面向STEM的創(chuàng)新課程創(chuàng)設實踐與思考

周迎春

【摘 要】目前，以提升學生科學、技術、工程、數(shù)學等學科綜合素養(yǎng)為目標的 STEM教育方興未艾。筆者在小學信息技術課堂教學中踐行STEM教育理念，創(chuàng)設需跨學科解決的問題情境，一些創(chuàng)新課程設計取得預期效果。

【關鍵詞】STEM教育；Scratch編程；3D建模打??；虛擬現(xiàn)實；全息投影

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）02-0071-06

現(xiàn)代科技的發(fā)展越來越需要跨領域的學科知識的整合應用，基因測序、納米技術、可再生能源、量子計算等技術的發(fā)展無不印證了橫跨數(shù)學、物理、生物、信息等技術融合的必要性。人類科技的發(fā)展需要培養(yǎng)STEM復合型人才。而中小學現(xiàn)在最廣泛應用的課程模式還是分科教學模式，很少重視學科之間的聯(lián)系。

STEM教育代表了課程組織方式的重大變革。學習者接受STEM教育有助于對數(shù)學和科學等內(nèi)容更加深入的理解；同時也有助于培養(yǎng)他們在真實世界中應用這些知識解決問題的能力，因為這些問題本質(zhì)上就是跨學科的。STEM教育的課程設計應該使用整合的課程設計模式，即將科學、技術、工程和數(shù)學乃至藝術人文等諸多學科整合在一起。目前來看，制約STEM教育開展的瓶頸之一是STEM的課程建設，上海、溫州等城市的許多中小學都已率先開設了STEM研究實驗中心，嘗試STEM課程進入課堂的實踐研究。筆者在信息技術、科技創(chuàng)新、創(chuàng)客教育方面有著多年經(jīng)驗，進行了面向STEM 的課程開發(fā)實踐研究，取得了預期成效。

全景圖制作讓學生零距離接觸虛擬現(xiàn)實技術

2016年作為“虛擬現(xiàn)實”元年，各行各業(yè)都在嘗試連接VR技術。讓心臟轉身，帶你在心臟的各個心室參觀，跟著血液在動靜脈中“坐過山車”——這一切得益于VR技術。它能讓你體驗到立體生物教學的“魔幻魅力”，幫你生成一個逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的三維虛擬環(huán)境，使參與者獲得與現(xiàn)實世界一樣的感受。這是一個運用VR技術制作的生物課件。類似的利用VR制作的一些互動體驗感強的學件、課件頻頻在各大公司展臺展示，但是真正應用于教學的目前僅是極少數(shù)。

VRplatfrom 、Vega、Unity3D、Quest3D等軟件都是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術的途徑，但是對于中小學生來說，技術的難度系數(shù)較高。虛擬現(xiàn)實似乎離我們很遙遠。筆者嘗試設計全景圖課程，讓學生親手制作一個虛擬現(xiàn)實作品，讓它走進信息技術課堂。

全景圖制作流程包括全景模型選擇、圖像采集、圖像拼接、圖像縫合以及全景圖展示瀏覽五個步驟。事實上，制作技術的低門檻，已經(jīng)讓百度全景街景地圖服務在短短三年時間覆蓋了424個城市。而之所以發(fā)展如此迅速的秘密還在于百度圈景，百度圈景是百度地圖全景上傳平臺。百度全景采用眾包的模式，將全景采集的人群擴展到每一個人，通過每一個人的力量來共同建設百度全景。

制作三維全景照片的軟件有許多，如COOL360、Quick time Vr 、Photo Vista等。筆者認為，其中的Photo Vista 比較適合小學高年級學生學習掌握，它是目前PC端制作影像式虛擬實境網(wǎng)頁工具功能最強大的工具之一，可以制作出具有360度全景式的影像虛擬實境，并自動輸出網(wǎng)頁。筆者在小學信息技術教學實踐中結合 “壓縮與解壓縮”與“軟件的下載與安裝”的教學，將虛擬現(xiàn)實技術“整合”進入課堂，讓學生親身體驗Photo Vista 2.0全景圖制作。《Photo Vista 2.0全景圖制作》這一課要用到素材庫的解壓縮、Photo Vista的下載安裝使用以及運用Frontpage對其生成的圖檔進行修改設置。在上課之前，還需要組織學生在校園內(nèi)或到附近景點拍攝相關的素材照片，這里涉及選景策劃、照相機手動調(diào)焦、三角架的使用等。學生需要在邁出雙腿的同時完成此項全景圖制作任務，還需要跨學科的知識技能的支撐。有的學生還在旅游景點拍攝了素材并合成了全景圖上傳百度圈景并被錄用，獲得了成功的體驗。應該說，這是提升學生STEM素養(yǎng)的一個成功案例。

Scratch創(chuàng)新課程設計讓趣味編程走向趣味創(chuàng)造

2016 年1月30 日，奧巴馬對公眾發(fā)布了 “Computer Science for All” 的倡議，鼓勵美國中小學生盡早地學習計算機科學的知識，為未來的大學學習和職業(yè)成功做準備。在奧巴馬的這次倡議里，“計算機科學”在很大一部分等同于“編程學習”。我們的小學信息技術課程也有一些編程模塊的課程規(guī)劃，比如五六年級有Scratch編程的課程安排等。但是課程的安排大多局限于讓學生在屏幕上操作，很少涉及工程設計的理念。從Scratch官網(wǎng)上，我們可以找到Scratch的核心思想是Imagine（想象）、Program（編程）、Share（分享），寓意利用Scratch激發(fā)兒童的想象、培養(yǎng)兒童的思維，并在智慧分享中共同提高。筆者認為，在STEM教育視野下信息技術課程需要變革，因此編著了《面向STEM的Scratch創(chuàng)新課程》一書。其中，Arduino UNO R3創(chuàng)新篇等20多個案例讓學生的編程“跳”出屏幕，令趣味編程走向趣味創(chuàng)造。希望讓Scratch的核心思想增加“創(chuàng)造（Create）”這一元素。讓孩子體驗整合信息技術、工程、數(shù)學等多學科知識技能，解決生活中的實際問題的樂趣，培養(yǎng)和提高學生的軟實力。

1. PicoBoard開發(fā)板互動課程讓屏幕內(nèi)外亦步亦趨

PicoBoard互動篇采用了百元左右的傳感器開發(fā)板，板卡上包含滑動傳感器、聲音傳感器、按鍵傳感器、光線傳感器和4個模擬輸入接口，通信接口為micro USB 接口，此設備可直接通過USB連接線連接至電腦。安裝好驅動后就可以與程序“互動”起來。在教學《黃山日出》一課時，學生可以通過滑動傳感器來操控太陽的起落，同時滑動傳感器的值還同步控制周圍景色的亮度，隨著太陽升落，周圍背景亮度隨之增減。由于滑動傳感器的數(shù)值變化區(qū)間為0～100，而Scratch屏幕上下區(qū)間為-180～180，因此涉及區(qū)間的換算問題。學生在編程一開始就會遇到數(shù)學難題。而用學生的話來說：成功從來不會一帆風順，樂趣就在打敗一個個攔路虎的過程之中。

潛水艇是一款經(jīng)典的單機版游戲，許多孩子都玩過?！稘撍Т髴?zhàn)游戲編制》一課讓孩子們先在網(wǎng)上下載單機版游戲，安裝并運行試玩。然后要求學生以此為藍本，用Scratch創(chuàng)意并編制個性版的游戲。單機版潛艇大戰(zhàn)使用光標鍵和空格鍵來控制戰(zhàn)艦的運動方向及投射魚雷。Scratch版則要求學生用外接開發(fā)板上的滑桿來移動戰(zhàn)艦，用按鈕傳感器發(fā)射魚雷。這一課，學生的角色從一個游戲參與者變?yōu)橛螒虺绦虻拈_發(fā)者，經(jīng)歷創(chuàng)意設計、程序編寫、運行調(diào)試等過程，其中涉及一些變量的設定、開發(fā)板與程序互動對接等難題。學生從前臺走向后臺的過程中真正經(jīng)歷到了程序開發(fā)的甜酸苦辣，也體驗到了創(chuàng)造的樂趣。

《西游記》是學生喜愛的一部名著，孫悟空更是學生所喜愛的主人公?！段蚩战庸螒蛑谱鳌芬徽n要求學生按《西游記》中“萬壽山五莊觀有人參果，此果子遇金而落，遇木而枯，遇水而化，遇火而焦，遇土而入”等描述，結合PicoBoard開發(fā)板創(chuàng)意制作一個悟空接果游戲。有學生如此創(chuàng)意：悟空手托果籃隨滑桿左右移動，當落下人參果時，如能接住，變量顯示接果數(shù)量，同時播放音效；未能接住則“遇土而入”。當接果數(shù)量達到一定值時，顯示大果籃，果籃中則盛有相應數(shù)量人參果。在此案例中，還追加一道附加題，讓學有余力的學生按《西游記》所述“此果子遇金而落”，改版設計PicoBoard開發(fā)板按鈕控制射“金”擊落果子，然后果子隨機在某角度區(qū)間落下的游戲。此課例學生需要百度下載一張果樹圖片，然后在Photoshop及Scratch自帶繪圖編輯器中修改，需要設置程序與開發(fā)板的互動，需要涉及隨機數(shù)、變量、傳感器數(shù)值的換算等數(shù)學問題。同時還融合了人文藝術，具備了STEAM教育的主要元素。完整的程序開發(fā)經(jīng)歷，為學生積累了解決問題的寶貴經(jīng)驗。

2. Scratch for Arduino使程序設計與工程技術有機融合

筆者認為，課程的創(chuàng)設，要低門檻、可生長，所以選用Arduino開源技術支持的模塊，此模塊價格低且正經(jīng)歷愛好者的不斷開發(fā)。Arduino UNO R3主板售價僅幾十元，它提供更多的測量接口，接駁不同的模組以實現(xiàn)不同的功能。它是一個開放的傳感器和執(zhí)行器的控制平臺，提供了6組模擬輸入接口，2組數(shù)字輸入接口，2組舵機輸出接口，6組數(shù)字輸出接口。同時，有專用的開發(fā)工具Scratch for Arduino（簡稱S4A）。作為學習者來說，可以平滑切換平臺。S4A軟件在媒體互動方面表現(xiàn)還是很出色的，不但做到了多媒體，可以有動作，有聲音，有圖像；而且僅僅幾行積木式的block，就可以完成電腦端操作，同時完成面向外部控制。在互動新媒體這個新興事物被當今時代廣泛傳播之時，Scratch for Arduino+Arduino控制器的媒體互動方式，勢必能更好地將想象空間與真實世界聯(lián)系在一起。下面是讓S4A走向真實生活的兩個綜合案例。

案例1 給普通電飯煲增加預約功能

普通電飯煲的工作部分主要由開關、發(fā)熱板和溫度控制裝置組成，它之所以能夠自動限溫（加熱）和保溫，是因為它內(nèi)部裝有磁鋼限溫器和雙金屬片恒溫器兩個自動裝置。磁鋼限溫器是利用感溫磁鋼（軟磁體）的磁性隨溫度的高低而變化的特性來設計的。當?shù)蜏貢r，感溫磁具有磁性；當溫度升到某一界限時感溫磁鋼會失去磁性。由于結構簡單，價格比較親民，普通電飯煲缺少一些智能電飯煲所具有的諸如預約等功能?！督o普通電飯煲增加預約功能》一課要求利用S4A的計時器功能，讓普通電飯煲智能化，不但能定時煮飯，還能定時煲粥。有學生提出如下創(chuàng)意：開始預約時，系統(tǒng)首先詢問“煮飯預約時間是多少”，然后詢問“煮粥預約時間是多少”，分別將值賦予“煮飯預約”及“煲粥預約”變量，判斷計時器時間大于煮飯預約時間。普通電飯煲煮飯時，達到設定溫度即可跳至保溫狀態(tài)，因此定時器設置較為簡單。煮粥時普通電飯煲需要有人看護，要煮得爛些，則需要多次開關。如何讓普通電飯煲自動煮粥？有學生巧妙引入傾斜傳感器，安裝在電飯煲蓋子上，一旦煮開，蓋子因水蒸氣的作用而傾斜，此時當接傾斜傳感器的模擬口Analog1接收到的值<100時，即切斷電源。然后等待10分鐘后再次開啟。一般情況下，2～3次即可完成。設想遠比實際來得簡單，學生在實驗中發(fā)現(xiàn)兩個問題：一是傾斜傳感器（鋼珠）的特點是只對單側的傾斜有效，另一側不管如何傾斜，其返回的值一直是100，因此為了準備捕捉電飯煲煮沸后的傾斜變量，最好在鍋蓋的兩側各安裝一個傾斜傳感器，并注意方向相反，煮飯時因飯熟后會自動跳到保溫狀態(tài)而不必安裝此裝置。二是煮粥之后一直符合“計時器>煲粥預約*3600”，為防止再次誤開啟，要在第二次沸騰后停止執(zhí)行這個腳本。學生在解決問題時需要了解電飯煲的工作原理、繼電器的線路接駁、鋼珠傳感器的使用方法等，許多知識都具備“跨越性”特征。優(yōu)化設想—問題發(fā)現(xiàn)—找尋策略—問題解決，這樣的模式多次在Scratch創(chuàng)新課程中出現(xiàn)，事實上，模擬了產(chǎn)品優(yōu)化設計或者說創(chuàng)新發(fā)明的全過程，學生能在課堂上獲得此類獨特體驗是終身受益的。

案例2 感應式圖書翻閱模擬

近日美國專利局曝光了一份專利文件，文件中出現(xiàn)了一項有關微軟的新專利，即微軟正在研發(fā)一款新的硬件設備，希望能夠通過運行Windows 10的Surface設備來進行投影。這款設備支持用戶用手勢來進行操控。現(xiàn)在應用寶中可以下載一些手機游戲，也可以通過攝像頭捕捉手勢來完成動作玩手游?？磥硎謩荨斑b控”已成為一項熱門技術?！陡袘綀D書翻閱模擬》一課要求模擬設計感應式圖書翻閱程序，當手勢從左往右時，圖書往右翻，反之則往左翻，而且要求有3D效果。學生首先要在3DMAX2012中打開軟件包中素材文件honglou.max，生成《紅樓夢》3D動畫，在渲染設置 “渲染輸出”項設定輸出文件存儲位置，并將保存類型改為BMP圖像文件。當用Scratch控制往前往后翻頁效果時，翻到最后一頁要有提示。翻頁的動畫素材采用3DMAX生成的300幅BMP文件中的一部分關鍵幀。采用Scratch造型變換的功能來實現(xiàn)翻閱的動畫效果。這項裝置的關鍵是如何制作“手勢傳感器”，學生首先制作由按鈕控制的翻頁動畫程序，而后試驗用紅外線數(shù)字式傳感器制作“手勢傳感器”。主要原理是在用一個條件語句嵌套，在左感應器A（數(shù)字口2）遇到障礙物后如果在0.5秒內(nèi)，右感應器B（數(shù)字口3）也遇到障礙物而觸發(fā)，則認為是往右翻，反之往左翻。當然，此數(shù)值因兩個感應器的距離不同或者說手勢習慣的不同而要相應更改。此課需要3DMAX的相關知識技能的支撐，需要熟悉紅外線數(shù)字傳感器的原理，需要Scratch程序的整合，同時還融合了人文元素。學生說，在此之前都不敢想象自己能制作手勢控制動畫。學生獲得的成功感是不言而喻的。

3D打印、編程與創(chuàng)新發(fā)明的整合課程讓學生體驗跨越學科的思考與創(chuàng)造

3D打印技術能夠較真實地呈現(xiàn)設計物品，令學生獲得直觀、深刻的體驗。通過設計、虛擬實驗、零件打印、作品整體成型等體驗過程，學生能夠學習科學分析、數(shù)學計算、工程設計及制作等內(nèi)容，提升工程思維能力。

1. 3D建模打印與投影技術的整合案例—— 自制全息投影放映器裝置

有時社團學生的一個提問成為了課程的一部分?！白灾迫⑼队胺庞称餮b置”就是筆者在學生的一個問題啟發(fā)下研究創(chuàng)設的課程項目。全息影像是實現(xiàn)真實的三維圖像的記錄和再現(xiàn)，用戶不需要佩戴立體眼鏡或其他任何的輔助設備，就可以在不同的角度裸眼觀看影像。本裝置是所謂的幻影成像系統(tǒng)，也被稱為虛擬成像，是全息投影的一個分支。它是實景造型和虛擬影像的光學成像相結合形成的，是將需要指定拍攝的影像（人、物）投射到主體模型景觀中去，演示事件的發(fā)展過程。似幻似真，非常直觀，給人一種身臨其境的感覺，從而給人們留下難忘的印象和體驗。

全息投影裝置呈現(xiàn)的實際是所謂的“偽全息”，它的成像媒介是使用一個由透明材料制作的四面椎體，四個不同角度拍攝的二維視頻，折射45度成像并匯集到一起后形成的立體影像。這個看似漂浮在空中的立體影像，觀看者可以從四個不同角度看到它（該圖像可以是手機屏幕、iPad、電腦顯示器或者是投影機投射的）。該課例除了需要偽全息片源下載之外，還需要制作3D放映裝置。有學生參照網(wǎng)上所謂的教程制作后，感覺很粗糙，角度難以固定和控制，呈現(xiàn)的效果也不盡如人意。筆者提議用3D建模打印，3D打印需要建模，但是重點不在這里，而是透明打印材料的獲得。此課程項目筆者分組安排任務：有負責3D建模的，有網(wǎng)上淘寶打印材料的，有負責偽全息片源下載的。最后沒能完成的是打印材料，目前可以打印3D透明模型的Printoptical技術主要基于成熟的寬幅工業(yè)噴墨打印設備，通過紫外線固化的透明聚合物液滴噴射出來，然后被集成在打印頭上的強紫外線燈固化，最終形成形狀各異的幾何體，包括透明棱鏡、透鏡、全彩色3D圖形和紋理等。學校的普通3D打印機顯然無法勝任。于是我們變通制作了一個3D模型支架（如左圖所示），在支架的四個面插入剪成梯形的空白投影片（或者其他易剪裁的透明材料）。學生在此課程項目的學習研究中，要了解3D打印材料的發(fā)展、全息投影的工作原理、3D建模的相關命令等，跨學科的思考及解決問題的模式在這里再度呈現(xiàn)。

2. 編程設計與創(chuàng)新發(fā)明的融合案例—— 流水燈洗頭護眼發(fā)明裝置與雨水感應收衣裝置

《聲控流水燈與洗頭護眼發(fā)明裝置》一課主要是設計一個適用于3歲小孩的洗頭護眼裝置，要求洗澡沖淋時戴在頭上能避免洗澡水流進眼睛里，達到護眼的功能。同時為了吸引小孩注意力，安裝一組LED流水燈。當有水流沖洗時，LED流水燈開始“流光溢彩”，水流越急，則LED燈轉動越快。創(chuàng)作之前，學生通過網(wǎng)絡搜索得到3歲小孩的頭部周長約為55cm，如果把頭部截面看作一個近似的圓的話，根據(jù)C=2πR得到半徑約為87mm。據(jù)此在3DMAX中創(chuàng)作，再以STL格式保存并在3D打印機上打印輸出模型。

水流控制的LED流水燈則需要Scratch程序的編制。由于Arduino R3配套擴展板的輸出口只有10、11、12、13，為了增加流水燈的數(shù)量，增強顯示效果，本課例中將原本用于驅動舵機的數(shù)字口4、數(shù)字口7利用起來。雨水傳感器負責觸發(fā)，聲控傳感器拾取的數(shù)值決定流動速度的快慢。此課例將3D建模打印、創(chuàng)新發(fā)明設計、S4A程序編制融為一體，較好地詮釋了跨學科知識技能整合的魔力。

《雨水感應自動收衣裝置》一課要求雨水感應器上滴到雨滴，或者天色明顯變暗時，啟動機械臂把衣服收進陽臺。如果雨水感應器上的水滴被曬干（雨轉多云），光線又足夠亮時，衣服再次曬出。S4A控制畫面要同步運行。此項目是學生創(chuàng)新發(fā)明金點子的一個獲獎案例。之前無法制作的難點有二：一是學生如何制作自動控制裝置，二是傳動裝置的解決方案。有了基于Arduino的S4A的支撐，使此創(chuàng)新發(fā)明裝置的制造成為可能。教師的創(chuàng)意項目給社團成員后，分組攻克以上兩大難題。傳動裝置有學生找到了網(wǎng)上的開窗器，它的伸出機械臂能達到1.2m，且電源反接后能縮回。S4A控制程序部分，學生首先用到了雨水傳感器和光線傳感器，實現(xiàn)了以下功能：（1）有雨或者光線明顯變暗時，收衣服。（2）當天空放晴光線變亮，且傳感器上雨水被曬干時，衣服重新曬出。為了進一步優(yōu)化，教師又引導學生討論提出優(yōu)化方案，要求在原來基礎上增加：（1）主人可以預設收衣時間。此時無論天氣如何，衣服強制收回。（2）主人可以手動收衣或者定時收衣。此兩種模式收好衣服后不再晾出。這就又要加上一個按鈕傳感器。在實際運行的過程中，又發(fā)現(xiàn)伸縮臂的時間不好控制，導致在伸縮到位的情況下電機仍在工作，長時間運行將縮短電機壽命，于是又有了新的研究課題。最后，引入磁感應傳感器來傳回機械臂的伸縮到位信號，解決了此問題。一個好的發(fā)明創(chuàng)新金點子僅僅是開始，后續(xù)的一系列問題、難題需要學生去攻克，過程中許多要進行跨學科的思考，綜合運用各項知識技能才能有效克服。

在STEM視野下，信息技術學科的教學內(nèi)容不應該僅僅局限于創(chuàng)作一個作品過程中的各種操作，要將編寫程序研究科學和數(shù)學問題這類問題有機地融合到信息技術的課程體系中，其課程的難度顯然會增加。在難度增大的同時，對學生的綜合能力的要求也會更為具體。如《金魚缸智能管家》一課，涉及自控裝置的設計、傳感器的選用、裝置的制作、程序的編寫、3D模型的下載構建、圖片的拍攝和處理制作等一系列較為復雜的綜合性任務，以完成一個創(chuàng)意設計方案為主線，串聯(lián)起一些跨學科的技術單元，讓學生在綜合應用的環(huán)境中學習技術，提升核心素養(yǎng)。

筆者創(chuàng)設的課程是基于Arduino這一開放技術平臺的設計，成本比較低；為本課程配套的器材僅需幾百元，便于普及；許多傳感器、擴展板的兼容性好，今后課程的“生長”環(huán)境中仍可繼續(xù)使用，減少了不必要的資源浪費。相信今后在眾多開源愛好者的努力下，信息技術教師的積極開發(fā)下，Scratch、S4A、Makeblock等課程案例將層出不窮，筆者拋出的“磚”勢必會引來更多的“玉”，學生STEM教育的課程資源也將更加豐富多彩。

參考文獻

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