陈明 安徽省庐江实验中学

2019年2月教育部发布了《中国教育现代化2035》，明确指出要“全面加强和改进学校美育，弘扬劳动精神，强化实践动手能力、合作能力、创新能力的培养”。2021年7月中共中央、国务院印发了《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》，要求提升课后服务质量，延长课后服务时间，开展丰富多彩的社团活动。STEAM教育课程的实践性、合作性和创新性得到了人们的高度重视，在“双减”政策的指引下，全国很多中小学都在课后服务时间设置了STEAM社团课程，但目前我国中小学STEAM教育还没有专门指定的教材，基本上是以各学校的校本课程为主，且教学方法也是千变万化、多种多样。

笔者所在学校的3D创客教室专门用于学校STEAM社团开展教学和实验活动。由于设备的限制，学校组织教师编写了STEAM教育课程，主要是在3D打印、开源电子和其他学科的融合方面开展相应的教学，经过几年的实践暴露了以下问题：①新技术、硬件的不断使用，加快了电子设备的淘汰速度。②技术的更新促进教学课程更新，一套课程用不了几年就不能满足教学的需要。③学生对脱离生活、实用性不强的课程缺乏热情。④生活中的实际问题较为复杂，学生完成的作业解决不了实际问题。⑤传统教学模式容易造成学生的思维方式固化，无法培养学生的创新思想，难以达到预期的教学效果。

笔者所在研究团队经过理论研究和教学实践，总结出以下解决方法：①持续投入教学设备，及时引入一些加持新技术的开源电子设备材料。②灵活开展教学，在教学中及时改进已经淘汰的内容。③寻找紧密联系生活的课程资源，设计有实用价值的校本课程。④强调实验的重要性，作业完成后必须通过实验证明可行性。⑤STEAM教育需要激发学生的创新思想，教学模式应以项目式教学为主。

项目式教学强调以学生为中心，以问题为导向，是注重设计学习情境的一种教学方法，笔者构建了一套基于STEAM社团活动的项目式教学模式（如下图）。下面以“抗疫分类垃圾桶”项目为例，进行具体介绍。

1.设计思想

（1）以项目式教学模式为主

项目式教学模式即“提出问题—分析问题—解决问题—反思评价”，但是由于STEAM教育的内容比较繁杂，结果需要通过实验进行反思评价，所以笔者采用的是“提出问题—寻找方法—设计方案—作品物化—实验评价”的方式。针对STEAM作业难度较大，耗时较多的难题，主要采用学生团队合作的方式来完成作业，模仿现代工厂设计流水线中的“自由设计方案—择优确定项目—合作物化作品—模拟商业营销”的方式完成整个作业流程。

（2）突出新技术的应用

随着科技的不断发展，以图像识别、语音识别、语音合成技术为代表的人工智能技术，大大提升了人们的生活品质。为了与时俱进，笔者将这些以新技术加持的开源电子引入到教学中。

（3）紧密联系生活

当前我国政府重视环保，大力提倡垃圾分类，生活中随处可见与垃圾分类有关的实施项目；
另外，新冠疫情改变了人们的生活，作为中学生，时刻要注意疫情防控信息。因此，在本课设计中，笔者突出了当前典型的“环保”和“抗疫”两大主题。

2.教学目标与重难点

（1）STEAM目标

科学：学会用基本的物理力学和电学原理来解决实际问题。

技术：学会用3D软件建模，用编程软件完成开源电子电路的设计，最后完成实验调试。

工程：学会针对一个目标，在一段时间内进行协作，解决一个实际问题。

艺术：学会用手绘线条设计作品草图，让作品的外观和实用性结合。

数学：完成数据的测量和收集，学会利用数据来解决设计中的具体问题。

（2）教学重难点分析及解决措施

教学重点：作品的实用价值是如何体现的；
开源电子人工智能模块的应用方法。

教学难点：如何使用3D打印和开源硬件技术制作出一个有实用价值的3D打印作品。

解决措施：通过启发引导学生创新，保护学生的创新思想，辅助他们完成作业。

3.教学过程

（1）导入新课

教师出示谜语“天生大肚能容物，吃饭从来不挑食。脏活累活从不嫌，美化环境都靠它”。请学生回答，引出“垃圾桶”题材。

（2）讲授新课

问题1：你知道垃圾分类有什么重要性吗？具体有哪几类？生活中常见的分类垃圾桶是什么样的？你觉得这种分类垃圾桶有哪些缺点？

学生回答，教师归纳总结。

问题2：当前新冠疫情仍存在，在生活中处理垃圾时，哪些方面可能造成病毒传播？

学生回答，教师总结——垃圾桶一般都有盖子。在倒垃圾时，需要用手打开盖子，才能丢垃圾，垃圾桶盖子如果沾有病毒，容易传播给别人。

问题3：不用手能不能打开垃圾桶盖子？

学生回答，教师归纳——

方案一：脚动式分类垃圾桶。用鞋子接触垃圾桶，病毒传播风险大大降低，本款作品设计将四个垃圾箱体组合到一起，利用齿轮组合，采用开花式的造型，具有美感，如果使用脚推动推杆，可以打开或关上四个垃圾箱体。

方案二：超声波控制垃圾桶。将方案一的脚动式推杆进行改进，用Arduino uno主控板控制，通过超声波传感器捕捉人体接近的信号，用舵机打开四个垃圾箱体，同时播放语音，提示注意分类投放垃圾，静止四分钟，然后合上四个垃圾箱体，这样不用接触垃圾桶就可以投放垃圾了。

问题4：请分析以上两个方案的优点和缺点。

学生回答，教师总结——优点是：两个方案都将分类垃圾箱体组合到一起，美观大方，且都起到抗疫的作用。缺点是：方案一没有实现自动化，只是用脚推动推杆来改变垃圾桶的四个箱体弹出和收回的状态，如果鞋子上沾染病毒仍然有传播风险；
方案二虽然实现了自动化，但是智能程度不高，容易造成误触发，如行人或宠物路过，也可能被误认为是有人要倒垃圾。

问题5：以上作品的缺点其实就是智能化程度不够，生活中还有哪些新技术可以提高作品的智能化程度？

学生回答，教师引导——在开源电子方面，人工智能主要体现在语言识别、图像识别、语音合成、物联网应用等几个方面。下面，我们来学习两个作品，了解人工智能技术的应用效果。

方案三：语音识别分类垃圾桶。本作品使用了语音识别技术，可以通过人机对话对投放垃圾的人进行语音提示，使用到的硬件有掌控板、语音识别传感器和mp3模块和舵机。对着垃圾桶说声“倒垃圾”就会激活语音识别系统，会提示你说出手中垃圾的名称，还可以根据你的回答提示属于何种分类垃圾，同时打开相应的垃圾箱体。

方案四：智能卸货分类垃圾桶。作品外形像一辆小车，前部安装Arduino uno主板、超声波传感器、人工智能视觉识别摄像头、mp3串口播放器、灰度传感器，下部安装了四个车轮，后部安装了两个可以活动的垃圾箱体和两个可以打开的盖子。作品主要包含两方面功能：一是无人驾驶技术，垃圾桶可以巡线行驶于居民区和垃圾处理厂两个地点，可以将不同种类的分类垃圾分别清空到特定的地方，灰度传感器让垃圾桶车进行巡线，当前方一定内范围出现障碍物时，车前的超声波传感器可以识别紧急停车。二是视觉识别传感器能够识别几个重要地点——收集垃圾桶的居民区、垃圾处理厂中不同垃圾存放的地点。当垃圾装满后，可以自动巡线前往垃圾处理厂分类进行清空，然后巡线回到居民区继续收集垃圾。

教师在展示方案三和四后，请学生说出它们的优点，并得出结论：语音合成垃圾桶的优点是体现设计的以人为本，作品可以给垃圾投放人不同的语音提示，帮助他们分类投放垃圾。可以自动卸货的垃圾桶不仅解决了疫情环境下倒垃圾用手接触垃圾桶的问题，还实现了清空垃圾全自动服务，可以有效解决倒垃圾过程中疫情传播的隐患。

（3）深入拓展

教师继续介绍以上两个方案中用到的人工智能模块——语音识别传感器、人工智能视觉传感器、语音合成模块的使用方法，出示“Mind+编程图”。

问题6：以上两种传感器可以对不同的声音或图像做出不同的反应，在生活中，什么情况下可以用到语音识别和视觉识别。

学生回答，教师总结——如果生活中需要分类，语音识别和视觉识别都可以发挥作用。

4.作业布置

（1）第1课时作业

选择生活中与“环保”或“抗疫”有关联的一个实际问题，利用这节课学到的知识制作一件STEAM作品来解决这个问题，可以采用的技术是3D打印技术和开源电子，至少用上一种人工智能传感器。

（2）第2～7课时作业

本节课作业是要求学生将作品创意写下来，并用手绘线条将作品外形结构画出来，课上十五分钟完成作业，然后教师收集优秀创意进行展示，同时请作者介绍作品创意特点。

①择优确定项目。在第1课时的作业中挑选出六个比较好的作品作为团队作业的项目。

②分工完成作品。将全班学生分为六个团队，并将挑选出来的优秀创意作品分别交给他们，让各团队以分工合作的方式进行3D打印制作和开源电子的电路组建，最终完成作品的物化，也可以对项目进行改进。

（3）第8课时作业

模拟商业营销。经过六个课时的分工合作，各团队作业基本物化成型，这时可以模拟产品招标会，邀请本班学生担任主办方评委，要求六个团队分别制作作品介绍PPT，录制作品实验视频。同时，分别推选一名学生担任投标方代表，结合PPT和实验视频当场演讲，将自己作品的优点详细介绍给大家，最后投票评选出最佳作品作为本次招标会中标产品。

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