STEM項目設計方法與策略解析

王立新

隨著智能時代的到來，智能家居、智慧城市、智能生活已經開始成為耳熟能詳的名詞。智能時代對人才的創新設計、問題解決和跨學科整合能力提出了更高的要求，STEM教育正是在這種時代背景下開始成為培養創新人才的重要方式。STEM項目設計主要基于生活中的問題解決，從問題出發，進行項目情境分析，提出項目目標，制訂具體的項目步驟、項目任務和STEM學科融合分析，將學科知識在項目任務中進行有效整合，實現跨學科項目設計與問題解決。

● 設計項目情境

項目情境是為項目設計提供的問題場景。學生從項目情境中發現生活中的問題，以及問題給生活帶來的困惑，從而針對問題來探討解決方案。在方案設計中，通過發明制造智能產品實現問題的解決，培養學生的問題發現能力、問題分析能力、創新設計能力和創意物化能力。

例如，在“智能垃圾箱”

STEM項目設計中，項目情境可以設計為：垃圾是社會生產和人們生活的代謝物，是失去使用價值、無法利用的廢棄物品，是物質循環的重要環節。我們每天都會產生很多垃圾，這些垃圾以多種形式存在。各式各樣的生活垃圾散發著不同的氣味，特別是夏天，會引來無數蒼蠅、蚊子等環繞在垃圾箱周圍，不僅氣味刺鼻，也使環境失去本來的美感，更有可能會因為細菌滋生影響人們的身體健康。因此有必要發明一種垃圾箱，投放后會自動分類，然后根據類別進行智能打包、分流再利用或高溫處理，所有工序在垃圾箱完成，然后通過地下傳送帶分類輸送。

● 提出項目問題

項目問題是創新設計的思維切入點，是項目設計的開始。學生的問題發現與設計能力是STEM教育的重要方面。項目問題的提出，一般由教師提供1～2個問題范例，引領學生思考，然后由學生基于自己的認知提出自己感興趣的問題。

例如，在“智能垃圾箱”

STEM項目設計中，提供問題范例如下：①在智能生活時代，我們需要怎樣的垃圾處理方式？②你能設計出怎樣更科學、便捷、有效的垃圾處理方式？③根據上面的情境，你認為最需要解決的問題還有哪些？

● 設計項目概述與項目目標

了解了項目情境和項目問題后，需要制訂具體的項目目標。項目概述要具體說明項目來源、目的和解決的問題。項目目標是對項目分解后每個任務、活動要完成的階段目標。

例如，“智能垃圾箱”STEM項目的項目目標為：通過文獻研究和小組合作，設計出滿足需求的智能垃圾箱的工作原理、技術手段、產品結構和制作方案;通過社會調查和分析，篩選出符合要求的各種材料;通過小組合作，能夠根據設計原理和制作流程，完成智能垃圾箱的制作;通過產品制作，交流分享科技發明對社會發展和國家富強帶來的作用，分析未來人才必須具備的能力要求，分享個人成長規劃與職業理想。

● 項目任務與STEM活動設計

項目目標確定后，要根據目標設計項目任務鏈、項目步驟和項目流程，通過項目任務實現目標達成，然后對每個任務進行科學、技術、工程、數學學科知識需求化設計，實現跨學科知識在項目任務中的整合式運用。四個學科知識在項目任務中的運用不是簡單疊加，而是在項目設計中的系統化整合運用，是相互支撐彼此配合的設計需要。

例如，“智能垃圾箱”STEM項目設計了社會調查、文獻研究、方案設計、材料調查收集、創作制造、成果展示與運用六個任務，對每個任務分別進行了四個學科的跨學科整合設計，以配合實現每個項目任務的達成。

● 項目實施

項目實施是根據項目方案、任務設計、任務方法與要求，對項目進行實踐性探索與創造設計。項目實施環節是對每個項目任務的具體設計與操作路徑解析，包括每個活動任務的目標、每個任務的STEM分析、活動步驟等，展示了每個項目任務的具體操作說明和要求。

例如，在“智能垃圾箱”STEM項目中，我們設計了了解垃圾箱的現狀、檢索國內外最新成果、制訂創新設計產品方案、材料遴選、垃圾箱制作與編程設計、展演與生活運用六個項目任務，以下對第五個任務“垃圾箱制作與編程設計”進行簡要說明。

1.活動目標

根據設計方案，實現智能垃圾箱模型制作，對各個功能器件完成組裝;通過查閱資料，根據各組件功能要求，完成編程設計;通過整體實驗，發現模型存在的問題，提出解決辦法，完成整體調試，實現智能處理。

2.活動內容與STEM分析（如左下表）

3.活動實施

（1）活動材料與工具

①木板、強力膠、PVC板、鐵皮漏網、鐵皮、鐵絲、鐵桿、風葉。

②木工工具、雕刻工具、各種小釘子。

③磁鐵、太陽能板、高溫壓縮機、塑料袋、傳送帶、打包機。

④智能主控板、人體感應傳感器、電機碾壓機。

（2）活動步驟

①分步制作組裝各功能區，包括自動分類區、金屬分離區、廢物處理區、塑紙粉碎區。（略）

②人工智能編程設計。

A.智能部件。智能主控板、人體感應傳感器、三個電機碾壓機（電機1）、分揀齒輪（電機2）和攪碎機（電機3）。

B.功能設計。超聲波人體感應。人接近超聲波傳感器，會立即觸發碾壓機、分揀齒輪和攪碎機三個部分的電機通電轉動，使分揀齒輪、攪碎機和廢料碾壓輪進入工作狀態，同時使熱熔壁通電。人離開五分鐘后電機自動停止工作。

C.功能流程圖（如上頁圖1）。

D.程序流程圖（如上頁圖2）。

E.編程代碼。（圖形化代碼略）

經過本案例的STEM設計和人工智能編程探討，了解了基于信息技術支持的STEM項目設計策略，為全面構建信息技術學科STEM項目群或體系化STEM項目庫提供了借鑒。初中信息技術STEM項目設計要從課程標準出發，結合學生學情、學生生活進行分層次分步驟設計與實踐。在初中信息技術的STEM設計中，有如下三種STEM設計方法和思路：一是基于教材的STEM活動設計，也就是根據學生學情和知識能力，把教材內容進行項目化設計轉化成STEM活動。二是基于教學內容的STEM活動拓展設計，在教學過程中把教學內容與學生生活進行整合設計形成STEM項目，作為教學內容的有益補充，來拓展學生的思維空間。三是基于課程標準的學生生活STEM設計，把學生生活中的事件設計成STEM活動，同樣達到實現課程目標的要求。

蒼山點題

新的教育目標若期望用老的教育方式來達成，這是非常困難的。新的教育目標需要有新的教育方式來實施，本期解碼正是想探索這方面的具體實踐。

第一篇文章，是基于計算思維的App Inventor課堂教學結構的實踐研究，以此提升程序設計的教學實效，有效提升學生的問題解決能力、程序設計能力、創意設計能力，逐步培養學生的計算思維能力。這樣做是因為在程序設計課堂教學中，學生會出現沒有理解問題解決過程的問題，很容易出現學生模仿教師范例的情況，而基于計算思維的程序設計教學就能很好地解決這一現象。學生思維發展的過程，要經歷一個要解決一個什么問題、通過什么方法來解決、還能解決哪些問題的過程，這一思維過程正是基于計算思維的程序設計學習過程，在提出問題的基礎上，抽象與分解問題，并將大問題分解成小問題，通過算法思維來表述問題，在此基礎上圍繞App Inventor設計方案來解決問題，在師生交流中不斷調試與優化程序代碼，發散學生思維。

第二篇文章，針對STEM教育的特點，探索如何利用科學、技術、工程、數學跨學科設計思想進行生活化項目設計。信息技術作為STEM教育的重要組成部分，為項目設計提供了技術支持手段和智能化編程工具。信息技術在STEM項目設計中將發揮怎樣的作用？如何在技術支持的STEM設計中培養學生的創新物化與問題解決能力？文章通過制作一個智能垃圾箱，一起分析人工智能編程支持下的STEM項目設計對學生跨學科整合能力、創新設計能力和問題解決能力的培養方式。STEM教育是對學生綜合素養和創新能力的開發與培養，是通過跨學科知識融合，在項目設計中培養學生的問題解決能力、創新設計能力、生活實踐能力和學科整合能力。

對教學模式的探索其實就是對創新教育如何實施的研究，只是寄希望于水到渠成便達成新的教育目標是不科學的，合理的策略規劃為創新教育提供條件和效益，這是發展的重要路徑。