丁方方

（宿遷市鐘吾初級(jí)中學(xué)，江蘇宿遷 223800）

引 言

科技是國(guó)家強(qiáng)盛之基，創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂?？萍紕?chuàng)新是促進(jìn)國(guó)家、民族發(fā)展的重要力量，也是社會(huì)進(jìn)步的重要推動(dòng)力。如今，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新理念的人才已成為當(dāng)代教育人士的共識(shí)。因此，培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才應(yīng)從中小學(xué)教育抓起，從平時(shí)的課堂教學(xué)抓起，讓教育承擔(dān)起國(guó)家創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主要責(zé)任。

一、STEM教育理念

STEM代表科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）、數(shù)學(xué)（mathematics），STEM學(xué)習(xí)不是簡(jiǎn)單地把科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行疊加，而是特別強(qiáng)調(diào)將本來(lái)分散的四門(mén)學(xué)科自然地組合，形成新的整體[1]。本文研究的正是基于STEM教育理論，選取生活中的實(shí)例，將不易理解的科學(xué)理論知識(shí)融入直觀生動(dòng)的實(shí)踐課程，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、技術(shù)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生在理解知識(shí)的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)應(yīng)用知識(shí)解決具體問(wèn)題，從而在解決問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)展人文素養(yǎng)，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的根本目的[2]。

二、研究課程概述

物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目課程是新課標(biāo)九年級(jí)第四章的內(nèi)容，運(yùn)用Arduino 進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)也是我校的特色校本課程，“制作智能小夜燈”正是校本課程中非常具有代表性的一節(jié)。該課程充分利用多種學(xué)科資源，注重鍛煉學(xué)生的操作技能與實(shí)踐能力，鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐、勇于探索、敢于創(chuàng)新，不斷提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。這與STEM教育理念不謀而合，既注重聯(lián)系與整合學(xué)科知識(shí)，也重視知識(shí)的綜合運(yùn)用[3]。本文以此項(xiàng)探究課程為例，詳細(xì)介紹了基于STEM理念的課程教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)踐過(guò)程以及由此引發(fā)的思考。

（一）教學(xué)背景和學(xué)情分析

“制作智能小夜燈”課程內(nèi)容分為三個(gè)部分：傳感器以及Arduino 編程軟件的初識(shí)；完成小夜燈的硬件連接和軟件設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；完善和優(yōu)化小夜燈作品的設(shè)計(jì)和制作，開(kāi)展評(píng)價(jià)和展示交流活動(dòng)。

本課授課對(duì)象為九年級(jí)學(xué)生。通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)具備一定的信息素養(yǎng)，已經(jīng)初步了解了相關(guān)知識(shí)，對(duì)生活中常見(jiàn)的傳感器和圖形化編程軟件也有基本認(rèn)知。他們將在“制作智能小夜燈”的STEM課程中根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)主題，并通過(guò)學(xué)習(xí)基于知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)教程，在教師的指導(dǎo)和小組同學(xué)的協(xié)作下完成作品。

（二）課程設(shè)計(jì)的思路

課程設(shè)計(jì)的思路是以“制作智能小夜燈”為主題組織課程，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)融入課程，鼓勵(lì)學(xué)生大膽實(shí)踐，在潛移默化中提升綜合素養(yǎng)，進(jìn)一步培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。完成課程需要學(xué)習(xí)并綜合運(yùn)用的知識(shí)包括：科學(xué)——了解Arduino 板和傳感器的工作原理，掌握電路的連接方法和物理原理[4]；技術(shù)——學(xué)生在動(dòng)手制作作品過(guò)程中體現(xiàn)的正是技術(shù)素養(yǎng)，學(xué)習(xí)和充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程、積木裝配等技術(shù)手段完成作品，實(shí)現(xiàn)功能；工程——圍繞課程目標(biāo)，合理規(guī)劃和選擇合適的傳感器，針對(duì)不同的傳感器，運(yùn)用不同的計(jì)算機(jī)編程方式；數(shù)學(xué)——在課程相關(guān)器材功能、物理性質(zhì)描述以及計(jì)算機(jī)編程和測(cè)試階段都體現(xiàn)了數(shù)學(xué)知識(shí)的運(yùn)用。

（三）主題課程基本流程

環(huán)節(jié)1：創(chuàng)設(shè)情境，提出項(xiàng)目

讓學(xué)生回顧生活中的各種燈具，說(shuō)出哪些燈給人們的生活帶來(lái)方便。播放《智能燈具——讓科技安全你的家》視頻。學(xué)生通過(guò)觀看視頻，思考自己想設(shè)計(jì)一款什么樣的小夜燈，演示人體感應(yīng)光控小夜燈。

設(shè)計(jì)意圖：從生活中的燈具延伸到學(xué)生心中所想的小夜燈，問(wèn)題直擊學(xué)生心靈，既激發(fā)了學(xué)生的興趣又開(kāi)拓了學(xué)生的思維。教師和學(xué)生通過(guò)討論總結(jié)出智能小夜燈的多種控制方式以及可能運(yùn)用的傳感器。

環(huán)節(jié)2：觀察討論，探索新知

學(xué)生分析演示的智能燈安裝了什么傳感器，在光線不足時(shí)光照傳感器所發(fā)揮的作用，當(dāng)人體經(jīng)過(guò)時(shí)人體紅外傳感器會(huì)有怎樣的響應(yīng)。學(xué)生通過(guò)閱讀教材和查閱資料，進(jìn)一步了解兩種傳感器的工作原理，討論兩種傳感器設(shè)置之間的邏輯關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)l(fā)學(xué)生用已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)探索新的知識(shí)；通過(guò)對(duì)材料的細(xì)致觀察，進(jìn)一步判斷得出結(jié)果。通過(guò)各組之間的討論交流，達(dá)成一致的意見(jiàn)。

環(huán)節(jié)3：勇于實(shí)踐，探究真知

學(xué)生選取需要的傳感器和連接線分小組制作，物聯(lián)創(chuàng)新主控板上有11個(gè)黑色端口，用于連接各種傳感器，用黑色RJ11 線將光照傳感器和LED 燈連到主控板1—11 任兩個(gè)端口上。制作時(shí)，注意USB 數(shù)據(jù)線接口，一頭連接主控板，另一頭連接電腦USB 接口。

硬件連接好后，打開(kāi)xDing 軟件，連接主控板和電腦，再連接串口，開(kāi)始程序的編寫(xiě)和設(shè)置。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)起鋪墊的作用，扎實(shí)掌握學(xué)科知識(shí)為下一步頭腦風(fēng)暴活動(dòng)的開(kāi)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。學(xué)生根據(jù)需求自主搭建電路，設(shè)計(jì)程序。在實(shí)際操作中，可能出現(xiàn)程序編寫(xiě)邏輯錯(cuò)誤以及程序中的端口和安裝的端口不對(duì)應(yīng)導(dǎo)致無(wú)法呈現(xiàn)應(yīng)有效果等問(wèn)題，此時(shí)，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展小組協(xié)作、相互配合，從而得出正確的實(shí)踐結(jié)果。通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生體驗(yàn)到運(yùn)用語(yǔ)言、流程圖等其他表達(dá)信息的方式，更感受到使用編程語(yǔ)言和單片機(jī)、傳感器等數(shù)字化工具創(chuàng)新作品的方式[5]。

環(huán)節(jié)4：拓展探究，求索創(chuàng)新

學(xué)生根據(jù)教師提供的材料箱自主設(shè)計(jì)一款智能小夜燈，圍繞主題在組內(nèi)充分討論，盡可能提出各種創(chuàng)意，并進(jìn)行需求分析，結(jié)合提供的器材和制作時(shí)間等進(jìn)行篩選，進(jìn)一步完善小組方案，并開(kāi)始實(shí)踐創(chuàng)作。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)是項(xiàng)目的關(guān)鍵步驟，是STEM整合教育和創(chuàng)新思維培養(yǎng)最集中的體現(xiàn)。在之前環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，教師要給學(xué)生插上想象的翅膀，積極地給予鼓勵(lì)。學(xué)生在實(shí)際制作中創(chuàng)意十足，有的運(yùn)用聲音傳感器制作聲控夜燈，有的采用超聲波測(cè)距儀模塊制作距離控制開(kāi)關(guān)的小夜燈，還有的學(xué)生思維更發(fā)散，預(yù)設(shè)將稱重模塊安裝在椅子上，制作一定重量可觸發(fā)的小夜燈。也許學(xué)生今天的大膽設(shè)想，明天就會(huì)為人們的生活帶來(lái)無(wú)盡的便捷。

環(huán)節(jié)5：作品展示，交流評(píng)價(jià)

引導(dǎo)學(xué)生分小組展示作品，圍繞主題從what（作品名稱）、who（作者是誰(shuí)）、why（設(shè)計(jì)初衷）、where（作品適合在何處使用）、when（何時(shí)使用）、how（現(xiàn)場(chǎng)演示如何使用）六個(gè)角度介紹作品，并對(duì)作品的新穎性、實(shí)用性、創(chuàng)造性和小組合作參與度等開(kāi)展組間和組內(nèi)互評(píng)，促進(jìn)學(xué)生間的交流和共同提升。

設(shè)計(jì)意圖：STEM課程注重學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升，其中口頭表達(dá)能力、溝通表達(dá)能力也是很重要的方面。有時(shí)看似不起眼的作品，如果用生動(dòng)的語(yǔ)言創(chuàng)設(shè)故事情境，作品就會(huì)更加靈動(dòng)。學(xué)生在交流和展示中總結(jié)與反思項(xiàng)目創(chuàng)意的提出、篩選、實(shí)施、改造全過(guò)程，同時(shí)也在交流中認(rèn)識(shí)到自己作品的不足，如傳感器選取是否合理、程序是否足夠優(yōu)化、作品在配色以及實(shí)用性等方面還有哪些需要改進(jìn)的地方……這都為今后進(jìn)一步迭代更新指明了方向[6]。

三、教學(xué)反思

經(jīng)過(guò)“制作智能小夜燈”項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生深深體會(huì)到探索的艱辛和科學(xué)的魅力。STEM教育注重體驗(yàn)性，經(jīng)過(guò)合理設(shè)想，進(jìn)行一次次科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)和探索、實(shí)驗(yàn)操作以及改進(jìn)，最后設(shè)計(jì)制作出各種智能小夜燈。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，將碎片化知識(shí)進(jìn)行整合，可以提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，也讓學(xué)生深深體會(huì)到科學(xué)研究的不易，體會(huì)到科學(xué)研究者必備的好學(xué)、勤奮、嚴(yán)謹(jǐn)、毅力等意志品質(zhì)。

結(jié) 語(yǔ)

有人說(shuō)，STEM教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生“能帶走的能力”，而不是“背不動(dòng)的書(shū)包”。課程內(nèi)容取材于生活，以小組合作的方式展開(kāi)教學(xué)，一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也培養(yǎng)了學(xué)生的合作意識(shí)和創(chuàng)新能力。STEM課程多學(xué)科融合的特點(diǎn)對(duì)教師的要求很高，這就要求教師不能故步自封，只研究自己所從事的學(xué)科專業(yè)知識(shí)，而應(yīng)該多與其他學(xué)科教師交流，不斷學(xué)習(xí)新課程背景下的教育理論，更新教育觀念，從而提高自身的綜合素養(yǎng)。