是追溯专家解决问题的思路。教师要引导学生思考体育场馆设计需要考虑的因素，如场馆功能分区、人流的动线设计、疏散路线等。对于学生来说，掌握这样的专业技能是有困难的，所以教师要根据需求，引导学生实际考察学校和周边的体育场馆，从网络上收集设计图和相关资料，观察和体验各项设施，考虑设计时的一些细节等。另外，学生还需要使用传感器和智能硬件，获取场馆的环境信息，使用诸如人脸识别、语音识别、语音合成、文字识别等人工智能控制模块，搭建小型智能控制系统，实现真实情境下的问题解决。
从画图纸，到自己排料下料、模型搭建、添加艺术要素和智能控制部件等，完成这样一个整体项目的设计，需要综合各个学科的知识和技能，在实施过程中教师要有意识地引导学生就“能否改进用户的体验”等问题进行探究和讨论。最后的课程评价除了成品外，学生还会以学习报告的形式对作品进行反思，如总结场馆的搭造经验，包括框架结构如何设计、采用什么材料更为环保、与周围环境的协调一致、风格统一等，并反思作品的不足之处。
课程群的推广与展望
基于STEM视角，笔者所在学校开展了初高中不同学段信息技术课程群的建设与实践，注重课堂实施，开发了配套的校本教材、自主学习平台、教学案例集等多种课程资源，研究成果具有较强的推广价值。衍生出的一系列项目资源、教学素材和课堂活动案例，从初高中一体化的维度为中学信息技术课堂教学和STEM教育理念提供了更加系统、多元的一线教学案例。
参考文献：
[1]罗力强，刘凤娟.STEAM指导下的中小学信息技术课程教学研究[J].中国信息技术教育，2018（23）：41-44.
[2]王蕾.STEM素养在信息技术课程中的体现[J].中国信息技术教育，2018（22）：26-29.
[3]李锋.中小学计算思维教育：STEM课程的视角[J].中国远程教育，2018（02）：44-49+78-79.
作者简介：韩冬兵，中学高级教师，北京市西城区信息技术学科带头人；于晓雅，副教授。
本文为北京市教育科学“十三五”规划2019年度重点课题“基于社会情境的中学人工智能课程建设与实践研究”（课题编号：CDAA19074）的阶段性研究成果（立项单位：北京师范大学附属实验中学）；北京教育学院“STEM教育与创客教育课程实践研究卓越工作室”目成果。
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