STEM项目式学习模式初探

STEM项目式学习模式初探

朱佳佳

萧山区渔浦小学 浙江省杭州市萧山区义桥镇 311256

【摘要】随着教育的全球化浪潮兴起，信息技术教育备受重视，在中小学阶段的基础教育领域，对学生的创新能力和实践能力有了更高的要求。然而落实到教学中，新型课程该如何开展，都还未形成统一标准。本文通过分析STEM教育理念，与本校arduino创客教育相结合，以开展具体项目为中心对STEM教学进行分步详解。

【关键词】STEM教育；arduino机器人；项目式教学

一、明其视-----现状趋势

（一）STEM

STEM教育是美国提出的一项国家教育战略，也是目前国际上比较热门且有影响力的教育思想之一。STEM教育理念是对科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四个领域交叉融合及其运用的一个理念。项目式教学则是立足于实际，以项目的设计和完成为主线，在解决问题的同时完成知识的记忆与迁移，能力的实践和巩固。STEM项目教育把两者优势结合起来，能让学生基于解决问题来进行学习实践，是近几年教育研究的热门领域。

（二）信息技术

信息技术新课标对信息技术标明课程定位为：“信息技术课程是为了适应技术迅猛发展的信息时代对人才培养提出的新要求而设置的必修课程，是以培养学生的信息素养和信息技术操作能力为主要目标，以操作性、实践性和探究性（创新性）为特征的指定学习领域。”这对学生能够利用信息技术开展各类探究活动，提出问题，解决问题，自主学习能力等都提出了高要求。

自从国内2003年颁布的普通高中新课程标准将“人工智能初步”与“简易机器人制作”分别列入“信息技术课程”、“通用技术课程”选修内容以来，机器人教学得到了关注与开展，而机器人作为增强学生的动手能力，促进学生思维发展，创新能力训练的有效工具，正是整合STEM教学的有效途径。

（三）Arduino

Arduino做为一款灵活方便的开源电子硬件备受国内外创客的喜爱，积木式的创编环境也为低年龄段的学生学习编程提供了一个良好的平台。Arduino主板与各类模块相结合，再加上3D打印的助力，为小学生的实践创新提供了更大的发挥空间。结合Arduino和3D打印，开展STEM项目教学课程探索，是我们目前要不断实践的事情。

二、明其思-----课程模式

目前的STEM项目教学内容五花八门，各个地方都有不同的开展内容，没有一套综合性的教材和模式来引导信息技术的STEM教学开展。根据文献的梳理，国内外很多学者专家都结合实际课题梳理了课程模式，有以“问题---猜想---计划---制作---改进”五个步骤进行操作，也有以“识别问题---创建蓝图---建立模型---检验---搜索数据---分析数据和再设计---交流结果”七个方面来完成项目工程。其实核心都是围绕一个具体项目的开展来操作。

结合STEM项目教学目标和自身学校的发展，笔者又将基于Arduino的STEM项目教学的目标整理总结如图1所示。

图1 STEM项目教学目标

三、明其行-----课程实践

（一）现状分析

1.教学环境

笔者所在学校已开设Arduino课程和3D打印课程、MIXLY三年有余，拥有Arduino Nano板，Uno板及相关配件若干，3D打印机二十余台，3D教室一间，信息教室三间。今年又开设由3、4、5年级组成的40人校级社团scratch创编课程。

2.教学者

在基于Arduino的STEM项目教学实施过程中，我校信息教研组长以及两位专业信息老师成立了项目小组，负责具体的项目实施。笔者作为其中之一全程参与了项目制作。三位老师都有多年学习Arduino和3D打印的经验，参加过多次相关培训，教学经验丰富，也不断提升自己的业务能力水平。

3.学习者

本次参与对象为我校五年级社团学生。该年段的学生思维能力活跃，对新鲜事物充满好奇，对身边环境有细微的观察，有较高的探索欲和学习能力。同时，这几位社团学生经过前几年的社团教学，已经初步接触过Scratch，对Arduino和3D打印均有初步系统化的学习，能独立完成超声波测距、红外线避障、光感控制器、3D模型建立等一系列任务，但对STEM项目教学知之甚少。

（二）方案定制

1.拟定目标

现代家居生活中，各种智能家居层出不穷，而我们的垃圾桶却似乎一直没有改变。在家里，我们经常能看到这种景象：我们两只手拎着垃圾袋扔垃圾，到了垃圾桶前却没有多余的手去打开垃圾盖；有些垃圾桶污浊不堪，让人无法鼓起勇气去伸手开盖；教室中许多同学扔垃圾，不肯走到垃圾桶前扔，而是一个“投篮”，哐当，投出“篮外”，使得垃圾桶周边往往是垃圾重灾区。

综合以上原因，小组确定研究主题：“智能垃圾桶”。

2.制定方案

小组成员通过查找资料、调查讨论等，初步制定了智能垃圾桶的设计方案。

3.建立模型

在动手操作过程中，小组成员遇到了许多困难，而且越往后做，越会出现各种设计的时候没有考虑到的新问题，比如以下：

1. arduino小车底板怎么与垃圾桶结合在一起；

2. 如何将盖子连接到垃圾桶背部又能灵活开合；

3. 用什么工具能够支撑起盖子和合上盖子；

4. 垃圾桶中摆放垃圾的空间与电子设备的空间该如何布局；

5. ……

整个设计制作都是在不断的边做边改的过程中，最终做出来的成品，往往与预期的大不相同

4.测试优化

完成整体模型后，学生在测试过程中发现各种不足。经过资料查找和反复修改实践，小组最终改成智能垃圾桶2.0版本，桶身采用简易榫卯结构；直接利用马达带动盖子转动；增加了语音识别功能，让垃圾桶能识别到语音指令“打开”“关闭”而做出相应的开关盖子的动作；超声波用红外避障模块替换；垃圾桶内部也进行了合理的布局，并且与桶底分隔开来等等。

5.实践反思

在这个项目中，学生以小组为单位进行了从识别任务、学习所需知识技能设计方案、分工制作、改进优化到最终汇报展示这样一个完整的基于工程设计流程的STEM项目。在项目制作的过程中，笔者发现学生的整体学习热情高，能够积极主动地改进模型，测量调整数据，不断讨论分析记录。除了语音模块需要代码操作而依靠老师的帮助外，其他都能自主完成。

“智能垃圾桶1.0”花费了近两个月的时间才勉强完成，但在测试之后小组成员能够立刻意识到出现的问题和改进的方法，并且进行推翻和重组，仅用了一个月左右时间便完成了“智能垃圾桶2.0”，而这都是小组成员利用课余时间和社团时间断断续续完成项目制作，时间上的连贯性有待加强。

同时由于分工不同，学生完成的教学目标也不同。比如参与Arduino编程的同学，没有进行测量、制图等操作，在数学这项的学习任务上无法收获到其他组员那样的成效。项目结束对学生整体的学习效果除了最终成品外，没有更量化的一个评价分析，这都是后续要进一步改善的。

四、明其效-----总结展望

通过几年Arduino教学、3D打印教学和多次项目式竞赛实践操作，笔者觉得，一方面基于Arduino的STEM项目教学对学生有一定的促进作用，但同时也存在着许多问题。为了进一步完善STEM项目教学的教学模式，现将优缺点总结如下。

优点：

1.做中学

基于Arduino的STEM项目教学以学生动手制作作品，解决实际问题为最终的评价标准，极好的让学生将理论知识转化为实践技能，加深印象。

2.团队合作

STEM项目教学往往需要组建团队，分工合作，既考验学生个人能力，也培养学生与他人合作交流，尊重和取舍等能力，促进他们的情商发展，实现“做人、做事、做学问”。

3．发挥个人特色

分工合作使学生极大的发挥个人兴趣所长，在学科学习的均衡发展基础上，能够有一样独当一面的知识技能。

4.学习无止境

在实践过程中会出现许多与预期所不一样的难题。学生在解决这些难题的过程中，知识技能会有与预期不一样的提升。在多看、多学、多做之后，学生的眼界开阔，会有对作品、对自身更不一样的要求，所以一个项目的完成，对学生本身知识技能提升的前景是开阔而不可估量的。

缺点：

1.覆盖范围小

此项目教学是针对竞赛同学单独设置的课外内容，如果推广应用到普通教学中，差异性会比较明显，导致两极分化严重。

2.缺乏整体性和系统性

项目课程针对具体项目操作，在知识与技能的学习上能够有针对地学习应用，但无法从基础开始一步步循序渐进，对一般学生来说知识的构建无法完成。

3.缺乏时间连贯性

项目耗时过高，尤其是3D打印往往一个模型就需要打印一整天，而在校学生只能利用课余时间完成，无法统一集中活动，也产生许多无效时间。

4.组员获得的知识技能不均等

分工不同的同学，在操作完成后能收获的知识和技能往往非常不一样，这样的差异性，对基础阶段的小学生来说，是否有利？

这些问题是STEM项目教学全面开展时迫切需要解决的问题，也我们在今后的实践中不断总结，不断改进，不断提高的关注点。

STEM项目课程的开设需要多方力量的协助，需要教师寻找学生感兴趣的内容，开发过程需要不断完善，对参与教师和学生都提出了高要求。为了适应日新月异的科技发展，教师和学生都要不断学习提升自身，构建和完成合理的STEM项目教学。

参考文献

[1]刘卉.基于Arduino的STEM校本课程开发研究[D].南京师范大学.2019

[2]王娟.STEM整合事业下的机器人教学活动设计[D].温州大学.2014.

[3]周迎春.小学生如何攻克“硕士毕业设计”----以STEM课程“雨水感应收衣装置”为例.中小学信息技术教育[J]，2017（06）：76-8.

[4]张丽芳.基于STEM的Arduino机器人教学项目设计研究.南京师范大学[D]，2015.