物联网背景下STEM课程的开发和应用

周明星

STEM课程的开发和应用已经在很多领域开花，课程设计的理念方法也日渐清晰明确。物联网是现在及未来智能生活的技术基础，相关应用已经遍布生产生活，现在将STEM的教育理念渗透到物联网的知识普及中，是具有前瞻性、战略性的教育举措。本文从话题研究的重要意义，以“长眼睛的小嘴巴”为案例，将课程的开发和应用研究策略应用其中，详细阐述策略在案例中的应用。

物联网背景下的STEM课程是以物联网技术为背景，以项目研究为抓手，立足学生的综合素养提升，使学生在项目完成的同时，主动建构或者重构知识体系。

一、概念界定

（一）STEM教育

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四个词的缩写，STEM教育就是培养学生科学、技术、工程和数学综合素养的教育。STEM教育是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式。

（二）物联网

物联网就是物物相连的互联网，是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

二、研究背景及意义

STEM教育在中国起步虽晚，但政策推动的速度与力度却非常大。2015年教育部在《教育信息化“十三五”规划纲要》中指出，要“积极探索STEM教育”，2017年中国教科院在京成立STEM教育研究中心。2018年中国STEM教育2029年行动计划启动。《义务教育小学科学课程标准》倡导STEM教育跨学科学习方式。目前，国内STEM课程的开发与应用有两个方向：一是与教材的融合;二是融入课外兴趣活动。本文的案例属于第二种。

物联网是当今时代发展浪潮中的重要角色，是智能生活的重要技术支持。家用汽车远程启动、停车位的实时信息显示、智能家居等这些生活中的实际应用让人们对物联网并不陌生。国内多家高校开设了物联网相关专业，但小学阶段尚未开设物联网相关课程。

物联网中涉及多种信息传感设备。这些传感设备涉及的知识与科学相关联，也就是STEM中的“S”;传感器的合理应用，以及与具体“物”的搭配结合则是STEM的“T”;物联网设备的应用需要借助造型模块的创意搭建，此中动手操作则为STEM的“E”;所有产品的设计与应用都离不开成本的控制，造型的设计包括了很多形状的结合，此为STEM的“M”。我们以STEM教育理念为指挥棒，在物联网的背景下进行STEM课程的开发和应用，为学生搭建物联网学习的平台，使之能了解物联网领域的相关知识概念，尽早熟悉这一热门领域，形成物联网创新思维，以更具时代发展意义的内容融合多个学科内容，提升学生的综合素养。在这样的时代背景下，我们将物联网概念和创新能力植根于小学的课程中，具有时代前瞻性。

三、物联网背景下的STEM课程开发和应用

（一）“长眼睛的小嘴巴”课程背景

“长眼睛的小嘴巴”实际上是由红外线控制的录音机。这种录音机可以由红外传感器触发，并播放提前录制好声音。红外传感器是物联网传感设备中常用的一种。传感器就好像是人的手或者眼睛，可以获取一些外界的信息。当外界信息改变时，传感器可以在一定条件下控制录音设备的开闭。

“红外线”这个词对于五年级的学生来说并不陌生，已经有部分热爱科学的学生能够说得头头是道了。其应用在生活中比较普遍，比如，电视机遥控器。但是还有大部分学生对红外线并不熟悉，甚至有少部分都没听说过这个名词。这时就需要教师结合五年级学生的学情，深入浅出地为学生做好基础知识的铺垫。

（二）课程实施的方法和建议

1.基于真实问题情境，构建项目

情境：生活中有没有忘带过教师要求带的物品？有没有过本来外出时想带的东西，结果出门时给忘了？（这时会有大部分学生表示曾经经历过这样的事情。）

问题1：你们有没有想过怎么解决这个问题呢？（学生的部分办法：1.写一个便笺纸贴在醒目的位置提醒自己;2.定好闹钟提醒自己;3.让爸妈提醒自己……）

问题2：那你的问题解决了吗？（大部分的学生会说解决了，还有部分学生说有时还是会忘记。）

问题3：为什么已经写了便笺纸了，或者定好闹钟，还能忘记带呢？（学生的回答：1.因为便笺纸我也忘记看了;2.因为出门时间提前或者推后，闹钟提醒的时机不对……）

问题4：怎么才能解决你的問题呢？请大家讨论一下，把你们的方案记录下来。

学生活动：说出自己的方案，把想法分享给大家。

【设计意图】在STEM课程设计中，问题情境的设计很重要，是一堂课成功与否的关键一步。情境是基于学生常常遇到的真实问题而创设的。这不仅可以吸引学生的注意力，还可以激发学生的求知欲望，最大限度地提高学生参与项目研究的积极性。一堂高效的课堂也就有了前提保障。本项目的问题是有一定生活基础的，学生在平时的生活中已经有了一些思考，在交流分享过程中，教师的引导要紧紧围绕“问题如何解决”，将学生逐步推向解决问题的核心要素——适时准确地提醒！

教师活动：你们现在需要的是“适时准确的提醒”，如何实现这一目标呢？今天给大家介绍一种智能设备——“红外线”传感器。

知识铺垫：红外线又称红外光，是我们平时看不见的一种光。我们身边的几乎所有物体都能辐射红外线。红外线传感器就是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，有灵敏度高、反应快等优点。红外线传感器能探测人体发出的红外线，当人进入监视区域内时，即可发出信号。

录音机是一种可以录制声音并进行播放的装置。

【设计意图】此刻，学生有想法但是缺乏相关的物联网知识，在这个环节安排相应的知识铺垫，是顺应学生思维进阶需求的。对于五年级的学生来说，红外线传感器的知识内容要做到深入浅出，以学生能够接受的表达方式，将红外线及红外线传感器的功能和作用介绍给学生，让他们不至于对较为复杂的专业知识望而生畏，对进一步的探究产生抗拒心理。相反，应该让他们获得绝渡逢舟的喜悦，感到暗室逢灯的庆幸。

2.项目分解，设计方案

问题1：这些智能设备是否可以滿足你的需要呢？

学生活动：回答对这些设备功能的利用方法。

教师活动：梳理后形成方案，可以用红外线检测人的存在，然后控制录音机播放提醒的内容。就像是红外线这样的眼睛在监视着四周，当发现有人经过的时候，用自己的小嘴巴（也就是录音机）来提醒主人别忘了带需要的东西出门。

问题2：这种装置应该放在哪里？如何提升它在家中的和谐程度？

学生活动：讨论装置放在哪里，并设计作品的外形，形成方案。

教师活动：教师巡视，参与一些小组的讨论，给出引导性建议。

【设计意图】思路在上一环节得以顺延，但是如何具体实施，又面临新的问题。教师将项目逐步分解，细化到学生通过一番努力最终可以解决的程度。这样的做法在体现学生主体性的同时，也发挥了教师的引导作用，还能为学生积累继续研究的信心和兴趣。另外，作品的使用场景和外形设计也是作品设计中必须考虑的因素。这两项的加入既提升了学生全面考虑问题的缜密思维，也提升了学生对美的重视程度和赏析能力。

3.制作产品，评价交流

问题1：请你利用手边的材料，根据小组谈论的方案完成作品。

学生活动：小组成员在组长的分配下，协同合作，完成作品制作，准备好分享的解说词，选好小组的分享代表。

提示1：制作过程中工具的安全使用。

提示2：红外探测头的安装方向要注意什么问题？

教师活动：工具的安全使用提醒;针对不同的作品提出引导性的意见或者建议;敦促各小组的制作进度。

问题2：你能从身边的小组学习到什么？能为身边的小组提出什么样的建议呢？

学生活动：小组的“外交官”与其他小组进行交流，并把别人的优点带回组内研讨。

教师活动：听取小组之间的讨论，适时给出意见。

【设计意图】引导学生在实际制作中发现问题，解决问题，促进学生进一步深入学习。引导学生在交流讨论中学习，不断深化对问题的思考，学习如何参与小组内和小组间的合作交流。“外交官”的角色设计不仅发挥了学生的特长，也提升了小组间沟通的效率，让组内讨论和组间交流事半功倍。

4.展示产品

问题：请各小组将作品呈现给大家，并向大家介绍一下你的产品。主要包括你的设计意图、呈现方法、使用方法、功能作用等方面。

学生活动：由各小组的“演说家”向大家介绍本组的产品。

教师活动：为各小组的表达做及时的补充和说明，引导学生如何完美地展示自己的产品。

【设计意图】适时正面地引导是学生提升表达能力的重要方式。当学生一时语塞，不知如何表达时，教师可以及时搭台;当学生遇到尴尬时，教师可以及时化解，营造班级的好气氛。这些都是一个优质课堂的前提保障。

5.优化与拓展

问题1：你对别人的产品有什么意见和建议？

学生活动：对别人的产品提出自己的观点，赞许别人的优点或者为别人提出修改意见。

问题2：设计的作品是否可以兼顾其他的功能作用？

学生活动：根据自己的产品思考是否可以添加其他的作用，让作品增加实用性。

【设计意图】引导学生相互学习，提升学生的思辨能力;促使学生对项目再研究，不断细化产品的设计。

（三）反思

本节课以“制作长眼睛的小嘴巴”这个主线展开，按照“基于真实问题情境，构建项目—项目分解，设计方案—制作产品，评价交流—展示产品—优化与拓展”5个环节循序渐进，重点解决“如何防止忘带东西”这个真实的生活问题。

STEM教学模式具有实践与创造并存的特点，在课程实施过程中，要突出学生的主体地位，发挥教师的引导性作用，从真实问题出发，让学生在问题解决的过程中，将多个学科内容融会贯通，提升自我的学科知识整合能力，进而提升自身的综合素养。教师在这样的教学模式中，也要不断地学习，更新原有的教学思维惯性，增强自身的教学知识储备，尤其是自身所教学科之外的知识储备，这样才能适应STEM教学新模式带来的变化。要想给学生一瓢水，自身需注满一桶水。当然，回顾这堂课，依然还有很多可以改进的地方。比如，学生的思维有痕。设计方案的修改过程可以显现学生进行交流的痕迹，这是自我提升、相互学习借鉴的良好时机，教师可以引导学生在这里多加汇报。再如，学生呈现的结果大多是团体思考交流的结果。这种方式有明显的优点，那就是呈现出来的是相对成熟的想法，但同时舍弃了学生个体迸发出的奇思妙想，所以在教学中也相辅相成，要伺机调和。

（四）建议

以下是我对物联网背景下STEM课程的开发和应用研究的一点建议。

1.适宜的项目

合适的项目要贴近生活、有意义，能够体现出物联网对问题解决的重要作用，能够体现科学核心素养，要对学生有足够的吸引力。本文中提及的“如何防止忘带东西”就是一个从学生日常生活中获取的具有普遍性的问题，可以很好地激发学生的研究兴趣，并且最终可以通过物联网中的智能设备解决问题。另外，搜集学生自己的问题也是一个很有意义的选题方法。

2.形式多样，趣理相生

在项目研究过程中，以多样的形式开展各个环节，增加课程的趣味。充满趣味的研究过程是一堂高效课堂的有力保障。比如，在展示环节可以以比赛、拍卖、公开展示、媒体报道、海报交流……形式呈现。让学生在变化多端的课堂形式中始终保持高昂的兴趣和探究的积极性。

3.利用教材，多元开发

STEM教育普及过程中一个很大的障碍，就是课程实施的时间问题。在实施国家课程之余，留给小学生的时间寥寥无几。如果课程中有相关的话题，将会是一个很有推广意义的实施方法。比如，教科版四年级上册的科学课有《弹簧测力计》一课，这节课的课后有一个自制弹簧测力计的拓展，这就是一个很好的STEM课程切入点。

4.开发身边的物联网应用

天文现象的观测自带趣味魅力，可以将天文现象的成因模拟，作为STEM课程的探究项目。利用物联网视频直播技术进行网络直播，营造探究氛围，激发学生的探究欲望。沉浸式的探究环境可以为学生探究新知做好高阶铺垫，可以让学生浸润在问题探究中，沉浸在探究的过程中。