信息科技項(xiàng)目化實(shí)踐助力STEM素養(yǎng)發(fā)展

李巖 陳杰

【摘 要】本文以“人臉識別物聯(lián)測溫儀”項(xiàng)目為例，通過選題、構(gòu)思、制作和優(yōu)化四個(gè)環(huán)節(jié)，展示項(xiàng)目化實(shí)踐開啟真實(shí)情境下的建構(gòu)與生長、引領(lǐng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)和知識綜合運(yùn)用、促進(jìn)多學(xué)科融入的技術(shù)實(shí)踐方法，讓學(xué)生體驗(yàn)約束條件下的工程創(chuàng)造，有效促進(jìn)學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】STEM素養(yǎng)；項(xiàng)目化實(shí)踐；智能互聯(lián)技術(shù)；信息科技

【中圖分類號】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）01-085-02

隨著信息科技的迅猛發(fā)展，社會(huì)方方面面日益數(shù)字化發(fā)展、智能互聯(lián)，知識經(jīng)濟(jì)、第四次工業(yè)革命呼喚創(chuàng)新型、復(fù)合型人才。STEM教育“以真實(shí)問題解決為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，在實(shí)踐中應(yīng)用知識、獲得知識，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、復(fù)合思維和創(chuàng)新思維”[1]，發(fā)展學(xué)生STEM素養(yǎng)是回應(yīng)時(shí)代呼喚的有效路徑。

內(nèi)涵：STEM素養(yǎng)是什么

所謂STEM素養(yǎng)，即面向真實(shí)問題，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程等學(xué)科相關(guān)知識、技能、方法、情感、態(tài)度和價(jià)值觀，解決復(fù)雜問題的綜合能力。學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展首先伴隨著跨學(xué)科學(xué)習(xí)的過程展開，跨學(xué)科學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程等各學(xué)科知識間的關(guān)聯(lián)，改善傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式[2]。發(fā)展STEM素養(yǎng)主要以面向真實(shí)情境的項(xiàng)目化實(shí)踐為模式，將學(xué)生所學(xué)與真實(shí)世界聯(lián)結(jié)，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識和技能，彌補(bǔ)分科教學(xué)知識割裂的不足。優(yōu)良的STEM素養(yǎng)意味著學(xué)生擁有創(chuàng)造性解決問題的能力，他們樂于科學(xué)探究，敢于技術(shù)實(shí)踐，善于運(yùn)用數(shù)學(xué)和編程等手段完成優(yōu)選的工程作品或方案[3]。

項(xiàng)目：STEM素養(yǎng)發(fā)展的抓手

項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施對發(fā)展學(xué)生STEM素養(yǎng)的意義重大，體現(xiàn)在項(xiàng)目選題、方案構(gòu)思、作品制作和評測優(yōu)化等各個(gè)環(huán)節(jié)中，下面以“人臉識別物聯(lián)測溫儀”項(xiàng)目為例具體闡述。

1.選題：開啟真實(shí)情境下的建構(gòu)與生長

“人臉識別物聯(lián)測溫儀”選取當(dāng)下防疫的真實(shí)情境，組織學(xué)生通過分析進(jìn)一步明晰測溫上報(bào)需要解決的一系列問題，如大量師生、多個(gè)入口、多個(gè)時(shí)段測溫以及數(shù)據(jù)記錄、判斷報(bào)警、結(jié)果上報(bào)等。解決這些問題并沒有確定的路徑、模式和方法可套用，需要調(diào)動(dòng)已有的知識、能力、經(jīng)驗(yàn)等，甚至重新學(xué)習(xí)、不斷嘗試，才有可能解決。由此不難發(fā)現(xiàn)，面向真實(shí)情境的選題，可為學(xué)生提供知識建構(gòu)、能力生長的機(jī)會(huì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生識別、分析問題的能力。

指導(dǎo)學(xué)生調(diào)研和梳理，將問題拆分為測溫、記錄、處理和報(bào)告四個(gè)主要環(huán)節(jié)，對每一環(huán)節(jié)的具體問題再加以細(xì)化。明晰的流程能激發(fā)學(xué)生調(diào)動(dòng)已有的學(xué)科知識和技能，增強(qiáng)問題解決的信心。

2.構(gòu)思：引領(lǐng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)和知識綜合運(yùn)用

構(gòu)思測溫的方案首先會(huì)想到手工的方式，但手工測溫低效繁瑣，不適合學(xué)校大規(guī)模集中的情形。自動(dòng)非接觸測溫方式速度快、報(bào)警及時(shí)，但存在數(shù)據(jù)無法與人對應(yīng)記錄的問題，難以滿足防疫回溯和精準(zhǔn)查找的需要。通過聯(lián)系生活應(yīng)用、查閱文獻(xiàn)，得知人臉識別的人工智能技術(shù)很有應(yīng)用價(jià)值，組織學(xué)生體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練智能模型識別人臉的過程，再借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)云端存儲數(shù)據(jù)，基于micro：bit開源硬件基礎(chǔ)，搭配非接觸式紅外溫度傳感器、Huskylens AI攝像頭視覺識別模塊和Arduino+Oblog物聯(lián)網(wǎng)模塊的“人臉識別物聯(lián)測溫儀”方案得以成型。

項(xiàng)目構(gòu)思不僅是一個(gè)調(diào)取和應(yīng)用已有知識、經(jīng)驗(yàn)的過程，由于解決問題的方案是開放的，因而沿著所選的問題解決路徑，學(xué)生在生物、物理、信息科技、數(shù)學(xué)等學(xué)科之間展開跨學(xué)科學(xué)習(xí)和知識關(guān)聯(lián)，了解紅外測溫的生物基礎(chǔ)、科學(xué)原理和技術(shù)手段，感受人臉圖像的數(shù)據(jù)化以及計(jì)算機(jī)算法綜合應(yīng)用產(chǎn)生的人工智能，經(jīng)歷跨學(xué)科學(xué)習(xí)，為問題解決提供新知識、技能的同時(shí)，豐富自身的學(xué)習(xí)方式，更新學(xué)習(xí)觀念[4]。

3.制作：促進(jìn)多學(xué)科融入的技術(shù)實(shí)踐

制作防疫測溫項(xiàng)目的作品，除了開源電子器件的連接、焊接外，還有大量的材料選擇和加工，不同材料加工的工具、工藝也各不相同。因此，項(xiàng)目作品的制作是一個(gè)形式十分豐富的技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)，激光切割、3D打印機(jī)等硬件儀器，配合二維繪圖、三維CAD建模軟件，項(xiàng)目制作環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生在數(shù)據(jù)計(jì)算、圖形繪制、空間造型、結(jié)構(gòu)建造中將數(shù)學(xué)學(xué)科知識自覺地融入技術(shù)實(shí)踐，保障技術(shù)實(shí)踐科學(xué)、合理、有效，為學(xué)生身體力行將頭腦中“無形”的方案變?yōu)椤坝行巍钡淖髌诽峁┝藦?qiáng)有力的支撐。

信息科技學(xué)科尤其是編程技術(shù)的融入，賦予作品快速判斷個(gè)體的狀況，按班級、年級、時(shí)間段等多種方式分析，發(fā)現(xiàn)體溫變化的趨勢，監(jiān)控或回溯分析異常情況的功能。借助物聯(lián)網(wǎng)平臺，除了能夠便捷地查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，深入挖掘數(shù)據(jù)，還能進(jìn)一步了解師生到校時(shí)間、入口流量、午間就餐耗時(shí)等更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，為學(xué)校管理提供決策參考。

為了作品形式美觀，藝術(shù)手段、文化符號等也為學(xué)生完成技術(shù)實(shí)踐提供了必不可少的元素。

4.優(yōu)化：體驗(yàn)約束條件下的工程創(chuàng)造

STEM項(xiàng)目的作品是在一定約束條件下進(jìn)行的“人工改造物質(zhì)世界的建造活動(dòng)”，也被視為工程。與大多數(shù)工程作品一樣，“人臉識別物聯(lián)測溫儀”作品初次部署測試，發(fā)現(xiàn)因環(huán)境的亮度、人流以及背景等干擾產(chǎn)生偏差，需要不斷地修正優(yōu)化。由于工程活動(dòng)要求改造者兼顧經(jīng)濟(jì)成本、藝術(shù)樣式、人文感受等諸多因素，綜合運(yùn)用科學(xué)原理、技術(shù)方法解決問題，也就是說，優(yōu)化為學(xué)生帶來了約束條件下的工程創(chuàng)造的體驗(yàn)機(jī)會(huì)，為學(xué)生權(quán)衡利弊、規(guī)?；庸?、性價(jià)比最優(yōu)等工程思維的發(fā)展提供了最佳訓(xùn)練園地。進(jìn)而在有效的優(yōu)化方向上不斷加深，感受迭代的力量，逐漸理解迭代不僅是一種基本的數(shù)學(xué)思想和常用的編程方法，也是工程優(yōu)化的基本方式[5]。

約束并非僅僅是限制，它也為學(xué)生的工程創(chuàng)造帶來新的機(jī)遇。隨著作品的有效應(yīng)用，新需求被不斷催生出來，如檢查人員巡視測溫、重點(diǎn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測以及教室場景下測溫等，學(xué)生能主動(dòng)分析新場景、新約束條件帶來的挑戰(zhàn)，明確問題構(gòu)思方案，探究相應(yīng)的科學(xué)原理、選擇可行的技術(shù)，通過工程實(shí)驗(yàn)、測試和迭代，創(chuàng)造了系列化的頭盔式、手環(huán)式和教室專用等作品。

思考：構(gòu)建STEM素養(yǎng)發(fā)展的場景

通過“人臉識別物聯(lián)測溫儀”項(xiàng)目可以看到，設(shè)計(jì)好項(xiàng)目的每一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)將對學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展產(chǎn)生積極的推進(jìn)作用。當(dāng)今社會(huì)，需要運(yùn)用跨學(xué)科的方法，依托STEM人才，通過技術(shù)實(shí)踐和工程創(chuàng)造，方能應(yīng)對未來發(fā)展中的不確定性，因此，推進(jìn)學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展意義重大?！?017地平線報(bào)告（基礎(chǔ)教育版）》指出，驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)教育應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵要素包括“STEM學(xué)習(xí)的興起”。未來，學(xué)校應(yīng)充分發(fā)揮智能互聯(lián)技術(shù)的優(yōu)勢，為STEM項(xiàng)目解決問題提供技術(shù)手段和跨學(xué)科學(xué)習(xí)平臺支撐。加強(qiáng)面向真實(shí)問題設(shè)計(jì)并實(shí)施優(yōu)秀的STEM項(xiàng)目，構(gòu)建STEM素養(yǎng)發(fā)展的項(xiàng)目化實(shí)踐的智能互聯(lián)場景，跟蹤學(xué)生發(fā)展的過程，記錄并分析數(shù)據(jù)，評價(jià)STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐的效果，為學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展提供更科學(xué)精準(zhǔn)的分析，為社會(huì)培養(yǎng)更多STEM素養(yǎng)優(yōu)良的創(chuàng)新型人才[6]。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡慧英，顧小清.設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)技術(shù)支持STEM課堂教學(xué)的案例分析研究[J]. 電化教育研究，2016（3）： 93-99.

[2]楊彥軍，張佳慧，吳丹. STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)框架模型研究[J]. 電化教育研究，2021（1）： 42-49.

[3]楊曉哲，任友群. 數(shù)字化時(shí)代的STEM教育與創(chuàng)客教育[J]. 開放教育研究，2015（10）： 35-39.

[4]王素，李正福. STEM教育這樣做[M]. 北京：教育科學(xué)出版社，2019.

[5]李伯聰. 努力向工程哲學(xué)領(lǐng)域開拓[J]. 自然辯證法研究，2002（7）： 36-39.

[6]北京開放大學(xué)地平線報(bào)告K12項(xiàng)目組. 2017地平線報(bào)告：新技術(shù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新的趨勢、挑戰(zhàn)與策略[J]. 人民教育，2017（21）： 71-75.

作者單位：南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校