羅穎玲 余瑞旗

摘 要：本文講述了利用Arduino Nano開發(fā)板、舵機(jī)、光照傳感器、雨滴傳感器等簡單硬件來構(gòu)建簡易智能家居晾衣器，利用智能家居晾衣器來實(shí)施STEM校本課程，引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)并探索開源硬件相關(guān)知識，從而真正達(dá)到跨學(xué)科教學(xué)。

關(guān)鍵詞：智能家居；STEM校本課程；晾曬衣服器

2015年9月教育部辦公廳關(guān)于征求對《關(guān)于“十三五”期間全滿深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》意見中教育部首提探索“STEAM”教育“創(chuàng)客教育” 新模式。2017年版高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)將開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)列入選擇性必修課程，可我們要怎樣開展智能STEM校本課程教學(xué)？筆者認(rèn)為要從以下幾點(diǎn)來實(shí)施；

一、體現(xiàn)STEM教育

（一）STEM教育的含義及意義

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)英文首字母的組合體，STEM課程重點(diǎn)是加強(qiáng)學(xué)生以下四方面的教育：一是科學(xué)素養(yǎng)，即運(yùn)用科學(xué)知識（如物理、化學(xué)、生物科學(xué)和地球空間科學(xué)）理解自然界并參與影響自然界的過程；二是技術(shù)素養(yǎng)，是使用、管理、理解和評價(jià)技術(shù)的能力；三是工程素養(yǎng)，即對技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的理解。圍繞項(xiàng)目整合多門學(xué)科知識，使得難以理解的概念與學(xué)生生活密切相關(guān)，激發(fā)學(xué)生解決問題的興趣；四是數(shù)學(xué)素養(yǎng)，也就是學(xué)生發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決多種情境下的數(shù)學(xué)問題時(shí)進(jìn)行分析、推斷和有效交流思想的能力。STEM教育是一種綜合性的教育，將原本零散的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科融合起來，從而形成一個(gè)新的課程體系，目標(biāo)是使學(xué)生學(xué)習(xí)知識后，將所學(xué)知識運(yùn)用到各學(xué)科領(lǐng)域，探究每個(gè)學(xué)科的相互聯(lián)系，達(dá)到學(xué)以致用目的。

（二）STEM教育實(shí)施的要求

為協(xié)調(diào)好綜合實(shí)踐等國內(nèi)高中課程與STEM的關(guān)系，要滿足以下三方面①實(shí)現(xiàn)真的跨學(xué)科②與真實(shí)結(jié)合，任務(wù)不單一③開放性結(jié)果，過程性評價(jià)的STEM項(xiàng)目要求。

基于智能家居的STEM校本課程選取了“智能晾衣服器”來實(shí)施教學(xué)，因?yàn)橹悄芰酪路鹘Y(jié)合生活實(shí)際問題：當(dāng)下雨時(shí)，家里沒人或家人睡著了或不知下雨，衣服就會淋雨。由此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生思考，如何實(shí)現(xiàn)智能晾衣服？智能晾衣服器的設(shè)計(jì)制作過程包含科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識，經(jīng)歷設(shè)計(jì)制作過程可實(shí)現(xiàn)真的跨學(xué)科。

二、智能晾衣服器課程實(shí)施

（一）教學(xué)目標(biāo)

1.科學(xué)

①了解降雨的溫、濕度數(shù)據(jù)變化，結(jié)合環(huán)境光亮度的變化綜合判斷是否會下雨。②了解電能、動(dòng)能等各種能量轉(zhuǎn)換相關(guān)知識，并運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)中。③認(rèn)識實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)的方法及設(shè)計(jì)理念。

2.技術(shù)與工程

①了解結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)制作晾衣架時(shí)加以運(yùn)用。②了解機(jī)械傳動(dòng)原理，在設(shè)計(jì)制作過程中加以運(yùn)用。③了解簡單電路知識，運(yùn)用Arduino組件設(shè)計(jì)有一定智能的晾收衣服電路。

3.數(shù)學(xué)

①了解求面積的原理。②運(yùn)用數(shù)學(xué)原理及技能，解決工程難題，如計(jì)算晾衣架的長寬高、晾衣密度和收衣繩的長度等，以及繪制圖表。

4.綜合實(shí)踐活動(dòng)

①通過動(dòng)手設(shè)計(jì)制作智能晾衣架器，培養(yǎng)動(dòng)手能力。②學(xué)會運(yùn)用控制變量開展科學(xué)探究，并做出基于證據(jù)的解釋，解決實(shí)際問題。③在活動(dòng)中，培養(yǎng)學(xué)生的想象能力、節(jié)能環(huán)保的意識及其社會責(zé)任感。④在小組討論中，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神與交流能力。

（二）授課環(huán)節(jié)

該課程設(shè)計(jì)了如下的幾個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)：

1.情景引入

“興趣是最好的老師”，為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，通過播放衣服在風(fēng)雨中飄搖的視頻，進(jìn)而引出“如何設(shè)計(jì)制作家居智能晾曬衣服器”的課題。從而引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，

2.實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

教師展示Arduino Nano開發(fā)板、舵機(jī)、雨滴傳感器，并說明其結(jié)構(gòu)原理，接著展示編程工具linkboy及其簡要編程方法。并提出學(xué)習(xí)任務(wù)：利用nano主控制器、雨滴傳感器、舵機(jī)來設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)雨滴傳感器檢測到有雨時(shí)即舵機(jī)旋轉(zhuǎn)180度，無雨時(shí)則舵機(jī)不動(dòng)的簡易智能晾曬衣服器。

學(xué)生根據(jù)教師的設(shè)計(jì)和解說，在學(xué)案的指引下，利用linkboy軟件對簡易智能晾曬衣服器進(jìn)行仿真。仿真通過的小組領(lǐng)取實(shí)物硬件進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行電路和程序的仿真和實(shí)驗(yàn)，以此來了解和學(xué)習(xí)開源硬件基本工作原理和linkboy軟件使用方法，這是一個(gè)實(shí)踐、學(xué)習(xí)的過程。

3.模仿制造

待學(xué)生掌握了一定的系統(tǒng)應(yīng)用技能后，可提出進(jìn)一步學(xué)習(xí)的要求——請思考和實(shí)踐：雨滴傳感器檢測到下雨后將持續(xù)報(bào)警，直到主人按下確認(rèn)按鈕后才解除。該系統(tǒng)是上一系統(tǒng)的改進(jìn)版，增加了蜂鳴器和確認(rèn)按鈕。

學(xué)生需對上一環(huán)節(jié)的知識進(jìn)行遷移，借助linkboy仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的幫助來構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)新系統(tǒng)，并給新系統(tǒng)編寫驅(qū)動(dòng)程序，從而解決問題。此環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)生應(yīng)用前面所學(xué)知識進(jìn)行仿造，并拓展學(xué)習(xí)相關(guān)知識，使知識得到鞏固和升華。

4.創(chuàng)新提高

每個(gè)課題要有三個(gè)不同的學(xué)習(xí)層次可供學(xué)生選擇，第一個(gè)層次比較基礎(chǔ)，第三個(gè)層次對學(xué)生有比較大的挑戰(zhàn)。所以設(shè)計(jì)第三層次的學(xué)習(xí)是探索下雨過后出太陽時(shí)，將衣服送出去曬的環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)既提高了學(xué)有余力學(xué)生的解題、設(shè)計(jì)能力，也防止學(xué)生因無所是事而影響其他學(xué)生的解答。當(dāng)然后續(xù)的家居智能晾曬衣服器則可以關(guān)注衣服在強(qiáng)光照射下容易褪色、風(fēng)化等現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識與提出問題能力。

5.交流總結(jié)

學(xué)生進(jìn)行交流分享收獲，對學(xué)習(xí)過程和設(shè)計(jì)制作過程進(jìn)行評價(jià)。簡而言之，從學(xué)生生活中的實(shí)際問題出發(fā)，通過提出問題，引發(fā)猜想，設(shè)計(jì)方案，實(shí)施方案，最后解決問題，與同學(xué)交流分享收獲。從而達(dá)到跨學(xué)科的學(xué)習(xí)目的。

綜上所述，基于STEM理念的家居智能晾曬衣服器校本課程教學(xué)符合現(xiàn)代教學(xué)理念，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，讓他們掌握了機(jī)器人的知識與技術(shù)，且充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，提升解決問題的能力及STEM素養(yǎng)，有效促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]趙中建.STEM：美國教育戰(zhàn)略的重中之重[J].上海教育，2012（11）：16.

[2]電子開發(fā)圈_公眾號.基于單片機(jī)的的智能晾衣系統(tǒng)設(shè)計(jì)（電路+流程）.2019-05-31.https：//blog.csdn.net/ weixin_42625444/article/details/90711137.