STEAM智能設計提高學生創新能力的實踐研究

摘要：STEAM教育理念強調通過項目活動，促使學生向多元化智能領域發展，激發學生學習興趣，增強學生的創新實踐能力，增加學生的自信心和積極主動性。本文以智能設計“Linkboy編程+Arduino硬件”課程為例，進行為期兩年的實踐研究，不斷改進教學設計和思路，努力開發校本課程，不斷提高教學效果，切實提高了學生的創新能力。

關鍵詞：STEAM智能設計創新能力實踐研究

引言

2020年我校申報了STEAM實驗校，我所在的技術組申報了課題“普通高中面向全體學生的STEAM校本課程開發行動研究”。作為課題組的一員，我積極參與STEAM教育理念的學習，并付諸實踐，開展基于STEAM教育理念的智能設計校本課程實踐研究。兩年的時間，初步完成了校本課程智能設計“Linkboy編程+Arduino硬件”的開發，學生的作品在智能設計大賽中取得了不錯的成績，實踐中也總結了一些經驗和不足。

一、概念界定

（一）STEAM

STEAM的原身是STEM理念，鼓勵學生在科學、技術、工程和數學領域的發展和提高，培養學生的綜合素養，從而提升其全球競爭力。近期其加入了arts，也就是藝術，變得更加全面。其中，STEAM代表科學（science），技術（technology），工程（engineering），藝術（arts），數學（mathematics）。STEAM教育就是集科學、技術、工程、藝術、數學多領域融合的綜合教育。

（二）智能設計

本文所說的智能設計具體是指“Linkboy編程+Arduino硬件”課程。該課程使用Linkboy編程軟件進行程序的設計和調試，核心電子硬件設備采用Arduino硬件套裝，再加上一些實物外殼創作一個智能設備，該設備可以實現一項或多項智能。

二、STEAM教育現狀分析

（一）我國STEAM教育開展現狀

眾所周知，國內STEAM教育起步較晚，教育部《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》，明確提出要“探索STEAM教育、創客教育等新教育模式”。能夠提高學生的創新能力和綜合能力是STEAM教育的主要優勢，發展STEAM教育勢在必行，未來以創新和跨學科融合為導向的STEAM教育將迎來發展機遇。

（二）我校STEAM教育開展現狀

我校在申報STEAM實驗校之前，STEAM教育從未開展。經過調查，學生在初中和小學沒有接觸過STEAM教育，我校教師也沒有接觸過STEAM教育。但是我校并沒有因為這些困難而放棄，而是積極申請成為STEAM實驗校，這些都是因為我校擁有一批敢為人先、善于學習思考、積極探索的教師團隊。技術組的教師們更是一馬當先，根據自己感興趣的方向進行深入探索。筆者是技術組的一員，探索方向是智能設計課程“Linkboy編程+Arduino硬件”。

三、實踐過程

（一）積極學習STEAM教育理念

為了更好地開展STEAM教學，我先后查閱了大量關于STEAM教育理念的資料，積極參加各級各類STEAM教育的培訓和學習。無論是線上還是線下，我都克服困難積極參加學習，觀摩其他優秀教師的STEAM課堂教學方式，向優秀的前輩請教，和一同學習的教師討論交流，逐步領會STEAM教育理念。

（二）分析我校學生創新能力現狀

我校雖然是一所省示范高中，但是生源質量并不是特別好，學生在初中和小學關于科技創新等方面的學習和訓練并不多，創新能力偏弱。

（三）開發智能設計校本課程

書上得來終覺淺，絕知此事要躬行。我深知，再多的學習都不如實踐深刻，于是，我根據自己擅長的編程方向，選擇開發適合我校的智能設計校本課程“Linkboy編程+Arduino硬件”。從軟件下載和學習，書籍購買，Arduino硬件的選購，我都認真對比，深入研究之后再付諸行動。經過兩年的實踐積累，現在已開發了一套適合我校學生的校本課程。主要課程目錄如下表（表1）。

（四）激勵學生創新實踐

每節課我都會設計一個模擬生活情境，提出問題，讓學生思考，然后給出一個解決問題的樣例，激勵學生去創新實踐。比如，在講授第三課《創作流水燈》的時候，我會先示范一個樣例，學生完成樣例學習后，思考流水燈除了教師演示方式之外，還能創作出哪些更絢麗的流水燈效果，學生的創新思維一下子就被激發了，創作出來幾十種不同的流水燈效果。在第五課《創意音樂盒》的課堂教學中，我讓學生分組創作有小組特色的音樂盒，各小組成員積極動腦動手，作品也是創意無限，有母親節感恩媽媽的，有教師節感恩老師的，有國慶節向祖國獻禮的，也有呆萌可愛送給弟弟妹妹的……在第八課《點陣圖創意設計》中，我以合肥天鵝湖燈光秀開啟學生的創意思維，讓學生想象自己是燈光秀的導演，會設計怎樣的燈光秀呢？并用點陣圖的方式初步實現。學生開啟頭腦風暴，積極上網查閱資料，小組討論，最后確定方案。最終提交的作品也都是創意十足，有結合自己家鄉特色為家鄉設計宣傳燈光秀的，有結合學校特色為學校設計招生燈光秀的，還有與各種節日相關的。在后面的課程中，學生更是進行綜合創新，創作了更多優秀的作品。總之，在每節課中學生都有創新，思維的火花被點燃，創新的成就感不斷激勵著學生創作更多有創意的作品。

下面以第十課《自動感光燈》為例，介紹我的課堂教學實踐過程。

STEAM教育項目教學案例《自動感光燈》

案例研發（開發）描述

今年我校開設了STEAM課程，我所負責的是關于Arduino智能硬件設計與Linkboy編程，課程分為聲、光、電三大模塊，而光是其中十分重要的一個模塊，結合各種傳感器模塊可制作各種感應燈，如自動感光燈、人體感應燈、聲控燈等。本案例結合生活中的自動感光路燈引導學生理解自動感光燈的原理，并設計制作簡單的自動感光燈，培養學生的編程能力、動手能力等。

案例實施目標

科學目標：學生能夠理解自動感光燈的原理

技術目標：學生能夠編程設計出自動感光燈

工程（設計）目標：實物實現自動感光

藝術目標：線路連接有條理，設計有美感

數學目標：會理解并設置合理的光線感應值

教學實施條件（準備）

機房，Arduino UNO板，LED燈，限流電阻，光敏電阻，分壓電阻，數碼管，杜邦線若干，面包板，USB連接線，云課堂教學軟件，PPT課件。

教學過程設計

問題提出

一年四季，寒來暑往，街邊的路燈總是在天黑時自動亮起，天亮時自動熄滅，大家知道路燈可以自動亮滅的原理是什么嗎？

方案設計

所需背景知識：

（1）會使用Linkboy軟件進行硬件模擬連接和測試。

（2）會基本的Arduino套件中的相關硬件連接、下載和測試。

（3）理解編程中的選擇結構程序設計。

實踐活動

學生根據設計方案先使用Linkboy軟件進行硬件模擬和編程測試，測試正確后下載程序到Arduino UNO板中，然后進行實物硬件連接，并測試是否能實現根據光線強弱燈亮或燈滅。實物圖如圖1所示。

作品分享與評價

各小組完成作品后，進行實物現場演示分享。學生首先介紹自己的作品，然后用手遮擋實現光線的變化，從而測試自動感光燈的效果。從連線是否美觀整齊、效果是否明顯、測試是否正常等三個方面進行評價。

反思與改進

此次活動，總體來說是成功的。學生設計出自動感光燈的時候十分有成就感，對路燈的工作原理也有了更深切的理解，最后的思考與嘗試也啟發學生進一步去探索創新更智能的路燈。當然不足之處也有，限流電阻與分壓電阻外觀太相似，學生分辨困難。另外，本節課數碼管插線比較多，十分考驗學生的動手能力，稍有差錯數碼管便不能正確顯示光線強度值。

（五）鼓勵學生參加智能設計大賽

為進一步激發學生的創作熱情和學習興趣，我鼓勵學生參加智能設計大賽，在課堂創作作品的基礎上進一步美化和完善作品的外觀和功能。學生熱情高漲，經常利用課余時間反復調試程序，優化作品功能，多組作品參加了智能設計大賽，如兒童智能飲水機、汽車智能求助裝置、智能護眼裝置、智能搶答器等。

下面以作品汽車智能求助裝置為例介紹學生學習探索的過程。

汽車智能求助裝置設計方案

設計背景和目標

設計背景：新聞報道中經常有粗心的家長把孩子落在汽車里。汽車是個密封的空間，空氣有限，隔音強，即使孩子在里面哭外面也很難聽到，不容易被路人發現，時間長了孩子有窒息死亡的危險。因此，我們設計了這款汽車智能求助裝置。

設計目標：該裝置的主要作用就是使那些被困車里的兒童及時獲得幫助，防止窒息。

設計思路

我們通過制造聲音和燈光閃爍的方式來吸引路人的注意，通過LED字符顯示屏顯示車主手機號碼，使得路人可以及時撥打車主電話，促使車主及時回來打開車門，從而使滯留車內的兒童被解救，避免窒息造成生命危險。

作品創新點

智能：可以通過按鈕和聲音傳感器兩種觸發方式來啟動求助裝置，考慮到了年幼的孩子不會或想不起來按按鈕，但是會哭泣或者大聲喊叫這個特點。紅燈閃爍、蜂鳴器報警都可以吸引路人注意，顯示屏可以顯示車主手機號碼，便于及時通知車主回來打開車門，這樣就可以有效地避免孩子被困汽車中。

安全：無論是按鈕觸發還是聲音傳感器觸發對被困人員都是安全的。

材料清單

硬件器材：汽車模型，Arduino UNO主板，聲音傳感器，按鈕3個，蜂鳴器，紅色LED燈，面包板，LED字符顯示屏，杜邦線和USB線。

軟件：Linkboy編程軟件。

制作過程

第一步：構思自己想要的作品，在仿真軟件中拖出需要用到的器材。

第二步：在電腦上做出作品的仿真程序，做完后檢測是否可以正常運行。

第三步：準備實驗器材，按照設計圖組裝裝置。

第四步：下載程序，檢驗實驗裝置能否正常運行。

第五步：演示效果，完善文檔。

第六步：展示作品成果。

使用說明

當按下鎖車按鈕時，求助裝置開啟，年齡大一點的孩子可以通過按按鈕或大聲喊叫來觸發求助裝置。年幼的孩子可以通過哭泣或者喊叫來觸發求助裝置，當檢測到求助按鈕或者孩子的聲音時，紅燈會閃爍，蜂鳴器發出警報聲，顯示屏顯示車主電話號碼和求助信號，從而引起路人注意，并幫助撥打車主電話，讓車主及時回來開門。當車主解鎖汽車后，被困人員獲救，紅燈停止閃爍，蜂鳴器停止報警，顯示屏清空。當汽車處于解鎖狀態時，求助裝置不會被觸發。

演示效果

演示效果良好，實用性強。

人員分工

學生1：主要負責電腦中的仿真程序制作和部分思路創新。

學生2：主要負責現實中的電路連接，以及部分問題的解決思路。

四、實踐成果

（一）學生反饋

任何教學研究的成敗與價值性都在于學生有沒有真正受益，所以我會在課堂上多維度觀察學生。事實證明對這門智能設計校本課程學生的興趣濃厚，參與的熱情很高。每節課都能有學生在完成基礎任務的前提下有所創新和改進，學生的動手能力、解決問題能力、物化作品能力、調試程序的能力等綜合能力都有很大程度的提高。更為關鍵的是，通過STEAM智能設計校本課程“Linkboy編程+Arduino硬件”的學習，學生的創新意識大大加強，創新能力和創新思維都得到了大幅度的提高。學生會發現原來創新就在我們身邊，自己就可以創造出很多有趣的作品，讓我們的生活與學習變得更加美好。正所謂創意改變生活，技術決定未來。

（二）獲獎情況

為進一步激發學生學習的興趣，我鼓勵學生將作品進一步優化和完善，比如美化作品外觀，優化作品功能等，然后讓學生參加各類智能設計大賽。參賽的學生作品兒童智能飲水機、汽車智能求助裝置、智能護眼裝置、智能搶答器獲得包河區智能設計大賽一等獎，其中兒童智能飲水機、汽車智能求助裝置獲得合肥市智能設計大賽三等獎，學生作品煙霧聲光報警器獲得安徽省智能設計大賽三等獎。事實證明，參加比賽后，獲獎學生的成就感更強，學習熱情更加高漲。

（三）課程推廣

我校STEAM教學雖然開展時間不長，但課程開發和設計已經走在地區同類學校的前列，并受邀在區里開設多次專題講座和開展培訓，其他學校經常來校觀摩取經，交流教學經驗。

結語

創新能力是一種綜合能力，培養青少年的創新能力既是實現中華民族偉大復興的戰略抉擇，又是青少年自身成長成才的內在需要。STEAM課程是綜合性跨學科的項目學習，是培養學生創新能力的一條重要途徑。當然實際教學中也需要教師結合學生實際，設計學生感興趣并通過努力可以實現的項目，滿足這些要求才能使課堂充滿活力，切實提高學生的創新能力。我也將繼續優化課程，尊重學生的個性發展需求，營造創新環境與創新氛圍，創設能夠激發學生興趣的教學情境，給予學生更多創新實踐的學習項目。

參考文獻：

[1]鄔旭丹.STEAM教育的國際經驗及其啟示［D］.金華：浙江師范大學，2019.

[2]涂子沛，酈光偉.和爸媽一起學創新［M］.北京：中信出版社，2021.