STEM教育视域下信息科技跨学科主题学习的设计与实践

摘要：跨学科主题是义务教育信息科技课程重要内容之一。教学实践中，信息科技跨学科主题学习还存在学科堆叠、情境虚拟、问题专业、评价单一等关键问题。STEM教育作为一种跨学科教育理念，打破了传统的学科壁垒，有助于学生创造性、批判性、逻辑性思维能力的培养。STEM教育与信息科技跨学科主题学习具有综合性、实践性、探究性的共同特征。STEM教育视域下信息科技跨学科主题学习要注重学科融合与进阶，面向真实问题的解决，通过工程设计与实现来提升学生的自主可控意识，发展学生的创新思维。

关键词：STEM教育；信息科技；跨学科主题学习；跨学科思维

中图分类号：G427 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2024）05-0076-06

2022年教育部发布的《义务教育课程方案（2022版）》（以下简称“课程方案”）明确信息科技课程为国家课程。在教学实施过程中“开展跨学科主题教学，强化课程协同育人功能”，要求各门学科要用不少于10%的课时设计跨学科主题设计活动[1]11。跨学科主题学习对学生的数字技能、创新能力的提升、学生核心素养的培养等至关重要，同时也对教师的专业发展，地方课程、校本课程的开发提出了新要求。联合国教科文组织发布的《探索21世纪的STEM教育》报告指出，为培养当今世界所需的卓越人才，应重新思考传统学科的界限，因此迫切需要一种新的跨学科课程整合的方式来促成学生跨学科思维方式的形成[2]。

一、信息科技跨学科主题学习关键问题分析

（一）信息科技跨学科主题学习学科堆叠化

课程方案提出，在中小学要加强课程内容与学生经验、社会生活的联系，强化学科知识的整合，统筹设计综合课程和跨学科主题学习，强化课程育人导向，注重培养学生综合运用知识解决复杂问题的能力[1]5。在信息科技学科中进行跨学科主题学习时，时常将跨学科理解为简单的学科综合、学科堆叠。跨学科是一种运用两个或两个以上学科解决问题的方式，进行跨学科主题学习时要以学科素养目标、学科教学方法、学科教学内容三个维度为基础建立起学科之间的内在联系，从而避免跨学科主题的碎片化[3]。例如，“人工智能助力旅行”的跨学科教学过程中，教师将人工智能应用工具的使用与旅行过程中的线路、人文、地理知识进行分步教学，学习过程中学生难以通过信息科技的跨学科学习理解数字化学习工具的合理使用、信息的收集、在线交流与分享等数字化学习方法与策略，未能真正体验人工智能对解决问题方法和思维方式的影响，学生的数字素养提升有限。

（二）信息科技跨学科主题学习情境虚拟化

《义务教育信息科技课程标准（2022版）》（以下简称“课标”）课程理念倡导真实性学习，在教学中以真实问题引导学生经历原理运用、计算思维和数字化工具应用过程，构建知识，提升问题解决能力，通过真实情境的创设，提高学生的参与度，鼓励做中学、用中学、创中学，凸显学生的主体性[4]1。跨学科学习强调学生学科思维的综合应用，将学科知识通过真实情境进行迁移和应用以解决真实性问题。在教学过程中创设情境“虚拟化”，容易将信息科技学科主题学习“游戏化”。例如，在“搭建简易开关系统”的教学中，教师提供了多种开关系统设计的资料和视频，要求学生根据提供的资源分小组通过闯关游戏学习物理、科学、工程等方面的知识，完成一个简易的小型开关系统的设计报告。在跨学科学习过程中没有工程实践探究，教学场面看起来很“热闹”，学生学习得很“快乐”，但学习场景的“虚拟化”，导致学生对于过程与控制的知识点理解不透，未能真正体验自主可控系统在解决问题时的重要性，难以将信息科技、数学、科学等跨学科知识融为一体，提升自身的综合实践能力。

（三）信息科技跨学科主题学习问题专业化

信息科技跨学科主题学习的内容要以问题解决为导向，以“问题串”驱动学生融合学科知识完成相应的任务。在教学过程中，跨学科学习的任务设计要将学习主题转换成学生能够理解的“学科问题串”，让学习者能够明确学习目标，获取解决“学科问题串”的方法，实现知识的迁移与重构。在具体实施过程中，教师受自身专业的限制，往往追求设备的先进性，过分关注专业术语，设计教学主题体现出“问题的专业化”，导致学生对“问题串”无从下手，降低了学生参与活动的兴趣。例如，在“万物互联的世界”教学中，教师设计“自动驾驶”主题活动，将信息科技、物理、数学等学科知识进行整合，在学习过程中，要求学生思考并理解深度学习的网络模型，对“输入层、隐藏层、输出层”进行讨论，并通过“MIND+”编程模拟深度学习的过程。在教学过程中，虽然教师提供了很多跨学科的资源，但问题设计专业化程度过高，已经超越了学生的认知能力，问题设计忽略了学生的学科基础和学习经验，无助于提高学生的跨学科思维。

（四）信息科技跨学科主题学习评价单一化

跨学科主题学习是以学生为主导的探究实践活动，学习内容与教学过程有较大的自由度和生成性。跨学科主题学习教学评价应体现多元化，尊重学生在学习过程中的主体性，注重学生多学科融合的分析能力、跨学科思维过程、情感态度等发展状况，全面评价学生核心素养的发展情况。跨学科主题学习评价既要考虑主导学科的评价，也要从复杂问题的角度对学科知识进行综合评价。实践操作过程中教学评价大多注重主导学科的评价，没有反映学生知识的有效整合。例如在“无人机互联表演”跨学科主题活动时，教师综合信息科技、数学、物理、地理等知识，通过实物及模拟平台，让学生分组进行无人机组控制，完成校庆表演方案并进行实物演示。在教学过程中，教师的评价内容主要涉及无人机功能、物联网知识、人工智能等信息科技学科等方面，导致各小组设计普遍比较传统，在无人机组图、线路方面的设计大致相同，缺乏创造性，未能通过跨学科主题学习让学生感受自主可控的创新和原始创新的重要性。

二、STEM教育与信息科技跨学科主题学习

（一）STEM教育与信息科技跨学科主题学习的共性

STEM教育通过融合科学、技术、工程等学科知识来解决复杂问题[5]。STEM教育作为一种跨学科教育理念，打破了传统的学科壁垒，有助于学生创造性、批判性、逻辑性思维能力的培养。同时STEM教育也不仅仅是在教育中整合了科学、技术、工程等学科，而且消除了学科之间的边界，是一种教育思维的转变。义务教育信息科技课程是一门综合性学科，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现，旨在培养科学精神和科学伦理[4]1。STEM教育与信息科技跨学科主题学习均以实践力作为学生最基本的行为能力。在跨学科学习过程中，学生对跨学科知识点的内化通过探究过程逐一外现，然后借助工具平台和适当的软硬件进行工程实践的探究。

（二）STEM教育与信息科技跨学科思维培养

STEM教育的开展主要是基于学科知识间的内在联系，以问题解决为目标，培养学生跨学科思维能力。目前学科的融合过程主要是从“单学科”到“多学科”，最后到“跨学科”的发展变化，融合学科的数量与融合程度直接影响学生跨学科思维的层次。从“单学科”到“多学科”是根据参与课程融合的学科数目进行区分，学生在学习过程中思维的形成只是学科思维的叠加。从“多学科”到“跨学科”是根据学科思维及解决真实问题的复杂程度来进行区分，学生通过“跨学科”衍生出新的方法和技能，创造性地解决问题，其跨学科思维从“量”变发生了“质”的改变[2]60，问题解决能力和创新思维能力均得到显著提高（见表1）。信息科技课程具有基础性、实践性和综合性，教学内容串联数据、算法、网络、信息处理、信息安全和人工智能六大逻辑主线[4]2。STEM教育与信息科技教学内容有机融合，对应的跨学科主题内容学习围绕计算思维、信息意识、数字化学习与创新、信息社会责任等信息科技核心素养，共同促进学生知识迁移能力和跨学科思维能力的提升，体现“科”与“技”并重。

三、STEM教育视域下信息科技跨学科主题学习课程设计基本要素

（一）面向学科融合与进阶

从学科融合的角度来看，学科间相互独立教学对学生深度思维发展不利，通过跨学科主题内容的学习，强调学科间的关联，重视学生跨学科知识和技能的学习有助于学生问题解决能力和跨学科思维能力的培养，进一步体现信息科技学科的综合性和实践性。当前在信息科技跨学科教学中，STEM教育是跨学科融合的重要形式，根据跨学科融合的程度，经历了早期的多学科组合、学科间整合到目前的跨学科融合三个阶段（如图1）。

课标的课程体系围绕数据、人工智能等逻辑主线，分成四个学段由低到高安排教学内容，体现循序渐进和螺旋式发展。为落实义务教育信息科技课程核心素养，义务教育信息科技课程标准从数字设备体验、数据编码探秘、小型开关模拟、互联智能设计四个方面设计了17个跨学科主题内容，融入了信息科技、语文、数学、科学、艺术、道德与法治等学科领域内容[4]13。跨学科主题从低阶向高阶过渡，强调学科知识间的结构化和关联性，引导学生在探究任务中提升分析问题、解决问题的能力（如图2）。例如，在信息科技课程中开展跨学科主题“数字设备”这一STEM项目时，按进阶序列在第一、二、三、四阶段分别设置“向伙伴推荐数字设备”“利用数字设备进行生活管理”“利用开源构建小型数字系统”“智能化的数字家居系统”等四个STEM跨学科主题活动，逐层将STEM教育的学科内容融入信息科技课程中，潜移默化地提升信息意识、信息社会责任、计算思维、数字化学习与创新等核心素养[4]5。

（二）面向真实问题与解决

基于STEM的信息科技跨学科主题学习立足学科深度融合，以真实问题为驱动，在STEM项目指引下，师生组建研究共同体，分析项目、提出问题、细化项目、探寻解决方案并逐步解决问题。教师依据学生特点设置合理的STEM项目，在教学中关注学科知识领域横向和纵向的联系，注重跨学科知识的联结点，在学生创作过程中构筑知识点的融合，最终引导学生设计出贴近生活的实用型作品。例如，小学3—4年级信息科技课程中探究“灯的奥秘”这一真实问题，在实践过程中，从了解程序和电路的基本知识、程序的基本结构、各类传感器的性能，到创新设计各类智能灯，最后结合3D打印将设计创作的作品进行物化呈现展示（见表2）。

（三）面向工程设计与实现

实践性和综合性是跨学科主题学习的主要特点，也是信息科技课程的重要特征，信息科技课程提倡做中学、用中学、创中学，也正好契合STEM教育的核心理念。在信息技术跨学科主题学习中以STEM教育为载体，开展面向工程设计与实现的教学实践，能更好地培养中小学生的工程思维和创新思维，提高学生解决复杂问题的能力（如图3）。例如，在初中开展“纸飞机的设计与制作”跨学科实践活动时，教师通过展示各类纸飞机飞行比赛场景，让学生提出制作纸飞机的构想，运用网络技术搜集“纸飞机”资料，并对资料进行分类分析。教师通过视频讲解纸飞机飞行原理及基本的构造，并对各种类型纸飞机进行原理解剖。学生分析讨论确定各组制作纸飞机的初步方案，开展“纸飞机”的物化实践并进行反复验证，在此过程中对前几个步骤进行评价并不断地优化方案及制作步骤，最后将成品进行展示。学生在操场放飞小组同学共同完成的纸飞机，并分小组分享设计、制作和改进的过程，充分体现了跨学科学习的实践成果。

（四）面向自主可控与创新

党的二十大报告指出，“深入实施科教兴国战略，人才强国战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势”。信息科技学科的“科学性”和“技术性”，在培养学生自主可控意识和原始创新精神方面具有独特的价值。在信息科技学科中开展STEM教育是落实自主可控和创新教育的一种有效手段，也能从小培养学生的文化自信和民族自豪感。从课标中多次提到开源硬件和开源软件可以看出，基于开源软硬件的STEM项目设计与开发有益于激发学生创新的兴趣，培养学生动手实践的能力，同时也是在信息技术课程中实现培养科学精神和科技伦理，提升自主可控意识，培育社会主义核心价值观，树立总体国家安全观，提升数字素养与技能的理想方法[5]1。基于STEM的信息科技跨学科主题学习主要体现在设计思维的自主创新及产品物化的自主可控两个方面，中小学信息教师应担负起国产软硬件教学的使命，在STEM项目教学中选择自主知识产权的数字化工具来物化作品，体现作品的原创性，在项目中找到自身价值，培养自主可控意识。

（五）面向项目学习与实践

基于STEM的信息科技跨学科主题学习将学信息科技与用信息科技有机结合，通过让学生在真实性学习环境中进行做中学、用中学、创中学的方式发展学生核心素养，提升学生知识迁移能力和跨学科思维能力。面向项目学习与实践的跨学科主题学习主要是让学生在STEM项目背景下开展项目规划、项目实施、项目评价、项目分享与交流等方面的实践活动。例如，在小学5—6年级学生中开设在线智慧果园跨学科主题项目学习，结合数学、物理、科学等学科知识，为学校构建在线智慧果园平台，让学生在课堂中体验种植、采摘等场景，请学生将温度传感器、声音传感器、超声波等传感器及开源板、杜邦线、蜂鸣器等硬件，与Mind+软件结合开展STEM实践，动态完善软硬件设施，使学生掌握开源软硬件设计基本方法，发展学生跨学科思维（见表3）。通过各项活动的开展与实施，灵活融合多学科知识，解决真实性问题，探究与体验在线智慧果园软件与硬件平台搭建过程。在项目实施过程中针对项目实施过程进行评价，小组内学习借鉴并优化方案进行软硬件的改进，最后展示各组的项目成果，每组汇报软件平台的构造过程，展示硬件平台的运行情况，提出平台未来的设计思想，迭代在线智慧果园平台。

STEM教育与信息科技跨学科主题学习具有综合性、实践性、探究性的共同特征，将STEM教育融入信息科技跨学科主题学习之中是当前在信息科技课程中实施跨学科学习的一种有效途径。STEM教育视域下信息科技跨学科主题学习是融合多学科知识发展学生跨学科思维的过程，是做中学、用中学、创中学的具体呈现。跨学科主题学习是学生主导的实践活动，学生的学习过程具有较大的自由度和开放性，因此在开展STEM项目学习时应充分发挥评价激励机制，鼓励学生提出不同观念，教学中应融合多学科知识，培养学生的跨学科思维，提倡学生应用信息科技学科方法去解决问题，充分体验跨学科解决复杂问题的便捷，全面提升数字素养与技能。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育课程方案（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]阙荣辉，周丽芳.STEM教育跨学科思维评价研究——基于化学师范生的实证分析[J].化学教育，2023（6）：59.

[3]万昆.跨学科学习的内涵特征与设计实施——以信息科技课程为例[J].天津师范大学学报（基础教育版），2022（5）：59.

[4]中华人民共和国教育部. 义务教育信息科技课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[5]夏立群.STEM教育对我国跨学科教育的启示[J].大学教育，2023（1）：37.

责任编辑：赵赟

本文系江苏省教育科学“十四五”规划2021年度立项课题“基于开源硬件的区域创客教育实践研究”（C-c/2021/02/227）、江苏省教育科学“十四五”规划2022年度重点课题“指向深度学习的‘宜人课堂区域建构的实践研究”（B/2022/03/46）的研究成果。

收稿日期：2024-03-05

作者简介：熊善军，镇江市丹徒区教师发展中心研训员，正高级教师，主要研究方向为中小学信息科技教育、区域创客教育。