基于翻转课堂的高中STEM 教学案例探究——以自动化传送带模型为例

广西柳州市钢一中学 韦丽姣

STEM 教育倡导多学科融合、注重创新精神和实践能力培养，在基础教育阶段实施STEM 教育对于培养面向未来的科技创新型人才具有重要的意义。2016 年，教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》通知中提出有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用；2018 年，中国教育科学研究院正式启动“中国STEM 教育2029创新行动计划”。虽然STEM 教育逐渐被提上日程，但时至今日，中国STEM 课程体系尚未完全建立，STEM 教学模式还未成熟。因此，本文设计并实施了基于翻转课堂的STEM 教学案例，希望能提升学生综合运用多学科知识解决实际问题的能力，丰富STEM 教学案例资源。

一、STEM 教育、Arduino 与翻转课堂融合的可行性

STEM 教育是一种运用跨学科知识解决问题的教学理念。STEM 教育是将科学、技术、工程和数学有机整合，融合四个学科领域的知识和运用的教育。STEM 教育具有跨学科、趣味性、情境性、协作性、设计性等核心特征。STEM 教学理念的落实需要依托教学内容和教学模式。

Arduino 是一类便捷灵活的开源电子原型平台。Arduino 开发板具有丰富的接口，可以通过杜邦线连接多种传感器、LED、马达、舵机等电子零件，使用者在Arduino IDE 中编写好程序后上传到Arduino 开发板中执行，从而控制电子零件实现相应的功能。学生使用Arduino 设计开发作品，能在实践中学习应用物理、数学、信息技术、工程等学科理论知识，锻炼逻辑思维，提升创新能力。

翻转课堂也称颠倒课堂，是一种先学后教的教学模式，即学生在课前根据教师提供的资源包自主学习，记忆和理解知识，课上学生通过协作完成学习活动等方式内化知识。翻转课堂创建了学生自主学习与合作学习的环境，符合学生的认知规律。

综上可知，STEM 教育、Arduino和翻转课堂具有充分融合的基础。STEM 教育可以Arduino 为课程内容载体，以翻转课堂为教学模式去组织实施，让学生在实践中学习应用多学科知识，提升自学能力、合作能力和创新能力。

二、基于翻转课堂的高中STEM教学模式设计

基于翻转课堂的STEM 教学过程分为三个阶段——课前、课中和课后，如图1 所示。

图1 STEM 教学过程课前、课中和课后三个阶段的设计

课前，教师进行教学设计，包括教学内容分析、学情分析、教学目标分析、教学资源设计、教学过程设计等，上传学习资源，划分学习小组。学生线上自主学习，提交课前自主学习任务单，讨论交流学习中遇到的困难。

课中，教师根据学生课前学习反馈和疑难问题进行针对性讲解，对共性问题重点讲解，个别问题个性化辅导，引导学生开展探究活动。学生以小组为单位合作学习，小组成员分工明确，及时沟通交流，确保完成学习任务。学生探究结束后，进行小组成果展示与作品评价，在交流过程中取长补短，体验创造的成就感和分享的快乐。最后，师生共同总结。

课后，教师和学生进行教学反思，总结闪光之处和不足之处。教师和学生填写评价量表，检验教学目标是否达成。评价指标体系的客观性、科学性、全面性、系统性对于学生学习和教师教学改进的导向、激励、调控和诊断具有重要价值。因而，STEM 教育的评价为过程性评价和终结性评价相结合，评价对象为小组评价和个体评价相结合，评价方式为自评、互评和师评三者结合。

三、基于翻转课堂的高中STEM教学案例设计与实践

融入地方特色的教学内容既能吸引学生兴趣，又能加深学生对本土人文风情的认识。柳州是一座工业城市，柳钢集团就在学校附近，以钢铁生产流程的模型制作为主题开展STEM 教育比较贴近学生实际。在钢铁生产过程中，需要把矿石通过传送带运往高炉。因此，本文以自动化传送带模型的控制为例，让学生体会STEM 学习过程。自动化传送带模型涉及物理、信息技术、通用技术、工程、数学学科，涵盖的STEM知识如下：光的漫反射原理、红外数字避障传感器和电机的工作原理（S），电子技术和编程技术（T），模型的工程结构和机械传动知识（E），测量距离、计算时间以及数据的处理（M）。

（一）课前阶段

教师进行教学设计，准备学习资源，开发微课视频、微课件、课前学习任务单，把学习资料上传到UMU互动学习平台。资料中介绍了红外数字避障传感器的工作原理和控制方法；直流电机的结构与工作原理、电机驱动模块的结构、用Arduino 和电机驱动模块控制直流电机的正反转的方法、if...else 语句的使用方法。学生登录UMU 平台自主学习，学后提交任务单。学生可以通过UMU、QQ、微信线上讨论交流问题。教师在平台中查看学生的学习时长和任务单完成情况，初步了解学生通过课前自主学习后对知识的掌握情况，为后续设计课堂教学活动提供决策依据。

（二）课中阶段

学生以小组为单位开展合作学习活动，在小组合作学习活动中，通过创设合适的问题情境，吸引学生的兴趣，发挥学生主观能动性，贯彻“教师为主导，学生为主体”的教学理念。具体步骤如下。

（1）由手动控制传送带运动引出自动控制传送带运动的问题。（2）学生回顾相应电子零件的功能，厘清传送带整体控制流程。（3）学生根据参考接线图搭建电路。通过搭建电路，学会安装电机，熟悉开发板和传感器、电机驱动模块的连接，电机驱动模块和电机、电池的连接。（4）学生讨论设计控制传送带的算法，绘制流程图。通过设计算法，厘清实现控制功能的逻辑，培养学生的设计思维、逻辑思维和计算思维。（5）学生根据算法流程图，在Arduino IDE 中编写程序。通过编写程序，熟悉define、pinMode、digitalRead、digitalWrite、delay 函数和if 语句的使用方法，掌握编程基础知识和技巧。（6）学生上传程序到Arduino 开发板中，调试修改程序。在调试过程中，学生可能会遇到新问题，例如，物体运送到高处后传送带还在工作。这些问题让学生自己寻找出现问题的原因及解决问题的办法，提升解决问题的能力。（7）学生展示交流本组成果并根据评价量表进行点评。通过作品展示，增进生生之间的交流，提升学生的表达能力，使学生体会到成功的喜悦感。（8）教师使用思维导图呈现传送带模型控制所需硬件和软件，强调电子控制的一般流程，帮助学生巩固记忆知识点，梳理控制逻辑。

（三）课后阶段

课后学生填写学习反思和评价量表。反思的目的是让学生通过回顾学习过程，记录收获与需要改进之处，督促自身不断进步。评价是教学过程的重要环节之一。小组评价包含合作交流能力、作品制作能力和作品展示能力三方面。个体评价分为自评和组内互评，自评主要包含自主学习能力、合作交流能力和学习效果三方面，互评主要分为学习态度、合作交流和任务完成度三方面。教师撰写教学反思和评价，评价学生个体和小组，通过反思不断积累教育教学经验和完善教育教学方法。

（四）实践效果

学生通过使用Arduino 实现传送带的自动化控制，体验了综合应用多学科知识解决问题的过程，知道了实际生活中传送带的工作原理，明确了传感器和电机等电子零件的工作原理和控制方法，提升了自主学习能力、合作交流能力和运用跨学科知识解决问题的能力。

综上所述，在高中实施基于翻转课堂的STEM 教育对于培养学生将跨学科知识进行融合的能力，提升学生的自主学习能力、合作交流能力和创新能力具有重要意义。在实施STEM教育的过程中还遇到一些问题，今后将积极探索解决问题的办法，开发更有趣味性的STEM 教育主题，探寻行之有效的STEM 教育培养途径。