基于STAEM教育架構的“粉碎+干濕分離多功能垃圾箱”案例設計與實踐

趙亮，高麗花

(1.甘肅開放大學職業技術學院，甘肅蘭州 730000；2.榆中縣第一中學，甘肅蘭州 730100)

1 研究背景

隨著信息技術的飛速發展，信息技術與教育教學活動的有效融合也日新月異，各類信息化教育方式層出不窮，STAEM 教育作為培養學生科技創新能力的重要手段，受到我國教育界的普遍關注。STEAM 教育由STEM 教育發展而來，是在STEM 教育的基礎上增加了藝術的元素，形成了綜合科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Arts)和數學(Mathematics)等學科，以培養具有全面科學素養和創新實踐能力的人才為根本目標[1]，探索從多學科的視角來培養學生解決實際問題及創新實踐的能力，實現跨學科教育的綜合教育理念[2]。2016年，教育部頒布的《教育信息化“十三五”規劃》文件指出要積極探索信息技術在STEAM 教育中的應用，從國家層面上顯現出對STEAM教育的重視。人工智能是引領未來的戰略性技術[3]，具有“增強在線學習、自適應學習和研究過程的能力，能夠更直觀地響應并改進與學生交流的方式”[4]，這與STAEM 教育所倡導培養學生的科學探究精神和跨學科多元思維的目標不謀而合。2017 年7 月，國務院發布的《新一代人工智能發展規劃》指出，要“利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系”[5]，2018年4月，教育部印發的《高等學校人工智能創新行動計劃》提出“支持高校教師參與中小學人工智能普及教育及相關研究工作”[6]。

然而，如何在教學中引導學生運用科學探究、工程設計、人工智能等多學科知識解決生活中常見的問題則是提升學生綜合素養的重要窗口，基于此，經過日常生活觀察和科學探究，“粉碎+干濕分離多功能垃圾箱”案例設計油然而生，通過垃圾箱制作實踐活動，不僅能讓學生體驗相關學科的特點，也能增強技術應用的意識，提升知識遷移能力和解決問題的能力。

2 “粉碎+干濕分離多功能垃圾箱”案例設計

在開展案例活動之前，需要明確案例目標。本案例實施的主要目標:基于STEAM 教育理念，讓學生在充分了解我國垃圾分類現狀的基礎上，結合多科學知識和人工智能技術，通過問題生成、深度學習、批判建構、創新驅動、多元反思和評價等實踐環節，設計出富有創新性與個性化的產品，助力學生的思維成長，提高學生創新實踐能力和問題解決能力。整個案例設計分為確立主題、制定步驟、設計結構、試驗結果四個環節組成。

2.1 確立主題

在教育學生對垃圾分類現狀認知的過程中得知，我國城市生活垃圾的數量位居世界首位，每年產生的垃圾約為1.5 億噸，其中可以二次利用的大約占60%[7]。我國將垃圾分為廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾和可回收物四類，通過垃圾分類，降低垃圾處理成本，節約社會資源。2019 年9 月，國務院發布了《公共機構生活垃圾分類工作評價參考標準》[8]，要求各公共機構從組織管理、宣傳教育、投放收運三個方面做起，制定各項生活垃圾分類工作方案及分配標準等，提高垃圾的資源價值和經濟價值，力爭物盡其用，變廢為寶。我國各地也相繼出臺了《垃圾管理條例》，城市的街頭巷尾都擺放了垃圾分類箱，但在實際使用當中，城市居民分類投放垃圾準確率不高，垃圾分類箱沒有干濕分離裝置，有些垃圾含有大量的水分與有機物，特別是廚余垃圾占家庭生活垃圾的50%以上，很容易腐壞，產生惡臭氣味難聞，污濁液體流出而影響環境，因此將案例設計的主題定為“粉碎+干濕分離多功能垃圾箱”，既源于生活，又符合跨學科要求，具有探究性、實踐性、創造性和綜合性，契合STEAM教育理念和核心素養發展要求。

2.2 制定步驟

設計“粉碎+干濕分離多功能垃圾箱”需要利用STEAM 跨學科綜合教育，讓學生通過圍繞制作多功能垃圾箱這項任務將所學的工程、技術、數學、人工智能等多學科知識鑲嵌其中來解決問題。該案例涉及的STEAM學科分布如圖1。

圖1可以讓學生清晰地認識案例中涵蓋的各學科知識，并可根據項目制作要求不斷完善學科知識圖與案例設計之間的關聯，由此圖結構，列出多功能垃圾箱制作步驟：

圖1 STEAM學科在“粉碎+干濕分離多功能垃圾箱”案例的分布圖

(1)利用頭腦風暴交流同學之間的設計思想，由設計理念相近的同學組成設計小組。

(2)搭建認知“腳手架”，讓小組成員跨學科學習和掌握制作多功能垃圾箱需具備的知識和技能，將創新思維貫穿垃圾箱制作學習全過程，充分發揮學生的自主創造力。

(3)小組成員通過討論培養科學表達能力,將知識探究過程中形成的設計思路和理念反復溝通、研討，初步形成對產品的功能、結構、尺寸、造型、安全性和使用便捷性等的認知，寫出簡單的設計說明書，確定本項目設計的各項性能指標要求。

(4)小組成員在基于數據的收集、分析和科學論證的基礎上，形成設計的可行性評價書，評價的指標主要包含設計制作所需要的知識技能、時間、經費、設備材料及其環保特性等。

(5)運用“工程設計”的理念科學建模繪制垃圾箱制作藍圖，選擇合適的材料制作垃圾箱，促進學生高階思維的發展。

2.3 設計結構

“粉碎+干濕分離多功能垃圾箱”由內箱1(固體垃圾桶)、內箱2(液體盛放器)、伸縮(分離)板、升降開關、彈力開關、超聲波開關、過濾板、超聲波測位儀、LED 顯示器，粉碎輪、烘干風扇、感應機械臂、電磁感應裝置、收納箱、太陽能蓄電板、垃圾出口組成，如圖2所示。

圖2 粉碎+干濕分離的多功能垃圾箱

(1)升降壓縮板(固體箱隔板)：類似于伸縮門，升降壓縮板可折疊打開(不同于伸縮門，伸縮板打開時是一張密閉板)。當放入固體部分的垃圾時，伸縮板下降，向下壓縮垃圾，從而使空間收納最大化。

(2)過濾板(液體箱隔板)：主要用于分離液體垃圾。借助過濾板，較大的固體類垃圾過濾在過濾板的上方，液體垃圾會流入下方的液體盛放器。并在過濾板上面安裝超聲波測位儀，外面安裝LED顯示器，當液面達到虛線面時，語音提示，過濾板上升，收縮合攏液體收納袋，用戶從“側門”取出收納袋，并換上新的收納袋。過濾板左側加入彈簧裝置，當要清理過濾板上方的垃圾時，啟動彈簧裝置，過濾板左側升起，右側下降，形成斜面，垃圾自動聚攏并滑出，用戶從側門收納清潔。由于過濾板中已安裝了烘干風扇，及時吹干過濾板上的冗余物，這樣可直接收納，具體流程如圖3所示。

圖3 粉碎+干濕分離多功能垃圾箱工作流程圖

(3)超聲波測位儀：主要檢測箱體中垃圾體積、容量，干、濕垃圾箱中各1個。由于垃圾箱是個內嵌的箱子，人工實時查看垃圾量時操作非常不方便，因而在箱體上方內置“超聲波測位儀”自動檢測箱體中垃圾的體積，當垃圾超過最高限量，語音報警提醒，用戶清理。同時為了讓用戶隨時知曉箱體中垃圾收納情況，在兩個分箱的正面分別加了外用“LED 顯示器”，LED 顯示器可直觀顯示箱體盛放器中的垃圾容量，用戶可以一目了然地查看當前液體盛放器中垃圾的體積，自主決定是否需提前清理。

(4)粉碎輪：粉碎較大的垃圾，類同雨傘，可伸縮、收放。當放入垃圾體積較大時，不易收納，且占用大量的空間，用粉碎輪分解，解決以上問題。

(5)烘干風扇：安裝在液體箱側面，及時烘干過濾板上方的垃圾，方便清理，減少垃圾箱內的二次污染。

(6)液體盛放器：用來收納液體垃圾。箱體側面安裝按壓開關，當裝有液體的垃圾袋倒入時，按下彈力開關，側方“尖角”伸出裝置，刺破包有液體的包裝袋，分離液體與包裝，讓液體流入液體盛放器。

(7)感應機械臂：內置在箱體2(液體垃圾箱)上方，當感應到垃圾放入時，啟動“尖角”裝置和“烘干風扇”設備。

(8)電磁感應裝置：將金屬等重污染物分類開來，再次直接利用或回爐加工。

(9)太陽能蓄電板：蓄電、供電。

2.4 試驗結果

在垃圾箱內投入紙張、剩菜剩飯、雞骨、硬紙板、鐵釘鐵片等垃圾，對作品進行試驗，試驗結果如下：

(1)固體垃圾桶的粉碎輪反應不夠靈敏，在投入垃圾袋的時候需要5-6秒才能將垃圾袋劃破，使垃圾順利倒下；

(2)在第一個隔板內投入鐵制品和其他垃圾并啟動電源，使電磁吸附鐵制品，這一環節分類效果明顯；

(3)在垃圾進入第二個板間后開始實行第一輪粉碎，經過兩分多鐘的粉碎后，垃圾進入第三個板間進行第二輪粉碎，經過一分多鐘粉碎后，垃圾進入最后一個儲存板間；

(4)在儲存板間內，啟動烘干裝置，經過五分鐘的烘干處理，垃圾被運輸到垃圾場內進行處理。

3 分析評價

本案例設計與實踐引入了STAEM 教育的理念，“粉碎+干濕分離多功能垃圾箱”項目的設計包含了數學、物理和人工智能等多學科知識，學生在實踐過程中自主提出對垃圾處理“大腦”的設計思路，通過自己的研究探索和知識發現設計問題的答案，在對多功能垃圾箱“大腦”進行垃圾處理過程中出現的問題進行分析、改進和不斷優化中，主動學習、不斷試錯，創造性提出解決問題的方法，為學生思維空間的開發提供個性化服務，從而打開學生創新思維探索人工智能的大門。通過實踐項目培養學生對現實世界中各種知識和技能相互融合的全局觀念[9]，獲得一種參與式的學習體驗，增強獲得知識的真實感和愉悅感，在做中學提高學生的元認知能力，產生知識的構建，在學中做，通過對各類知識的背景性、綜合性、系統性學習，積極實踐創新，不斷更新、優化完善實踐項目，獲得創新性思維和批判性思維的能力，從而達到知識學習和實踐應用的有效銜接。

4 結論

本文以“粉碎+干濕分離多功能垃圾箱”案例為例，探討了STAEM 教育的延展實踐。案例設計主要有三個特點：一是有粉碎和烘干裝置，可以讓垃圾變小，盡可能除去異味，減少廚余垃圾對可回收物的污染，節約空間，保護環境；二是簡化了垃圾分類過程，將干濕垃圾進行分離，減輕了垃圾分類的壓力，減少垃圾收運過程中的二次污染；三是多功能垃圾箱內有電磁吸附裝置，可吸附有回收價值的金屬，有利于再生資源的循環利用，縮減資源浪費，也有利于城市和居住區的干凈整潔。通過此項目實踐，充分調動了學生的創造性和動手實踐能力，在反復的探索和實踐中不斷修改、完善，提高了學生的跨學科思維融合的能力、創新能力以及解決問題的能力，希望借此能夠在STAEM 教育的融合創新中做有意義的實踐和探索，培養更多具有實踐創新、合作擔當、全面發展的人才。