融合STEM跨学科教育理念的电子产品设计实训课程教学探索

刘雪兰，田宏伟

（1.江苏农牧科技职业学院 农业信息学院，江苏 泰州 225300；2.苏州大学 应用技术学院，江苏 昆山 215325）

0 引 言

STEM 是 科 学（Science）、技 术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称。STEM教育提倡跨学科教育，使用多学科的思维和知识解决实际问题[1]，是培养创新能力的新兴路径。目前国内中小学生STEM教育和创客教育相融合，各种竞赛活动开展得如火如荼。但是，STEM教育也存在重视技能培养、活动形式、学习结果，忽视知识学习、科学精神培养的问题[2]。对职业院校大学生而言，开展开源硬件、3D打印和机器人的创意设计，在一定程度上可以激发他们学习专业知识的兴趣，但如何进一步引导大学生开展探究活动、融入STEM教育理念、融合多学科基础知识、培养综合问题解决能力和创新思维[3-4]是专科类院校进行教学探索的目标。

电子产品设计实训一般是第四学期的项目课程，课程教学目标为培养学生电子产品设计与开发的综合能力，实训课程是C语言、印刷电路板设计、单片机应用技术等课程。课程教学团队一直采用的教学模式是CDIO项目化教学模式，CDIO 代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，以综合的培养方式使学生在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力这四个层面达到预定目标[5]。可以看出，CDIO模式对于学生工程素养的培养有很大帮助，但是对于多学科知识尤其是基础知识的融合涉及较少，而跨学科教育是培养学生解决复杂工程问题能力的重要途径。

STEM提倡跨学科教育理念，可以弥补CDIO模式在多学科知识融合方面的不足，能够引导学生把学习到的知识和技能转变成探究真实世界相互联系的不同侧面的综合能力[4]。

1 STEM跨学科整合思路

STEM教育代表了课程组织方式的重大变革。以职业院校为例，目前的课程组织形式还是分专业分学科的教学模式，基础课程如数学、物理课程，专业基础课程和专业课程均由不同学科的教师教授。然而，要让学生为未来的职业发展做准备，他们必须超越学科的界限进行思考。有研究表明，学习者接受STEM教育有助于培养他们在真实世界应用这些知识解决问题的能力，因为这些问题从本质上就是跨学科的[6]。

本文尝试在CDIO模式的项目设计中采用STEM教育理念跨学科整合教学内容。设计项目时，对项目内容从科学、技术、工程和数学方面进行教学分析，确定所选择的项目既包括跨学科内容，又能满足CDIO教学中产品设计的教学目标。

STEM项目设计强调将知识蕴含于情境化的真实问题中，强调调动学生主动积极地利用各学科的相关知识设计解决方案，跨越学科界限提高学生解决实际问题的能力[4]。因此借鉴余胜泉等[4]提出的STEM项目教学模式，提出了适合职业院校大学生的STEM跨学科整合项目教学模式，如图1所示。在该模式中，“项目”是核心，“教学分析”是首要工作，CDIO是教学重要过程。

图1 融合STEM跨学科教育理念的项目教学模式

2 STEM跨学科项目设计模式示例

电子产品设计实训课程在项目选择时一般综合考虑技术性和先进性，因此之前的课程选择教育机器人作为目标开发产品。教育机器人主要功能为读取输入输出模拟量、输入输出开关量、读取超声波传感器数据、输出直流电机PWM信号等。作为实训课程案例来讲，学习和实践内容饱满，有助于提升学生的各方面能力和素质；但STEM素养方面，工程（Engineering）教育体现较多，在科学、技术和数学方面，学生得到的锻炼偏少。以超声波传感器为例，该传感器一般用于测距和障碍物感应，在各种教育类、工业和家用电子产品中都得到了广泛应用，而且物美价廉，售价在10元左右。但是这个小小的超声波传感器中包含着不少STEM元素。

2.1 项目选择

超声波测距是一种典型的非接触式测量方法，具有易于定向发射、方向性好、强度易控制以及与被测量物体不需要直接接触的优点[7]。目前常用的是HC-SR04型超声波测距模块，其具体参数为：频率40 kHz，探头规格16 mm，探测距离2～4.5 m，盲区2 cm。虽然超声波测距模块电路成熟、价格低廉，但是自行设计一个超声波模块并非易事，涉及到科学、技术、工程以及数学相关知识，同时涉及到嵌入式系统的软硬件设计。因此设计一款性能指标接近现有模块的超声波测距传感器，是一个能够提高学生综合能力的项目。

2.2 项目STEM教学分析

利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物防御及捕捉猎物的生存手段，蝙蝠等生物通过猎物或障碍物反射超声波的时间长短和强弱判断猎物性质或障碍位置。人类对此进行借鉴，利用超声波开展定位和测距技术研究，已广泛应用在民用及国防工业中[8]。

针对超声波测距模块的STEM教学从科学、技术、工程和数学等方面进行了如下分析：

（1）科学方面：根据物理学知识，声波属于弹性机械波范围，按振动频率的不同可分为次声波（小于20 Hz）、声波（20 Hz～20 kHz）及超声波（20 kHz以上），不同频率声波在相同的传播媒体里（如大气条件）传播速度相同。波动方程描述方法与电磁波是类似的。

其中：A(x)为振幅；ω为角频率；t为时间；k=2π/λ为波数，λ为波长；x为传播距离。

超声测距利用声波在既定的均匀媒质里传播速度恒定且不随声波频率变化的特点，通过计量声波从A地传播到B地的时间，便可以得出A和B之间的距离，用下式表示：

其中：L为待测间距；C为超声波在空气中的传播速度；Δt为超声波由A地传播到B地所经历的时间。

通过分析，超声波测距的物理原理已经基本清楚，但在学生分析如何进行测量时，仍会遇到问题。假设声速C=340 m/s，若期望超声波测距误差σ≤0.01 m，则要求测量的最大时间误差σt为：

σt=σ/C=0.01/340 ≈ 0.000 03 s

这种情况下，使用常规的秒表计数法等方法无法完成测量，接下来就需要引导学生学习如何从技术方面考虑实现超声波测距。

（2）技术方面：超声波测距的最初形式是如图2所示的对射测距形式，其中A为超声波发送单元，B为超声波接收单元，即A单元发射超声波，B单元进行接收。但实际应用中，更需要对目标障碍物进行测距，因为超声波反射能力很强，同时波长也远比一般的反射物表面粗糙度大，所以通常对坚硬物质面都能进行反射，超声波测距更多使用图3所示的超声波反射测距形式。

图2 超声波对射测距形式

图3 超声波反射测距形式

对于超声波反射测距形式，测距方法主要有相位检测法、时间互相关检测法和渡越时间法。首先需要让学生对这三种测距方法进行深入理解和总结，挑选出适合在课程中实现的检测方法。

相位检测法使用低频正弦信号对超声波进行调制，通过测量发射单元与接收单元的低频正弦信号的相位差实现测量目标与发射机之间的距离[9]。

时间互相关检测法利用周期信号的互相关性进行检测，通过测量被测信号得到与标准距离信号x(t)的自相关函数的平移时间τ；通过该平移时间结合标准距离，即可得到超声波测量的距离[10]。

渡越时间法原理为超声波发射传感器向外发射超声波，遇到障碍物后反射产生回波后被接收传感器接收。通过检测发射超声波与接收到回波之间的时间差Δt（渡越时间），便可以计算出目标障碍物与信号发射源的距离L[11]。

其中，C为超声波在空气中的传播速度。

通过查阅文献和其他资料，学生已经对超声波检测的技术和方法有了一定理解，接下来就是在工程方面具体实现相应功能。

（3）工程方面：测距模块由超声波发射探头和接收探头、单片机模块以及信号处理模块构成，如图4所示。传感器探头采用收发分立式压电超声波探头，发射探头受到周期电信号激励后会产生同频率超声波并向外发射，接收探头接收到超声波后，将其转换为电信号输出。

图4 超声波测距模块主要组成部分

发射探头和接收探头采用TCT40-16T/R型分体式超声波探头，其中TCT40-16T为发射探头，工作频率为40 kHz，声压≥110 dB，驱动电压为3～30 V；TCT40-16R工作频率为40 kHz，灵敏度≥-65 dB。探头实物如图5所示。

图5 超声波发射探头和接收探头

单片机模块采用开源硬件形式，使用的是Arduino UNO单片机开发板，学生可尝试基础搭建，使用单片机开发板直接驱动发射探头发射周期电信号，同时从接收探头中读取反射回来的信号，具体内容涉及硬件电路搭建和程序代码编写，此部分在CDIO模式下完成。

（4）数学方面：数学内容教学主要是培养学生运用数学思维与工具处理实验数据、分析实验误差等，让学生在实训课程中提高数学分析能力、培养数学素养。

针对不同的测距距离，记录单片机开发板发送周期电信号到接收探头接收到周期电信号的时间差Δt，分析在不同测距范围内周期电信号的脉冲数目不同对测距精度的影响。同时，结合超声波发射探头和接收探头的超声波发射和接收角度，分析和计算超声波测距模块的测距盲区，并分析如何有效缩小测距盲区。

3 STEM跨学科项目设计教学效果

在实训课程开始前和结束后，对班级30名学生做了相应调查问卷，调查问卷有4个选项：非常认可、认可、不认可和不确定。调查问卷主要内容包括：（1）我了解超声波测距模块的功能；（2）我了解超声波测距模块的测距原理；（3）我觉得自己的知识足够开发超声波模块；（4）我觉得我能开发一款性能接近已有产品的超声波测距模块；（5）我了解开发一款产品的设计、分析和开发流程。

具体调查问卷数据对比如图6所示。在开始前，学生比较有信心能够自行设计一款超声波测距模块，但是经过实训课程后，针对问题1、问题2和问题5回答非常认可和认可的比例上升，针对问题3和问题4回答非常认可和认可的比例有所下降。可以看出，同学们在经过融合STEM跨学科教育理念的项目教学后，更加熟悉产品的设计、分析和开发流程，同时更加能够静下心提升自己的知识水平和能力。

图6 实训课程开始前和结束后的调查问卷数据对比

4 结 语

为有效提高职业院校大学生解决复杂技术问题的能力，需要开展以项目为基础的CDIO教学模式的改革，教学改革的核心是项目的选择。为了避免过于偏重工程训练的项目，本文通过借鉴、分析和创新，提出了适合职业院校大学生的STEM跨学科整合项目教学模式，并以电子产品设计实训课程中进行超声波测距模块开发项目为例，详细介绍如何进行STEM分析，将科学、技术、工程和数学方面的要素紧紧融入项目教学过程。通过教学实践，学生对于电子产品的设计、分析和开发等各方面知识要素掌握得更加深入，对于产品开发更有信心。