信息科技项目化实践助力STEM素养发展

李岩 陈杰

【摘 要】本文以“人脸识别物联测温仪”项目为例，通过选题、构思、制作和优化四个环节，展示项目化实践开启真实情境下的建构与生长、引领跨学科学习和知识综合运用、促进多学科融入的技术实践方法，让学生体验约束条件下的工程创造，有效促进学生STEM素养发展。

【关键词】STEM素养；项目化实践；智能互联技术；信息科技

【中图分类号】G434   【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2023）01-085-02

随着信息科技的迅猛发展，社会方方面面日益数字化发展、智能互联，知识经济、第四次工业革命呼唤创新型、复合型人才。STEM教育“以真实问题解决为任务驱动，在实践中应用知识、获得知识，培养学生的问题解决能力、复合思维和创新思维”[1]，发展学生STEM素养是回应时代呼唤的有效路径。

内涵：STEM素养是什么

所谓STEM素养，即面向真实问题，综合运用数学、科学、技术、工程等学科相关知识、技能、方法、情感、态度和价值观，解决复杂问题的综合能力。学生STEM素养发展首先伴随着跨学科学习的过程展开，跨学科学习促进学生发现科学、技术、数学、工程等各学科知识间的关联，改善传统的学习方式[2]。发展STEM素养主要以面向真实情境的项目化实践为模式，将学生所学与真实世界联结，综合运用多学科知识和技能，弥补分科教学知识割裂的不足。优良的STEM素养意味着学生拥有创造性解决问题的能力，他们乐于科学探究，敢于技术实践，善于运用数学和编程等手段完成优选的工程作品或方案[3]。

项目：STEM素养发展的抓手

项目设计与实施对发展学生STEM素养的意义重大，体现在项目选题、方案构思、作品制作和评测优化等各个环节中，下面以“人脸识别物联测温仪”项目为例具体阐述。

1.选题：开启真实情境下的建构与生长

“人脸识别物联测温仪”选取当下防疫的真实情境，组织学生通过分析进一步明晰测温上报需要解决的一系列问题，如大量师生、多个入口、多个时段测温以及数据记录、判断报警、结果上报等。解决这些问题并没有确定的路径、模式和方法可套用，需要调动已有的知识、能力、经验等，甚至重新学习、不断尝试，才有可能解决。由此不难发现，面向真实情境的选题，可为学生提供知识建构、能力生长的机会，有利于培养学生识别、分析问题的能力。

指导学生调研和梳理，将问题拆分为测温、记录、处理和报告四个主要环节，对每一环节的具体问题再加以细化。明晰的流程能激发学生调动已有的学科知识和技能，增强问题解决的信心。

2.构思：引领跨学科学习和知识综合运用

构思测温的方案首先会想到手工的方式，但手工测温低效繁琐，不适合学校大规模集中的情形。自动非接触测温方式速度快、报警及时，但存在数据无法与人对应记录的问题，难以满足防疫回溯和精准查找的需要。通过联系生活应用、查阅文献，得知人脸识别的人工智能技术很有应用价值，组织学生体验机器学习训练智能模型识别人脸的过程，再借助物联网技术云端存储数据，基于micro：bit开源硬件基础，搭配非接触式红外温度传感器、Huskylens AI摄像头视觉识别模块和Arduino+Oblog物联网模块的“人脸识别物联测温仪”方案得以成型。

项目构思不仅是一个调取和应用已有知识、经验的过程，由于解决问题的方案是开放的，因而沿着所选的问题解决路径，学生在生物、物理、信息科技、数学等学科之间展开跨学科学习和知识关联，了解红外测温的生物基础、科学原理和技术手段，感受人脸图像的数据化以及计算机算法综合应用产生的人工智能，经历跨学科学习，为问题解决提供新知识、技能的同时，丰富自身的学习方式，更新学习观念[4]。

3.制作：促进多学科融入的技术实践

制作防疫测温项目的作品，除了开源电子器件的连接、焊接外，还有大量的材料选择和加工，不同材料加工的工具、工艺也各不相同。因此，项目作品的制作是一个形式十分丰富的技术实践活动，激光切割、3D打印机等硬件仪器，配合二维绘图、三维CAD建模软件，项目制作环节引导学生在数据计算、图形绘制、空间造型、结构建造中将数学学科知识自觉地融入技术实践，保障技术实践科学、合理、有效，为学生身体力行将头脑中“无形”的方案变为“有形”的作品提供了强有力的支撑。

信息科技学科尤其是编程技术的融入，赋予作品快速判断个体的状况，按班级、年级、时间段等多种方式分析，发现体温变化的趋势，监控或回溯分析异常情况的功能。借助物联网平台，除了能够便捷地查询相关的数据信息，深入挖掘数据，还能进一步了解师生到校时间、入口流量、午间就餐耗时等更多有价值的数据信息，为学校管理提供决策参考。

为了作品形式美观，艺术手段、文化符号等也为学生完成技术实践提供了必不可少的元素。

4.优化：体验约束条件下的工程创造

STEM项目的作品是在一定约束条件下进行的“人工改造物质世界的建造活动”，也被视为工程。与大多数工程作品一样，“人脸识别物联测温仪”作品初次部署测试，发现因环境的亮度、人流以及背景等干扰产生偏差，需要不断地修正优化。由于工程活动要求改造者兼顾经济成本、艺术样式、人文感受等诸多因素，综合运用科学原理、技术方法解决问题，也就是说，优化为学生带来了约束条件下的工程创造的体验机会，为学生权衡利弊、规模化加工、性价比最优等工程思维的发展提供了最佳训练园地。进而在有效的优化方向上不断加深，感受迭代的力量，逐渐理解迭代不仅是一种基本的数学思想和常用的编程方法，也是工程优化的基本方式[5]。

约束并非仅仅是限制，它也为学生的工程创造带来新的机遇。随着作品的有效应用，新需求被不断催生出来，如检查人员巡视测温、重点人员实时监测以及教室场景下测温等，学生能主动分析新场景、新约束条件带来的挑战，明确问题构思方案，探究相应的科学原理、选择可行的技术，通过工程实验、测试和迭代，创造了系列化的头盔式、手环式和教室专用等作品。

思考：构建STEM素养发展的场景

通过“人脸识别物联测温仪”项目可以看到，设计好项目的每一个实践环节将对学生STEM素养发展产生积极的推进作用。当今社会，需要运用跨学科的方法，依托STEM人才，通过技术实践和工程创造，方能应对未来发展中的不确定性，因此，推进学生STEM素养发展意义重大。《2017地平线报告（基础教育版）》指出，驱动基础教育应用技术的关键要素包括“STEM学习的兴起”。未来，学校应充分发挥智能互联技术的优势，为STEM项目解决问题提供技术手段和跨学科学习平台支撑。加强面向真实问题设计并实施优秀的STEM项目，构建STEM素养发展的项目化实践的智能互联场景，跟蹤学生发展的过程，记录并分析数据，评价STEM项目设计与实践的效果，为学生STEM素养发展提供更科学精准的分析，为社会培养更多STEM素养优良的创新型人才[6]。

参考文献

[1]蔡慧英，顾小清.设计学习技术支持STEM课堂教学的案例分析研究[J]. 电化教育研究，2016（3）： 93-99.

[2]杨彦军，张佳慧，吴丹. STEM素养的内涵及结构框架模型研究[J]. 电化教育研究，2021（1）： 42-49.

[3]杨晓哲，任友群. 数字化时代的STEM教育与创客教育[J]. 开放教育研究，2015（10）： 35-39.

[4]王素，李正福. STEM教育这样做[M]. 北京：教育科学出版社，2019.

[5]李伯聪. 努力向工程哲学领域开拓[J]. 自然辩证法研究，2002（7）： 36-39.

[6]北京开放大学地平线报告K12项目组. 2017地平线报告：新技术驱动教学创新的趋势、挑战与策略[J]. 人民教育，2017（21）： 71-75.

作者单位：南京师范大学附属中学树人学校