以智能手机为中心的中学STEM教育课程探索

◆杨欣 刘小秋

以智能手机为中心的中学STEM教育课程探索

◆杨欣 刘小秋

介绍智能手机开展STEM教学的目的与优势、教学课程设计，以某中学某班的STEM课程单摆物理实验作为案例，进行通用技术教学效果分析。

智能手机；STEM教育；中学通用技术课程

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.010

中学信息技术课程是一门科学内涵丰富的课程，在课程内容更多地融入学生当前所学的物理、生物、化学等知识，是当前急切的需求之一。通过STEM（科学、技术、工程和数学）教育，以项目实践的形式进行中学信息技术教学是当前的发展趋势［1］。STEM教育引入中学通用技术课程，中学生自发的实践探索越来越重要［2］。教育部《中小学教师信息技术应用能力标准（试行）》明确指出，掌握互联网、移动设备及其他新技术的常用操作，了解其对教育教学的支持作用。利用技术手段整合多方资源，实现学校、家庭、社会相连接，拓展学生的学习空间。

传统实验教学中，需要固定的实验室和额外的测量设备，课程制作成本高、学生参与度低［3］。智能手机普及率高，且内置的各类传感器，如加速度传感器、电子罗盘、陀螺仪、摄像头、NFC（近场通信）等，使学生在“玩”手机过程中，能直接测量现实世界中的物理量［4］。在信息技术课程中，使用智能手机作为测量设备来设计STEM教育实践课程，使得信息技术课程与物理课程的结合成为可能。本文设计单摆物理实验为例，将信息技术教学与物理课程知识结合起来，从而培养学生的信息技术动手能力和科学分析能力。

1　智能手机开展STEM教学的目的

移动技术是新技术的体现，掌握并使用新的工具，并将其应用到中学通用技术课堂教学。通过工程项目设计，提高学生对科学知识的兴趣，实现对物理知识的理性理解。在日常生活中对所学课本知识进行活学活用，培养学生发散思维与日常科学素养。在实验项目实践过程中培养学生辩证思维。智能手机不仅是娱乐工具，在合理用途下可以成为进行科学实验的工具。

2　智能手机开展STEM教学的优势

教学形式新颖，对学生有吸引力 智能手机在中学校园中受到抵制，学生对玩手机的兴趣被压抑。学生对手机有天然的亲近感，喜爱使用智能手机。学生熟悉手机操作，且通过新颖的实验载体带动对实验中科学知识的探索。

手机普及率高，手机实验成本低 当前学生手机持有率非常高，因此，开展以手机为中心的实验，无需购置额外的材料及实验仪器。对学校而言，教学成本低，教师用更多的精力来创造实验方案。

移动性好，随时开展实验 以手机为中心的项目教学，是一个移动的实验室。相比传统的固定实验，手机为中心的实验不局限于场地，可以在室内室外、校内校外进行实验及学习。

3　教学课程设计

步骤一：手机内置传感器选取。根据教学目的设计实践项目，分析项目中测量的物理参数，选择智能手机特定的传感器。

步骤二：导出手机传感器度数。针对传感器种类，在智能手机应用商店（如Google Store、Apple Store）中下载相应的软件工具；或者开发手机应用软件。通过这些软件获取手机内置传感器的度数，并将度数输出到计算机。

步骤三：数据分析。将数据导入计算机，并对数据进行计算、分析。在通用技术课程中，使用已经掌握的数据分析软件（如MS Office Excel、MATLAB等工具）。通过数据分析工具的使用，在大数据时代背景下，培养学生对数据处理初步认识。

步骤四：实验结论的分析及科学解释。将数据分析得到的曲线、图标，对应到实验项目的内容，进行误差分析和原理解释。

步骤五：训练学生团队协作。以项目组的形式将学生进行分组，以团队合作的形式完成实验项目。

4　单摆实验项目教学案例

教学任务设计 高中物理课程的理想数学模型中的物理参数（如加速度及加速度不同方向上的分量等），物理教材中没有涉及实验，学生测量及观测这类参数有助于物理知识的巩固。尝试设计并实现一个单摆实验。智能手机作为单摆系统中的摆动节点，使用智能手机的内置加速度传感器测量手机在运动中的x、y、z方向上的分量，如图1所示。最后使用Excel将采集的数据绘制成曲线。

教学工具 智能手机、手机加速度应用程序Physics Toolbox Accelerometer、数据分析软件MS Office Excel。

教学过程 使用绳索及智能手机设计物理实验，如图1所示；针对实验内容设计理想状态下的物理原理图，如图2所示；对导出的数据进行分析和解读，如图3所示。

图1　手机单摆实验实物图

图2　单摆实验示意图及加速度分量标记

图3　手机采集的单摆加速度在x、y、z方向上的时间序列

课程反思 掌握智能手机使用技能；学习智能手机内置传感器的功能，安装智能手机软件、Excel软件的绘图技能；测量数据、直观感知加速度物理量；直接测量加速度分量，提高对加速度物理知识的认识。在物理课本中，加速度通常是通过数学计算得到的数值，特别是加速度在各个方向上的分量，需要采用理想的数学模型计算。高中物理课本中的实验无法直接测量、观测、感知。分析数据，培养辩证的科学思维。使用绘图工具，直接将数据绘制成曲线，采用直观的可视化方法分析加速度变化趋势，通过趋势分析存在的物理原理。现实测量的数据与理想计算的数据的区别，并分析误差原因，从而将其他物理知识串联起来。

5　总结

本文面向中小学通用技术课程，提出以智能手机为中心的STEM教学的一般方法、实践项目设计步骤。教学方法实现了以下教学目的。

1）提升学习自主性。在完成分组实验后，有一组学生主动提出用手机测量其他物理量，能自行提出实验方案。这样就改变了以前的师生关系，由“填压式”教学转换为引导型教学，表明以智能手机为中心的STEM教学能提高学生的自主性和积极性。

2）拓宽知识面。在教学案例中，10组学生均完成实验，学会使用手机软件、Excel软件、数据绘图及分析方法。部分学生项目组长对数据进行分析，查找资料进行误差分析，通过项目实践，自发拓展了知识面。

3）激发自主互助。与非STEM教学的信息课程相比，本次项目实践教学案例中，学生实践报告提及团队的配合。智能手机的项目教学取得组内成员自发分工协作、齐头并进的效果。■

［1］魏宁.美国“STEM高中”启示录［J］.中小学信息技术教育，2015（12）：66.

［2］张红洋.美国中小学STEM教育对我国基础教育的启示［J］.新课程研究，2014（8）：15-17.

［3］张丹彤.让智能手机成为中学物理实验教学的好帮手［J］.物理教师，2014（11）：39-40.

［4］李玉峰.用智能手机辅助声学实验创新设计［J］.实验教学与仪器，2014（11）：35-36.

G633.67

B

1671-489X（2016）14-0010-03

作者：杨欣，华中农业大学资源与环境学院，研究兴趣涉及教育装备设计与开发、移动地理信息技术（430070）；刘小秋，武汉市第二十三高级中学高级教师，主要从事中学STEM教学方法研究（430050）。