項目化實踐助推學生STEM素養發展
——以“人臉識別物聯測溫儀”項目為例

李 巖 陳 杰

隨著智能互聯技術的發展，知識經濟、第四次工業革命呼喚創新型、復合型人才。STEM教育“以真實問題解決為任務驅動，在實踐中應用知識、獲得知識，培養學生的問題解決能力、復合思維和創新思維”，發展學生STEM素養以回應時代呼喚。

一、STEM素養的意涵

所謂STEM素養，即面向真實問題，綜合運用數學、科學、技術、工程等學科相關知識、技能、方法、情感、態度和價值觀解決復雜問題的能力。學生STEM素養發展首先伴隨著跨學科學習的展開，跨學科學習可以促進學生發現科學、技術、數學、工程等各學科知識間的關聯，改善傳統的學習方式。發展STEM素養主要以面向真實情境的項目化實踐為模式，實踐中學生將所學與真實世界聯結，綜合運用多學科知識和技能，彌補分科教學知識割裂的不足。優秀的STEM素養意味著學生擁有創造性解決問題的能力，他們樂于科學探究，敢于技術實踐，善于運用數學和編程等手段完成優選的工程作品或方案。

二、項目：STEM素養發展的抓手

項目設計與實施對發展學生STEM素養的意義重大，體現在項目選題、方案構思、作品制作和評測優化等各個環節，下面以“人臉識別物聯測溫儀”項目為例。

1.選題：開啟真實情境下的建構與生長。

“人臉識別物聯測溫儀”選取當下疫情防控的真實情境，組織學生通過分析，進一步明晰測溫上報需要解決的一系列問題，如大量師生、多個入口、多個時段測溫以及數據記錄、判斷報警、結果上報等，解決這些問題并沒有成熟的路徑、模式和方法可套用，需要學生調動已有的知識、能力、經驗等，甚至需要重新學習、不斷嘗試，才有可能解決。由此可見，面向真實情境的選題，能夠為學生提供知識建構、能力生長的機會，有利于培養學生分析、解決問題的能力。

指導學生調研和梳理，將問題拆分為：測溫、記錄、處理和報告四個主要環節，對每一環節的具體問題加以細化，由此形成防疫測溫上報流程（如圖1所示）。明晰的流程能激發學生調動已有的學科知識和技能，增強解決問題的信心。

圖1 防疫測溫上報流程

2.構思：引領跨學科學習和知識綜合運用。

構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，不適合學校大規模集中測溫。自動非接觸測溫方式速度快、報警及時，但存在數據無法與人對應記錄的問題，難以滿足防疫回溯和精準查找的需要。筆者聯系生活應用，查閱文獻，發現人臉識別的人工智能技術具有應用價值，于是組織學生體驗智能模型識別人臉的過程，再借助物聯網技術云端存儲數據，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物聯網模塊，“人臉識別物聯測溫儀”方案最終成型。

基于項目化實踐，學生在生物、物理、信息技術、數學等學科之間展開跨學科學習和知識關聯，了解紅外測溫的生物基礎、科學原理和技術手段，感受人臉圖像的數據化以及計算機算法綜合應用產生的人工智能，為問題解決提供新知識、新技能的同時，豐富自身的學習方式，更新學習觀念。

3.制作：促進多學科融入的技術實踐。

制作防疫測溫項目的作品，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，項目作品的制作是一個形式十分豐富的技術實踐活動。在項目制作環節中引導學生利用激光切割、3D打印機、工具等硬件儀器，配合二維繪圖、三維CAD建模等軟件，在數據計算、圖形繪制、空間造型、結構建造中，將數學學科知識自覺地融入技術實踐，保障技術實踐科學、合理、有效，為學生將頭腦中“無形”的方案變為“有形”的作品提供了強有力的支撐。

信息學科尤其是編程技術的融入，賦予“人臉識別物聯測溫儀”快速判斷個體狀況，按班級、年級、時間段等多種方式分析，發現體溫變化的趨勢，監控或回溯分析異常情況的功能。借助物聯網平臺，除了可以便捷地查詢相關數據信息、深入挖掘數據外，還能進一步了解師生到校時間、入口流量、午間就餐耗時等更多有價值的數據信息，為學校管理提供決策參考。

4.優化：體驗約束條件下的工程創造。

STEM項目的作品是在一定約束條件下所進行的“人工的改造物質世界的建造活動”，也被視為工程。約束并非僅僅是限制，它也為學生的工程創造帶來新的機遇。與大多數工程作品一樣，“人臉識別物聯測溫儀”作品初次部署測試，發現會因環境的亮度、人流以及背景等干擾產生偏差，需要不斷修正和優化。隨著作品的有效應用，新需求被不斷催生出來，如檢查人員巡視測溫、重點人員實時監測以及教室場景下的測溫等，學生能主動分析新場景、新約束條件帶來的挑戰，明確問題構思方案，探究相應的科學原理，選擇可行的技術，通過工程實驗、測試和迭代，創造了頭盔式、手環式和教室專用等系列化的作品。工程活動要求改造者兼顧經濟成本、藝術樣式、人文感受等諸多因素，綜合運用科學原理、技術方法解決問題。也就是說，“優化”為學生創造體驗機會，為學生工程思維的發展提供了最佳訓練園地，進而讓學生在不斷優化中感受迭代的力量，逐漸理解迭代不僅是一種基本的數學思想和常用的編程方法，也是工程優化的基本方式。

三、思考：構建STEM素養發展的場景

通過“人臉識別物聯測溫儀”項目可以看到，設計好每一個環節，將對學生STEM素養發展產生積極的作用。今天，人類面臨的問題日益嚴峻復雜，氣候環境、病毒防疫、人類健康、食品安全等諸多重大議題，需要運用跨學科的方法，依托STEM人才，通過技術實踐和工程創造，方能應對未來發展中的不確定性。因此，推進學生STEM素養發展意義重大。《2017地平線報告（基礎教育版）》指出，驅動基礎教育應用技術的關鍵要素包括“STEM學習的興起”。未來，各級各類學校應充分發揮智能互聯技術的優勢，為STEM項目解決問題提供技術手段和跨學科學習平臺的支撐，設計并實施優秀的STEM項目，構建STEM素養發展項目化實踐的智能互聯場景，跟蹤學生發展過程，記錄并分析數據，評價STEM項目設計與實踐效果，為學生STEM素養發展提供更科學、更精準的分析，為社會培養更多STEM素養優良的創造型人才。