基于STEM教育理念的中職物聯網專業教學實踐

梁結堅 侯敬熙 凌國理 史繼慈

隨著我國從制造大國邁向制造強國，社會對復合型創新人才的需求不斷增加。中職學校應該勇于探索新的教學方法，培養符合社會需要的創新型人才。中職物聯網專業是一門綜合性和實踐性很強的專業，本文通過在中職物聯網專業課程中引入STEM教育理念，以“智能插座”項目開發為例開展教學改革實踐，探討STEM教育理念下中職物聯網專業進行跨課程融合授課的優勢。

一、STEM教育理念

STEM是科學、技術、工程、數學英文首字母的縮寫。STEM教育是一種以解決真實問題為任務驅動、進行多技術交叉融合的跨學科教育。中職物聯網這個多學科交叉專業很適合開展STEM教育，STEM教育能夠顯著增強學生的科學素養和創新實踐能力。

二、中職物聯網專業教學中應用STEM教育理念的意義

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聯系緊密，只有熟練運用各門課程所學知識，才能開發出完整的物聯網產品。借助STEM教育理念，教師可以融合各專業課程中的知識點，提煉出若干項目，再通過做項目的形式讓學生“做中學，學中做”，增強分析問題和解決問題的能力，培養跨學科思維。STEM教育理念強調動手能力，學生通過團隊合作完成項目開發，不僅提高了實操能力，還培養了團隊合作精神。

三、基于STEM教育理念的教學實踐

中職物聯網專業課程包括計算機網絡、傳感器技術、電子電路等，如何規劃每一門課程的內容、任務實踐，綜合各個學科的技能是開展STEM教育的關鍵。中職物聯網專業需要教師重新規劃所授課程，重構所有課程的實驗、實操。下面以“智能插座”項目為例，探索STEM教育理念下的教學實踐。

（一）教學項目介紹

本項目融合了傳感器技術、電路與電子技術、計算機網絡、PHP程序設計、單片機原理及應用等學科的知識點。項目基于ESP8266模塊，能夠實現遠程控制插座開關、遠程讀取環境溫度和濕度、根據溫度或濕度設置插座開關狀態、無線wifi配網等功能。

（二）教學準備

1.器材準備

課前，準備如下器材：ESP8266模塊、繼電器模塊、溫度濕度傳感器、220V轉3.3V直流電模塊、萬用板、銅導線、LED燈、路由器、測試用手機、電烙鐵等。

2.環境準備

在電腦安裝Arduino IDE開發工具、HbuliderX IDE工具，配置ESP8266應用庫、MQTT協議庫，注冊中國移動物聯網開放平臺賬號。

（三）教學實施

1.分解項目

“智能插座”項目是一個綜合性項目，它融合了多個課程的知識點。在開展教學前，應該先把復雜性、綜合性項目分解成若干個緊密相連的子任務。分解的時候注意明確每一個子任務的知識目標及能力目標，同時也列舉出任務所屬的課程。學生在完成相關的任務后，即可完成整個項目，具體任務分解如表1所示。

2.分任務教學

在進行分任務教學前，教師可以通過思維導圖讓學生了解項目的開發過程以及相關的知識點，讓學生對整個項目有整體的認知。由于是采用跨課程授課的形式，這就要求各個任課教師都應該對本項目有充分的了解，包括項目原理、任務目標、培養目標等，這樣才能保證各個任務之間的無縫銜接。在本項目的教學實施過程中，每個子任務都有既定的知識目標和能力目標，每個子任務可能歸屬不同的課程。下面以“智能插座”項目開發為例，分別簡述五個子任務的實施情況。

子任務1：焊接電子元件

本項目使用的是ESP8266模塊，該模塊是一款低功耗高性價比的嵌入式無線網絡控制模塊，并自帶多個GPIO，十分適合本項目使用。學生需要把ESP8266模塊中的GPIO口和繼電器、溫濕度傳感器、LED燈、按鈕進行焊接。焊接前，根據電路圖先在萬用板上規劃好電路路線，再把電子元件插到萬用板上，使用電烙鐵和焊錫把元件引腳焊接起來。如果兩個元件相隔較遠，可用銅導線或漆包線進行連接。在本任務中，學生需掌握一定的電子電路識讀能力和電子元件焊接能力，而這部分知識點是電工與電子技術課程的重要內容。焊接溫濕度傳感器需要學生掌握該傳感器的正確使用方法，這屬于傳感器技術應用課程的內容。學生在完成本子任務時，綜合應用了上述兩門課程的知識，增強了綜合應用能力。

子任務2：使用及管理物聯網平臺

為縮短開發周期和增強作品穩定性，本項目物聯網平臺使用了“中國移動物聯網開放平臺”，下面簡稱物聯網平臺。由于ESP8266模塊與物聯網平臺連接使用了MQTT協議作為接入協議，所以學生需要掌握如何在物聯網平臺上管理設備和應用接入協議。在本任務中，學生需要先在物聯網平臺申請賬號，添加硬件設備，設置使用MQTT協議，得到連接物聯網所需的鑒權信息，再在物聯網平臺上進行實操、協議接入。學生在完成本任務的同時也進一步了解了物聯網平臺的使用方法，增強了專業技術能力。

子任務3：搭建及部署網站

為便于手機端APP的升級更新，本項目使用了B/S的架構。在本子任務中，需要使用Jquery Mobile前端框架開發用戶APP界面，再結合物聯網平臺提供的API接口規范，使用PHP編寫APP后端支持代碼完成手機端和物聯網平臺的有效連接。這是一個綜合性很強的任務，綜合應用了學生使用前端框架的能力、后端編程能力和API編寫調用能力，這些能力也是PHP動態網站開發和Web前端設計課程的能力點。

子任務4：單片機編程

在物聯網的架構中，感知層的設備以單片機為主，是感知層的核心，本項目使用性價比高的ESP8266模塊。由于ESP8266支持wifi協議棧，因此選用ESP8266模塊連接物聯網平臺交換數據。本項目使用Arduino集成開發環境進行編程，編程語言采用學生較容易掌握的C語言。在進行單片機編程時，學生需要進行MQTT協議的接入代碼和相關API的編寫，并添加物聯網平臺的鑒權信息，完成單片機與物聯網平臺的鏈接。這部分內容與單片機控制技術課程緊密相連，另外還需要學生掌握計算機網絡課程中的配網技術，當前AirKiss協議是物聯網設備配網的常用方法，本項目也采用這一成熟的解決方案，學生在完成本任務后，也就掌握了常用的物聯網配網方法。

子任務5：綜合測試

在完成上述的四個子任務后，本項目的作品已經基本開發完成，最后需要對作品進行綜合測試。利用單片機串口調試檢查各個接口及相關模塊的工作情況，提升作品運行的穩定性。綜合測試能夠很好地鍛煉學生發現問題和解決問題的能力。學生最后使用Autodesk Inventor設計作品外殼，使用3D打印機打印外殼，打印完成后即可把電路板置入外殼中，完成作品的組裝。

（四）教學反思

在完成本項目的教學實踐后，學生在理解和應用物聯網技術方面有了很大的進步。通過學習和實踐，掌握了智能插座的工作原理、溫濕度傳感器的使用以及與物聯網平臺的連接和數據交互方法。通過這個項目，學生不僅掌握了物聯網技術的基本概念和應用，還鍛煉了分析和解決問題的能力。

然而，在教學過程中也遇到了一些挑戰。首先，由于物聯網技術是比較新穎的領域，學生需要更多的時間和精力來學習相關的概念和原理。比如部分學生對APP站點的開發和API接口調用理解還不夠深入，需要更多地進行實踐學習。其次，在實踐過程中學生也遇到了一些技術問題，比如手動改變開關狀態后，手機終端上的APP狀態未更新，這就需要教師在教學過程中加強對學生的技術指導，并鼓勵學生相互交流和相互合作解決問題。

四、結束語

STEM教育理念下的“智能插座”教學案例是一種基于科學、技術、工程和數學的新型教學實踐。通過該項目，學生能夠接觸物聯網技術的實際應用，并進行實際的設計和開發。在整個學習過程中，學生掌握了一系列的知識和技能，綜合能力得到了很大的提高。同時，學生的團隊合作意識和分析解決問題的能力得到了很大的提升。基于STEM教育理念進行課程融合一定程度上解決了傳統教學方法的局限，培養了學生的創新思維和解決問題的能力。

［本文是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? 陳春陽