面向STEM的创新课程创设实践与思考

【摘 要】目前，以提升学生科学、技术、工程、数学等学科综合素养为目标的 STEM教育方兴未艾。笔者在小学信息技术课堂教学中践行STEM教育理念，创设需跨学科解决的问题情境，一些创新课程设计取得预期效果。

【关键词】STEM教育；Scratch编程；3D建模打印；虚拟现实；全息投影

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2017）02-0071-06

现代科技的发展越来越需要跨领域的学科知识的整合应用，基因测序、纳米技术、可再生能源、量子计算等技术的发展无不印证了横跨数学、物理、生物、信息等技术融合的必要性。人类科技的发展需要培养STEM复合型人才。而中小学现在最广泛应用的课程模式还是分科教学模式，很少重视学科之间的联系。

STEM教育代表了课程组织方式的重大变革。学习者接受STEM教育有助于对数学和科学等内容更加深入的理解；同时也有助于培养他们在真实世界中应用这些知识解决问题的能力，因为这些问题本质上就是跨学科的。STEM教育的课程设计应该使用整合的课程设计模式，即将科学、技术、工程和数学乃至艺术人文等诸多学科整合在一起。目前来看，制约STEM教育开展的瓶颈之一是STEM的课程建设，上海、温州等城市的许多中小学都已率先开设了STEM研究实验中心，尝试STEM课程进入课堂的实践研究。笔者在信息技术、科技创新、创客教育方面有着多年经验，进行了面向STEM 的课程开发实践研究，取得了预期成效。

全景图制作让学生零距离接触虚拟现实技术

2016年作为“虚拟现实”元年，各行各业都在尝试连接VR技g。让心脏转身，带你在心脏的各个心室参观，跟着血液在动静脉中“坐过山车”――这一切得益于VR技术。它能让你体验到立体生物教学的“魔幻魅力”，帮你生成一个逼真的视觉、听觉、触觉一体化的三维虚拟环境，使参与者获得与现实世界一样的感受。这是一个运用VR技术制作的生物课件。类似的利用VR制作的一些互动体验感强的学件、课件频频在各大公司展台展示，但是真正应用于教学的目前仅是极少数。

VRplatfrom 、Vega、Unity3D、Quest3D等软件都是实现虚拟现实技术的途径，但是对于中小学生来说，技术的难度系数较高。虚拟现实似乎离我们很遥远。笔者尝试设计全景图课程，让学生亲手制作一个虚拟现实作品，让它走进信息技术课堂。

全景图制作流程包括全景模型选择、图像采集、图像拼接、图像缝合以及全景图展示浏览五个步骤。事实上，制作技术的低门槛，已经让百度全景街景地图服务在短短三年时间覆盖了424个城市。而之所以发展如此迅速的秘密还在于百度圈景，百度圈景是百度地图全景上传平台。百度全景采用众包的模式，将全景采集的人群扩展到每一个人，通过每一个人的力量来共同建设百度全景。

制作三维全景照片的软件有许多，如COOL360、Quick time Vr 、Photo Vista等。笔者认为，其中的Photo Vista 比较适合小学高年级学生学习掌握，它是目前PC端制作影像式虚拟实境网页工具功能最强大的工具之一，可以制作出具有360度全景式的影像虚拟实境，并自动输出网页。笔者在小学信息技术教学实践中结合 “压缩与解压缩”与“软件的下载与安装”的教学，将虚拟现实技术“整合”进入课堂，让学生亲身体验Photo Vista 2.0全景图制作。《Photo Vista 2.0全景图制作》这一课要用到素材库的解压缩、Photo Vista的下载安装使用以及运用Frontpage对其生成的图档进行修改设置。在上课之前，还需要组织学生在校园内或到附近景点拍摄相关的素材照片，这里涉及选景策划、照相机手动调焦、三角架的使用等。学生需要在迈出双腿的同时完成此项全景图制作任务，还需要跨学科的知识技能的支撑。有的学生还在旅游景点拍摄了素材并合成了全景图上传百度圈景并被录用，获得了成功的体验。应该说，这是提升学生STEM素养的一个成功案例。

Scratch创新课程设计让趣味编程走向趣味创造

2016 年1月30 日，奥巴马对公众了 “Computer Science for All” 的倡议，鼓励美国中小学生尽早地学习计算机科学的知识，为未来的大学学习和职业成功做准备。在奥巴马的这次倡议里，“计算机科学”在很大一部分等同于“编程学习”。我们的小学信息技术课程也有一些编程模块的课程规划，比如五六年级有Scratch编程的课程安排等。但是课程的安排大多局限于让学生在屏幕上操作，很少涉及工程设计的理念。从Scratch官网上，我们可以找到Scratch的核心思想是Imagine（想象）、Program（编程）、Share（分享），寓意利用Scratch激发儿童的想象、培养儿童的思维，并在智慧分享中共同提高。笔者认为，在STEM教育视野下信息技术课程需要变革，因此编著了《面向STEM的Scratch创新课程》一书。其中，Arduino UNO R3创新篇等20多个案例让学生的编程“跳”出屏幕，令趣味编程走向趣味创造。希望让Scratch的核心思想增加“创造（Create）”这一元素。让孩子体验整合信息技术、工程、数学等多学科知识技能，解决生活中的实际问题的乐趣，培养和提高学生的软实力。

1. PicoBoard开发板互动课程让屏幕内外亦步亦趋

PicoBoard互动篇采用了百元左右的传感器开发板，板卡上包含滑动传感器、声音传感器、按键传感器、光线传感器和4个模拟输入接口，通信接口为micro USB 接口，此设备可直接通过USB连接线连接至电脑。安装好驱动后就可以与程序“互动”起来。在教学《黄山日出》一课时，学生可以通过滑动传感器来操控太阳的起落，同时滑动传感器的值还同步控制周围景色的亮度，随着太阳升落，周围背景亮度随之增减。由于滑动传感器的数值变化区间为0～100，而Scratch屏幕上下区间为-180～180，因此涉及区间的换算问题。学生在编程一开始就会遇到数学难题。而用学生的话来说：成功从来不会一帆风顺，乐趣就在打败一个个拦路虎的过程之中。

潜水艇是一款经典的单机版游戏，许多孩子都玩过。《潜水艇大战游戏编制》一课让孩子们先在网上下载单机版游戏，安装并运行试玩。然后要求学生以此为蓝本，用Scratch创意并编制个性版的游戏。单机版潜艇大战使用光标键和空格键来控制战舰的运动方向及投射鱼雷。Scratch版则要求学生用外接开发板上的滑杆来移动战舰，用按钮传感器发射鱼雷。这一课，学生的角色从一个游戏参与者变为游戏程序的开发者，经历创意设计、程序编写、运行调试等过程，其中涉及一些变量的设定、开发板与程序互动对接等难题。学生从前台走向后台的过程中真正经历到了程序开发的甜酸苦辣，也体验到了创造的乐趣。

《西游记》是学生喜爱的一部名著，孙悟空更是学生所喜爱的主人公。《悟空接果游戏制作》一课要求学生按《西游记》中“万寿山五庄观有人参果，此果子遇金而落，遇木而枯，遇水而化，遇火而焦，遇土而入”等描述，结合PicoBoard开发板创意制作一个悟空接果游戏。有学生如此创意：悟空手托果篮随滑杆左右移动，当落下人参果时，如能接住，变量显示接果数量，同时播放音效；未能接住则“遇土而入”。当接果数量达到一定值时，显示大果篮，果篮中则盛有相应数量人参果。在此案例中，还追加一道附加题，让学有余力的学生按《西游记》所述“此果子遇金而落”，改版设计PicoBoard开发板按钮控制射“金”击落果子，然后果子随机在某角度区间落下的游戏。此课例学生需要百度下载一张果树图片，然后在Photoshop及Scratch自带绘图编辑器中修改，需要设置程序与开发板的互动，需要涉及随机数、变量、传感器数值的换算等数学问题。同时还融合了人文艺术，具备了STEAM教育的主要元素。完整的程序开发经历，为学生积累了解决问题的宝贵经验。

2. Scratch for Arduino使程序设计与工程技术有机融合

笔者认为，课程的创设，要低门槛、可生长，所以选用Arduino开源技术支持的模块，此模块价格低且正经历爱好者的不断开发。Arduino UNO R3主板售价仅几十元，它提供更多的测量接口，接驳不同的模组以实现不同的功能。它是一个开放的传感器和执行器的控制平台，提供了6组模拟输入接口，2组数字输入接口，2组舵机输出接口，6组数字输出接口。同时，有专用的开发工具Scratch for Arduino（简称S4A）。作为学习者来说，可以平滑切换平台。S4A软件在媒体互动方面表现还是很出色的，不但做到了多媒体，可以有动作，有声音，有图像；而且仅仅几行积木式的block，就可以完成电脑端操作，同时完成面向外部控制。在互动新媒体这个新兴事物被当今时代广泛传播之时，Scratch for Arduino+Arduino控制器的媒体互动方式，势必能更好地将想象空间与真实世界联系在一起。下面是让S4A走向真实生活的两个综合案例。

案例1 给普通电饭煲增加预约功能

普通电饭煲的工作部分主要由开关、发热板和温度控制装置组成，它之所以能够自动限温（加热）和保温，是因为它内部装有磁钢限温器和双金属片恒温器两个自动装置。磁钢限温器是利用感温磁钢（软磁体）的磁性随温度的高低而变化的特性来设计的。当低温时，感温磁具有磁性；当温度升到某一界限时感温磁钢会失去磁性。由于结构简单，价格比较亲民，普通电饭煲缺少一些智能电饭煲所具有的诸如预约等功能。《给普通电饭煲增加预约功能》一课要求利用S4A的计时器功能，让普通电饭煲智能化，不但能定时煮饭，还能定时煲粥。有学生提出如下创意：开始预约时，系统首先询问“煮饭预约时间是多少”，然后询问“煮粥预约时间是多少”，分别将值赋予“煮饭预约”及“煲粥预约”变量，判断计时器时间大于煮饭预约时间。普通电饭煲煮饭时，达到设定温度即可跳至保温状态，因此定时器设置较为简单。煮粥时普通电饭煲需要有人看护，要煮得烂些，则需要多次开关。如何让普通电饭煲自动煮粥？有学生巧妙引入倾斜传感器，安装在电饭煲盖子上，一旦煮开，盖子因水蒸气的作用而倾斜，此时当接倾斜传感器的模拟口Analog1接收到的值煲粥预约*3600”，为防止再次误开启，要在第二次沸腾后停止执行这个脚本。学生在解决问题时需要了解电饭煲的工作原理、继电器的线路接驳、钢珠传感器的使用方法等，许多知识都具备“跨越性”特征。优化设想―问题发现―找寻策略―问题解决，这样的模式多次在Scratch创新课程中出现，事实上，模拟了产品优化设计或者说创新发明的全过程，学生能在课堂上获得此类独特体验是终身受益的。

案例2 感应式图书翻阅模拟

近日美国专利局曝光了一份专利文件，文件中出现了一项有关微软的新专利，即微软正在研发一款新的硬件设备，希望能够通过运行Windows 10的Surface设备来进行投影。这款设备支持用户用手势来进行操控。现在应用宝中可以下载一些手机游戏，也可以通过摄像头捕捉手势来完成动作玩手游。看来手势“遥控”已成为一项热门技术。《感应式图书翻阅模拟》一课要求模拟设计感应式图书翻阅程序，当手势从左往右时，图书往右翻，反之则往左翻，而且要求有3D效果。学生首先要在3DMAX2012中打开软件包中素材文件honglou.max，生成《红楼梦》3D动画，在渲染设置 “渲染输出”项设定输出文件存储位置，并将保存类型改为BMP图像文件。当用Scratch控制往前往后翻页效果时，翻到最后一页要有提示。翻页的动画素材采用3DMAX生成的300幅BMP文件中的一部分关键帧。采用Scratch造型变换的功能来实现翻阅的动画效果。这项装置的关键是如何制作“手势传感器”，学生首先制作由按钮控制的翻页动画程序，而后试验用红外线数字式传感器制作“手势传感器”。主要原理是在用一个条件语句嵌套，在左感应器A（数字口2）遇到障碍物后如果在0.5秒内，右感应器B（数字口3）也遇到障碍物而触发，则认为是往右翻，反之往左翻。当然，此数值因两个感应器的距离不同或者说手势习惯的不同而要相应更改。此课需要3DMAX的相关知识技能的支撑，需要熟悉红外线数字传感器的原理，需要Scratch程序的整合，同时还融合了人文元素。学生说，在此之前都不敢想象自己能制作手势控制动画。学生获得的成功感是不言而喻的。

3D打印、编程与创新发明的整合课程让学生体验跨越学科的思考与创造

3D打印技术能够较真实地呈现设计物品，令学生获得直观、深刻的体验。通过设计、虚拟实验、零件打印、作品整体成型等体验过程，学生能够学习科学分析、数学计算、工程设计及制作等内容，提升工程思维能力。

1. 3D建模打印与投影技术的整合案例―― 自制全息投影放映器装置

有时社团学生的一个提问成为了课程的一部分。“自制全息投影放映器装置”就是笔者在学生的一个问题启发下研究创设的课程项目。全息影像是实现真实的三维图像的记录和再现，用户不需要佩戴立体眼镜或其他任何的辅助设备，就可以在不同的角度裸眼观看影像。本装置是所谓的幻影成像系统，也被称为虚拟成像，是全息投影的一个分支。它是实景造型和虚拟影像的光学成像相结合形成的，是将需要指定拍摄的影像（人、物）投射到主体模型景观中去，演示事件的发展过程。似幻似真，非常直观，给人一种身临其境的感觉，从而给人们留下难忘的印象和体验。

全息投影装置呈现的实际是所谓的“伪全息”，它的成像媒介是使用一个由透明材料制作的四面椎体，四个不同角度拍摄的二维视频，折射45度成像并汇集到一起后形成的立体影像。这个看似漂浮在空中的立体影像，观看者可以从四个不同角度看到它（该图像可以是手机屏幕、iPad、电脑显示器或者是投影机投射的）。该课例除了需要伪全息片源下载之外，还需要制作3D放映装置。有学生参照网上所谓的教程制作后，感觉很粗糙，角度难以固定和控制，呈现的效果也不尽如人意。笔者提议用3D建模打印，3D打印需要建模，但是重点不在这里，而是透明打印材料的获得。此课程项目笔者分组安排任务：有负责3D建模的，有网上淘宝打印材料的，有负责伪全息片源下载的。最后没能完成的是打印材料，目前可以打印3D透明模型的Printoptical技术主要基于成熟的宽幅工业喷墨打印设备，通过紫外线固化的透明聚合物液滴喷射出来，然后被集成在打印头上的强紫外线灯固化，最终形成形状各异的几何体，包括透明棱镜、透镜、全彩色3D图形和纹理等。学校的普通3D打印机显然无法胜任。于是我们变通制作了一个3D模型支架（如左图所示），在支架的四个面插入剪成梯形的空白投影片（或者其他易剪裁的透明材料）。学生在此课程项目的学习研究中，要了解3D打印材料的发展、全息投影的工作原理、3D建模的相关命令等，跨学科的思考及解决问题的模式在这里再度呈现。

2. 编程设计与创新发明的融合案例―― 流水灯洗头护眼发明装置与雨水感应收衣装置

《声控流水灯与洗头护眼发明装置》一课主要是设计一个适用于3岁小孩的洗头护眼装置，要求洗澡冲淋时戴在头上能避免洗澡水流进眼睛里，达到护眼的功能。同时为了吸引小孩注意力，安装一组LED流水灯。当有水流冲洗时，LED流水灯开始“流光溢彩”，水流越急，则LED灯转动越快。创作之前，学生通过网络搜索得到3岁小孩的头部周长约为55cm，如果把头部截面看作一个近似的圆的话，根据C=2πR得到半径约为87mm。据此在3DMAX中创作，再以STL格式保存并在3D打印机上打印输出模型。

水流控制的LED流水灯则需要Scratch程序的编制。由于Arduino R3配套扩展板的输出口只有10、11、12、13，为了增加流水灯的数量，增强显示效果，本课例中将原本用于驱动舵机的数字口4、数字口7利用起来。雨水传感器负责触发，声控传感器拾取的数值决定流动速度的快慢。此课例将3D建模打印、创新发明设计、S4A程序编制融为一体，较好地诠释了跨学科知识技能整合的魔力。

《雨水感应自动收衣装置》一课要求雨水感应器上滴到雨滴，或者天色明显变暗时，启动机械臂把衣服收进阳台。如果雨水感应器上的水滴被晒干（雨转多云），光线又足够亮时，衣服再次晒出。S4A控制画面要同步运行。此项目是学生创新发明金点子的一个获奖案例。之前无法制作的难点有二：一是学生如何制作自动控制装置，二是传动装置的解决方案。有了基于Arduino的S4A的支撑，使此创新发明装置的制造成为可能。教师的创意项目给社团成员后，分组攻克以上两大难题。传动装置有学生找到了网上的开窗器，它的伸出机械臂能达到1.2m，且电源反接后能缩回。S4A控制程序部分，W生首先用到了雨水传感器和光线传感器，实现了以下功能：（1）有雨或者光线明显变暗时，收衣服。（2）当天空放晴光线变亮，且传感器上雨水被晒干时，衣服重新晒出。为了进一步优化，教师又引导学生讨论提出优化方案，要求在原来基础上增加：（1）主人可以预设收衣时间。此时无论天气如何，衣服强制收回。（2）主人可以手动收衣或者定时收衣。此两种模式收好衣服后不再晾出。这就又要加上一个按钮传感器。在实际运行的过程中，又发现伸缩臂的时间不好控制，导致在伸缩到位的情况下电机仍在工作，长时间运行将缩短电机寿命，于是又有了新的研究课题。最后，引入磁感应传感器来传回机械臂的伸缩到位信号，解决了此问题。一个好的发明创新金点子仅仅是开始，后续的一系列问题、难题需要学生去攻克，过程中许多要进行跨学科的思考，综合运用各项知识技能才能有效克服。

在STEM视野下，信息技术学科的教学内容不应该仅仅局限于创作一个作品过程中的各种操作，要将编写程序研究科学和数学问题这类问题有机地融合到信息技术的课程体系中，其课程的难度显然会增加。在难度增大的同时，对学生的综合能力的要求也会更为具体。如《金鱼缸智能管家》一课，涉及自控装置的设计、传感器的选用、装置的制作、程序的编写、3D模型的下载构建、图片的拍摄和处理制作等一系列较为复杂的综合性任务，以完成一个创意设计方案为主线，串联起一些跨学科的技术单元，让学生在综合应用的环境中学习技术，提升核心素养。

笔者创设的课程是基于Arduino这一开放技术平台的设计，成本比较低；为本课程配套的器材仅需几百元，便于普及；许多传感器、扩展板的兼容性好，今后课程的“生长”环境中仍可继续使用，减少了不必要的资源浪费。相信今后在众多开源爱好者的努力下，信息技术教师的积极开发下，Scratch、S4A、Makeblock等课程案例将层出不穷，笔者抛出的“砖”势必会引来更多的“玉”，学生STEM教育的课程资源也将更加丰富多彩。

参考文献

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谢作如. 从机器人、STEM到创客教育[J]. 中小学信息技术教育. 2015（7）.

赵中建，施久铭. STEM视野中的课程改革[J]. 人民教育，2014（2）.