李 巖 陳 杰

隨著智能互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，知識經(jīng)濟(jì)、第四次工業(yè)革命呼喚創(chuàng)新型、復(fù)合型人才。STEM教育“以真實(shí)問題解決為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，在實(shí)踐中應(yīng)用知識、獲得知識，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、復(fù)合思維和創(chuàng)新思維”，發(fā)展學(xué)生STEM素養(yǎng)以回應(yīng)時(shí)代呼喚。

一、STEM素養(yǎng)的意涵

所謂STEM素養(yǎng)，即面向真實(shí)問題，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程等學(xué)科相關(guān)知識、技能、方法、情感、態(tài)度和價(jià)值觀解決復(fù)雜問題的能力。學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展首先伴隨著跨學(xué)科學(xué)習(xí)的展開，跨學(xué)科學(xué)習(xí)可以促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程等各學(xué)科知識間的關(guān)聯(lián)，改善傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式。發(fā)展STEM素養(yǎng)主要以面向真實(shí)情境的項(xiàng)目化實(shí)踐為模式，實(shí)踐中學(xué)生將所學(xué)與真實(shí)世界聯(lián)結(jié)，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識和技能，彌補(bǔ)分科教學(xué)知識割裂的不足。優(yōu)秀的STEM素養(yǎng)意味著學(xué)生擁有創(chuàng)造性解決問題的能力，他們樂于科學(xué)探究，敢于技術(shù)實(shí)踐，善于運(yùn)用數(shù)學(xué)和編程等手段完成優(yōu)選的工程作品或方案。

二、項(xiàng)目：STEM素養(yǎng)發(fā)展的抓手

項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施對發(fā)展學(xué)生STEM素養(yǎng)的意義重大，體現(xiàn)在項(xiàng)目選題、方案構(gòu)思、作品制作和評測優(yōu)化等各個(gè)環(huán)節(jié)，下面以“人臉識別物聯(lián)測溫儀”項(xiàng)目為例。

1.選題：開啟真實(shí)情境下的建構(gòu)與生長。

“人臉識別物聯(lián)測溫儀”選取當(dāng)下疫情防控的真實(shí)情境，組織學(xué)生通過分析，進(jìn)一步明晰測溫上報(bào)需要解決的一系列問題，如大量師生、多個(gè)入口、多個(gè)時(shí)段測溫以及數(shù)據(jù)記錄、判斷報(bào)警、結(jié)果上報(bào)等，解決這些問題并沒有成熟的路徑、模式和方法可套用，需要學(xué)生調(diào)動(dòng)已有的知識、能力、經(jīng)驗(yàn)等，甚至需要重新學(xué)習(xí)、不斷嘗試，才有可能解決。由此可見，面向真實(shí)情境的選題，能夠?yàn)閷W(xué)生提供知識建構(gòu)、能力生長的機(jī)會，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力。

指導(dǎo)學(xué)生調(diào)研和梳理，將問題拆分為：測溫、記錄、處理和報(bào)告四個(gè)主要環(huán)節(jié)，對每一環(huán)節(jié)的具體問題加以細(xì)化，由此形成防疫測溫上報(bào)流程（如圖1所示）。明晰的流程能激發(fā)學(xué)生調(diào)動(dòng)已有的學(xué)科知識和技能，增強(qiáng)解決問題的信心。

圖1 防疫測溫上報(bào)流程

2.構(gòu)思：引領(lǐng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)和知識綜合運(yùn)用。

構(gòu)思測溫的方案首先會想到手工測溫方式，但手工測溫低效煩瑣，不適合學(xué)校大規(guī)模集中測溫。自動(dòng)非接觸測溫方式速度快、報(bào)警及時(shí)，但存在數(shù)據(jù)無法與人對應(yīng)記錄的問題，難以滿足防疫回溯和精準(zhǔn)查找的需要。筆者聯(lián)系生活應(yīng)用，查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)人臉識別的人工智能技術(shù)具有應(yīng)用價(jià)值，于是組織學(xué)生體驗(yàn)智能模型識別人臉的過程，再借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)云端存儲數(shù)據(jù)，利用Micro：bit開源硬件，搭配非接觸式紅外溫度傳感器、Huskylens AI攝像頭視覺識別模塊和Arduino+Oblog物聯(lián)網(wǎng)模塊，“人臉識別物聯(lián)測溫儀”方案最終成型。

基于項(xiàng)目化實(shí)踐，學(xué)生在生物、物理、信息技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科之間展開跨學(xué)科學(xué)習(xí)和知識關(guān)聯(lián)，了解紅外測溫的生物基礎(chǔ)、科學(xué)原理和技術(shù)手段，感受人臉圖像的數(shù)據(jù)化以及計(jì)算機(jī)算法綜合應(yīng)用產(chǎn)生的人工智能，為問題解決提供新知識、新技能的同時(shí)，豐富自身的學(xué)習(xí)方式，更新學(xué)習(xí)觀念。

3.制作：促進(jìn)多學(xué)科融入的技術(shù)實(shí)踐。

制作防疫測溫項(xiàng)目的作品，除了開元電子器件的連接、焊接外，還有大量材料選擇和加工，不同材料加工的工具、工藝也各不相同。因此，項(xiàng)目作品的制作是一個(gè)形式十分豐富的技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)。在項(xiàng)目制作環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生利用激光切割、3D打印機(jī)、工具等硬件儀器，配合二維繪圖、三維CAD建模等軟件，在數(shù)據(jù)計(jì)算、圖形繪制、空間造型、結(jié)構(gòu)建造中，將數(shù)學(xué)學(xué)科知識自覺地融入技術(shù)實(shí)踐，保障技術(shù)實(shí)踐科學(xué)、合理、有效，為學(xué)生將頭腦中“無形”的方案變?yōu)椤坝行巍钡淖髌诽峁┝藦?qiáng)有力的支撐。

信息學(xué)科尤其是編程技術(shù)的融入，賦予“人臉識別物聯(lián)測溫儀”快速判斷個(gè)體狀況，按班級、年級、時(shí)間段等多種方式分析，發(fā)現(xiàn)體溫變化的趨勢，監(jiān)控或回溯分析異常情況的功能。借助物聯(lián)網(wǎng)平臺，除了可以便捷地查詢相關(guān)數(shù)據(jù)信息、深入挖掘數(shù)據(jù)外，還能進(jìn)一步了解師生到校時(shí)間、入口流量、午間就餐耗時(shí)等更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，為學(xué)校管理提供決策參考。

4.優(yōu)化：體驗(yàn)約束條件下的工程創(chuàng)造。

STEM項(xiàng)目的作品是在一定約束條件下所進(jìn)行的“人工的改造物質(zhì)世界的建造活動(dòng)”，也被視為工程。約束并非僅僅是限制，它也為學(xué)生的工程創(chuàng)造帶來新的機(jī)遇。與大多數(shù)工程作品一樣，“人臉識別物聯(lián)測溫儀”作品初次部署測試，發(fā)現(xiàn)會因環(huán)境的亮度、人流以及背景等干擾產(chǎn)生偏差，需要不斷修正和優(yōu)化。隨著作品的有效應(yīng)用，新需求被不斷催生出來，如檢查人員巡視測溫、重點(diǎn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測以及教室場景下的測溫等，學(xué)生能主動(dòng)分析新場景、新約束條件帶來的挑戰(zhàn)，明確問題構(gòu)思方案，探究相應(yīng)的科學(xué)原理，選擇可行的技術(shù)，通過工程實(shí)驗(yàn)、測試和迭代，創(chuàng)造了頭盔式、手環(huán)式和教室專用等系列化的作品。工程活動(dòng)要求改造者兼顧經(jīng)濟(jì)成本、藝術(shù)樣式、人文感受等諸多因素，綜合運(yùn)用科學(xué)原理、技術(shù)方法解決問題。也就是說，“優(yōu)化”為學(xué)生創(chuàng)造體驗(yàn)機(jī)會，為學(xué)生工程思維的發(fā)展提供了最佳訓(xùn)練園地，進(jìn)而讓學(xué)生在不斷優(yōu)化中感受迭代的力量，逐漸理解迭代不僅是一種基本的數(shù)學(xué)思想和常用的編程方法，也是工程優(yōu)化的基本方式。

三、思考：構(gòu)建STEM素養(yǎng)發(fā)展的場景

通過“人臉識別物聯(lián)測溫儀”項(xiàng)目可以看到，設(shè)計(jì)好每一個(gè)環(huán)節(jié)，將對學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展產(chǎn)生積極的作用。今天，人類面臨的問題日益嚴(yán)峻復(fù)雜，氣候環(huán)境、病毒防疫、人類健康、食品安全等諸多重大議題，需要運(yùn)用跨學(xué)科的方法，依托STEM人才，通過技術(shù)實(shí)踐和工程創(chuàng)造，方能應(yīng)對未來發(fā)展中的不確定性。因此，推進(jìn)學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展意義重大?！?017地平線報(bào)告（基礎(chǔ)教育版）》指出，驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)教育應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵要素包括“STEM學(xué)習(xí)的興起”。未來，各級各類學(xué)校應(yīng)充分發(fā)揮智能互聯(lián)技術(shù)的優(yōu)勢，為STEM項(xiàng)目解決問題提供技術(shù)手段和跨學(xué)科學(xué)習(xí)平臺的支撐，設(shè)計(jì)并實(shí)施優(yōu)秀的STEM項(xiàng)目，構(gòu)建STEM素養(yǎng)發(fā)展項(xiàng)目化實(shí)踐的智能互聯(lián)場景，跟蹤學(xué)生發(fā)展過程，記錄并分析數(shù)據(jù)，評價(jià)STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐效果，為學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展提供更科學(xué)、更精準(zhǔn)的分析，為社會培養(yǎng)更多STEM素養(yǎng)優(yōu)良的創(chuàng)造型人才。