郭杰譽

（北京郵電大學 教育技術研究所，北京100876）

一、STEM教育App概念界定

STEM 是“Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學）” 四門學科英文首字母的縮寫，各國對于STEM的認知不盡相同。2017年教育部頒布的 《義務教育小學科學課程標準》認為STEM是一種課程組織方式，采用項目學習解決問題，將四門學科進行整合，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力[1]，即STEM教育理念強調學科融合、面向具體問題、強調對知識的綜合運用能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

App即“Application”的縮寫，是在移動終端設備上使用的、能實現(xiàn)某些特定功能的第三方應用[2]。教育App是指運行于智能移動終端的、能幫助學習者學習的應用程序[3]，因此本研究將STEM教育App界定為：實現(xiàn)STEM教育理念，培養(yǎng)學習者科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學素養(yǎng)以及跨學科思維能力的教育App。

二、研究現(xiàn)狀概述

相關調查研究發(fā)現(xiàn)，國外STEM教育App比較豐富，國內STEM教育App數(shù)量很少，國內外與此相關的研究文獻均很少；而國內一般教育App的研究文獻比較豐富，因此，本研究選取與K-12階段相關的一般教育App文獻進行分析，以期得到更全面、更深刻的啟示。

1.國內外STEM教育App研究現(xiàn)狀

針對國內研究現(xiàn)狀，筆者主要在中國知網(wǎng)和萬方數(shù)據(jù)庫進行檢索；針對國外研究現(xiàn)狀，主要在Web of Science和國外科技報告信息資源服務系統(tǒng)上進行檢索。

筆者在中國知網(wǎng)和萬方數(shù)據(jù)庫以 “STEM”&“App”“STEM教育”&“App”為關鍵詞進行搜索，僅在知網(wǎng)上得到兩篇相關文章。其中一篇《學習者為中心的STEM課程設計——多種教學App的跨學科整合應用案例》[4]是關于課程設計的，該課程設計雖運用多款信息工具，但只是實現(xiàn)了四大學科知識有機整合的教學理念，并未見實質的STEM教育App研究。另一篇是關于澳大利亞將推出STEM早期學習App的報道[5]，澳大利亞ELLA先導項目證明兒童使用App學習外語效果優(yōu)良，因此推出以興趣為驅動的ELSA項目，研發(fā)STEM早期學習App，以期在激發(fā)學生對科學、技術、工程、數(shù)學的興趣上取得與ELLA項目相同的效果[5]。

筆者在Web of Science平臺以 “STEM education”&“App”為檢索條件，未得到相關的文獻；在“外文學科研究科技報告全文數(shù)據(jù)庫”以“全部=STEM”&“全部=education”&“全部=App”為檢索條件，僅命中兩篇，且是同一份關于美國STEM教育小組和STEM教育App競賽報告——（STEM）教育小組和國會學術競賽的歷史與現(xiàn)狀，該報告指出眾議院在2013年2月宣布將舉行一年一度的國會STEM教育學術競賽，競賽面向在校高中生或家庭學校的學生，其中第一屆國會STEM教育學術競賽的重點是為移動、平板電腦和計算機平臺開發(fā)應用程序（App）[6]。

總之，目前國內外針對STEM教育App的研究均較少。當前STEM教育App還未引起國內STEM教育領域的注意；而在美國有眾議院通過的面向高中學生的STEM教育年度競賽，其中STEM教育App是繞不過的主題；澳大利亞對STEM教育App的研發(fā)很重視，通過推出高層次的項目來推進STEM教育App的發(fā)展。

2.一般教育App研究現(xiàn)狀

筆者以“教育App”為關鍵詞在中國知網(wǎng)進行檢索，得到了485條數(shù)據(jù)（截稿時止），從研究內容來看，主要包括：分析發(fā)展現(xiàn)狀并提出建議類、設計與開發(fā)類、基于App的教學應用類、評估標準研究類；從用戶角度可分為學前教育類、K-12教育類以及成人類。由于學齡前教育、K-12教育類App與STEM教育階段的學生群體高度重合，因此選取與學齡前教育、K-12教育相關的教育App研究文獻進行分析。

（1）分析發(fā)展現(xiàn)狀并提出建議類

馬玉慧等指出移動學習資源形態(tài)已經(jīng)從基于通訊手機的靜態(tài)學習資源，經(jīng)過基于PDA的情景感知學習支持系統(tǒng)階段，發(fā)展到基于智能移動終端的教育App階段，結合國內外教育App建設機制、推廣機制、監(jiān)管機制的發(fā)展現(xiàn)狀，提出政府、教育科研機構、公司、個人等多方建設者應該積極合作，政府從教育App規(guī)范建設、相關政策方面起引領和指導作用，科研機構可與公司合作，將教育App的理論研究成果落地等建議[3]。

張國云等從“技術賦能學習”視角提出物聯(lián)網(wǎng)技術促進學習情境化和智能化感知、云計算促進按需自助的學習服務發(fā)展、大數(shù)據(jù)為個性化學習提供精準服務、三維計算技術增強沉浸式學習體驗等新興技術在教育App中的應用場景[7]。

陳瑩等對安卓平臺的小學教育App進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，下載量在10萬級別的主要是語言學習和思維訓練類App，大多數(shù)教育App開發(fā)者缺乏對用戶需求的調研，目標定位模糊，內容上存在知識堆砌等問題，App Store（蘋果系統(tǒng)）平臺上的教育App在制作精細程度和用戶體驗方面遠超安卓App，但是免費的應用程序較少[8]。

（2）設計與開發(fā)類

王建剛等闡述了文本、圖片、視頻、音頻、動畫等媒體形式呈現(xiàn)知識的規(guī)律和應用特點，并提出包括選題、教學設計、媒體設計、技術實現(xiàn)等五個步驟的App學習資源建設模式[9]。

顧紅清提出要充分結合文學、數(shù)學、科學、工具及益智游戲到兒童教育App的產(chǎn)品設計中，在視覺設計方面注重使用彩虹色，并給出兒童教育App產(chǎn)品的設計框架和設計細節(jié)[10]。

汪正剛依據(jù)幼兒的生理和心理特征，結合兒童認知發(fā)展特點，提出兒童早教類App的設計理念、設計原則，以及包括語言能力、感知能力、觀察能力、注意能力、記憶能力、想象能力、思維能力、行為能力等八個要素及設計方法，并進行開發(fā)驗證[11]。

（3）基于App的教學應用類

鄭偉偉運用教學輔助類App，解決以往科學課程使用多媒體資料時破壞課堂整體感和流暢感的問題，以及實時評價、形成性評價困難和傳統(tǒng)投影技術質量不佳等問題[12]。袁敏婷探索將數(shù)個科普類App運用在小學科學教學中的方式，解決室外觀察實驗儀器缺乏、活動空間受限、教師知識范圍有限、相關圖書資源缺乏等問題，確保各層次的學生都能在知識的理解和掌握上有所突破[13]。李玉蘭將 3D Projection、Think 3D、Iso20rtho 三款 App融入中學的“三視圖”傳統(tǒng)課堂，增大教學容量、增強教學直觀性、提高教學效率、實現(xiàn)個性化教學[14]。

（4）評估標準研究類

宋莉娜等通過研究美國評價機制理論基礎、娛樂軟件分級委員會（ESRB）的標準，從評價主體、評價目標與功能、軟件評價標準、評價流程等維度分析美國獲獎兒童教育App評價模式，提出我國建立兒童教育軟件評價體系的必要性，以及加強相關科研研究，評價主體多樣化，鼓勵非盈利組織參與和強調家長在評價中的角色等建議[15]。趙慧臣分析教育類App的理論依據(jù)應該包括教學設計理論、軟件評價理論和文化心理理論，提出評價維度應該包括面向教育、技術設計和藝術審美三大領域[16]。

3.初步啟發(fā)

結合一般教育App的研究現(xiàn)狀，可以從以下幾個方面規(guī)劃STEM教育App的發(fā)展之路：吸取一般教育App的研發(fā)經(jīng)驗，避免缺乏用戶需求調研、目標定位模糊、知識點堆砌、研究成果不能落地等問題；探索設計STEM教育App理論依據(jù)，并進行開發(fā)驗證；探索STEM教育App在教學中的應用；考慮建設STEM教育App評估機制等。

三、STEM教育App案例分析

1.國外STEM教育App列舉與基本特征概括

美國的STEM教育App較為豐富，本研究主要分析20多款美國STEM教育App[17]，見表1。表1中標出費用或免費的App，筆者均已在App Store平臺搜索到。

下面，筆者將以一款幫助小孩了解天氣現(xiàn)象的App——“MP Weather”（即MarcoPolo天氣）為例進行介紹。MP Weather是App Store 2014年度最佳App，該款教育App面向0-5歲小孩設計，主要介紹天氣、氣溫、風級等知識。

表1 美國STEM教育App舉例

學習者可以調節(jié)場景中的天氣、氣溫、風級等選項，而場景中動物、植物、小主人公的反應等會隨天氣狀況的不同而改變，如當溫度下降時，小主人公會打顫，提醒小朋友給它換厚衣服；當在雪天種花時，花會很快枯萎；當溫度逐漸升高時，雪人會融化等等；此外，還有給小主人公換衣服、遞食物、放風箏、栽花、堆雪人等互動動作。該App很好地體現(xiàn)了在真實情境下學習知識、綜合思考問題的STEM教學理念，畫面內容豐富、互動性強、操作流暢、趣味與學習并存。

對表1中眾多App進行初步研究，筆者發(fā)現(xiàn)以下兩個特征：

（1）從學科和學段、年齡角度對App準確定位，評估機制比較完善

從表1可以看出，美國STEM教育App從學科和學段、年齡角度對App定位明確，App介紹中一般會指出產(chǎn)品類型、適合的學生年級、主要功能、培養(yǎng)的能力等信息。

兒童教育App是娛樂與教育的結合，非盈利機構娛樂軟件分級委員會 （Entertainment Software Rating Board，簡稱ESRB）為互動娛樂軟件產(chǎn)品制定了一套標準的分級系統(tǒng)，其在美國和加拿大使用廣泛。ESRB分級用于給消費者（尤其是家長）關于產(chǎn)品的年齡適宜性予以簡便且可靠的指導，ESRB標識包括分級標識和描述詞表，可見教育App的評估機制也比較完善。

（2）功能相近的App成群組出現(xiàn)，保證持續(xù)學習、全面學習

如Human Body Organs系列，包括Human Body Parts：Heart Quiz、Body Parts：Small and Large Intestines Quiz等數(shù)款App；神奇的化學元素、抽認卡、元素等App也是成組出現(xiàn)的關于化學學習的產(chǎn)品；Middle School Math系列數(shù)學App針對不同年級有不同的版本。這些成群組出現(xiàn)的產(chǎn)品，便于學生快速找到學習資源，從而有利于持續(xù)學習、全面學習。

2.國內STEM教育App列舉與基本特征概述

筆者在安卓系統(tǒng) （OPPO手機）的“應用商店”平臺以“STEM教育”為關鍵詞進行搜索，前15款App中只有“未知樹STEM”與主題相關；在App Store（iPhone手機）平臺以“STEM教育”為關鍵詞進行搜索，排名前五的國內STEM教育產(chǎn)品分別是 “阿U學科學kids-兒童STEM益智教育平臺（4+，6-8歲）”“尼諾發(fā)現(xiàn)之旅-聽小恐龍講故事 （4+，6-8 歲）”“未知樹 STEM”“MakeBlock-玩轉STEAM機器人（4+）”“金耳朵英語-AI智能分級閱讀（4+，北京大學 STEM+智慧課程）”。

以“阿U學科學”為例進行介紹，該App是一款面向K-12低年級階段的科普產(chǎn)品，主要分為探索、科學、學堂、娛樂和視頻五個模塊，其中探索和科學兩個模塊均由數(shù)個科學小主題組成，如探索模塊有物質探索、地球萬象、天氣百態(tài)、恐龍來了等主題。科學模塊有水中的生命、疫苗的作用、變色的太陽、造紙術等主題。每個小主題一般通過模擬現(xiàn)實場景，或主人公阿U參與的情景劇進行講解，情景劇一般穿插問答和模擬實驗兩種方式進行具體知識點的講解，學習者可以通過幫助阿U做實驗等方式參與到活動中。學堂和娛樂模塊屬于益智游戲。視頻模塊中有豐富的以主人公阿U的生活為原型創(chuàng)造的動畫片，有科學、兒歌、阿U知道等板塊?？傮w來說該款App科普知識豐富，與學習者交互流暢、寓教于樂。

從上述分析介紹可以看出：①國內已有優(yōu)質的STEM教育產(chǎn)品，但數(shù)量很少；②國內現(xiàn)有的STEM教育App主要面向K-12低年級階段，高年級階段匱乏。

3.STEM教育App案例深入分析

根據(jù)App主要功能特征，將上述國內外數(shù)款優(yōu)秀的STEM教育App分為知識呈現(xiàn)類、模擬創(chuàng)造類、訓練進階類、編程控制類，并指出其所體現(xiàn)的學習理論和認知目標層次。

（1）知識呈現(xiàn)類

知識呈現(xiàn)類App講究情境還原，讓學習者接受動態(tài)、“真實”的知識，從“真實情境”中學習知識和解決問題，符合STEM教育理念。情景還原或情境模擬可以實現(xiàn)聽覺、視覺甚至觸覺方面的感知與互動，幫助學生建立起知識與現(xiàn)實之間的聯(lián)系。如阿U學科學的“探索”和“科學”模塊以及介紹氣象知識的MP Weather和介紹太空、天體、航天器知識的Solar Walk系列App。

聯(lián)通主義強調 “節(jié)點”和“連接”，建構主義強調學習的情境性和探究性學習，知識呈現(xiàn)類App提供的情境，可幫助學生建立知識與現(xiàn)實的聯(lián)系，無疑很好地體現(xiàn)了聯(lián)通主義學習理論和建構主義學習理論的思想，其認知目標層次較低，主要集中在知道和領會的層次。

（2）模擬創(chuàng)造類

模擬創(chuàng)造類，充分采用了虛擬實驗的理念，將現(xiàn)實中不易集中的、昂貴的或存在一定安全隱患的資源，通過信息技術呈現(xiàn)在移動端，可以進行無限度的探索。這非常有利于激發(fā)學習者的想象力和潛能，潛移默化地培養(yǎng)學生對知識進行深層抽象和遷移運用的能力。

比如“燒杯”App，可將任意化學元素放在“燒杯”中進行實驗，快速驗證學習者的想法，既安全又高效；如“機器人夢工廠”可以將各種零件進行“組裝”，不存在器材磨損、零件丟失等現(xiàn)實中常見的問題，還可以激發(fā)學生無限的創(chuàng)造力；“尼諾發(fā)現(xiàn)之旅”也屬于此類，該款模擬考古發(fā)現(xiàn)的App，學習者可以了解文物挖掘的基本流程、國內區(qū)域文化特征以及眾多典型的文物。

認知學習理論認為，學習不是在外部環(huán)境的支配下被動地形成“刺激-反應”聯(lián)結，而是主動地在頭腦內部建構認知結構，學習不是通過聯(lián)系與強化形成的反應習慣，而是通過頓悟與理解獲得期待。當有機體當前的學習依賴于其原有的認知結構和當前的刺激情境時，學習受主體的預期所引導，而不是受習慣所支配。

學習者使用此類App進行模擬創(chuàng)造時，存在主體預期引導、頓悟、主動地形成認知結構等思維活動，因此筆者認為該類App體現(xiàn)出認知主義的相關理論。其認知目標層次較高，可體現(xiàn)出運用、分析甚至綜合、評價的能力。

（3）訓練進階類

訓練進階類，其特點是針對某項特定技能，設計不同等級、不同類型的訓練，以Elevate、Lumosity等腦力訓練類App為例。該類App不僅需要考慮是否能達到預期訓練效果，也要考慮如何保持學習者的興趣，使學習者持續(xù)關注訓練。

表2 STEM教育App分析表

行為主義理論的核心觀點認為，學習過程是有機體在一定條件下形成刺激與反應的聯(lián)結從而獲得新經(jīng)驗的過程，強化在“刺激-反應”聯(lián)結的建立中起著重要作用。該類App一般會設計獎勵等機制吸引學習者持續(xù)關注，并且其進階訓練的邏輯就是運用了強化作用，因此筆者認為該類App充分運用了行為主義的理論，其認知目標屬于中等層次，即領會、分析和運用。

（4）編程控制類

最后一類是編程控制類，目前中小學生接觸的主要是圖形化編程，相對于代碼編程，圖形化編程減弱了代碼編程的枯燥性、抽象性，符合中小學生的認知水平，既能幫助學習者掌握編程的邏輯和思想，又能維持其學習的興趣。Code Block編程島-Steam編程教育、Jimu機器人、Scratch編程系列都屬于編程控制類。

筆者認為該類App體現(xiàn)了行為主義和認知主義等多種學習理論，編程的過程需要不斷地試錯，這明顯體現(xiàn)了行為主義學習理論；學習者需要將自己的想法、想實現(xiàn)的功能通過程序設計實現(xiàn)中，認知主義學習理論強調的“主體預期”“頓悟與理解”會在整個編程過程中不斷出現(xiàn)，迭代學習者的認知；該類App的認知目標比較高，學習者需要對編程知識和編程邏輯有較高的分析、綜合甚至評價、改進能力。

四、STEM教育App發(fā)展探究

1.深入探究STEM教育理念與App的融合之路

“如何將STEM教育理念融入App”是當前亟需研究的核心問題。從一般教育App的研究現(xiàn)狀和STEM教育App案例分析入手，本研究提供三個層面的解決思路：一是理論層面，從App功能類型、學習理論、認知目標等方面進行剖析與構建；二是研發(fā)設計層面，緊跟信息技術的發(fā)展，如增強現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)等技術，用技術設計新的功能，來滿足復雜的學習需求；三是開發(fā)實現(xiàn)層面，可以完全獨立開發(fā)，也可在已有教育App的基礎上探索改進方向，優(yōu)化現(xiàn)有資源。

2.從學段、學科及類型三個維度出發(fā)建設STEM教育App研發(fā)系統(tǒng)

從學生學段、學科兩個維度出發(fā)，并結合產(chǎn)品類型，建立STEM教育App研發(fā)體系 （見圖1），指導科研機構、各級學校、教育企業(yè)或個人進行產(chǎn)品定位，促進STEM教育App在類型、功能等方面全面發(fā)展。

具體來說，一方面可以在現(xiàn)有教育App產(chǎn)品的基礎上，結合STEM教育App研發(fā)體系，進行一定的資源整合、改進或優(yōu)化；另一方面需要繼續(xù)研究學習理論、教學策略、交互設計、學生認知特點等理論與STEM教育理念融合的方法與設計，并進行開發(fā)、驗證。

圖1 STEM教育APP初級研發(fā)體系

圖1提出了一種STEM教育App初級研發(fā)體系，針對學段、學科以及具體類型還可以進一步改進或細化，該體系需要學習理論、認知理論、學生認知特征、交互設計等多方理論的綜合支撐。

3.融入STEM項目（課程）以促進STEM教育App教學應用研究

將STEM教育App融入STEM課堂中，有三個主要作用，一是促進了STEM教育App的推廣，使學生可以系統(tǒng)地了解到STEM教育App；二是優(yōu)化教學，可以幫助學生更有效地學習。比如建議中學生在學習化學時，可以使用燒杯、抽認卡等App；在學習地理時，可以使用Solar Walk系列App；學習生物時，可以使用The Human Body（人體探秘）系列產(chǎn)品；三是相當于對產(chǎn)品進行驗證，可收集學生的使用體驗、建議和真正的學習需求，促進產(chǎn)品的更新迭代。

4.建設STEM教育App評估機制

目前，國內還沒有統(tǒng)一具體的標準來判斷符合STEM教育理念的產(chǎn)品，國內關于STEM教育課程、項目的評估機制正處于初步提出階段，一般教育App的評估機制也在不斷發(fā)展中，因此關于STEM教育App的評估機制可以綜合參考兩類評估機制的標準和內容，與這兩類評估機制的探索保持同步，及時建立STEM教育App的標桿，促進STEM教育App的快速、良性發(fā)展。

5.大力推廣STEM教育理念以疏通發(fā)展生態(tài)圈

政府引導推廣STEM教學理念，科研機構、學校、企業(yè)及個人多方力量協(xié)同配合，共同促進STEM教育資源生態(tài)圈的發(fā)展，如此才能保障科研機構或教師能找到將研究成果落實的支持力量，保障社會力量找到研發(fā)和投資的方向，保障各地家長了解STEM教育理念和產(chǎn)品，促進產(chǎn)品良性循環(huán)發(fā)展。其中STEM教育App研發(fā)競賽是一種可取的宣傳方式，能夠吸引學生、教師、專業(yè)技術人才、企業(yè)甚至家長等多方人員的關注與參與。

上述五個模塊并不是相互孤立的，而是構成有機的整體，見圖2。探究STEM教育理念與App融合的方法，為STEM教育App研發(fā)體系的建立提供支持，進而使教學應用研究成為可能；反過來教學應用的反饋，又促進前兩者的進一步發(fā)展；每個環(huán)節(jié)的發(fā)展都為評估機制的產(chǎn)生積累了原始數(shù)據(jù)，評估機制的建立對每個環(huán)節(jié)都有反饋指導作用；大力推廣STEM教育理念以疏通發(fā)展生態(tài)圈，意在使更多不同領域的專家、學者或技術人員了解STEM教育理念，疏通發(fā)展生態(tài)圈，推動上述循環(huán)過程的運轉。

圖2 STEM教育App發(fā)展框架

鑒于STEM教育App研究較少的窘境，本研究通過借鑒一般教育App的研究文獻，分析國內外STEM教育App案例，完成對STEM教育App發(fā)展的初步探索，提出了五個基本模塊，并指出一些具體方向，后續(xù)應就每個模塊展開深入研究。