基于初中科技创新活动开发的STEM课程研究——以“制作智能小夜灯”为例

丁方方

（宿迁市钟吾初级中学，江苏宿迁 223800）

引 言

科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂。科技创新是促进国家、民族发展的重要力量，也是社会进步的重要推动力。如今，培养具有创新精神和创新理念的人才已成为当代教育人士的共识。因此，培养科技创新人才应从中小学教育抓起，从平时的课堂教学抓起，让教育承担起国家创新人才培养的主要责任。

一、STEM教育理念

STEM代表科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）、数学（mathematics），STEM学习不是简单地把科学、技术、工程和数学知识进行叠加，而是特别强调将本来分散的四门学科自然地组合，形成新的整体[1]。本文研究的正是基于STEM教育理论，选取生活中的实例，将不易理解的科学理论知识融入直观生动的实践课程，综合运用数学、物理、技术的知识解决实际问题，让学生在理解知识的基础上学会应用知识解决具体问题，从而在解决问题的过程中发展人文素养，最终实现培养创新型人才的根本目的[2]。

二、研究课程概述

物联网项目课程是新课标九年级第四章的内容，运用Arduino 进行创新设计也是我校的特色校本课程，“制作智能小夜灯”正是校本课程中非常具有代表性的一节。该课程充分利用多种学科资源，注重锻炼学生的操作技能与实践能力，鼓励学生开展实践、勇于探索、敢于创新，不断提高学生的综合素养。这与STEM教育理念不谋而合，既注重联系与整合学科知识，也重视知识的综合运用[3]。本文以此项探究课程为例，详细介绍了基于STEM理念的课程教学设计、实践过程以及由此引发的思考。

（一）教学背景和学情分析

“制作智能小夜灯”课程内容分为三个部分：传感器以及Arduino 编程软件的初识；完成小夜灯的硬件连接和软件设计以实现自动化控制；完善和优化小夜灯作品的设计和制作，开展评价和展示交流活动。

本课授课对象为九年级学生。通过前面的学习，学生已经具备一定的信息素养，已经初步了解了相关知识，对生活中常见的传感器和图形化编程软件也有基本认知。他们将在“制作智能小夜灯”的STEM课程中根据实际情况选择相应的设计主题，并通过学习基于知识点的相关教程，在教师的指导和小组同学的协作下完成作品。

（二）课程设计的思路

课程设计的思路是以“制作智能小夜灯”为主题组织课程，将科学、技术、工程、数学等学科知识融入课程，鼓励学生大胆实践，在潜移默化中提升综合素养，进一步培养创新意识和创新能力。完成课程需要学习并综合运用的知识包括：科学——了解Arduino 板和传感器的工作原理，掌握电路的连接方法和物理原理[4]；技术——学生在动手制作作品过程中体现的正是技术素养，学习和充分运用计算机编程、积木装配等技术手段完成作品，实现功能；工程——围绕课程目标，合理规划和选择合适的传感器，针对不同的传感器，运用不同的计算机编程方式；数学——在课程相关器材功能、物理性质描述以及计算机编程和测试阶段都体现了数学知识的运用。

（三）主题课程基本流程

环节1：创设情境，提出项目

让学生回顾生活中的各种灯具，说出哪些灯给人们的生活带来方便。播放《智能灯具——让科技安全你的家》视频。学生通过观看视频，思考自己想设计一款什么样的小夜灯，演示人体感应光控小夜灯。

设计意图：从生活中的灯具延伸到学生心中所想的小夜灯，问题直击学生心灵，既激发了学生的兴趣又开拓了学生的思维。教师和学生通过讨论总结出智能小夜灯的多种控制方式以及可能运用的传感器。

环节2：观察讨论，探索新知

学生分析演示的智能灯安装了什么传感器，在光线不足时光照传感器所发挥的作用，当人体经过时人体红外传感器会有怎样的响应。学生通过阅读教材和查阅资料，进一步了解两种传感器的工作原理，讨论两种传感器设置之间的逻辑关系。

设计意图：启发学生用已有知识经验探索新的知识；通过对材料的细致观察，进一步判断得出结果。通过各组之间的讨论交流，达成一致的意见。

环节3：勇于实践，探究真知

学生选取需要的传感器和连接线分小组制作，物联创新主控板上有11个黑色端口，用于连接各种传感器，用黑色RJ11 线将光照传感器和LED 灯连到主控板1—11 任两个端口上。制作时，注意USB 数据线接口，一头连接主控板，另一头连接电脑USB 接口。

硬件连接好后，打开xDing 软件，连接主控板和电脑，再连接串口，开始程序的编写和设置。

设计意图：本环节起铺垫的作用，扎实掌握学科知识为下一步头脑风暴活动的开展奠定坚实的基础。学生根据需求自主搭建电路，设计程序。在实际操作中，可能出现程序编写逻辑错误以及程序中的端口和安装的端口不对应导致无法呈现应有效果等问题，此时，教师应鼓励学生开展小组协作、相互配合，从而得出正确的实践结果。通过实践活动，学生体验到运用语言、流程图等其他表达信息的方式，更感受到使用编程语言和单片机、传感器等数字化工具创新作品的方式[5]。

环节4：拓展探究，求索创新

学生根据教师提供的材料箱自主设计一款智能小夜灯，围绕主题在组内充分讨论，尽可能提出各种创意，并进行需求分析，结合提供的器材和制作时间等进行筛选，进一步完善小组方案，并开始实践创作。

设计意图：本环节是项目的关键步骤，是STEM整合教育和创新思维培养最集中的体现。在之前环节的基础上，教师要给学生插上想象的翅膀，积极地给予鼓励。学生在实际制作中创意十足，有的运用声音传感器制作声控夜灯，有的采用超声波测距仪模块制作距离控制开关的小夜灯，还有的学生思维更发散，预设将称重模块安装在椅子上，制作一定重量可触发的小夜灯。也许学生今天的大胆设想，明天就会为人们的生活带来无尽的便捷。

环节5：作品展示，交流评价

引导学生分小组展示作品，围绕主题从what（作品名称）、who（作者是谁）、why（设计初衷）、where（作品适合在何处使用）、when（何时使用）、how（现场演示如何使用）六个角度介绍作品，并对作品的新颖性、实用性、创造性和小组合作参与度等开展组间和组内互评，促进学生间的交流和共同提升。

设计意图：STEM课程注重学生综合素养的提升，其中口头表达能力、沟通表达能力也是很重要的方面。有时看似不起眼的作品，如果用生动的语言创设故事情境，作品就会更加灵动。学生在交流和展示中总结与反思项目创意的提出、筛选、实施、改造全过程，同时也在交流中认识到自己作品的不足，如传感器选取是否合理、程序是否足够优化、作品在配色以及实用性等方面还有哪些需要改进的地方……这都为今后进一步迭代更新指明了方向[6]。

三、教学反思

经过“制作智能小夜灯”项目的学习，学生深深体会到探索的艰辛和科学的魅力。STEM教育注重体验性，经过合理设想，进行一次次科学知识的学习和探索、实验操作以及改进，最后设计制作出各种智能小夜灯。在学习过程中，将碎片化知识进行整合，可以提高学生综合运用知识解决问题的能力，也让学生深深体会到科学研究的不易，体会到科学研究者必备的好学、勤奋、严谨、毅力等意志品质。

结 语

有人说，STEM教学是培养学生“能带走的能力”，而不是“背不动的书包”。课程内容取材于生活，以小组合作的方式展开教学，一定程度上提高了学生的学习积极性，也培养了学生的合作意识和创新能力。STEM课程多学科融合的特点对教师的要求很高，这就要求教师不能故步自封，只研究自己所从事的学科专业知识，而应该多与其他学科教师交流，不断学习新课程背景下的教育理论，更新教育观念，从而提高自身的综合素养。