融合STEM跨學科教育理念的電子產(chǎn)品設(shè)計實訓課程教學探索

劉雪蘭，田宏偉

（1.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學院 農(nóng)業(yè)信息學院，江蘇 泰州 225300；2.蘇州大學 應(yīng)用技術(shù)學院，江蘇 昆山 215325）

0 引 言

STEM 是 科 學（Science）、技 術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）四門學科的簡稱。STEM教育提倡跨學科教育，使用多學科的思維和知識解決實際問題[1]，是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的新興路徑。目前國內(nèi)中小學生STEM教育和創(chuàng)客教育相融合，各種競賽活動開展得如火如荼。但是，STEM教育也存在重視技能培養(yǎng)、活動形式、學習結(jié)果，忽視知識學習、科學精神培養(yǎng)的問題[2]。對職業(yè)院校大學生而言，開展開源硬件、3D打印和機器人的創(chuàng)意設(shè)計，在一定程度上可以激發(fā)他們學習專業(yè)知識的興趣，但如何進一步引導大學生開展探究活動、融入STEM教育理念、融合多學科基礎(chǔ)知識、培養(yǎng)綜合問題解決能力和創(chuàng)新思維[3-4]是專科類院校進行教學探索的目標。

電子產(chǎn)品設(shè)計實訓一般是第四學期的項目課程，課程教學目標為培養(yǎng)學生電子產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)的綜合能力，實訓課程是C語言、印刷電路板設(shè)計、單片機應(yīng)用技術(shù)等課程。課程教學團隊一直采用的教學模式是CDIO項目化教學模式，CDIO 代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，以綜合的培養(yǎng)方式使學生在工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力這四個層面達到預(yù)定目標[5]。可以看出，CDIO模式對于學生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)有很大幫助，但是對于多學科知識尤其是基礎(chǔ)知識的融合涉及較少，而跨學科教育是培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題能力的重要途徑。

STEM提倡跨學科教育理念，可以彌補CDIO模式在多學科知識融合方面的不足，能夠引導學生把學習到的知識和技能轉(zhuǎn)變成探究真實世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的綜合能力[4]。

1 STEM跨學科整合思路

STEM教育代表了課程組織方式的重大變革。以職業(yè)院校為例，目前的課程組織形式還是分專業(yè)分學科的教學模式，基礎(chǔ)課程如數(shù)學、物理課程，專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程均由不同學科的教師教授。然而，要讓學生為未來的職業(yè)發(fā)展做準備，他們必須超越學科的界限進行思考。有研究表明，學習者接受STEM教育有助于培養(yǎng)他們在真實世界應(yīng)用這些知識解決問題的能力，因為這些問題從本質(zhì)上就是跨學科的[6]。

本文嘗試在CDIO模式的項目設(shè)計中采用STEM教育理念跨學科整合教學內(nèi)容。設(shè)計項目時，對項目內(nèi)容從科學、技術(shù)、工程和數(shù)學方面進行教學分析，確定所選擇的項目既包括跨學科內(nèi)容，又能滿足CDIO教學中產(chǎn)品設(shè)計的教學目標。

STEM項目設(shè)計強調(diào)將知識蘊含于情境化的真實問題中，強調(diào)調(diào)動學生主動積極地利用各學科的相關(guān)知識設(shè)計解決方案，跨越學科界限提高學生解決實際問題的能力[4]。因此借鑒余勝泉等[4]提出的STEM項目教學模式，提出了適合職業(yè)院校大學生的STEM跨學科整合項目教學模式，如圖1所示。在該模式中，“項目”是核心，“教學分析”是首要工作，CDIO是教學重要過程。

圖1 融合STEM跨學科教育理念的項目教學模式

2 STEM跨學科項目設(shè)計模式示例

電子產(chǎn)品設(shè)計實訓課程在項目選擇時一般綜合考慮技術(shù)性和先進性，因此之前的課程選擇教育機器人作為目標開發(fā)產(chǎn)品。教育機器人主要功能為讀取輸入輸出模擬量、輸入輸出開關(guān)量、讀取超聲波傳感器數(shù)據(jù)、輸出直流電機PWM信號等。作為實訓課程案例來講，學習和實踐內(nèi)容飽滿，有助于提升學生的各方面能力和素質(zhì)；但STEM素養(yǎng)方面，工程（Engineering）教育體現(xiàn)較多，在科學、技術(shù)和數(shù)學方面，學生得到的鍛煉偏少。以超聲波傳感器為例，該傳感器一般用于測距和障礙物感應(yīng)，在各種教育類、工業(yè)和家用電子產(chǎn)品中都得到了廣泛應(yīng)用，而且物美價廉，售價在10元左右。但是這個小小的超聲波傳感器中包含著不少STEM元素。

2.1 項目選擇

超聲波測距是一種典型的非接觸式測量方法，具有易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制以及與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點[7]。目前常用的是HC-SR04型超聲波測距模塊，其具體參數(shù)為：頻率40 kHz，探頭規(guī)格16 mm，探測距離2～4.5 m，盲區(qū)2 cm。雖然超聲波測距模塊電路成熟、價格低廉，但是自行設(shè)計一個超聲波模塊并非易事，涉及到科學、技術(shù)、工程以及數(shù)學相關(guān)知識，同時涉及到嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。因此設(shè)計一款性能指標接近現(xiàn)有模塊的超聲波測距傳感器，是一個能夠提高學生綜合能力的項目。

2.2 項目STEM教學分析

利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物防御及捕捉獵物的生存手段，蝙蝠等生物通過獵物或障礙物反射超聲波的時間長短和強弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置。人類對此進行借鑒，利用超聲波開展定位和測距技術(shù)研究，已廣泛應(yīng)用在民用及國防工業(yè)中[8]。

針對超聲波測距模塊的STEM教學從科學、技術(shù)、工程和數(shù)學等方面進行了如下分析：

（1）科學方面：根據(jù)物理學知識，聲波屬于彈性機械波范圍，按振動頻率的不同可分為次聲波（小于20 Hz）、聲波（20 Hz～20 kHz）及超聲波（20 kHz以上），不同頻率聲波在相同的傳播媒體里（如大氣條件）傳播速度相同。波動方程描述方法與電磁波是類似的。

其中：A(x)為振幅；ω為角頻率；t為時間；k=2π/λ為波數(shù)，λ為波長；x為傳播距離。

超聲測距利用聲波在既定的均勻媒質(zhì)里傳播速度恒定且不隨聲波頻率變化的特點，通過計量聲波從A地傳播到B地的時間，便可以得出A和B之間的距離，用下式表示：

其中：L為待測間距；C為超聲波在空氣中的傳播速度；Δt為超聲波由A地傳播到B地所經(jīng)歷的時間。

通過分析，超聲波測距的物理原理已經(jīng)基本清楚，但在學生分析如何進行測量時，仍會遇到問題。假設(shè)聲速C=340 m/s，若期望超聲波測距誤差σ≤0.01 m，則要求測量的最大時間誤差σt為：

σt=σ/C=0.01/340 ≈ 0.000 03 s

這種情況下，使用常規(guī)的秒表計數(shù)法等方法無法完成測量，接下來就需要引導學生學習如何從技術(shù)方面考慮實現(xiàn)超聲波測距。

（2）技術(shù)方面：超聲波測距的最初形式是如圖2所示的對射測距形式，其中A為超聲波發(fā)送單元，B為超聲波接收單元，即A單元發(fā)射超聲波，B單元進行接收。但實際應(yīng)用中，更需要對目標障礙物進行測距，因為超聲波反射能力很強，同時波長也遠比一般的反射物表面粗糙度大，所以通常對堅硬物質(zhì)面都能進行反射，超聲波測距更多使用圖3所示的超聲波反射測距形式。

圖2 超聲波對射測距形式

圖3 超聲波反射測距形式

對于超聲波反射測距形式，測距方法主要有相位檢測法、時間互相關(guān)檢測法和渡越時間法。首先需要讓學生對這三種測距方法進行深入理解和總結(jié)，挑選出適合在課程中實現(xiàn)的檢測方法。

相位檢測法使用低頻正弦信號對超聲波進行調(diào)制，通過測量發(fā)射單元與接收單元的低頻正弦信號的相位差實現(xiàn)測量目標與發(fā)射機之間的距離[9]。

時間互相關(guān)檢測法利用周期信號的互相關(guān)性進行檢測，通過測量被測信號得到與標準距離信號x(t)的自相關(guān)函數(shù)的平移時間τ；通過該平移時間結(jié)合標準距離，即可得到超聲波測量的距離[10]。

渡越時間法原理為超聲波發(fā)射傳感器向外發(fā)射超聲波，遇到障礙物后反射產(chǎn)生回波后被接收傳感器接收。通過檢測發(fā)射超聲波與接收到回波之間的時間差Δt（渡越時間），便可以計算出目標障礙物與信號發(fā)射源的距離L[11]。

其中，C為超聲波在空氣中的傳播速度。

通過查閱文獻和其他資料，學生已經(jīng)對超聲波檢測的技術(shù)和方法有了一定理解，接下來就是在工程方面具體實現(xiàn)相應(yīng)功能。

（3）工程方面：測距模塊由超聲波發(fā)射探頭和接收探頭、單片機模塊以及信號處理模塊構(gòu)成，如圖4所示。傳感器探頭采用收發(fā)分立式壓電超聲波探頭，發(fā)射探頭受到周期電信號激勵后會產(chǎn)生同頻率超聲波并向外發(fā)射，接收探頭接收到超聲波后，將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

圖4 超聲波測距模塊主要組成部分

發(fā)射探頭和接收探頭采用TCT40-16T/R型分體式超聲波探頭，其中TCT40-16T為發(fā)射探頭，工作頻率為40 kHz，聲壓≥110 dB，驅(qū)動電壓為3～30 V；TCT40-16R工作頻率為40 kHz，靈敏度≥-65 dB。探頭實物如圖5所示。

圖5 超聲波發(fā)射探頭和接收探頭

單片機模塊采用開源硬件形式，使用的是Arduino UNO單片機開發(fā)板，學生可嘗試基礎(chǔ)搭建，使用單片機開發(fā)板直接驅(qū)動發(fā)射探頭發(fā)射周期電信號，同時從接收探頭中讀取反射回來的信號，具體內(nèi)容涉及硬件電路搭建和程序代碼編寫，此部分在CDIO模式下完成。

（4）數(shù)學方面：數(shù)學內(nèi)容教學主要是培養(yǎng)學生運用數(shù)學思維與工具處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗誤差等，讓學生在實訓課程中提高數(shù)學分析能力、培養(yǎng)數(shù)學素養(yǎng)。

針對不同的測距距離，記錄單片機開發(fā)板發(fā)送周期電信號到接收探頭接收到周期電信號的時間差Δt，分析在不同測距范圍內(nèi)周期電信號的脈沖數(shù)目不同對測距精度的影響。同時，結(jié)合超聲波發(fā)射探頭和接收探頭的超聲波發(fā)射和接收角度，分析和計算超聲波測距模塊的測距盲區(qū)，并分析如何有效縮小測距盲區(qū)。

3 STEM跨學科項目設(shè)計教學效果

在實訓課程開始前和結(jié)束后，對班級30名學生做了相應(yīng)調(diào)查問卷，調(diào)查問卷有4個選項：非常認可、認可、不認可和不確定。調(diào)查問卷主要內(nèi)容包括：（1）我了解超聲波測距模塊的功能；（2）我了解超聲波測距模塊的測距原理；（3）我覺得自己的知識足夠開發(fā)超聲波模塊；（4）我覺得我能開發(fā)一款性能接近已有產(chǎn)品的超聲波測距模塊；（5）我了解開發(fā)一款產(chǎn)品的設(shè)計、分析和開發(fā)流程。

具體調(diào)查問卷數(shù)據(jù)對比如圖6所示。在開始前，學生比較有信心能夠自行設(shè)計一款超聲波測距模塊，但是經(jīng)過實訓課程后，針對問題1、問題2和問題5回答非常認可和認可的比例上升，針對問題3和問題4回答非常認可和認可的比例有所下降。可以看出，同學們在經(jīng)過融合STEM跨學科教育理念的項目教學后，更加熟悉產(chǎn)品的設(shè)計、分析和開發(fā)流程，同時更加能夠靜下心提升自己的知識水平和能力。

圖6 實訓課程開始前和結(jié)束后的調(diào)查問卷數(shù)據(jù)對比

4 結(jié) 語

為有效提高職業(yè)院校大學生解決復(fù)雜技術(shù)問題的能力，需要開展以項目為基礎(chǔ)的CDIO教學模式的改革，教學改革的核心是項目的選擇。為了避免過于偏重工程訓練的項目，本文通過借鑒、分析和創(chuàng)新，提出了適合職業(yè)院校大學生的STEM跨學科整合項目教學模式，并以電子產(chǎn)品設(shè)計實訓課程中進行超聲波測距模塊開發(fā)項目為例，詳細介紹如何進行STEM分析，將科學、技術(shù)、工程和數(shù)學方面的要素緊緊融入項目教學過程。通過教學實踐，學生對于電子產(chǎn)品的設(shè)計、分析和開發(fā)等各方面知識要素掌握得更加深入，對于產(chǎn)品開發(fā)更有信心。