例谈计算机方向的STEM项目设计

佘友军

身处知识飞速发展的时代，我们必须让学生准备好应对那些未知的挑战，让他们无论将来遇到什么样的问题，都具备解决问题的能力，有能力找到系统地解决问题的方法。STEM教育是承载上述目标的绝佳载体，STEM教育理念旨在打破学科的壁垒，综合运用科学、技术、工程、数学等领域的知识解决实际问题。对学生个人来讲，STEM教育可以提高逻辑思维、批判性思维的能力;在协同完成项目的过程中锻炼沟通能力，提高团队合作的能力;培养现代社会急需的创造性解决实际问题的能力;提高解决未知问题的能力。对国家而言，科技的发展决定了国家和民族的命运，STEM教育为国家培养相关领域的储备人才，“承载着打造本国在全球范围内核心竞争力的重大任务”（《中国STEM教育白皮书》）。

落实到日常教学，学生要实现从做题目到做项目的转变，教师要实现从教技术到设计和引领STEM项目的转变。那么如何设计出一个计算机方向的STEM项目课程呢？

一、STEM项目的设计

首先，STEM项目设计的来源必须是真实的问题，是来自工程方面的挑战。只有真实的问题，才能够激起学生与生俱来的好奇心，并能“引诱”学生去调查寻找解决问题的方式。我们可以让学生去解决生活社区中的社会、经济和环境问题，或对生活中的某个产品进行改进，让其更加安全或者更加具有成本效益。为学生提供融入真实情境的体验，帮助学生对科学、技术、工程和数学各领域概念形成深刻的理解。

其次，问题要与学生相关。在项目开始前，告诉学生该项目使用到的科学和数学方面的知识，让学生了解项目有哪些用途，可以在生活中的哪些方面得到应用。项目与学生的相关性越高，学生投入的热情程度越高。

另外，任务的设计，要为学生提供多种创造性解决方式的可能。STEM研究任务，不是科学实验，也不是解数学题，没有所谓的正确答案。多种不同的解决策略，能够锻炼学生的创造性思维。

最后，STEM项目的设计一定要有工程的参与，用工程思想提升项目质量。STEM中的E表示工程，没有工程参与的STEM活动，不是真正的STEM教学，因而工程设计是整个STEM活动的核心。工程设计是解决问题过程中遵循的系统方法，它建立了将复杂问题分解的框架结构，有助于帮助学生梳理解决问题的思路和逻辑。不同的文献资料，对工程设计过程的描述略有不同，不过大体步骤分为：明确任务、构思规划、知识储备、建模制作、测试优化，教师需要让学生熟悉这个过程，这是学生今后解决工程问题的框架结构。

在教学“声音传感器的使用”时，多数教师直接教授声音传感器的知识，接着学生模仿教师的作品，用声音控制角色的大小、颜色、位置、造型等。教学过程暴露了几个问题：1.学生完全没有自己的想法，教师从头到尾没有给学生思考的时间;2.作品缺少应用价值，这个作品能够用在什么地方呢？它有什么用呢？学生不知道，教师也不关注。

基于上面的认识，我对“声音传感器的使用”课程进行了重新思考：必须让学生利用声音传感器创作出一个产品，这个产品要有社会价值，能够调动学生的积极性;要让学生经历完整的工程设计过程。最终，我确定了如下教学目标：学生学会使用声音传感器;学生会创造性地利用声音传感器设计出互动艺术作品;提升学生的艺术涵养，培养学生动手解决生活实际问题的能力。

由此，我重新设计了STEM活动的项目：设计一款基于声音控制的互动国画作品。这个作品是一个真实的项目，学生也知道在完成这个项目的过程中将用到很多科学和信息技术方面的知识。同时，该作品能辅助低年级学生学习古诗，可以用来进行传统文化的展示，这些都是与学生相关的。最后，学生可以设计出不同的动画效果，作品具有多样性。另外，这个作品还融合了传统文化，实现了传统文化与现代技术的完美结合。

二、STEM项目活动案例

1.水墨动画欣赏与创意构思

今天我们先来聊一聊国画，最近老师看到一个非常有意思的国画作品，设计者创造性地将传统的国画制作成动画，我们一起来欣赏。

你看，这幅古画好像“复活”了，鸟儿可以从画中飞出来。

这一幅幅精妙绝伦的国画仿佛有了生命。这个作品的作者是杨春，曾是中央美术学院的研究生。作品因为独特的民族特色和文化内涵，最终入围了奥斯卡最佳动画短片。今天我们结合一首古诗，也来制作这样的一幅动画作品。

这首古诗是《小儿垂钓》。

结合古诗所创设的意境，想一想，我们怎样去构思这个动画。如果来了一个路人，小孩会做出什么样的反应？如果路人发出很大的声音，鱼儿会怎样动起来？老师今天还准备了声音传感器，它能够检测到音量的大小。如果我们把声音传感器也加入到作品里面去，可以制作出什么样的效果呢？

这个创意太好了，如果检测到了声音，我们可以让小儿做出“遥招手”的动作，还可以让鱼儿受惊快速地游走。这样屏幕前的我们就变成了古诗中所说的“路人”了，我们也成了这幅画的一部分。这就不是一个普通的动画，它变成了一件互动的艺术品了。

【评析】将声音传感器与国画结合起来，设计一款互动的国画作品，使得STEM项目具有了丰富的文化内涵。教师是教学活动的组织者，不能将自己的想法强行灌输给学生，而是要引导学生去发散思维。STEM教学活动中，学生的创意与头脑风暴是其中重要的环节。这个过程让每一个人思维都能得到最大限度的开拓，有效地开阔思路、激发灵感，它能够激发学生持续不断的创造创新。

2.提出真实问题情境并引导学生探索

今天，我们来研究基于声音控制的互動艺术作品设计。

（教师呈现课题：基于声音控制的互动艺术作品设计。）

大家思考一下，这件融合现代技术与古典文化的作品可以用在哪些场合？它可以用在四年级的语文课堂上，更好地呈现诗歌的意境，让同学们爱上语文;可以用来装饰客厅，既美观又有文化内涵;可以放在博物馆，传播传统文化。

【评析】STEM教学强调要基于真实的问题情境，将学习过程与实际应用结合在一起，从真实的问题情境出发。教师要善于发掘问题蕴含的真实情境，让学生利用多学科的知识积极探索。问题成为贯穿整个学习过程的主线，把问题转化成一系列的学习任务，让学生达到对知识的深层次理解。

3.作品设计过程

工程师们设计一个作品，一般经历这样的过程：明确任务、构思规划、知识储备、建模制作、测试优化。由此，我们得到了设计声音控制互动艺术作品的工程设计过程，如图3所示。

（1）刚刚咱们已经确定了研究的任务，那就是设计一款用声音控制的互动艺术作品。

（2）我们也构思规划了作品，如果音量超过一定的范围，鱼儿游走或小孩切换为“招手”造型，否则小孩显示“钓鱼”造型。

（3）解决这个问题需要一定的知识储备：如何使用传感器、如何检测音量的大小。请大家跟着老师一起研究，我们来检测下正常情况下教室的环境音量是多少，有人说话的时候室内环境音量是多少。

首先连接Orion主控板，选择这里的小孩。我们让小孩在绿旗点击后不断地说出声音传感器检测到的数值。一定要确保积木塊中的音量传感器接口和硬件接口对应起来。

然后检测一下，教室内正常的环境音量值是多少。如果有人说话呢？那我们就取两者的平均值，超过400（具体数值可依据两次测量值而改变）就认为有人在说话。现在用文字来描述下算法：

无限循环：

如果音量值 > 400：

鱼儿游走

小孩切换为“招手”造型

否则：

小孩显示“钓鱼”造型

（4）现在让我们进入第四阶段，进行产品的制作，编写相关的程序。

对照中文脚本，首先找到无限循环，“如果……否则”属于“控制”类型的积木块，“大于”可以在“数字与逻辑运算”下找到，“音量传感器”可以在“机器人”模块中找到，接下来就是要改变小孩的外观了。

我们还可以设计鱼儿游动的动画，设置当音量超过400，就让鱼儿游走。大家可以根据自己的想象，任选一种动画方式，制作鱼儿的互动动画，或者小孩的互动动画。

（5）只有不断地提高、不断地改进，才能设计出优秀的作品。你们觉得这个作品还有哪些地方需要改进的？

说得对，我们可以让画面更加精致，建议开发团队招聘一名会国画的同学，负责美工。另一个问题是我们所用的声音传感器只能检测音量的大小，无法识别声音的内容。大家需要积累新的技术才能解决这个问题。

在制作的过程中，大家可能会发现新的问题。有了新的问题，我们就需要继续去寻找问题的解决方案，然后解决这个问题，这个过程叫做迭代。工程师们要经历多次迭代的过程才能够设计出满意的作品，老师期待能够看到各位同学改进后的作品。

【评析】本节课的设计，力图让学生全面地体验工程设计的一般过程。工程设计过程可以让学生理解如何逐步逼近最优化方案并最终解决问题。工程思想的引入，提高了课堂学习内容的实用性。因为工程解决的是现实世界中的问题，它为学生提供了一种解释概念的良好教学背景。同时，由于工程问题来源于现实生活，因此学生会更有动力、更深层次地理解学科、科学和技术课程。当学生掌握了解决问题的一般性方法之后，这种方法将会为他们解决生活中的其他问题和挑战提供帮助。

综上，STEM项目活动在数学、科学、技术与现实产品之间建立了联系，增强学生的商业意识，帮助学生培养团队协作所需要的技能。同时，学生的学习方式也发生了改变，形成“发现—探究”式的学习方式，促进自主学习和终身学习。STEM课程帮助学生更深入地理解科学的重要性，理解数学的概念。通过STEM活动，学生对概念有了深入的理解，而不是简单地知道知识本身。STEM项目教师要让学生认识到，他们是在利用科学、数学和工程、技术等知识去解决问题，鼓励学生在体验中通过分析、发现、合作、创造等方式获得创新型成果，收获解决问题的过程性知识。