STEM项目设计方法与策略解析

    王立新

    

    

    

    随着智能时代的到来，智能家居、智慧城市、智能生活已经开始成为耳熟能详的名词。智能时代对人才的创新设计、问题解决和跨学科整合能力提出了更高的要求，STEM教育正是在这种时代背景下开始成为培养创新人才的重要方式。STEM项目设计主要基于生活中的问题解决，从问题出发，进行项目情境分析，提出项目目标，制订具体的项目步骤、项目任务和STEM学科融合分析，将学科知识在项目任务中进行有效整合，实现跨学科项目设计与问题解决。

    ● 设计项目情境

    项目情境是为项目设计提供的问题场景。学生从项目情境中发现生活中的问题，以及问题给生活带来的困惑，从而针对问题来探讨解决方案。在方案设计中，通过发明制造智能产品实现问题的解决，培养学生的问题发现能力、问题分析能力、创新设计能力和创意物化能力。

    例如，在“智能垃圾箱”

    STEM项目设计中，项目情境可以设计为：垃圾是社会生产和人们生活的代谢物，是失去使用价值、无法利用的废弃物品，是物质循环的重要环节。我们每天都会产生很多垃圾，这些垃圾以多种形式存在。各式各样的生活垃圾散发着不同的气味，特别是夏天，会引来无数苍蝇、蚊子等环绕在垃圾箱周围，不仅气味刺鼻，也使环境失去本来的美感，更有可能会因为细菌滋生影响人们的身体健康。因此有必要发明一种垃圾箱，投放后会自动分类，然后根据类别进行智能打包、分流再利用或高温处理，所有工序在垃圾箱完成，然后通过地下传送带分类输送。

    ● 提出项目问题

    项目问题是创新设计的思维切入点，是项目设计的开始。学生的问题发现与设计能力是STEM教育的重要方面。项目问题的提出，一般由教师提供1～2个问题范例，引领学生思考，然后由学生基于自己的认知提出自己感兴趣的问题。

    例如，在“智能垃圾箱”

    STEM项目设计中，提供问题范例如下：①在智能生活时代，我们需要怎样的垃圾处理方式？②你能设计出怎样更科学、便捷、有效的垃圾处理方式？③根据上面的情境，你认为最需要解决的问题还有哪些？

    ● 设计项目概述与项目目标

    了解了项目情境和项目问题后，需要制订具体的项目目标。项目概述要具体说明项目来源、目的和解决的问题。项目目标是对项目分解后每个任务、活动要完成的阶段目标。

    例如，“智能垃圾箱”STEM项目的项目目标为：通过文献研究和小组合作，设计出满足需求的智能垃圾箱的工作原理、技术手段、产品结构和制作方案;通过社会调查和分析，筛选出符合要求的各种材料;通过小组合作，能够根据设计原理和制作流程，完成智能垃圾箱的制作;通过产品制作，交流分享科技发明对社会发展和国家富强带来的作用，分析未来人才必须具备的能力要求，分享个人成长规划与职业理想。

    ● 项目任务与STEM活动设计

    项目目标确定后，要根据目标设计项目任务链、项目步骤和项目流程，通过项目任务实现目标达成，然后对每个任务进行科学、技术、工程、数学学科知识需求化设计，实现跨学科知识在项目任务中的整合式运用。四个学科知识在项目任务中的运用不是简单叠加，而是在项目设计中的系统化整合运用，是相互支撑彼此配合的设计需要。

    例如，“智能垃圾箱”STEM项目设计了社会调查、文献研究、方案设计、材料调查收集、创作制造、成果展示与运用六个任务，对每个任务分别进行了四个学科的跨学科整合设计，以配合实现每个项目任务的达成。

    ● 项目实施

    项目实施是根据项目方案、任务设计、任务方法与要求，对项目进行实践性探索与创造设计。项目实施环节是对每个项目任务的具体设计与操作路径解析，包括每个活动任务的目标、每个任务的STEM分析、活动步骤等，展示了每个项目任务的具体操作说明和要求。

    例如，在“智能垃圾箱”STEM项目中，我们设计了了解垃圾箱的现状、检索国内外最新成果、制订创新设计产品方案、材料遴选、垃圾箱制作与编程设计、展演与生活运用六个项目任务，以下对第五个任务“垃圾箱制作与编程设计”进行简要说明。

    1.活动目标

    根据设计方案，实现智能垃圾箱模型制作，对各个功能器件完成组装;通过查阅资料，根据各组件功能要求，完成编程设计;通过整体实验，发现模型存在的问题，提出解决办法，完成整体调试，实现智能处理。

    2.活动内容与STEM分析（如左下表）

    3.活动实施

    （1）活动材料与工具

    ①木板、强力胶、PVC板、铁皮漏网、铁皮、铁丝、铁杆、风叶。

    ②木工工具、雕刻工具、各种小钉子。

    ③磁铁、太阳能板、高温压缩机、塑料袋、传送带、打包机。

    ④智能主控板、人体感应传感器、电机碾压机。

    （2）活动步骤

    ①分步制作组装各功能区，包括自动分类区、金属分离区、废物处理区、塑纸粉碎区。（略）

    ②人工智能编程设计。

    A.智能部件。智能主控板、人体感应传感器、三个电机碾压机（电机1）、分拣齿轮（电机2）和搅碎机（电机3）。

    B.功能设计。超声波人体感应。人接近超声波传感器，会立即触发碾压机、分拣齿轮和搅碎机三个部分的电机通电转动，使分拣齿轮、搅碎机和废料碾压轮进入工作状态，同时使热熔壁通电。人离开五分钟后电机自动停止工作。

    C.功能流程图（如上页图1）。

    D.程序流程图（如上页图2）。

    E.编程代码。（图形化代码略）

    经过本案例的STEM设计和人工智能编程探讨，了解了基于信息技术支持的STEM项目设计策略，为全面构建信息技术学科STEM项目群或体系化STEM项目库提供了借鉴。初中信息技术STEM项目设计要从课程标准出发，结合学生学情、学生生活进行分层次分步骤设计与实践。在初中信息技术的STEM设计中，有如下三种STEM设计方法和思路：一是基于教材的STEM活动设计，也就是根据学生学情和知识能力，把教材内容进行项目化设计转化成STEM活动。二是基于教学内容的STEM活动拓展设计，在教学过程中把教学内容与学生生活进行整合设计形成STEM项目，作为教学内容的有益补充，来拓展学生的思维空间。三是基于课程标准的学生生活STEM设计，把学生生活中的事件设计成STEM活动，同样达到实现课程目标的要求。

    苍山点题

    新的教育目标若期望用老的教育方式来达成，这是非常困难的。新的教育目标需要有新的教育方式来实施，本期解码正是想探索这方面的具体实践。

    第一篇文章，是基于计算思维的App Inventor课堂教学结构的实践研究，以此提升程序设计的教学实效，有效提升学生的问题解决能力、程序设计能力、创意设计能力，逐步培养学生的计算思维能力。这样做是因为在程序设计课堂教学中，学生会出现没有理解问题解决过程的问题，很容易出现学生模仿教师范例的情况，而基于计算思维的程序设计教学就能很好地解决这一现象。学生思维发展的过程，要经历一个要解决一个什么问题、通过什么方法来解决、还能解决哪些问题的过程，这一思维过程正是基于计算思维的程序设计学习过程，在提出问题的基础上，抽象与分解问题，并将大问题分解成小问题，通过算法思维来表述问题，在此基础上围绕App Inventor设计方案来解决问题，在师生交流中不断调试与优化程序代码，发散学生思维。

    第二篇文章，针对STEM教育的特点，探索如何利用科学、技术、工程、数学跨学科设计思想进行生活化项目设计。信息技术作为STEM教育的重要组成部分，为项目设计提供了技术支持手段和智能化编程工具。信息技术在STEM项目设计中将发挥怎样的作用？如何在技术支持的STEM设计中培养学生的创新物化与问题解决能力？文章通过制作一个智能垃圾箱，一起分析人工智能编程支持下的STEM项目设计对学生跨学科整合能力、创新设计能力和问题解决能力的培养方式。STEM教育是对学生综合素养和创新能力的开发与培养，是通過跨学科知识融合，在项目设计中培养学生的问题解决能力、创新设计能力、生活实践能力和学科整合能力。

    对教学模式的探索其实就是对创新教育如何实施的研究，只是寄希望于水到渠成便达成新的教育目标是不科学的，合理的策略规划为创新教育提供条件和效益，这是发展的重要路径。