杨琳玲 郑立新
【摘 要】本文通过对未来教室和STEM教育的国内外研究现状以及未来技术发展趋势的分析，展望如何构建基于STEM教育的中小学未来教室，以提升中小学生的综合素养。
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关键词 未来教室；STEM教育；中小学生；综合素养
【中图分类号】G434 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2014）10-0080-03
现在，各项前沿技术迅速进入教学领域，无线网络、平板电脑、传感器、3D打印技术蓄势待发，数字教室、互动教室、虚拟教室、智慧教室等概念弥漫于教育领域，为教育变革提供了各种可能。未来科技会如何促进教育值得大家期待，前沿产品将如何改变教室激发人们畅想。本文以STEM教育为背景，展望了如何构建中小学未来教室，以提升中小学生的综合素养。
未来教室及其国内外建设现状
（一）未来教室是什么
教室的形态、结构以及室内设备的陈设，都极大地受到教育理念、教学方式和教学内容的影响，这也使得人们对未来的教室产生过很多思考和遐想。例如，在1899年的巴黎世博会上，就出现了在当时人们想象中2000年法国的教室的样子，如下图所示。
当然我们知道，图中的愿望到现在也没有实现，但这无疑都是人们对教室未来发展的积极创意和向往。
随着科学技术的不断发展，人们心中未来的教室也在不断演变。现阶段的未来教室应该在先进的教学理念指导下，顺应科技发展趋势，将适合的科技新成果作为教具、学具，合理地应用在教室环境中，帮助师生更有效地开展教学活动，最大程度地培养学生的创新思维和实践能力，提升学生的综合素养。
（二）国内外建设现状
出现在20世纪80年代的“苹果明日教室”是较早期的未来教室，教师和学生可以使用大量的新技术和设备，例如计算机、摄像机、照相机、扫描仪以及DVD刻录、无线网络等，这些都配备在教室环境中，就像使用书和纸一样方便。
21世纪以来，各国政府、学校、科研院所和公司都在未来教室领域开展了积极的探索，很多高科技产品，如交互式电子白板、触摸屏、传感器、平板电脑等，被逐渐应用到教室环境中，供教师进行探索性教学实践。下表是近年来一些国家和地区创建的未来教室实例。
通过对以上的未来教室项目的分析，我们不难发现，未来教室的发展和各国提出的先进教育理念息息相关，而技术应用则需要考虑学生如何有效开展学习活动，教师如何对学习过程进行有效引导和评价，学校、教师及家长如何对学生的学习情况进行无缝对接。
STEM教育背景与国内研究现状
（一）STEM教育的由来
20世纪80年代，美国政府为解决其科技人才短缺的问题，在教育领域提出了STEM计划，鼓励学生主修科学、技术、工程和数学(STEM)领域，并不断加大科学、技术、工程和数学教育的投入，培养学生的科技理工素养。近30年来，美国政府和众多科研机构、高校、基金会，通过立法、拨款、专项等方式推动着STEM教育不断深化。STEM教育建立在学科融合的基础上，以设计和探索为目的，对技术问题解决进行科学的探索，其课程目标是提升学生科学、技术、工程、数学素养。
（二）STEM教育在国内的研究现状
通过检索中国知网，我们发现2002年9月在《中国高教研究》上发表了标题为《赴美参加PKAL2002年夏季研讨会纪实》的一篇文章，这是国内较早提及STEM教育的文章，介绍了教育部赴美参加“万花筒项目”活动的代表团成员和美国大学教师共同探讨和交流如何加强本科生在STEM领域的教育等相关问题。
其后几年，在国内高等教育领域中掀起了创新教育的思考热潮。2005年，我国物理学家钱学森院士向温家宝总理提出了著名的“钱学森之问”：为什么我们的学校总是培养不出杰出的人才？这也促使我国政府和很多专家更加积极地思考属于中国的“创新教育方向”。2009年教育部联合中组部、财政部启动了“基础学科拔尖学生培养试验计划”，这一项目主要聚焦于数学、物理、化学、生物、计算机等学科的创新教育。
对创新人才的培养需要从青少年抓起。建国以来，我国在中小学中非常重视数学、物理、化学和生物等学科的教育，2001年高考开始全面实施“3+X”方案，除数学单独考试外，理科将物理、化学、生物三科合为综合科目考试。新课程改革以来，我国在教育领域做了很多尝试，例如在初高中开设社会实践、研究性学习等课程，在全国各地开展了很多青少年创新人才培养项目，例如雏鹰计划、翱翔计划、后备人才培养计划等，探索将科技理工等学科有效地联系起来，从而提升青少年的综合素养。在我国，这些研究和探索目前还是限于少数学生的精英教育。虽然近年来在一些课外辅导项目中有了这一思路的渗透，一些学校也开设了相关课程，但像美国一样以国家行为来培养数量庞大的STEM项目教师，全面推行STEM教育，我国短期之内可能还无法实现。
2008年11月，《中国电化教育》上刊登了《课程视角下的机器人竞赛辅导研究》一文，介绍了美国TSA协会基于STEM领域的核心标准推出的适于高中生学习的“机器人竞赛课程开发框架”，并提出对国内中小学机器人竞赛辅导课程的思考，这是国内较早将STEM教育引入到中小学教育中的研究成果。国内基于STEM教育的研究在2008年以后开始丰富起来，主要集中在国外经验介绍、教师培养方法、国内应用思考，以及技术对这一教育计划的影响等，主要是理念与策略研究，对于如何通过综合环境的改进，更好地提升教学效率、提高教学效果等方面还较少涉及。
基于STEM教育的中小学未来教室模型构想在基于STEM教育的中小学未来教室中，学生可以在教师的引导下，围绕一个真实问题，组建小组，利用各种前沿技术开展学习和研究。在学习研究的过程中，小组成员可以面对面或通过网络方式与学习伙伴进行交流，利用技术搜集、分析数据，设计、测试和改进问题解决方案，并在一定范围内交流研究成果。笔者根据多年在一线开展科技教育和信息技术教学的经验，结合信息技术的发展趋势，尝试设计了遵循STEM教育理念的未来教室模型。
（一）未来教室中的构成要素
虚拟现实技术、嵌入式技术、云计算技术、物联网等的出现与应用正在逐步将我们生活的地球变成数字地球、智慧地球。基于STEM教育的中小学未来教室则正是构建在这样一个数字地球、智慧地球的基础上，主要采用的技术和设备包括体感技术、机器人技术、智能眼镜、3D打印机等。
1.体感技术
利用体感技术，师生可以通过肢体与教室中的数字设备和环境互动，教师能够利用其虚拟出学生喜欢的学习环境，以帮助学生进行技能学习，如引导并纠正学生的实验步骤、动作等。利用强大的数据监测和分析功能，教师可以采集学生的学习数据，进行评价、诊断、反馈。以微软Kinect平台为例，可以通过Kinect摄像头采集镜头前主要人物的肢体动作，通过传感器等技术和设备采集到系统中，进行对比分析或控制输出人物的动作。这些都非常符合STEM教育的需求，能够极大提升教学效果以及学生的学习兴趣。
2.机器人技术
机器人技术涉及数学、电学、力学、仿生学、计算机技术、控制论、人工智能、机械工程设计等诸多领域，它可以更好地将科学、技术、工程与数学联系起来，提升学生的科技素养。近年来，机器人技术是教育界研究的热门话题，机器人这一高科技产品正逐渐走下神坛，走入校门，许多教育型的机器人平台也如雨后春笋般产生。以某品牌EV3教育型机器人为例，它不仅可以作为信息技术或通用技术课程学习的内容，还能够借助强大的传感器等功能开展与数学、物理、生物等学科有效融合的学习，实现如模型搭建、工程设计、实验数据采集、实验分析等功能，完成智能门、智能清洁等任务，使普通教室成为一个充满创意的智能教室。
3.智能眼镜
可穿戴计算机是人们近年来致力研究的一项技术，而智能眼镜则是其中的突出代表。在Wi-Fi等无线技术的支持下，它能够帮助学生以最快的速度搜索到所需的网络资料，实现数据云端存储，能够随时实现分享或录制课堂信息，且不会影响学生参与课堂学习。
4.3D打印技术
3D打印技术能够较真实地呈现设计物品，令学生获得直观、深刻的体验。通过设计、虚拟实验、零件打印、作品整体成型等体验过程，学生能够学习科学分析、数学计算、工程设计及制作等内容，提升工程思维能力。
（二）未来教室中的环境构建
基于STEM教育的未来教室更像一个在教师指导下开展科学研究的实验室。教师作为引导者，提出研究任务，并适时为学生提供必要的帮助。教室的主人是以组为单位的学生团队，他们可以进行学习、思考、讨论、设计、制作、总结及展示，各司其职，各展其才。教室可以分为多个区域，如体感教学区、操作区、讨论学习区、展示区等，目的就是更好地实现教育功能。如下图所示。
综上所述，基于STEM教育的未来教室可以有效地将科学、技术、工程、数学等的学习融合在一起，让学生从解决实际问题出发，在培养STEM思维的同时，不断提升学生综合素养。
（作者单位：北京市云岗中学 北京教育科学研究院）