基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中STEM 課程設(shè)計(jì)
——以“OpenMV 追球小車(chē)”為例

廣東省廣州市番禺區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué) 楊瀚盛

2017 年教育部頒布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》提出，基于開(kāi)源硬件的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)有益于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，同時(shí)也是在信息技術(shù)課程中實(shí)現(xiàn)STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、人文藝術(shù)與數(shù)學(xué)）教育的理想方法。

在國(guó)家大力推廣基于開(kāi)源項(xiàng)目STEM 課程的大背景下，2019 年年初我校面向全體高一學(xué)生及部分初一、初二及高二社團(tuán)學(xué)生開(kāi)展以開(kāi)源框架OpenMV 為基礎(chǔ)的人工智能計(jì)算機(jī)視覺(jué)特色STEM 課程。OpenMV 是一套 開(kāi)源的、基于Python 的嵌入式計(jì)算機(jī) 視覺(jué)框架。OpenMV 在一塊小巧的硬件模塊上，提供豐富的硬件接口及Python 編程接口，使用者可以在不需要計(jì)算機(jī)圖像專(zhuān)業(yè)知識(shí)的情況下用Python 語(yǔ)言調(diào)用OpenMV 提供的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)實(shí)現(xiàn)諸如追蹤小球、物品的分揀，甚至解魔方機(jī)器人等功能。

正如課程標(biāo)準(zhǔn)所描述的，基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的OpenMV 人工智能STEM課程能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

一、設(shè)計(jì)核心問(wèn)題、確定項(xiàng)目主題

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)并非傳統(tǒng)講授課的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換，而應(yīng)該是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的教學(xué)方式，教師應(yīng)該以項(xiàng)目為主線，并在主線上穿插若干精心設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)查閱資料、學(xué)習(xí)新知、小組討論、協(xié)同實(shí)踐等手段逐一解決問(wèn)題，從而最終完成項(xiàng)目任務(wù)。所以說(shuō)，擬解決的問(wèn)題是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的核心，也是衡量一個(gè)STEM 活動(dòng)是否具有開(kāi)展價(jià)值的重要標(biāo)準(zhǔn)。

為此，教師預(yù)設(shè)的問(wèn)題需滿(mǎn)足如下兩個(gè)條件：

一是問(wèn)題不應(yīng)只是已有知識(shí)的簡(jiǎn)單重復(fù)，它應(yīng)有助于學(xué)生能力的發(fā)展。

二是問(wèn)題的難度要把握得當(dāng)，讓學(xué)生跳起來(lái)摘桃子。

本項(xiàng)目學(xué)習(xí)的主題是利用Open MV 制作一臺(tái)追蹤小球運(yùn)動(dòng)的智能小車(chē)，相關(guān)的問(wèn)題則是需要學(xué)生選擇一款小車(chē)平臺(tái)并連接OpenMV，調(diào)用OpenMV 視覺(jué)函數(shù)、接口函數(shù)驅(qū)動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)。無(wú)論從軟件還是硬件的角度看，項(xiàng)目均需要學(xué)生綜合能力的運(yùn)用，學(xué)生結(jié)合原有Python 語(yǔ)言、OpenMV等軟、硬件知識(shí)，在教師引導(dǎo)下通過(guò)小組協(xié)作學(xué)習(xí)完成，很好地滿(mǎn)足了以上的條件。

二、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)施過(guò)程

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)主要包括項(xiàng)目情境導(dǎo)入、分析問(wèn)題設(shè)計(jì)方案、項(xiàng)目實(shí)施、交流小結(jié)等環(huán)節(jié)。教師在項(xiàng)目情境導(dǎo)入環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，提高學(xué)生興趣，幫助學(xué)生理解項(xiàng)目的目的和意義；在分析問(wèn)題設(shè)計(jì)方案環(huán)節(jié)教師著重引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，準(zhǔn)確把握問(wèn)題的核心，確定解決問(wèn)題的策略、方法，培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題求解的能力；在項(xiàng)目實(shí)施環(huán)節(jié)，教師對(duì)關(guān)鍵核心問(wèn)題提供充足的學(xué)習(xí)資源與幫助，從而指導(dǎo)學(xué)生順利實(shí)施項(xiàng)目過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力、創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力；教師在交流小結(jié)環(huán)節(jié)組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行項(xiàng)目匯報(bào)與經(jīng)驗(yàn)交流，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)、反思、改進(jìn)、升華，培養(yǎng)學(xué)生表達(dá)能力、學(xué)會(huì)取長(zhǎng)補(bǔ)短。

（一）項(xiàng)目情境導(dǎo)入

創(chuàng)設(shè)一個(gè)合適的情境導(dǎo)入項(xiàng)目活動(dòng)，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還能幫助學(xué)生更好地理解項(xiàng)目活動(dòng)的目的和意義，讓學(xué)生更快地找準(zhǔn)項(xiàng)目的核心問(wèn)題，為后面項(xiàng)目開(kāi)展作鋪墊。

本課在實(shí)際教學(xué)中我們以觀看電影《跟蹤》片段作為引入，警方在跟蹤犯罪嫌疑人過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)并且不幸犧牲。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生思考、探討，如果要設(shè)計(jì)一款自動(dòng)跟蹤裝置應(yīng)具備什么功能？學(xué)生很快能夠凝聚出共識(shí)，諸如應(yīng)該有自由移行能力；安裝GPS 定位裝置；能根據(jù)相貌、衣著、身形等特征識(shí)別嫌疑人等。然后，教師揭開(kāi)課程項(xiàng)目面紗：設(shè)計(jì)、制作“OpenMV 追球小車(chē)”，把情境導(dǎo)入環(huán)節(jié)推向高潮，學(xué)生帶著強(qiáng)烈的好奇心進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)中。

（二）分析問(wèn)題找出解決方案

準(zhǔn)確把握問(wèn)題的核心，從而設(shè)計(jì)出合理的解決方案是項(xiàng)目得以順利開(kāi)展的關(guān)鍵，但是，由于STEM 課程的多學(xué)科特性，STEM 項(xiàng)目往往涉及的知識(shí)面較廣，在課程實(shí)施過(guò)程中對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)的廣度、深度提出了較高的要求。如此，在提出問(wèn)題后如果任由學(xué)生天馬行空自由發(fā)揮，容易使學(xué)生思維過(guò)度發(fā)散，不利于教師把控項(xiàng)目進(jìn)度。因此，學(xué)生在明確項(xiàng)目目標(biāo)任務(wù)后，教師應(yīng)該合理引導(dǎo)和幫助學(xué)生分析問(wèn)題，尋求合適的解決方案。

具體到“OpenMV 追球小車(chē)”項(xiàng)目，教師可以引導(dǎo)學(xué)生探討如何合理使用OpenMV 的軟、硬件功能，構(gòu)想實(shí)現(xiàn)這輛追球小車(chē)的多種可能性，并在此基礎(chǔ)上分析確定硬件、軟件方案。

一般先從較直觀的硬件方面入手，雖然學(xué)生已經(jīng)對(duì)OpenMV 開(kāi)發(fā)板有較深入的了解，但是要制作一臺(tái)能夠移動(dòng)的小車(chē)，需要在OpenMV 基礎(chǔ)上添加更多的硬件設(shè)備。教師可以提供一些如巡線機(jī)器人、機(jī)器人足球比賽等相關(guān)視頻素材，學(xué)生在觀看相關(guān)視頻過(guò)程中對(duì)小車(chē)平臺(tái)形成一個(gè)初步印象，學(xué)生一般都能把現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)汽車(chē)的認(rèn)知遷移到這里。進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)資料，更深入了解小車(chē)平臺(tái)的構(gòu)造、工作原理等必備知識(shí)。因此，教師必須參與到學(xué)生的小組互動(dòng)中，誘導(dǎo)學(xué)生提出生成性問(wèn)題，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，給出合理建議，引導(dǎo)學(xué)生形成一個(gè)高效、合理、低成本的解決方案。最后，教師可以給出OpenMV 官方標(biāo)配的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板+小車(chē)平臺(tái)這一現(xiàn)成方案，學(xué)生在對(duì)比自選方案與官方方案的優(yōu)、缺點(diǎn)后，進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)自己的項(xiàng)目硬件解決方案。

軟件相比硬件更加抽象，如果前期沒(méi)有相關(guān)知識(shí)鋪墊，學(xué)生很難形成方案。我們首先從問(wèn)題分析入手，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧情境導(dǎo)入中設(shè)想的自動(dòng)裝置是根據(jù)什么識(shí)別出嫌疑人的？相貌、衣著、身形，識(shí)別的關(guān)鍵就是被識(shí)別物體的特征。學(xué)生第一反應(yīng)大多是把小球的形狀——圓形作為特征，這個(gè)特征非常明顯，如果我們使用一個(gè)純色小球，那么顏色也是小球的特征。這樣，學(xué)生就能夠把現(xiàn)有知識(shí)快速遷移到這個(gè)項(xiàng)目中，利用find_circle查找圓形函數(shù)或者find_blobs 查找色塊函數(shù)。

設(shè)計(jì)項(xiàng)目解決方案是建立在學(xué)生對(duì)項(xiàng)目問(wèn)題透徹分析的基礎(chǔ)上的，只有設(shè)計(jì)出合理的方案項(xiàng)目才能順利實(shí)施。此外，學(xué)生在分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案過(guò)程中通過(guò)教師引導(dǎo)、查閱資料獲得新知并且結(jié)合其現(xiàn)有的知識(shí)進(jìn)行知識(shí)重構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

（三）協(xié)作學(xué)習(xí)實(shí)施項(xiàng)目

學(xué)生以小組為單位按照設(shè)計(jì)方案開(kāi)展項(xiàng)目活動(dòng)，實(shí)質(zhì)就是學(xué)生在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上不斷探索解決問(wèn)題的過(guò)程。但是，受學(xué)生的預(yù)見(jiàn)性與能力等因素所限，在解決問(wèn)題的過(guò)程中會(huì)衍生出更多新問(wèn)題，教師應(yīng)做好充分準(zhǔn)備，預(yù)估在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中學(xué)生的突出問(wèn)題和主要困難并為此提供充足的學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生按步驟逐一破解難題，幫助學(xué)生順利完成項(xiàng)目。教師應(yīng)遵循放手不撒手、指引不代替的原則，既要給學(xué)生以適當(dāng)?shù)膸椭?，又不能過(guò)度參與，把主動(dòng)權(quán)還給學(xué)生。在這過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與合作學(xué)習(xí)能力。

以“OpenMV 追球小車(chē)”為例，為解決小車(chē)組裝可能出現(xiàn)的問(wèn)題，教師可為學(xué)生準(zhǔn)備組裝圖紙并列出主要步驟；OpenMV 與小車(chē)驅(qū)動(dòng)板的連接也是一個(gè)難點(diǎn)，為此，我們準(zhǔn)備了一個(gè)5 分鐘的微課，對(duì)主要接口的作用、如何連線、注意事項(xiàng)等進(jìn)行必要的講解；軟件方面，輪子轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速需要使用Timer 類(lèi)的PWM 功能，這方面知識(shí)學(xué)生初次接觸。因此，可以給予0.5 課時(shí)的講授；至于小球定位的圓形查找函數(shù)和色塊查找函數(shù)，學(xué)生在以前課程中已能熟練使用，定位小球的大小和坐標(biāo)后，驅(qū)動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)了，當(dāng)然這里還涉及一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式，教師可以提前準(zhǔn)備，并加以點(diǎn)撥即可。

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中學(xué)生也會(huì)有一些生成性問(wèn)題是教師沒(méi)有預(yù)料到的，比如有的小組就提出為什么小車(chē)運(yùn)行不夠平順，總是左右搖擺？為此，我們還專(zhuān)門(mén)介紹了PID 算法，但是像這類(lèi)較復(fù)雜問(wèn)題，以學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)還沒(méi)法掌握，教師點(diǎn)到即止便可，也可把代碼封裝成類(lèi)，直接提供給學(xué)生使 用。

（四）匯報(bào)交流與小結(jié)

項(xiàng)目完成后，教師應(yīng)為學(xué)生提供平臺(tái)，讓學(xué)生充分展示項(xiàng)目成果，展示的方法可以采用成果介紹、經(jīng)驗(yàn)分享等多種形式。本項(xiàng)目我們還別開(kāi)生面地組織了一場(chǎng)追小球競(jìng)賽，兩輛小車(chē)同時(shí)追球，哪臺(tái)小車(chē)先跟丟小球就出局，最終決出了冠亞季軍。

最后，通過(guò)自我反思、小組互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)等方式進(jìn)行小結(jié)，歸納遇到的問(wèn)題，提出改進(jìn)的意見(jiàn)。在小結(jié)過(guò)程中，學(xué)生紛紛提出諸如自己的小車(chē)攝像頭太矮被前車(chē)遮擋而跟丟小球；小車(chē)底盤(pán)太輕在碰撞過(guò)程中容易吃虧等問(wèn)題。

三、結(jié)語(yǔ)

以項(xiàng)目的形式把STEM 課程中零碎的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，在開(kāi)展項(xiàng)目學(xué)習(xí)的過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生“在做中學(xué)”，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。在高中STEM 課程中運(yùn)用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，能夠充分培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、問(wèn)題求解能力、實(shí)踐能力、協(xié)作學(xué)習(xí)能力，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)必將讓我校高中STEM 課程結(jié)出累累碩果。