信息科技項目化實踐助力STEM素養發展

李巖 陳杰

【摘 要】本文以“人臉識別物聯測溫儀”項目為例，通過選題、構思、制作和優化四個環節，展示項目化實踐開啟真實情境下的建構與生長、引領跨學科學習和知識綜合運用、促進多學科融入的技術實踐方法，讓學生體驗約束條件下的工程創造，有效促進學生STEM素養發展。

【關鍵詞】STEM素養；項目化實踐；智能互聯技術；信息科技

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）01-085-02

隨著信息科技的迅猛發展，社會方方面面日益數字化發展、智能互聯，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”[1]，發展學生STEM素養是回應時代呼喚的有效路徑。

內涵：STEM素養是什么

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，解決復雜問題的綜合能力。學生STEM素養發展首先伴隨著跨學科學習的過程展開，跨學科學習促進學生發現科學、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[2]。發展STEM素養主要以面向真實情境的項目化實踐為模式，將學生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。優良的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[3]。

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中，下面以“人臉識別物聯測溫儀”項目為例具體闡述。

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”選取當下防疫的真實情境，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確定的路徑、模式和方法可套用，需要調動已有的知識、能力、經驗等，甚至重新學習、不斷嘗試，才有可能解決。由此不難發現，面向真實情境的選題，可為學生提供知識建構、能力生長的機會，有利于培養學生識別、分析問題的能力。

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再加以細化。明晰的流程能激發學生調動已有的學科知識和技能，增強問題解決的信心。

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的方式，但手工測溫低效繁瑣，不適合學校大規模集中的情形。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。通過聯系生活應用、查閱文獻，得知人臉識別的人工智能技術很有應用價值，組織學生體驗機器學習訓練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，基于micro：bit開源硬件基礎，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物聯網模塊的“人臉識別物聯測溫儀”方案得以成型。

項目構思不僅是一個調取和應用已有知識、經驗的過程，由于解決問題的方案是開放的，因而沿著所選的問題解決路徑，學生在生物、物理、信息科技、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，經歷跨學科學習，為問題解決提供新知識、技能的同時，豐富自身的學習方式，更新學習觀念[4]。

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，除了開源電子器件的連接、焊接外，還有大量的材料選擇和加工，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，激光切割、3D打印機等硬件儀器，配合二維繪圖、三維CAD建模軟件，項目制作環節引導學生在數據計算、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，為學生身體力行將頭腦中“無形”的方案變為“有形”的作品提供了強有力的支撐。

信息科技學科尤其是編程技術的融入，賦予作品快速判斷個體的狀況，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，除了能夠便捷地查詢相關的數據信息，深入挖掘數據，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。

為了作品形式美觀，藝術手段、文化符號等也為學生完成技術實踐提供了必不可少的元素。

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進行的“人工改造物質世界的建造活動”，也被視為工程。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，發現因環境的亮度、人流以及背景等干擾產生偏差，需要不斷地修正優化。由于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，優化為學生帶來了約束條件下的工程創造的體驗機會，為學生權衡利弊、規模化加工、性價比最優等工程思維的發展提供了最佳訓練園地。進而在有效的優化方向上不斷加深，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[5]。

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。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，創造了系列化的頭盔式、手環式和教室專用等作品。

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，設計好項目的每一個實踐環節將對學生STEM素養發展產生積極的推進作用。當今社會，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，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支撐。加強面向真實問題設計并實施優秀的STEM項目，構建STEM素養發展的項目化實踐的智能互聯場景，跟蹤學生發展的過程，記錄并分析數據，評價STEM項目設計與實踐的效果，為學生STEM素養發展提供更科學精準的分析，為社會培養更多STEM素養優良的創新型人才[6]。

參考文獻

[1]蔡慧英，顧小清.設計學習技術支持STEM課堂教學的案例分析研究[J]. 電化教育研究，2016（3）： 93-99.

[2]楊彥軍，張佳慧，吳丹. STEM素養的內涵及結構框架模型研究[J]. 電化教育研究，2021（1）： 42-49.

[3]楊曉哲，任友群. 數字化時代的STEM教育與創客教育[J]. 開放教育研究，2015（10）： 35-39.

[4]王素，李正福. STEM教育這樣做[M]. 北京：教育科學出版社，2019.

[5]李伯聰. 努力向工程哲學領域開拓[J]. 自然辯證法研究，2002（7）： 36-39.

[6]北京開放大學地平線報告K12項目組. 2017地平線報告：新技術驅動教學創新的趨勢、挑戰與策略[J]. 人民教育，2017（21）： 71-75.

作者單位：南京師范大學附屬中學樹人學校