基于STEAM理论的智慧课堂教学模式研究与设计

以下文章来源于数字教育 ，作者田蜜 杨德刚

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本文发表于《数字教育》2023年第2期（总第50期）实践案例栏目，页码：78-84。转载请注明出处。

摘 要：智慧课堂教学是顺应教育信息化的热点产物，也是智慧教育落实到课堂的有力依据,对未来智慧教育融入校园十分有意义。STEAM理论强调的跨学科思维，为未来智慧课堂发展提供了新方向。本研究从分析STEAM理念与智慧课堂的内在联系出发，通过查阅文献以及结合调研，分析了基于STEAM理论的智慧课堂教学现状。最后，从情境与问题、探究与数学、工程与制作、创意与扩展以及评价与反思五个环节构建出基于STEAM理论的智慧课堂教学模式，并针对七年级信息技术3D打印内容“制作水杯”进行了教学设计，旨在教学过程中有机融合STEAM理论与智慧课堂技术，最终提高智慧课堂教学效率。

关键词：智慧课堂；STEAM教育；教学模式；人工智能

| 全文共7709字，建议阅读时长8分钟 |

一、问题提出

智慧课堂是在“互联网+”背景下，将技术与教育相融合且对教育教学有着理念创新、实践革命的智能新产物。2019年2月，中共中央、国务院发布了《中国教育现代化2035》，为我国教育信息化的未来发展方向提出了新指标与新方案。《中国教育现代化2035》提出要加速智慧化校园的发展，而智慧课堂就是建设智慧校园的典型成果，其在教学中的应用越来越受到关注。

STEAM理论指将科学、技术、工程、艺术和数学多个学科知识有机结合和运用的跨学科实践理论[1]。在教育部颁布的《教育信息化“十三五”规划》中，鼓励采取跨学科教育、创客教育等新型创新实践的教学模式。为了培养能够适应现代化信息社会的人才，需要总体提升学生的跨学科综合能力和创新能力。

智慧课堂和STEAM理论分别在教育界得到了初步应用，但目前也出现了一些需要改进的地方。学者大多从单一的角度来分析智慧课堂或者 STEAM 教育存在的问题，对于两者的结合的研究极少，处于初级阶段[2]。

因此，本研究将STEAM核心理论引入到智慧课堂教学中，以期为后续STEAM理论与智慧课堂的深度融合贡献一份力量。

二、STEAM理论与智慧课堂的内在耦合性

（一）STEAM理论的核心概念

以学科整合为特点的STEAM理论是面向未来复合型人才培养的创客教育范式[3]。它强调真实场景的建构，教师通常抛出实际的问题，并设计灵活的项目式探究过程以及采用多学科的思维方式来引导学生进行有计划、有目的的学习。STEAM教学理念倡导跨学科知识、综合性知识以及强调培养学生动手操作能力，顺应了时代的发展需要，与当今社会倡导核心素养的知识观、人才观和创新观高度契合。

（二）智慧课堂的核心概念

智慧课堂是智慧教育将技术与教育结合的焦点转移到教师的“教”和学生的“学”的过程中的必然产物，也是智慧教育的核心。它可以通过“云—台—端”的技术支撑，实现信息技术与教学课堂有机融合，构建智能、高效、个性化的课堂，且全程跟踪记录学习过程，以此来促进学生智慧成长。智慧课堂教学的灵活性、及时性和交互性等特点，可以使教学资源充分融入教学情境。

（三）两者的内在耦合性分析

随着新兴产业的产生与发展，新兴技术对教育行业的影响是不可忽视的，其特点从一定程度上推动了教育的改革。但是在教学过程中，新生技术的使用是要与教育教学不断磨合、改进的。智慧课堂基于数据分析的教学课堂可以对学生的学习情况精准了解、学习兴趣个性把握、学习趋势准确判断。相对于传统课堂，智慧课堂更加顺应了素质教育的要求。STEAM理论的核心包括的STEAM素养、问题解决能力和创造性思维培养[4]，对学生在未来的智慧发展、价值取向、思维培养方面有着积极作用，这也与当今所推崇的素质教育理念相一致。将STEAM理论应用于智慧课堂中，从一定程度上讲，就是把科学、技术、工程、艺术、数学等跨学科知识有机结合到智慧课堂的课前、课中、课后的各个环节中，对培养学生的主动性、积极性和综合性有着积极的作用。虽说现在一部分学校已经开展了智慧课堂，但是在课堂体验、课程环节设计上依然存在较大的提升空间，因此将STEAM理论融入智慧课堂教学的普遍应用是值得研究的，未来这样的教学方式必将是大势所趋。

三、基于STEAM理论的智慧课堂教学现状调研设计与实施

（一）调研方法、调研内容与调研过程

为切实了解中学生对目前智慧课堂的学习感想，以及基于STEAM理论的智慧课堂开展情况，发现教学中的问题，为后续开展基于STEAM理论的智慧课堂教学提供数据支撑，本课题进行了基于STEAM理论的智慧课堂教学现状调研设计，主要是针对已经参与智慧课堂教学实践的学生进行调查。本次研究随机抽选了某区A中学七、八、九3个年级的学生，共207名。据了解，该中学七年级、八年级的教学方式为智慧课堂教学，九年级曾进行过智慧课堂教学，因为升学压力而转换成传统授课方式，但不影响调研。问卷设置了基本信息情况、智慧课堂参与情况、智慧课堂学习态度、智慧课堂学习兴趣、智慧课堂开展协作学习情况、智慧课堂跨学科学习情况等共13道检测题，通过问卷星进行问卷分发，发放问卷207份，回收207份，回收率为100%。剔除2份无效问卷后，问卷有效率为99%。

（二）调查结果与内容分析

通过调查发现，70%的七年级学生对智慧课堂教学形式是喜欢的，但较少开展小组协作学习和跨学科的动手操作学习。八年级、九年级学生只有大约40%对智慧课堂的学习表示喜欢，对智慧课堂的学习兴趣远不如七年级学生。结合现场访谈可知，七年级学生对这种新型上课方式是有好奇心和新鲜感的，学习适应能力很强。但随着学习压力的增强和教学模式的固定，使得学生对智慧课堂的学习产生了畏惧与沮丧情绪，降低了学生的学习热情。

智慧课堂的研究理论和实践探索要与时俱进。据调研，目前，智慧课堂慢慢出现了一些需要改进的地方。一方面智慧课堂教学实施过程中存在一些形式化问题，一定程度上忽略了学生内心变化和学生智慧能力的习得。另一方面，评价过程相对依赖数据。

四、基于STEAM理论的智慧课堂教学模式建构

（一）要素分析

为充分发挥STEAM理论下智慧课堂教学模式的效果，设计出符合学生认知规律的跨学科性智慧课堂教学流程，体现该模式的最大价值，本研究对该模式的核心元素以及各个要素之间的关系进行了梳理。先进技术，例如智能技术、信息化平台、智慧教育方法等，可以促进学生智慧学习。学者方海光等人[5]提到基于平板的课堂教学包括教师、学生、技术支撑以及教材。数字化学习环境为教师提供了丰富的教学媒体工具，便于教师合理优化教学过程。对于学生而言，数字化学习环境将传统的课本知识拓展成网络化资源，便于学生随时获取，实现了学生个性化学习。数字化平台将教师、学生、教学活动和教学资源紧紧联系在一起。因此，基于STEAM理论的智慧课堂教学模式关键是要从跨学科教学活动、数字化环境支撑、教学主体三方面出发，聚焦学生智慧发展。

（二）设计原则

以STEAM理论为基础的智慧课堂构建遵循跨学科理念、任务驱动、协作学习和技术支撑四项原则。

1.坚持注重融入跨学科理念原则，重塑教学流程

以STEAM跨学科理念重塑智慧课堂教学流程，课前设计体现STEAM理念、课中组织运用STEAM理念、课后反馈扩展依靠STEAM理念。在课前，教师选择接近生活的教学情境，促使学生从不同渠道收集资料，学会举一反三，提出不同的问题思考方向。教学认知方向从学校延伸到社会，由单一学科知识延伸到多个学科知识综合使用。在课中，通过数字化平台和交互式白板等多种媒体，给学生提供多种学习资料、视频，重现不同的教学场景，让学生了解不同方面的知识，培养学生对课程中问题的多维分析能力、表达能力及思考能力，培养学生不同方面的才能。在课后，督促学生进行自我反思，养成批判思维，对自己没掌握的知识进行互查和复查；提倡学生参与课外延伸实践活动，学会整合学科知识并学以致用。

2.坚持注重任务驱动原则，激发学生兴趣

基于STEAM跨学科理念的智慧课堂注重以解决问题为指引，通过对问题的分析与思考，收集不同渠道的资料，从不同方面寻找解决方案。基于跨学科理念的智慧课堂注重培养学生问题解决能力，提高学生学习兴趣，利用网络平台和STEAM跨学科思维，促使学生在利用整合学科知识解决问题的过程中主动构建知识，在探究性学习过程中将知识慢慢固化，且注重实践活动的开展，针对学习者设置模糊的一个或多个类型的动手活动，学生可以通过探索，学习到不同的解决问题的方法，从不同角度思考问题、解决问题，使学生更乐意沉浸于学习，激发其学习热情。

3.坚持注重协作学习原则，促进分享交流

基于STEAM跨学科理念的智慧课堂注重协作学习原则，采用同质分组、异质分类的原则，使小组成员发挥各自所长，小组成员优势互补，将组间力量发挥到最大程度。各小组可以互相交流学习，各抒己见，通过小组成员的相互协作以及各组之间激烈竞争，使学生树立正确的竞争意识，在竞争中成长。

4.坚持注重突出技术支撑原则，提供智能服务

基于STEAM跨学科理念的智慧课堂注重突出技术支撑原则，充分利用智慧化环境。智慧课堂以利用信息技术赋能教学为指引，利用新一代的信息技术，将课堂打造成智慧化学习环境；利用大数据与人工智能技术，实现实时学生学习数据呈现，精准掌握学生学情，将基于教师经验的传统人工判断转变为基于数据的精准识别。动态跟踪学生数据，更有利于教师教学决策合理化、科学化。

（三）设计呈现

以STEAM理论为基础的智慧课堂教学模式设计的关键要素主要包括了跨学科教学活动、技术支撑、教学主体、学生学习路径等，设计原则包括以STEAM理论重塑智慧课堂、以问题解决为指引、注重小组合作、体现技术支撑。教学模式设计决定了学生教学活动的设计，同时也决定了学生的学习效果。基于STEAM理论的智慧课堂教学模式设计如图1所示。该模式以刘邦奇教授的智慧课堂三段式与李克东教授的跨学科STEAM教学活动5EX式为构建依据[6]，从跨学科活动设计入手，旨在培养学生智慧环境中的跨学科思维、问题动手解决能力等综合素养。在此基础上，以智慧环境支撑教学方式为基础，与教学主体、跨学科教学活动相互有机连接，形成一个以学生为主体、以教师为主导的多元交互的智慧教育环境。

在厘清教学主体与整个教学逻辑的基础上，本研究设计了基于STEAM理论的智慧课堂实践活动。该实践活动分为3个阶段，分别对应了不同的教学活动与教学目标：课前的情景与问题，课中的探究与教学、工程与制作、扩展与创意，课后评价与反思。旨在以问题为导向，设定接近真实的情境，在探究中用跨学科思维与工程学的实验方法，通过多个环节环环相扣来完成并创新教学任务成果。最后，在课后评价体现STEAM的多维性。同时，从技术赋能跨学科教学活动方面，分为具体的跨学科教学活动以及相应的学习路径和技术支撑，将技术与STEAM教育理念融会贯通教学全过程。

课前作为教学过程准备阶段，主要是对学生学情进行智能诊断，教师在了解学生学情的情况下，鼓励学生提出疑问，为后续的教学目标做好铺垫。与传统的智慧课堂教学形式不同，在基于STEAM的智慧课堂上，教师利用智慧课堂大数据分析技术，可以创设一个能够引起学生兴趣且与生活相关的跨学科场景，激发学生的联想、创新、创造精神。提出问题的过程是思考和创新的过程。学生根据自身需要，通过网络搜索各种资料，或是通过终端下载教师在平台上上传的资料，最后综合各个角度的思考，运用多方面知识，在教师的引导下，提出关于该项学习的问题并思考。这一阶段也是在培养学生的资料收集能力与思考判断能力，流程步骤如图2所示。

课中是培养学生跨学科思维和综合能力的关键，侧重于对学生理论与实践的结合，即动手实践能力的锻炼。在此环节，首先，在进行探究与教学阶段，学生可以通过选择教师在平台上推送的各种类型的资料，例如，微课视频、文本文档、思维导图等进行问题探究学习。对问题的思考视角由狭隘变为更广泛和更复杂的理解。教师引导学生利用各种工具对问题做出假设，用科学的方法对问题解决的指标进行量化，用数学逻辑思维分析最终预设数据。在这个过程中，学生需要观察、理解、运用数学数据来度量最后完成成果的可行性和成功率。其次，工程与制作阶段是检验学生预设实验的可行性的关键，学生利用工程思维方法来明确任务、分析任务，并进行方案设定与组员分工布置。由于教师设置的是模糊的任务，小组可以经过讨论和决策后，设置属于自己小组的个性化活动，在活动过程中注重资源分享与疑问讨论。教师对不同小组给予不同指导，引导学生采用合适的工具与创作方法，展现学生的工具使用能力与创新能力。再次，通过平台将小组完成的初步成果进行展示，学生分工汇报，由其他组提出问题后，进行小组总结。在此过程中，充分锻炼学生信息处理能力、沟通社交能力以及工具使用能力、语言组织能力与表达能力。最后，在扩展与创意阶段，通过学生互评与教师点评，教师进行更高阶任务的布置，并针对不同小组进行个性化答疑，巩固知识。各小组进行知识扩展、学习反思，并进行创意尝试，最后形成创意任务结果，并通过平台呈现。课中流程步骤如图3所示。

在课后与教学活动中，利用平台进行练习反馈，以及利用智慧课堂线上记录学习轨迹，例如答题情况、参与讨论情况、答疑情况及最后小组作业展示情况。并对线下小组中的个人贡献、小组合作表现等进行量表考评，充分将诊断性评价、过程性评价及结果性评价相结合，线上与线下评价相结合，教师评价与学生评价相结合。具体的评价与反思流程如图4所示。

五、基于STEAM理论的智慧课堂教学设计

融入了STEAM理论的智慧课堂教学设计与传统智慧课堂的不同之处在于，其在课前、课中及课后充分融合了跨学科思维与智慧课堂技术支持，并利用同质分层、异质分组的分组原则进行小组项目式实践，以真实的问题为驱动，让学生可以在动手操作中解决现实问题，从而潜移默化地实现学生知识深度构建。

（一）教学内容与教学目标设计

本研究针对重庆大学出版社出版的七年级《信息技术》下册第三章“3D打印”中的“制作水杯”课程内容进行教学设计，以在真实情境中解决生活中的问题作为切入点，引导学生利用多个渠道进行信息搜集，充分考虑到多种情况，进行项目设计和逻辑判断。同时，发挥小组合作精神和项目式探究学习优势，引导学生将跨学科知识利用到3D打印制作环节中，培养学生创新思维与创新创造能力。该部分的内容是初中信息技术重点内容，是前段理论知识的延伸和扩展，如何使用3D设计软件绘制和编辑出三维立体模型是这部分的重点和难点。

（二）教学对象分析

教学对象是七年级下学期的学生，这个阶段的学生可以合理有效地使用网络工具和资源，对3D打印技术知识有初步了解且充满好奇心，但课堂中的动手实践机会较少，对新型有吸引力的教学方式有一定的需求。

（三）教学过程设计

1.情境与问题

在课前，利用智慧课堂平台给学生推送3D打印技术概念、原理、运用领域、设计方法等基础问题，根据学生作答情况及时对学生学情进行把握。根据学生学情设计出一个真实的跨学科场景，在平台播放制作水杯献爱心视频，明确本节课目标。引导学生先通过平台发放的微课学习资料，以及从网络上查找的其他各种资料，综合考虑水杯外观、尺寸大小、建模方法等体现艺术、数学、技术等思维的跨学科角度，设计意图在于激发学生创造欲与动手实践动力。通过初设水杯的步骤及方法，也让学生思考并提出本次课程的问题，通过同学互助、教师引导展开本次课程。

2.探究与教学

在课中，学生通过选择线上视频以及利用平台提问等功能进行自主探究学习，对初设的水杯的形状、实施难度、设计含义等多方面进行考量。对水杯模型问题采用量化的方式，利用数学逻辑思维确定作品的外观尺寸、图形参数以及最后作品成功率等。设计意图在于让学生培养逻辑思维能力、独立思考能力，为后面学生学习过程的针对性、计划性做出合理安排和铺垫。

3.工程与制作

在初步对制作水杯进行规划后，利用同质分层，异质分组的原则分成不同的小组。通过小组任务分析及不同意见综合，确定最佳实现方案。利用工程思维将制作大任务分为一个个小任务，最终以小组合理分工合作的方式完成制作。在此小组学习过程中，若学生对3D one设计软件存在操作问题，可利用平台随时和老师、同学进行讨论，教师也可及时给予学生个性化指导。通过对3D one工具草图绘制功能、基本实体命令、特征造型命令、渲染功能等技巧的使用，设计出属于本组独一无二的作品。设计意图在于让学生利用工程学的思维方式完整地设计并制作一个作品，培养学生动手能力与工具使用能力，并通过小组合作培养学生合作精神、分享意识。

4.拓展与创意

在完成设计水杯作品制作后，各小组通过平台进行作品展示。在此过程中，小组对自己的成果进行展示、评价，其他小组和老师补充评价。教师对小组提出更高阶的任务要求，促进学生反思，打破学生思想桎梏，在学生改进和创意完成作品之后，利用平台进行最终作品展示。设计意图在于锻炼学生的表达能力与自我反思能力，通过再创作增加学生知识学习深度。

5.评价与反思

在课后，在平台上发布知识点小结测试，安排学生独立完成并上传。根据学生完成情况、作品评价情况及平台记录讨论发言轨迹，对学生个人进行综合评价。评价方式结合学前诊断评级、过程性评价及最后综合性评价。评价内容包括线上与线下的内容，具体包括知识掌握情况、问题发现、表达方式、思维逻辑、小组表现等多种元素。在反思后，鼓励学生将设计的模型切片打印出来，体现STEAM延伸。设计意图在于促进教师和学生反思、进步，充分发挥STEAM理念的作用，结合智慧平台促进教育教学水平提升。

六、结论

信息时代为智慧课堂的发展提供了技术支持与发展机遇，智慧课堂作为智慧教育实践在具体教学过程中的产物，使技术与教育得到了融合，因此赢得了教育界的关注。STEAM理论在教学目标上注重学生主体地位，注重学生个性化发展。这与智慧课堂教学目标趋于一致。本研究设计了基于STEAM理论的智慧课堂教学现状调查问卷，调研结果显示：传统智慧课堂教学趋于形式化，工具的使用生硬化，教学评价过度关注数据，缺少学生发展性评价，学生动手能力差，很少与STEAM跨学科教育融合，导致学生兴趣低。因此，本研究提出了以STEAM理论为中心，构建面向培养学生跨学科思维的智慧课堂教学模式。该模式在课前、课中和课后有机融合了情境与问题、探究与教学、工程与制作、创意与扩展以及评价与反思五个环节。另外，本研究以学习路径和技术支撑对设计的跨学科教学活动进行解剖，并基于此模式设计了七年级信息技术“制作水杯”3D打印课程，以此达到STEAM理论与智慧教育的有效配合，提高学生学习效率。

参考文献：

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[3]崔鸿,朱家华,张秀红.基于项目的STEAM学习探析:核心素养的视角[J].华东师范大学学报(教育科学版),2017,35(4):54-61，135-136.

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[5]方海光,侯伟锋,王晓春,等.基于PADClass模型的数字化课

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[6]李克东,李颖.STEAM教育跨学科学习活动5EX设计模型[J].电化教育研究,2019,40(4):5-13.

作者简介：

田蜜（1994— ），女，重庆铜梁人，硕士研究生，研究方向为创客教育、智慧教育；

杨德刚（1976— ），男，四川自贡人，博士，教授、硕士生导师，研究方向为人工智能等。

原标题：《基于STEAM理论的智慧课堂教学模式研究与设计》