例談計算機方向的STEM項目設(shè)計

佘友軍

身處知識飛速發(fā)展的時代，我們必須讓學(xué)生準(zhǔn)備好應(yīng)對那些未知的挑戰(zhàn)，讓他們無論將來遇到什么樣的問題，都具備解決問題的能力，有能力找到系統(tǒng)地解決問題的方法。STEM教育是承載上述目標(biāo)的絕佳載體，STEM教育理念旨在打破學(xué)科的壁壘，綜合運用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識解決實際問題。對學(xué)生個人來講，STEM教育可以提高邏輯思維、批判性思維的能力;在協(xié)同完成項目的過程中鍛煉溝通能力，提高團隊合作的能力;培養(yǎng)現(xiàn)代社會急需的創(chuàng)造性解決實際問題的能力;提高解決未知問題的能力。對國家而言，科技的發(fā)展決定了國家和民族的命運，STEM教育為國家培養(yǎng)相關(guān)領(lǐng)域的儲備人才，“承載著打造本國在全球范圍內(nèi)核心競爭力的重大任務(wù)”（《中國STEM教育白皮書》）。

落實到日常教學(xué)，學(xué)生要實現(xiàn)從做題目到做項目的轉(zhuǎn)變，教師要實現(xiàn)從教技術(shù)到設(shè)計和引領(lǐng)STEM項目的轉(zhuǎn)變。那么如何設(shè)計出一個計算機方向的STEM項目課程呢？

一、STEM項目的設(shè)計

首先，STEM項目設(shè)計的來源必須是真實的問題，是來自工程方面的挑戰(zhàn)。只有真實的問題，才能夠激起學(xué)生與生俱來的好奇心，并能“引誘”學(xué)生去調(diào)查尋找解決問題的方式。我們可以讓學(xué)生去解決生活社區(qū)中的社會、經(jīng)濟和環(huán)境問題，或?qū)ι钪械哪硞€產(chǎn)品進行改進，讓其更加安全或者更加具有成本效益。為學(xué)生提供融入真實情境的體驗，幫助學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)各領(lǐng)域概念形成深刻的理解。

其次，問題要與學(xué)生相關(guān)。在項目開始前，告訴學(xué)生該項目使用到的科學(xué)和數(shù)學(xué)方面的知識，讓學(xué)生了解項目有哪些用途，可以在生活中的哪些方面得到應(yīng)用。項目與學(xué)生的相關(guān)性越高，學(xué)生投入的熱情程度越高。

另外，任務(wù)的設(shè)計，要為學(xué)生提供多種創(chuàng)造性解決方式的可能。STEM研究任務(wù)，不是科學(xué)實驗，也不是解數(shù)學(xué)題，沒有所謂的正確答案。多種不同的解決策略，能夠鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

最后，STEM項目的設(shè)計一定要有工程的參與，用工程思想提升項目質(zhì)量。STEM中的E表示工程，沒有工程參與的STEM活動，不是真正的STEM教學(xué)，因而工程設(shè)計是整個STEM活動的核心。工程設(shè)計是解決問題過程中遵循的系統(tǒng)方法，它建立了將復(fù)雜問題分解的框架結(jié)構(gòu)，有助于幫助學(xué)生梳理解決問題的思路和邏輯。不同的文獻資料，對工程設(shè)計過程的描述略有不同，不過大體步驟分為：明確任務(wù)、構(gòu)思規(guī)劃、知識儲備、建模制作、測試優(yōu)化，教師需要讓學(xué)生熟悉這個過程，這是學(xué)生今后解決工程問題的框架結(jié)構(gòu)。

在教學(xué)“聲音傳感器的使用”時，多數(shù)教師直接教授聲音傳感器的知識，接著學(xué)生模仿教師的作品，用聲音控制角色的大小、顏色、位置、造型等。教學(xué)過程暴露了幾個問題：1.學(xué)生完全沒有自己的想法，教師從頭到尾沒有給學(xué)生思考的時間;2.作品缺少應(yīng)用價值，這個作品能夠用在什么地方呢？它有什么用呢？學(xué)生不知道，教師也不關(guān)注。

基于上面的認識，我對“聲音傳感器的使用”課程進行了重新思考：必須讓學(xué)生利用聲音傳感器創(chuàng)作出一個產(chǎn)品，這個產(chǎn)品要有社會價值，能夠調(diào)動學(xué)生的積極性;要讓學(xué)生經(jīng)歷完整的工程設(shè)計過程。最終，我確定了如下教學(xué)目標(biāo)：學(xué)生學(xué)會使用聲音傳感器;學(xué)生會創(chuàng)造性地利用聲音傳感器設(shè)計出互動藝術(shù)作品;提升學(xué)生的藝術(shù)涵養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生動手解決生活實際問題的能力。

由此，我重新設(shè)計了STEM活動的項目：設(shè)計一款基于聲音控制的互動國畫作品。這個作品是一個真實的項目，學(xué)生也知道在完成這個項目的過程中將用到很多科學(xué)和信息技術(shù)方面的知識。同時，該作品能輔助低年級學(xué)生學(xué)習(xí)古詩，可以用來進行傳統(tǒng)文化的展示，這些都是與學(xué)生相關(guān)的。最后，學(xué)生可以設(shè)計出不同的動畫效果，作品具有多樣性。另外，這個作品還融合了傳統(tǒng)文化，實現(xiàn)了傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代技術(shù)的完美結(jié)合。

二、STEM項目活動案例

1.水墨動畫欣賞與創(chuàng)意構(gòu)思

今天我們先來聊一聊國畫，最近老師看到一個非常有意思的國畫作品，設(shè)計者創(chuàng)造性地將傳統(tǒng)的國畫制作成動畫，我們一起來欣賞。

你看，這幅古畫好像“復(fù)活”了，鳥兒可以從畫中飛出來。

這一幅幅精妙絕倫的國畫仿佛有了生命。這個作品的作者是楊春，曾是中央美術(shù)學(xué)院的研究生。作品因為獨特的民族特色和文化內(nèi)涵，最終入圍了奧斯卡最佳動畫短片。今天我們結(jié)合一首古詩，也來制作這樣的一幅動畫作品。

這首古詩是《小兒垂釣》。

結(jié)合古詩所創(chuàng)設(shè)的意境，想一想，我們怎樣去構(gòu)思這個動畫。如果來了一個路人，小孩會做出什么樣的反應(yīng)？如果路人發(fā)出很大的聲音，魚兒會怎樣動起來？老師今天還準(zhǔn)備了聲音傳感器，它能夠檢測到音量的大小。如果我們把聲音傳感器也加入到作品里面去，可以制作出什么樣的效果呢？

這個創(chuàng)意太好了，如果檢測到了聲音，我們可以讓小兒做出“遙招手”的動作，還可以讓魚兒受驚快速地游走。這樣屏幕前的我們就變成了古詩中所說的“路人”了，我們也成了這幅畫的一部分。這就不是一個普通的動畫，它變成了一件互動的藝術(shù)品了。

【評析】將聲音傳感器與國畫結(jié)合起來，設(shè)計一款互動的國畫作品，使得STEM項目具有了豐富的文化內(nèi)涵。教師是教學(xué)活動的組織者，不能將自己的想法強行灌輸給學(xué)生，而是要引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)散思維。STEM教學(xué)活動中，學(xué)生的創(chuàng)意與頭腦風(fēng)暴是其中重要的環(huán)節(jié)。這個過程讓每一個人思維都能得到最大限度的開拓，有效地開闊思路、激發(fā)靈感，它能夠激發(fā)學(xué)生持續(xù)不斷的創(chuàng)造創(chuàng)新。

2.提出真實問題情境并引導(dǎo)學(xué)生探索

今天，我們來研究基于聲音控制的互動藝術(shù)作品設(shè)計。

（教師呈現(xiàn)課題：基于聲音控制的互動藝術(shù)作品設(shè)計。）

大家思考一下，這件融合現(xiàn)代技術(shù)與古典文化的作品可以用在哪些場合？它可以用在四年級的語文課堂上，更好地呈現(xiàn)詩歌的意境，讓同學(xué)們愛上語文;可以用來裝飾客廳，既美觀又有文化內(nèi)涵;可以放在博物館，傳播傳統(tǒng)文化。

【評析】STEM教學(xué)強調(diào)要基于真實的問題情境，將學(xué)習(xí)過程與實際應(yīng)用結(jié)合在一起，從真實的問題情境出發(fā)。教師要善于發(fā)掘問題蘊含的真實情境，讓學(xué)生利用多學(xué)科的知識積極探索。問題成為貫穿整個學(xué)習(xí)過程的主線，把問題轉(zhuǎn)化成一系列的學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生達到對知識的深層次理解。

3.作品設(shè)計過程

工程師們設(shè)計一個作品，一般經(jīng)歷這樣的過程：明確任務(wù)、構(gòu)思規(guī)劃、知識儲備、建模制作、測試優(yōu)化。由此，我們得到了設(shè)計聲音控制互動藝術(shù)作品的工程設(shè)計過程，如圖3所示。

（1）剛剛咱們已經(jīng)確定了研究的任務(wù)，那就是設(shè)計一款用聲音控制的互動藝術(shù)作品。

（2）我們也構(gòu)思規(guī)劃了作品，如果音量超過一定的范圍，魚兒游走或小孩切換為“招手”造型，否則小孩顯示“釣魚”造型。

（3）解決這個問題需要一定的知識儲備：如何使用傳感器、如何檢測音量的大小。請大家跟著老師一起研究，我們來檢測下正常情況下教室的環(huán)境音量是多少，有人說話的時候室內(nèi)環(huán)境音量是多少。

首先連接Orion主控板，選擇這里的小孩。我們讓小孩在綠旗點擊后不斷地說出聲音傳感器檢測到的數(shù)值。一定要確保積木塊中的音量傳感器接口和硬件接口對應(yīng)起來。

然后檢測一下，教室內(nèi)正常的環(huán)境音量值是多少。如果有人說話呢？那我們就取兩者的平均值，超過400（具體數(shù)值可依據(jù)兩次測量值而改變）就認為有人在說話?，F(xiàn)在用文字來描述下算法：

無限循環(huán)：

如果音量值 > 400：

魚兒游走

小孩切換為“招手”造型

否則：

小孩顯示“釣魚”造型

（4）現(xiàn)在讓我們進入第四階段，進行產(chǎn)品的制作，編寫相關(guān)的程序。

對照中文腳本，首先找到無限循環(huán)，“如果……否則”屬于“控制”類型的積木塊，“大于”可以在“數(shù)字與邏輯運算”下找到，“音量傳感器”可以在“機器人”模塊中找到，接下來就是要改變小孩的外觀了。

我們還可以設(shè)計魚兒游動的動畫，設(shè)置當(dāng)音量超過400，就讓魚兒游走。大家可以根據(jù)自己的想象，任選一種動畫方式，制作魚兒的互動動畫，或者小孩的互動動畫。

（5）只有不斷地提高、不斷地改進，才能設(shè)計出優(yōu)秀的作品。你們覺得這個作品還有哪些地方需要改進的？

說得對，我們可以讓畫面更加精致，建議開發(fā)團隊招聘一名會國畫的同學(xué)，負責(zé)美工。另一個問題是我們所用的聲音傳感器只能檢測音量的大小，無法識別聲音的內(nèi)容。大家需要積累新的技術(shù)才能解決這個問題。

在制作的過程中，大家可能會發(fā)現(xiàn)新的問題。有了新的問題，我們就需要繼續(xù)去尋找問題的解決方案，然后解決這個問題，這個過程叫做迭代。工程師們要經(jīng)歷多次迭代的過程才能夠設(shè)計出滿意的作品，老師期待能夠看到各位同學(xué)改進后的作品。

【評析】本節(jié)課的設(shè)計，力圖讓學(xué)生全面地體驗工程設(shè)計的一般過程。工程設(shè)計過程可以讓學(xué)生理解如何逐步逼近最優(yōu)化方案并最終解決問題。工程思想的引入，提高了課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的實用性。因為工程解決的是現(xiàn)實世界中的問題，它為學(xué)生提供了一種解釋概念的良好教學(xué)背景。同時，由于工程問題來源于現(xiàn)實生活，因此學(xué)生會更有動力、更深層次地理解學(xué)科、科學(xué)和技術(shù)課程。當(dāng)學(xué)生掌握了解決問題的一般性方法之后，這種方法將會為他們解決生活中的其他問題和挑戰(zhàn)提供幫助。

綜上，STEM項目活動在數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)與現(xiàn)實產(chǎn)品之間建立了聯(lián)系，增強學(xué)生的商業(yè)意識，幫助學(xué)生培養(yǎng)團隊協(xié)作所需要的技能。同時，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也發(fā)生了改變，形成“發(fā)現(xiàn)—探究”式的學(xué)習(xí)方式，促進自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)。STEM課程幫助學(xué)生更深入地理解科學(xué)的重要性，理解數(shù)學(xué)的概念。通過STEM活動，學(xué)生對概念有了深入的理解，而不是簡單地知道知識本身。STEM項目教師要讓學(xué)生認識到，他們是在利用科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程、技術(shù)等知識去解決問題，鼓勵學(xué)生在體驗中通過分析、發(fā)現(xiàn)、合作、創(chuàng)造等方式獲得創(chuàng)新型成果，收獲解決問題的過程性知識。