STEAM教學(xué)實(shí)踐探索

項(xiàng)目概述

STEAM教育是一種融合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等知識(shí)與技能，以實(shí)踐創(chuàng)造學(xué)習(xí)為主，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的新型教育模式。本節(jié)課“智能種植盆”以項(xiàng)目式教學(xué)方法開展，主旨為“項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽”的被動(dòng)教學(xué)模式，嘗試了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。

項(xiàng)目通過對(duì)智能種植盆功能分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，體驗(yàn)計(jì)算機(jī)解決問題的過程。在利用計(jì)算機(jī)解決智能種植的過程中，學(xué)生通過自主探究、實(shí)驗(yàn)分析、親身體驗(yàn)、合作交流等方式進(jìn)一步加深理解用計(jì)算機(jī)解決問題的基本過程。

設(shè)計(jì)依據(jù)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出的“計(jì)算思維”與“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”有關(guān)要求，強(qiáng)調(diào)個(gè)人應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，以及在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生一系列思維活動(dòng)；個(gè)體通過評(píng)估選用常見的數(shù)字化資源與工具，有效地管理學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)造性地解決問題，從而完成學(xué)習(xí)任務(wù)，形成創(chuàng)新作品的能力；學(xué)生兼重理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用，教師通過豐富多樣的任務(wù)情境，鼓勵(lì)學(xué)生在數(shù)字化環(huán)境中學(xué)習(xí)與實(shí)踐；基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，將知識(shí)建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入到運(yùn)用數(shù)字化工具解決問題和完成任務(wù)的過程中。

本課程旨在通過學(xué)生實(shí)際生活中的需求，鼓勵(lì)學(xué)生大膽實(shí)踐，并反復(fù)探究實(shí)踐過程中不斷出現(xiàn)的新問題、新情況，進(jìn)而提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)要求和班級(jí)學(xué)情分析，本項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：1.了解計(jì)算機(jī)解決問題的基本步驟。2.學(xué)會(huì)利用流程圖描述簡(jiǎn)單問題。3.體驗(yàn)用編程解決實(shí)際問題，培養(yǎng)正確的信息素養(yǎng)。4.通過廢物再利用，鍛煉動(dòng)手能力以及空間想象力。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 了解計(jì)算機(jī)解決問題的過程；學(xué)會(huì)用流程圖描述程序設(shè)計(jì)。

教學(xué)難點(diǎn) 學(xué)會(huì)在調(diào)試主控程序時(shí)，對(duì)各項(xiàng)傳感器、檢測(cè)器取值，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行判斷。

教學(xué)過程

一、項(xiàng)目引入：智能種植盆的使用

隨著生活水平的提高，人們對(duì)食品安全及室內(nèi)環(huán)境的要求也在不斷提高。因此出現(xiàn)了兩種情況：一些人住在城市里依然有著田園夢(mèng)想，對(duì)低成本吃到有機(jī)蔬菜有著渴望；另一些人想在家中、學(xué)校、工作場(chǎng)所中，給單調(diào)的空間增添一角綠色，但由于不擅長(zhǎng)種植植物，或者受到空間與時(shí)間的限制而無法實(shí)現(xiàn)。怎樣來解決這個(gè)問題呢？我們可以從智能家居設(shè)備功能獲得啟發(fā)，嘗試通過編程實(shí)現(xiàn)智能種植盆功能，實(shí)現(xiàn)環(huán)保健康的生活方式。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)關(guān)注教育技術(shù)裝備發(fā)展中的新動(dòng)向和新趨勢(shì)，提升學(xué)生信息意識(shí)。

二、項(xiàng)目分析：分析問題，確定需求

如何解決種植中面臨的以下問題：1.沒有專用的種植空間，或種植空間采集不到陽光怎么辦？2.植物需要多久澆一次水？每次澆多少？

針對(duì)以上問題，是否能設(shè)計(jì)一種智能種植盆來解決這些問題？學(xué)生分組討論智能種植盆應(yīng)具備的功能，并進(jìn)行項(xiàng)目探究。

學(xué)生可以利用不同大小的廢舊材料當(dāng)作種植容器，這樣既環(huán)保又可以靈活地放置在不同的地方；使用自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，解決澆水的頻次和量的問題；采用智能補(bǔ)光功能，解決陽光受限的問題。

教師引導(dǎo)學(xué)生探究植物灌溉的規(guī)律及智能補(bǔ)光中所需光源的要求。學(xué)生通過查找資料發(fā)現(xiàn)，大部分植物需要在土壤完全干燥后進(jìn)行澆水，澆水時(shí)要將土壤澆透。我們采用紅色的LED燈進(jìn)行補(bǔ)光。LED燈不僅節(jié)能省電，而且在植物光合作用中吸收光譜的可控方面也是其他光源無法比擬的，用LED燈進(jìn)行補(bǔ)光是植物種植過程中最正確的選擇。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生明白實(shí)際需求，分析已有信息，明確智能種植盆的功能，為后面用流程圖解決問題打下基礎(chǔ)。

三、用自然語言及程序流程圖描述算法

教師引導(dǎo)學(xué)生用自然語言描述智能種植盆功能。

自動(dòng)灌溉功能：通過土壤濕度傳感器來獲取土壤是否需要澆灌的信息。我們將傳感器插入土壤中，當(dāng)土壤濕度過低時(shí)，種植盆的水泵會(huì)自動(dòng)給土壤灌溉水，當(dāng)土壤濕度傳感器檢測(cè)濕度達(dá)標(biāo)時(shí)，灌溉自動(dòng)停止。

智能補(bǔ)光功能：光線檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)光線，當(dāng)室內(nèi)光線照射不足時(shí)，我們采用紅色的LED燈進(jìn)行補(bǔ)光。當(dāng)室內(nèi)恢復(fù)光線，LED燈自動(dòng)關(guān)閉。

設(shè)計(jì)意圖：針對(duì)不同環(huán)境需求，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用自然語言描述解決問題的步驟。

教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)程序流程圖，學(xué)會(huì)用流程圖描述解決問題的算法。流程圖是算法的一種圖形化表示方法，與自然語言相比，流程圖描述算法，形象、直觀、更易理解。（如圖1）

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，形成問題解決方案的過程。

四、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)

程序?qū)崿F(xiàn)：基于AS-Block模塊化的Arduino編程軟件，實(shí)現(xiàn)智能種植盆的各項(xiàng)功能。用溫度、土壤濕度、光線等傳感器收集各項(xiàng)指數(shù)，將各項(xiàng)指數(shù)在LCD液晶屏上顯示出來。當(dāng)光線不足時(shí)，打開LED燈；當(dāng)光線充足時(shí)，關(guān)閉LED燈。

學(xué)生們根據(jù)不同情境來調(diào)試程序。實(shí)驗(yàn)測(cè)試光線逐漸減弱的情況，當(dāng)光線傳感器的臨界參數(shù)值為200時(shí)，顯示光線獲取不足。實(shí)驗(yàn)獲取干燥、濕潤(rùn)、潮濕三種情況下的土壤濕度值，獲得土壤濕度顯示為“低”時(shí)的臨界參數(shù)值為5，這時(shí)候，自動(dòng)澆灌系統(tǒng)打開水泵。測(cè)試水泵出水速度，將水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置保持在120。測(cè)試每輪監(jiān)控時(shí)間間隔，最終設(shè)置等待時(shí)間5秒。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生體驗(yàn)在某一情境下用Arduino編程軟件實(shí)現(xiàn)智能種植盆所需功能，體驗(yàn)用編程解決實(shí)際問題，提升學(xué)生信息素養(yǎng)。

容器制作：教師鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生利用各種廢舊材料制作種植容器。例如，可以用洗衣液桶當(dāng)作種植花盆來種植綠植；可以用一次性餐盒或泡沫箱來種植蔬菜。最終還需要根據(jù)放置空間的大小來選擇和裁剪容器，最終制作完成種植容器。學(xué)生運(yùn)用剪刀、膠槍、鐵絲、焊槍等工具，通過裁剪、粘貼、打孔、鐵絲固定等操作，手工設(shè)計(jì)制作完成種植容器。教師可正確引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦解決手工活動(dòng)中遇到的問題，使學(xué)生體驗(yàn)付出努力后，取得成功的滿足感，感知自己的能力，增強(qiáng)自信。（如圖2）

設(shè)計(jì)意圖：鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，使其充分發(fā)揮空間想象力和創(chuàng)新能力，提高道德素質(zhì)、勞動(dòng)觀念、審美情趣。

項(xiàng)目總結(jié)

學(xué)生小組討論交流在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施過程中的收獲與感想，闡述對(duì)本項(xiàng)目智能種植盆功能進(jìn)一步開發(fā)的設(shè)想。課程總結(jié)環(huán)節(jié)，學(xué)生用思維導(dǎo)圖的形式對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)（如圖3）。最后，師生結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)，探討身邊可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程解決的問題。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過生活中實(shí)際需求，理解智能種植盆項(xiàng)目設(shè)計(jì)的流程，掌握程序設(shè)計(jì)的語法與算法，實(shí)現(xiàn)智能種植盆的程序控制與調(diào)試。教師教給學(xué)生計(jì)算思維和實(shí)踐的方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的能力。

總結(jié)與反思

本文主要是對(duì)基于Arduino編程軟件實(shí)現(xiàn)智能種植盆項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與功能方面進(jìn)行了闡述。智能種植盆的設(shè)計(jì)工作主要包括種植盆容器制作、硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)。目前，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試和修改，該種植盆在陰暗和缺水的環(huán)境下運(yùn)行良好，可以實(shí)現(xiàn)智能種植的要求。對(duì)不會(huì)種植植物，又受到空間與時(shí)間限制的學(xué)生而言，這次項(xiàng)目可以讓他們實(shí)現(xiàn)種植夢(mèng)想，擁抱自然，樂享種植生活。

鄒潔 北京市昌平區(qū)昌盛園小學(xué)信息科技教師。多年從事軟件設(shè)計(jì)研發(fā)工作。多次參與市區(qū)級(jí)研究課展示，先后指導(dǎo)學(xué)生參加市區(qū)級(jí)競(jìng)賽20余次，榮獲一等獎(jiǎng)17次，二等獎(jiǎng)14次。