基于STEM教育的中職物聯網教學應用研究

為提高中職物聯網專業學生的創新能力，增強學生分析、解決問題的能力，筆者對當前中職物聯網專業的教學模式進行了探索研究，提出了以STEM教育模式對物聯網專業課程進行整合，實行跨學科融合教學，開拓學生視野，提高對中職物聯網的探究學習能力。

一、前言

2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規劃”》明確指出要有效利用信息技術推進“眾創空間”建設，探索STEM教育、創客教育等新教育模式。2020年9月教育部印發《職業教育提質培優行動計劃（2020-2023年）》，提出要加大力度提升職業教育專業和課程教學質量，提出推動職業學校“課堂革命”，將課程教學改革推向縱深。培養具有創新能力的中職物聯網專業人才，靠以往通過傳授理論知識是遠遠不夠的，應該讓學生在做中學，在學中做，綜合各學科之長解決實際問題，才能激發學生的創新能力。而STEM教育思想則是把多個學科知識技能結合在一起，重視提高學生的實際動手操作能力和創新能力。因此，中職物聯網技術與STEM教學進行完美的整合，將會賦予STEM教育更充實的內涵和無窮的創造力。

二、中職物聯網教學現狀

2017年教育部頒布的《義務教育小學科學課程標準》提出，STEM教育應該以項目學習與問題解決為導向的跨學科學習形式。我國的STEM教育發展迅速，全國大部分地區已經出現了STEM課堂、個別地方還為此出臺了STEM教育政策文件，鼓勵教育機構開展STEM教育。在國內中小學是STEM教育的重要學段，各類以STEM為載體學生比賽、教學案例評比等也逐漸增多。但是對于有關中職學校的STEM教育探索還是寥寥無幾。為什么會造成這種現象呢？筆者認為主要原因是中職學校過度強調專業知識技能，忽視了跨學科應用和學生創新能力培養的重要性。開展STEM教育永遠不會遲，因而努力探索一種適用于中職學校的STEM教育模式顯得迫在眉睫。

從國內物聯網專業的發展情況來看，物聯網在國內經歷了快速的成長。職業院校十分重視物聯網專業的發展，紛紛開設物聯網專業。為進一步提升學生職業素養，部分院校還以開設專業工作室等方式對學生進行專業培養。但是中職物聯網專業存在以下的教學現狀：大部分物聯網專業的學生還停留在理論、模擬器操作、模塊功能驗證、實驗箱使用的階段，只是簡單地完成理論的驗證、任務的完成，缺乏任務創新；各個專業課程“各自為政”，不能夠實現跨課程融合，造成學生缺乏綜合應用能力和創新精神，遇到實際應用時往往想不出解決方法；專業技術學習往往只注重理論的學習，忽略了實踐的重要性，學生幾乎沒有參與過實際項目的開發。

三、STEM教育模式下的中職物聯網

STEM教育的重要作用是跨學科知識融合，中職物聯網專業各個學科緊密相連，只有熟練運用綜合各個課程所學知識，才能開發出完整的物聯網產品。如何規劃每一個課程的內容、任務實踐，如何綜合各個學科的技能是STEM教育成敗的關鍵。中職物聯網專業需要重新規劃所授課程，重構所有課程的實驗、實操，在重構的過程中引入STEM內容。建立中職物聯網專業的STEM教育課程體系是十分重要的，也是培養學生成為創新型人才的內在要求。

中職物聯網專業旨在培養具有物聯網工程布線安裝與維護、現代通信技術、各種交換機和路由器的配置與運用、嵌入式開發、射頻識別與應用、傳感器、移動設備軟件開發設計、網頁制作等較強的職業綜合技能的高素質人才。

從圖1可知，中職物聯網專業分為基礎課和核心課程，專業課程難度由淺入深。無論是基礎課還是核心課程，都有對應的實踐項目與之關聯。這樣才能要求學生使用綜合技術進行項目實踐。對于基礎課程，學生需要掌握必要的編程技術、程序開發技術、單片機技術，而這些課程需要學生進行實際的開發活動。學生可能會使用Arduino、ESP32、STM32等進行項目開發，使用Android studio、Hbuilder等進行上位機應用程序的開發。學生在掌握基礎課程后，會深入學習組網技術、RFID技術、傳感器技術、通訊技術等。這時候學生項目實踐可以在原來基礎課程上更進一步，可以進行一些綜合項目開發。在STEM教育模式的引領下，學生可以利用一些開源硬件、開源平臺進行二次開發。學生可以進行智能家居、智慧物流的項目開發，綜合項目屬于典型的跨學科融合實踐，學生運用所學知識自主開發項目，極大地提升了學生的創新能力和動手能力。

四、中職物聯網專業下STEM教育應用案例

建構主義學習理論認為“情境”“協作”“會話”和“意義建構”是學習環境中的四大要素或四大屬性。在STEM教育模式下，學生通過使用理論知識解決實際問題來構建知識體系，在此過程中，學生通過自主動手、自主思考，做中學，學中做，進一步鞏固了知識體系。此外，中職物聯網專業十分適合STEM教育模式，因為該專業本身就需要掌握多個學科的知識技能，強調學生的動手能力。下面以“智能燈”項目作為STEM教育教學案例，摸索STEM教育模式下的中職物聯網專業教育改革。

項目簡介：智能燈由ESP8266模塊、電源、RGB燈珠、按鈕等組成，能夠實現遠程手機控制，可以遠程設置燈光的顏色及亮度，實現無極變色。通過對項目進行功能提取分析，我們把項目總結為如下4個知識模塊。

1.物聯網平臺開發

本知識模塊來自動態網站和程序設計課程，首先開發這款智能燈需要用到物聯網平臺，而這種物聯網平臺我們可以選擇自主開發。教師需要綜合運用上述課程所學的知識技能開發一套物聯網管理系統，讓其支持MQTT、HTTP等協議。

2.服務器配置技術

本知識模塊來自計算機網絡和服務器配置與管理課程，教師需要把開發好的物聯網平臺部署到已接入互聯網的服務器。部署完成后，教師需要對服務器的安全、并發數等進行相應的設置與優化。

3.單片機編程技術

本知識模塊來自單片機技術課程，本項目使用ESP8266作為主控芯片，該芯片支持wifi協議棧，通過程序開發，使該芯片可以通過wifi實現接入Internet，連接物聯網平臺。在該單片機的開發中，也融入了通信技術課程的相關內容，比如使用了MQTT協議，ESP8266與服務器的通訊過程即為MQTT協議的通訊過程。學生可以在實際中使用應用這一通訊協議，大大提高了學生對專業知識的理解運用。ESP8266芯片需要配網才能連入wifi，而配網需要學生掌握計算機網絡課程中的網絡通訊協議內容；因此，在這個知識模塊里面，其實融合了其他課程的很多知識點，并不是由單門課程可以實現的。

4.終端代碼編寫

本知識模塊來自程序設計里面的Android開發，本案例中使用的手機應用APP是使用Android Studio開發的，首先要求學生懂得基本的手機開發技術。學生需要自行開發UI界面，集成物聯網平臺上的API接口或者第三方物聯網平臺的SDK。如果是自己開發的API接口，則還需要學生掌握動態網站課程中動態腳本語言的知識點。

5.電子電路制作

本知識模塊來自電子電工課程，本項目中的電源模塊、ESP8266芯片及RGB燈珠都需要統一焊接在電路板上，需要學生進行PCB板的電路設計和焊接。由于本項目使用了模塊化的設計思想，簡化了電路，中職學生完全可以學以致用進行PCB板設計與焊接。

在本案例的項目開發中，學生會遇到各種各樣的技術問題，而且很多問題不能從書本上找到答案。要解決這些問題必須通過不斷地實踐嘗試，學生從實踐中收獲知識，同時也鞏固了已學知識。從上述案例可以看出，STEM教育可以把中職物聯網多門專業課程重新組合起來，通過綜合運用才可以做出成果、做出產品。

五、STEM教育在中職物聯網教學中的應用前景

STEM教育的重要作用是能夠實現跨學科融合，實現“一加一大于二”的效果，STEM教育能夠讓學生在動手制作開發的過程中學到知識技能，即“做中學”；學生在課堂、書籍、甚至互聯網上可以獲取最新的知識，在學到最新的知識后可以應用在所開發或制作的項目上，即“學中做”。STEM教育的跨學科和開放性，使STEM教育成為培養學生創新能力的沃土，培養學生動手能力提高團隊協作能力的沃土，踐行勞動教育提高職業素養的沃土。通過探究實踐，把STEM教育理念融入物聯網專業的教學改革中，解決了傳統教學方法所不能解決的問題。

六、結束語

本文分析了中職物聯網專業的現狀及特點，綜合了物聯網專業的課程及STEM教育的實踐相關性，提出了通過STEM教育模式對中職物聯網專業進行教學改革，利用STEM教育跨學科融合的特點對物聯網專業課程進行整合，并通過探索實踐證實了STEM教育的可行性和優勢，完善了物聯網專業的教學體系。通過本探索實踐，也為不同的專業進行教育教學改革提供參考。

[本文系廣東省教育科學規劃課題“基于STEM中職物聯網專業創新型人才培養與探究”的研究成果，項目編號2022YQJK556。]

責任編輯朱守鋰