物聯網背景下STEM課程的開發和應用

◇周明星（江蘇：蘇州工業園區星海小學）

STEM 課程的開發和應用已經在很多領域開花，課程設計的理念方法也日漸清晰明確。物聯網是現在及未來智能生活的技術基礎，相關應用已經遍布生產生活，現在將STEM 的教育理念滲透到物聯網的知識普及中，是具有前瞻性、戰略性的教育舉措。本文從話題研究的重要意義，以“長眼睛的小嘴巴”為案例，將課程的開發和應用研究策略應用其中，詳細闡述策略在案例中的應用。

物聯網背景下的STEM 課程是以物聯網技術為背景，以項目研究為抓手，立足學生的綜合素養提升，使學生在項目完成的同時，主動建構或者重構知識體系。

一、概念界定

（一）STEM 教育

STEM 是科學（Science）、技術（Technolo‐gy）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四個詞的縮寫，STEM 教育就是培養學生科學、技術、工程和數學綜合素養的教育。STEM 教育是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式。

（二）物聯網

物聯網就是物物相連的互聯網，是指通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。

二、研究背景及意義

STEM 教育在中國起步雖晚，但政策推動的速度與力度卻非常大。2015年教育部在《教育信息化“十三五”規劃綱要》中指出，要“積極探索STEM 教育”，2017年中國教科院在京成立STEM教育研究中心。2018年中國STEM 教育2029年行動計劃啟動。《義務教育小學科學課程標準》倡導STEM 教育跨學科學習方式。目前，國內STEM 課程的開發與應用有兩個方向：一是與教材的融合；二是融入課外興趣活動。本文的案例屬于第二種。

物聯網是當今時代發展浪潮中的重要角色，是智能生活的重要技術支持。家用汽車遠程啟動、停車位的實時信息顯示、智能家居等這些生活中的實際應用讓人們對物聯網并不陌生。國內多家高校開設了物聯網相關專業，但小學階段尚未開設物聯網相關課程。

物聯網中涉及多種信息傳感設備。這些傳感設備涉及的知識與科學相關聯，也就是STEM 中的“S”；傳感器的合理應用，以及與具體“物”的搭配結合則是STEM 的“T”；物聯網設備的應用需要借助造型模塊的創意搭建，此中動手操作則為STEM 的“E”；所有產品的設計與應用都離不開成本的控制，造型的設計包括了很多形狀的結合，此為STEM 的“M”。我們以STEM 教育理念為指揮棒，在物聯網的背景下進行STEM 課程的開發和應用，為學生搭建物聯網學習的平臺，使之能了解物聯網領域的相關知識概念，盡早熟悉這一熱門領域，形成物聯網創新思維，以更具時代發展意義的內容融合多個學科內容，提升學生的綜合素養。在這樣的時代背景下，我們將物聯網概念和創新能力植根于小學的課程中，具有時代前瞻性。

三、物聯網背景下的STEM 課程開發和應用

（一）“長眼睛的小嘴巴”課程背景

“長眼睛的小嘴巴”實際上是由紅外線控制的錄音機。這種錄音機可以由紅外傳感器觸發，并播放提前錄制好聲音。紅外傳感器是物聯網傳感設備中常用的一種。傳感器就好像是人的手或者眼睛，可以獲取一些外界的信息。當外界信息改變時，傳感器可以在一定條件下控制錄音設備的開閉。

“紅外線”這個詞對于五年級的學生來說并不陌生，已經有部分熱愛科學的學生能夠說得頭頭是道了。其應用在生活中比較普遍，比如，電視機遙控器。但是還有大部分學生對紅外線并不熟悉，甚至有少部分都沒聽說過這個名詞。這時就需要教師結合五年級學生的學情，深入淺出地為學生做好基礎知識的鋪墊。

（二）課程實施的方法和建議

1.基于真實問題情境，構建項目

情境：生活中有沒有忘帶過教師要求帶的物品？有沒有過本來外出時想帶的東西，結果出門時給忘了？（這時會有大部分學生表示曾經經歷過這樣的事情。）

問題1：你們有沒有想過怎么解決這個問題呢？（學生的部分辦法：1.寫一個便箋紙貼在醒目的位置提醒自己；2.定好鬧鐘提醒自己；3.讓爸媽提醒自己……）

問題2：那你的問題解決了嗎？（大部分的學生會說解決了，還有部分學生說有時還是會忘記。）

問題3：為什么已經寫了便箋紙了，或者定好鬧鐘，還能忘記帶呢？（學生的回答：1.因為便箋紙我也忘記看了；2.因為出門時間提前或者推后，鬧鐘提醒的時機不對……）

問題4：怎么才能解決你的問題呢？請大家討論一下，把你們的方案記錄下來。

學生活動：說出自己的方案，把想法分享給大家。

【設計意圖】在STEM 課程設計中，問題情境的設計很重要，是一堂課成功與否的關鍵一步。情境是基于學生常常遇到的真實問題而創設的。這不僅可以吸引學生的注意力，還可以激發學生的求知欲望，最大限度地提高學生參與項目研究的積極性。一堂高效的課堂也就有了前提保障。本項目的問題是有一定生活基礎的，學生在平時的生活中已經有了一些思考，在交流分享過程中，教師的引導要緊緊圍繞“問題如何解決”，將學生逐步推向解決問題的核心要素——適時準確地提醒！

教師活動：你們現在需要的是“適時準確的提醒”，如何實現這一目標呢？今天給大家介紹一種智能設備——“紅外線”傳感器。

知識鋪墊：紅外線又稱紅外光，是我們平時看不見的一種光。我們身邊的幾乎所有物體都能輻射紅外線。紅外線傳感器就是利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，有靈敏度高、反應快等優點。紅外線傳感器能探測人體發出的紅外線，當人進入監視區域內時，即可發出信號。

錄音機是一種可以錄制聲音并進行播放的裝置。

【設計意圖】此刻，學生有想法但是缺乏相關的物聯網知識，在這個環節安排相應的知識鋪墊，是順應學生思維進階需求的。對于五年級的學生來說，紅外線傳感器的知識內容要做到深入淺出，以學生能夠接受的表達方式，將紅外線及紅外線傳感器的功能和作用介紹給學生，讓他們不至于對較為復雜的專業知識望而生畏，對進一步的探究產生抗拒心理。相反，應該讓他們獲得絕渡逢舟的喜悅，感到暗室逢燈的慶幸。

2.項目分解，設計方案

問題1：這些智能設備是否可以滿足你的需要呢？

學生活動：回答對這些設備功能的利用方法。

教師活動：梳理后形成方案，可以用紅外線檢測人的存在，然后控制錄音機播放提醒的內容。就像是紅外線這樣的眼睛在監視著四周，當發現有人經過的時候，用自己的小嘴巴（也就是錄音機）來提醒主人別忘了帶需要的東西出門。

問題2：這種裝置應該放在哪里？如何提升它在家中的和諧程度？

學生活動：討論裝置放在哪里，并設計作品的外形，形成方案。

教師活動：教師巡視，參與一些小組的討論，給出引導性建議。

【設計意圖】思路在上一環節得以順延，但是如何具體實施，又面臨新的問題。教師將項目逐步分解，細化到學生通過一番努力最終可以解決的程度。這樣的做法在體現學生主體性的同時，也發揮了教師的引導作用，還能為學生積累繼續研究的信心和興趣。另外，作品的使用場景和外形設計也是作品設計中必須考慮的因素。這兩項的加入既提升了學生全面考慮問題的縝密思維，也提升了學生對美的重視程度和賞析能力。

3.制作產品，評價交流

問題1：請你利用手邊的材料，根據小組談論的方案完成作品。

學生活動：小組成員在組長的分配下，協同合作，完成作品制作，準備好分享的解說詞，選好小組的分享代表。

提示1：制作過程中工具的安全使用。

提示2：紅外探測頭的安裝方向要注意什么問題？

教師活動：工具的安全使用提醒；針對不同的作品提出引導性的意見或者建議；敦促各小組的制作進度。

問題2：你能從身邊的小組學習到什么？能為身邊的小組提出什么樣的建議呢？

學生活動：小組的“外交官”與其他小組進行交流，并把別人的優點帶回組內研討。

教師活動：聽取小組之間的討論，適時給出意見。

【設計意圖】引導學生在實際制作中發現問題，解決問題，促進學生進一步深入學習。引導學生在交流討論中學習，不斷深化對問題的思考，學習如何參與小組內和小組間的合作交流?！巴饨还佟钡慕巧O計不僅發揮了學生的特長，也提升了小組間溝通的效率，讓組內討論和組間交流事半功倍。

4.展示產品

問題：請各小組將作品呈現給大家，并向大家介紹一下你的產品。主要包括你的設計意圖、呈現方法、使用方法、功能作用等方面。

學生活動：由各小組的“演說家”向大家介紹本組的產品。

教師活動：為各小組的表達做及時的補充和說明，引導學生如何完美地展示自己的產品。

【設計意圖】適時正面地引導是學生提升表達能力的重要方式。當學生一時語塞，不知如何表達時，教師可以及時搭臺；當學生遇到尷尬時，教師可以及時化解，營造班級的好氣氛。這些都是一個優質課堂的前提保障。

5．優化與拓展

問題1：你對別人的產品有什么意見和建議？

學生活動：對別人的產品提出自己的觀點，贊許別人的優點或者為別人提出修改意見。

問題2：設計的作品是否可以兼顧其他的功能作用？

學生活動：根據自己的產品思考是否可以添加其他的作用，讓作品增加實用性。

【設計意圖】引導學生相互學習，提升學生的思辨能力；促使學生對項目再研究，不斷細化產品的設計。

（三）反思

本節課以“制作長眼睛的小嘴巴”這個主線展開，按照“基于真實問題情境，構建項目—項目分解，設計方案—制作產品，評價交流—展示產品—優化與拓展”5 個環節循序漸進，重點解決“如何防止忘帶東西”這個真實的生活問題。

STEM 教學模式具有實踐與創造并存的特點，在課程實施過程中，要突出學生的主體地位，發揮教師的引導性作用，從真實問題出發，讓學生在問題解決的過程中，將多個學科內容融會貫通，提升自我的學科知識整合能力，進而提升自身的綜合素養。教師在這樣的教學模式中，也要不斷地學習，更新原有的教學思維慣性，增強自身的教學知識儲備，尤其是自身所教學科之外的知識儲備，這樣才能適應STEM 教學新模式帶來的變化。要想給學生一瓢水，自身需注滿一桶水。當然，回顧這堂課，依然還有很多可以改進的地方。比如，學生的思維有痕。設計方案的修改過程可以顯現學生進行交流的痕跡，這是自我提升、相互學習借鑒的良好時機，教師可以引導學生在這里多加匯報。再如，學生呈現的結果大多是團體思考交流的結果。這種方式有明顯的優點，那就是呈現出來的是相對成熟的想法，但同時舍棄了學生個體迸發出的奇思妙想，所以在教學中也相輔相成，要伺機調和。

（四）建議

以下是我對物聯網背景下STEM 課程的開發和應用研究的一點建議。

1.適宜的項目

合適的項目要貼近生活、有意義，能夠體現出物聯網對問題解決的重要作用，能夠體現科學核心素養，要對學生有足夠的吸引力。本文中提及的“如何防止忘帶東西”就是一個從學生日常生活中獲取的具有普遍性的問題，可以很好地激發學生的研究興趣，并且最終可以通過物聯網中的智能設備解決問題。另外，搜集學生自己的問題也是一個很有意義的選題方法。

2.形式多樣，趣理相生

在項目研究過程中，以多樣的形式開展各個環節，增加課程的趣味。充滿趣味的研究過程是一堂高效課堂的有力保障。比如，在展示環節可以以比賽、拍賣、公開展示、媒體報道、海報交流……形式呈現。讓學生在變化多端的課堂形式中始終保持高昂的興趣和探究的積極性。

3.利用教材，多元開發

STEM 教育普及過程中一個很大的障礙，就是課程實施的時間問題。在實施國家課程之余，留給小學生的時間寥寥無幾。如果課程中有相關的話題，將會是一個很有推廣意義的實施方法。比如，教科版四年級上冊的科學課有《彈簧測力計》一課，這節課的課后有一個自制彈簧測力計的拓展，這就是一個很好的STEM 課程切入點。

4.開發身邊的物聯網應用

天文現象的觀測自帶趣味魅力，可以將天文現象的成因模擬，作為STEM 課程的探究項目。利用物聯網視頻直播技術進行網絡直播，營造探究氛圍，激發學生的探究欲望。沉浸式的探究環境可以為學生探究新知做好高階鋪墊，可以讓學生浸潤在問題探究中，沉浸在探究的過程中?！?/p>