物聯(lián)網(wǎng)背景下STEM課程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

◇周明星（江蘇：蘇州工業(yè)園區(qū)星海小學(xué)）

STEM 課程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)在很多領(lǐng)域開(kāi)花，課程設(shè)計(jì)的理念方法也日漸清晰明確。物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)在及未來(lái)智能生活的技術(shù)基礎(chǔ)，相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)遍布生產(chǎn)生活，現(xiàn)在將STEM 的教育理念滲透到物聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)普及中，是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的教育舉措。本文從話題研究的重要意義，以“長(zhǎng)眼睛的小嘴巴”為案例，將課程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究策略應(yīng)用其中，詳細(xì)闡述策略在案例中的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)背景下的STEM 課程是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為背景，以項(xiàng)目研究為抓手，立足學(xué)生的綜合素養(yǎng)提升，使學(xué)生在項(xiàng)目完成的同時(shí)，主動(dòng)建構(gòu)或者重構(gòu)知識(shí)體系。

一、概念界定

（一）STEM 教育

STEM 是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technolo‐gy）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四個(gè)詞的縮寫(xiě)，STEM 教育就是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)綜合素養(yǎng)的教育。STEM 教育是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決為導(dǎo)向的課程組織方式。

（二）物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是指通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。

二、研究背景及意義

STEM 教育在中國(guó)起步雖晚，但政策推動(dòng)的速度與力度卻非常大。2015年教育部在《教育信息化“十三五”規(guī)劃綱要》中指出，要“積極探索STEM 教育”，2017年中國(guó)教科院在京成立STEM教育研究中心。2018年中國(guó)STEM 教育2029年行動(dòng)計(jì)劃啟動(dòng)。《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)STEM 教育跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式。目前，國(guó)內(nèi)STEM 課程的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用有兩個(gè)方向：一是與教材的融合；二是融入課外興趣活動(dòng)。本文的案例屬于第二種。

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今時(shí)代發(fā)展浪潮中的重要角色，是智能生活的重要技術(shù)支持。家用汽車遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停車位的實(shí)時(shí)信息顯示、智能家居等這些生活中的實(shí)際應(yīng)用讓人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)并不陌生。國(guó)內(nèi)多家高校開(kāi)設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)，但小學(xué)階段尚未開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程。

物聯(lián)網(wǎng)中涉及多種信息傳感設(shè)備。這些傳感設(shè)備涉及的知識(shí)與科學(xué)相關(guān)聯(lián)，也就是STEM 中的“S”；傳感器的合理應(yīng)用，以及與具體“物”的搭配結(jié)合則是STEM 的“T”；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用需要借助造型模塊的創(chuàng)意搭建，此中動(dòng)手操作則為STEM 的“E”；所有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與應(yīng)用都離不開(kāi)成本的控制，造型的設(shè)計(jì)包括了很多形狀的結(jié)合，此為STEM 的“M”。我們以STEM 教育理念為指揮棒，在物聯(lián)網(wǎng)的背景下進(jìn)行STEM 課程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為學(xué)生搭建物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)的平臺(tái)，使之能了解物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)概念，盡早熟悉這一熱門(mén)領(lǐng)域，形成物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新思維，以更具時(shí)代發(fā)展意義的內(nèi)容融合多個(gè)學(xué)科內(nèi)容，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。在這樣的時(shí)代背景下，我們將物聯(lián)網(wǎng)概念和創(chuàng)新能力植根于小學(xué)的課程中，具有時(shí)代前瞻性。

三、物聯(lián)網(wǎng)背景下的STEM 課程開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

（一）“長(zhǎng)眼睛的小嘴巴”課程背景

“長(zhǎng)眼睛的小嘴巴”實(shí)際上是由紅外線控制的錄音機(jī)。這種錄音機(jī)可以由紅外傳感器觸發(fā)，并播放提前錄制好聲音。紅外傳感器是物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備中常用的一種。傳感器就好像是人的手或者眼睛，可以獲取一些外界的信息。當(dāng)外界信息改變時(shí)，傳感器可以在一定條件下控制錄音設(shè)備的開(kāi)閉。

“紅外線”這個(gè)詞對(duì)于五年級(jí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)并不陌生，已經(jīng)有部分熱愛(ài)科學(xué)的學(xué)生能夠說(shuō)得頭頭是道了。其應(yīng)用在生活中比較普遍，比如，電視機(jī)遙控器。但是還有大部分學(xué)生對(duì)紅外線并不熟悉，甚至有少部分都沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)名詞。這時(shí)就需要教師結(jié)合五年級(jí)學(xué)生的學(xué)情，深入淺出地為學(xué)生做好基礎(chǔ)知識(shí)的鋪墊。

（二）課程實(shí)施的方法和建議

1.基于真實(shí)問(wèn)題情境，構(gòu)建項(xiàng)目

情境：生活中有沒(méi)有忘帶過(guò)教師要求帶的物品？有沒(méi)有過(guò)本來(lái)外出時(shí)想帶的東西，結(jié)果出門(mén)時(shí)給忘了？（這時(shí)會(huì)有大部分學(xué)生表示曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)這樣的事情。）

問(wèn)題1：你們有沒(méi)有想過(guò)怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？（學(xué)生的部分辦法：1.寫(xiě)一個(gè)便箋紙貼在醒目的位置提醒自己；2.定好鬧鐘提醒自己；3.讓爸媽提醒自己……）

問(wèn)題2：那你的問(wèn)題解決了嗎？（大部分的學(xué)生會(huì)說(shuō)解決了，還有部分學(xué)生說(shuō)有時(shí)還是會(huì)忘記。）

問(wèn)題3：為什么已經(jīng)寫(xiě)了便箋紙了，或者定好鬧鐘，還能忘記帶呢？（學(xué)生的回答：1.因?yàn)楸愎{紙我也忘記看了；2.因?yàn)槌鲩T(mén)時(shí)間提前或者推后，鬧鐘提醒的時(shí)機(jī)不對(duì)……）

問(wèn)題4：怎么才能解決你的問(wèn)題呢？請(qǐng)大家討論一下，把你們的方案記錄下來(lái)。

學(xué)生活動(dòng)：說(shuō)出自己的方案，把想法分享給大家。

【設(shè)計(jì)意圖】在STEM 課程設(shè)計(jì)中，問(wèn)題情境的設(shè)計(jì)很重要，是一堂課成功與否的關(guān)鍵一步。情境是基于學(xué)生常常遇到的真實(shí)問(wèn)題而創(chuàng)設(shè)的。這不僅可以吸引學(xué)生的注意力，還可以激發(fā)學(xué)生的求知欲望，最大限度地提高學(xué)生參與項(xiàng)目研究的積極性。一堂高效的課堂也就有了前提保障。本項(xiàng)目的問(wèn)題是有一定生活基礎(chǔ)的，學(xué)生在平時(shí)的生活中已經(jīng)有了一些思考，在交流分享過(guò)程中，教師的引導(dǎo)要緊緊圍繞“問(wèn)題如何解決”，將學(xué)生逐步推向解決問(wèn)題的核心要素——適時(shí)準(zhǔn)確地提醒！

教師活動(dòng)：你們現(xiàn)在需要的是“適時(shí)準(zhǔn)確的提醒”，如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)呢？今天給大家介紹一種智能設(shè)備——“紅外線”傳感器。

知識(shí)鋪墊：紅外線又稱紅外光，是我們平時(shí)看不見(jiàn)的一種光。我們身邊的幾乎所有物體都能輻射紅外線。紅外線傳感器就是利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，有靈敏度高、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。紅外線傳感器能探測(cè)人體發(fā)出的紅外線，當(dāng)人進(jìn)入監(jiān)視區(qū)域內(nèi)時(shí)，即可發(fā)出信號(hào)。

錄音機(jī)是一種可以錄制聲音并進(jìn)行播放的裝置。

【設(shè)計(jì)意圖】此刻，學(xué)生有想法但是缺乏相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)，在這個(gè)環(huán)節(jié)安排相應(yīng)的知識(shí)鋪墊，是順應(yīng)學(xué)生思維進(jìn)階需求的。對(duì)于五年級(jí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，紅外線傳感器的知識(shí)內(nèi)容要做到深入淺出，以學(xué)生能夠接受的表達(dá)方式，將紅外線及紅外線傳感器的功能和作用介紹給學(xué)生，讓他們不至于對(duì)較為復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)望而生畏，對(duì)進(jìn)一步的探究產(chǎn)生抗拒心理。相反，應(yīng)該讓他們獲得絕渡逢舟的喜悅，感到暗室逢燈的慶幸。

2.項(xiàng)目分解，設(shè)計(jì)方案

問(wèn)題1：這些智能設(shè)備是否可以滿足你的需要呢？

學(xué)生活動(dòng)：回答對(duì)這些設(shè)備功能的利用方法。

教師活動(dòng)：梳理后形成方案，可以用紅外線檢測(cè)人的存在，然后控制錄音機(jī)播放提醒的內(nèi)容。就像是紅外線這樣的眼睛在監(jiān)視著四周，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人經(jīng)過(guò)的時(shí)候，用自己的小嘴巴（也就是錄音機(jī)）來(lái)提醒主人別忘了帶需要的東西出門(mén)。

問(wèn)題2：這種裝置應(yīng)該放在哪里？如何提升它在家中的和諧程度？

學(xué)生活動(dòng)：討論裝置放在哪里，并設(shè)計(jì)作品的外形，形成方案。

教師活動(dòng)：教師巡視，參與一些小組的討論，給出引導(dǎo)性建議。

【設(shè)計(jì)意圖】思路在上一環(huán)節(jié)得以順延，但是如何具體實(shí)施，又面臨新的問(wèn)題。教師將項(xiàng)目逐步分解，細(xì)化到學(xué)生通過(guò)一番努力最終可以解決的程度。這樣的做法在體現(xiàn)學(xué)生主體性的同時(shí)，也發(fā)揮了教師的引導(dǎo)作用，還能為學(xué)生積累繼續(xù)研究的信心和興趣。另外，作品的使用場(chǎng)景和外形設(shè)計(jì)也是作品設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。這兩項(xiàng)的加入既提升了學(xué)生全面考慮問(wèn)題的縝密思維，也提升了學(xué)生對(duì)美的重視程度和賞析能力。

3.制作產(chǎn)品，評(píng)價(jià)交流

問(wèn)題1：請(qǐng)你利用手邊的材料，根據(jù)小組談?wù)摰姆桨竿瓿勺髌贰?/p>

學(xué)生活動(dòng)：小組成員在組長(zhǎng)的分配下，協(xié)同合作，完成作品制作，準(zhǔn)備好分享的解說(shuō)詞，選好小組的分享代表。

提示1：制作過(guò)程中工具的安全使用。

提示2：紅外探測(cè)頭的安裝方向要注意什么問(wèn)題？

教師活動(dòng)：工具的安全使用提醒；針對(duì)不同的作品提出引導(dǎo)性的意見(jiàn)或者建議；敦促各小組的制作進(jìn)度。

問(wèn)題2：你能從身邊的小組學(xué)習(xí)到什么？能為身邊的小組提出什么樣的建議呢？

學(xué)生活動(dòng)：小組的“外交官”與其他小組進(jìn)行交流，并把別人的優(yōu)點(diǎn)帶回組內(nèi)研討。

教師活動(dòng)：聽(tīng)取小組之間的討論，適時(shí)給出意見(jiàn)。

【設(shè)計(jì)意圖】引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際制作中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)。引導(dǎo)學(xué)生在交流討論中學(xué)習(xí)，不斷深化對(duì)問(wèn)題的思考，學(xué)習(xí)如何參與小組內(nèi)和小組間的合作交流?！巴饨还佟钡慕巧O(shè)計(jì)不僅發(fā)揮了學(xué)生的特長(zhǎng)，也提升了小組間溝通的效率，讓組內(nèi)討論和組間交流事半功倍。

4.展示產(chǎn)品

問(wèn)題：請(qǐng)各小組將作品呈現(xiàn)給大家，并向大家介紹一下你的產(chǎn)品。主要包括你的設(shè)計(jì)意圖、呈現(xiàn)方法、使用方法、功能作用等方面。

學(xué)生活動(dòng)：由各小組的“演說(shuō)家”向大家介紹本組的產(chǎn)品。

教師活動(dòng)：為各小組的表達(dá)做及時(shí)的補(bǔ)充和說(shuō)明，引導(dǎo)學(xué)生如何完美地展示自己的產(chǎn)品。

【設(shè)計(jì)意圖】適時(shí)正面地引導(dǎo)是學(xué)生提升表達(dá)能力的重要方式。當(dāng)學(xué)生一時(shí)語(yǔ)塞，不知如何表達(dá)時(shí)，教師可以及時(shí)搭臺(tái)；當(dāng)學(xué)生遇到尷尬時(shí)，教師可以及時(shí)化解，營(yíng)造班級(jí)的好氣氛。這些都是一個(gè)優(yōu)質(zhì)課堂的前提保障。

5．優(yōu)化與拓展

問(wèn)題1：你對(duì)別人的產(chǎn)品有什么意見(jiàn)和建議？

學(xué)生活動(dòng)：對(duì)別人的產(chǎn)品提出自己的觀點(diǎn)，贊許別人的優(yōu)點(diǎn)或者為別人提出修改意見(jiàn)。

問(wèn)題2：設(shè)計(jì)的作品是否可以兼顧其他的功能作用？

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)自己的產(chǎn)品思考是否可以添加其他的作用，讓作品增加實(shí)用性。

【設(shè)計(jì)意圖】引導(dǎo)學(xué)生相互學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的思辨能力；促使學(xué)生對(duì)項(xiàng)目再研究，不斷細(xì)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

（三）反思

本節(jié)課以“制作長(zhǎng)眼睛的小嘴巴”這個(gè)主線展開(kāi)，按照“基于真實(shí)問(wèn)題情境，構(gòu)建項(xiàng)目—項(xiàng)目分解，設(shè)計(jì)方案—制作產(chǎn)品，評(píng)價(jià)交流—展示產(chǎn)品—優(yōu)化與拓展”5 個(gè)環(huán)節(jié)循序漸進(jìn)，重點(diǎn)解決“如何防止忘帶東西”這個(gè)真實(shí)的生活問(wèn)題。

STEM 教學(xué)模式具有實(shí)踐與創(chuàng)造并存的特點(diǎn)，在課程實(shí)施過(guò)程中，要突出學(xué)生的主體地位，發(fā)揮教師的引導(dǎo)性作用，從真實(shí)問(wèn)題出發(fā)，讓學(xué)生在問(wèn)題解決的過(guò)程中，將多個(gè)學(xué)科內(nèi)容融會(huì)貫通，提升自我的學(xué)科知識(shí)整合能力，進(jìn)而提升自身的綜合素養(yǎng)。教師在這樣的教學(xué)模式中，也要不斷地學(xué)習(xí)，更新原有的教學(xué)思維慣性，增強(qiáng)自身的教學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，尤其是自身所教學(xué)科之外的知識(shí)儲(chǔ)備，這樣才能適應(yīng)STEM 教學(xué)新模式帶來(lái)的變化。要想給學(xué)生一瓢水，自身需注滿一桶水。當(dāng)然，回顧這堂課，依然還有很多可以改進(jìn)的地方。比如，學(xué)生的思維有痕。設(shè)計(jì)方案的修改過(guò)程可以顯現(xiàn)學(xué)生進(jìn)行交流的痕跡，這是自我提升、相互學(xué)習(xí)借鑒的良好時(shí)機(jī)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生在這里多加匯報(bào)。再如，學(xué)生呈現(xiàn)的結(jié)果大多是團(tuán)體思考交流的結(jié)果。這種方式有明顯的優(yōu)點(diǎn)，那就是呈現(xiàn)出來(lái)的是相對(duì)成熟的想法，但同時(shí)舍棄了學(xué)生個(gè)體迸發(fā)出的奇思妙想，所以在教學(xué)中也相輔相成，要伺機(jī)調(diào)和。

（四）建議

以下是我對(duì)物聯(lián)網(wǎng)背景下STEM 課程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究的一點(diǎn)建議。

1.適宜的項(xiàng)目

合適的項(xiàng)目要貼近生活、有意義，能夠體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)對(duì)問(wèn)題解決的重要作用，能夠體現(xiàn)科學(xué)核心素養(yǎng)，要對(duì)學(xué)生有足夠的吸引力。本文中提及的“如何防止忘帶東西”就是一個(gè)從學(xué)生日常生活中獲取的具有普遍性的問(wèn)題，可以很好地激發(fā)學(xué)生的研究興趣，并且最終可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)中的智能設(shè)備解決問(wèn)題。另外，搜集學(xué)生自己的問(wèn)題也是一個(gè)很有意義的選題方法。

2.形式多樣，趣理相生

在項(xiàng)目研究過(guò)程中，以多樣的形式開(kāi)展各個(gè)環(huán)節(jié)，增加課程的趣味。充滿趣味的研究過(guò)程是一堂高效課堂的有力保障。比如，在展示環(huán)節(jié)可以以比賽、拍賣(mài)、公開(kāi)展示、媒體報(bào)道、海報(bào)交流……形式呈現(xiàn)。讓學(xué)生在變化多端的課堂形式中始終保持高昂的興趣和探究的積極性。

3.利用教材，多元開(kāi)發(fā)

STEM 教育普及過(guò)程中一個(gè)很大的障礙，就是課程實(shí)施的時(shí)間問(wèn)題。在實(shí)施國(guó)家課程之余，留給小學(xué)生的時(shí)間寥寥無(wú)幾。如果課程中有相關(guān)的話題，將會(huì)是一個(gè)很有推廣意義的實(shí)施方法。比如，教科版四年級(jí)上冊(cè)的科學(xué)課有《彈簧測(cè)力計(jì)》一課，這節(jié)課的課后有一個(gè)自制彈簧測(cè)力計(jì)的拓展，這就是一個(gè)很好的STEM 課程切入點(diǎn)。

4.開(kāi)發(fā)身邊的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

天文現(xiàn)象的觀測(cè)自帶趣味魅力，可以將天文現(xiàn)象的成因模擬，作為STEM 課程的探究項(xiàng)目。利用物聯(lián)網(wǎng)視頻直播技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)直播，營(yíng)造探究氛圍，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。沉浸式的探究環(huán)境可以為學(xué)生探究新知做好高階鋪墊，可以讓學(xué)生浸潤(rùn)在問(wèn)題探究中，沉浸在探究的過(guò)程中?！?/p>