2020年第4期
基于智能家居的STEM校本课程实施教学案例
罗颖玲 余瑞旗
（广州市第六十五中学 广东 广州 510080）
摘 要：本文讲述了利用Arduino Nano开发板、舵机、光照传感器、雨滴传感器等简单硬件来构建简易智能家居晾衣器，利用智能家居晾衣器来实施STEM校本课程，引领学生体验并探索开源硬件相关知识，从而真正达到跨学科教学。
关键词：智能家居；STEM校本课程；晾晒衣服器2015年9月教育部办公厅关于征求对《关于“十三五”期间全满深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》意见中教育部首提探索“STEAM”教育“创客教育” 新模式。2017年版高中技术课程标准将开源硬件项目设计列入选择性必修课程，可我们要怎样开展智能STEM校本课程教学？笔者认为要从以下几点来实施；
一、体现STEM教育
（一）STEM教育的含义及意义
STEM是科学、技术、工程、数学四个英文首字母的组合体，STEM课程重点是加强学生以下四方面的教育：一是科学素养，即运用科学知识（如物理、化学、生物科学和地球空间科学）理解自然界并参与影响自然界的过程；二是技术素养，是使用、管理、理解和评价技术的能力；三是工程素养，即对技术工程设计与开发过程的理解。围绕项目整合多门学科知识，使得难以理解的概念与学生生活密切相关，激发学生解决问题的兴趣；四是数学素养，也就是学生发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题时进行分析、推断和有效交流思想的能力。STEM教育是一种综合性的教育，将原本零散的科学、技术、工程和数学四门学科融合起来，从而形成一个新的课程体系，目标是使学生学习知识后，将所学知识运用到各学科领域，探究每个学科的相互联系，达到学以致用目的。
（二）STEM教育实施的要求
为协调好综合实践等国内高中课程与STEM的关系，要满足以下三方面①实现真的跨学科②与真实结合，任务不单一③开放性结果，过程性评价的STEM项目要求。
基于智能家居的STEM校本课程选取了“智能晾衣服器”来实施教学，因为智能晾衣服器结合生活实际问题：当下雨时，家里没人或家人睡着了或不知下雨，衣服就会淋雨。由此激发学生学习兴趣，引发学生思考，如何实现智能晾衣服？智能晾衣服器的设计制作过程包含科学、技术、工程、数学等学科知识，经历设计制作过程可实现真的跨学科。
二、智能晾衣服器课程实施（一）教学目标1.科学
①了解降雨的温、湿度数据变化，结合环境光亮度的变化综合判断是否会下雨。②了解电能、动能等各种能量转换相关知识，并运用到工程设计中。③认识实验验证假设的方法及设计理念。
2.技术与工程
①了解结构的稳定性，在设计制作晾衣架时加以运用。②了解机械传动原理，在设计制作过程中加以运用。③了解简单电路知识，运用Arduino组件设计有一定智能的晾收衣服电路。
3.数学
①了解求面积的原理。②运用数学原理及技能，解决工程难题，如计算晾衣架的长宽高、晾衣密度和收衣绳的长度等，以及绘制图表。
4.综合实践活动
①通过动手设计制作智能晾衣架器，培养动手能力。②学会运用控制变量开展科学探究，并做出基于证据的解释，解决实际问题。③在活动中，培养学生的想象能力、节能环保的意识及其社会责任感。④在小组讨论中，培养团队精神与交流能力。72
（二）授课环节
该课程设计了如下的几个教学环节：1.情景引入
“兴趣是最好的老师”，为了激发学生学习兴趣，通过播放衣服在风雨中飘摇的视频，进而引出“如何设计制作家居智能晾晒衣服器”的课题。从而引发学生学习兴趣，
2.实验实践
教师展示Arduino Nano开发板、舵机、雨滴传感器，并说明其结构原理，接着展示编程工具linkboy及其简要编程方法。并提出学习任务：利用nano主控制器、雨滴传感器、舵机来设计，实现当雨滴传感器检测到有雨时即舵机旋转180度，无雨时则舵机不动的简易智能晾晒衣服器。
学生根据教师的设计和解说，在学案的指引下，利用linkboy软件对简易智能晾晒衣服器进行仿真。仿真通过的小组领取实物硬件进行实物实验。
学生在教师的指导下进行电路和程序的仿真和实验，以此来了解和学习开源硬件基本工作原理和linkboy软件使用方法，这是一个实践、学习的过程。
3.模仿制造
待学生掌握了一定的系统应用技能后，可提出进一步学习的要求——请思考和实践：雨滴传感器检测到下雨后将持续报警，直到主人按下确认按钮后才解除。该系统是上一系统的改进版，增加了蜂鸣器和确认按钮。
学生需对上一环节的知识进行迁移，借助linkboy仿真实验环境的帮助来构建、实验新系统，并给新系统编写驱动程序，从而解决问题。此环节的设计目的是让学生应用前面所学知识进行仿造，并拓展学习相关知识，使知识得到巩固和升华。
4.创新提高
每个课题要有三个不同的学习层次可供学生选择，第一个层次比较基础，第三个层次对学生有比较大的挑战。所以设计第三层次的学习是探索下雨过后出太阳时，将衣服送出去晒的环节。此环节既提高了学有余力学生的解题、设计能力，也防止学生因无所是事而影响其他学生的解答。当然后续的家居智能晾晒衣服器则可以关注衣服在强光照射下容易褪色、风化等现象，培养学生的问题意识与提出问题能力。
5.交流总结
学生进行交流分享收获，对学习过程和设计制作过程进行评价。简而言之，从学生生活中的实际问题出发，通过提出问题，引发猜想，设计方案，实施方案，最后解决问题，与同学交流分享收获。从而达到跨学科的学习目的。
综上所述，基于STEM理念的家居智能晾晒衣服器校本课程教学符合现代教学理念，不仅激发了学生学习的兴趣，让他们掌握了机器人的知识与技术，且充分发挥学生的主动性，提升解决问题的能力及STEM素养，有效促进学生全面发展。
参考文献
[1]赵中建.STEM：美国教育战略的重中之重[J].上海教育，2012（11）：16.
[2]电子开发圈_公众号.基于单片机的的智能晾衣系统设计（电路+流程）.2019-05-31.https：//blog.csdn.net/weixin_42625444/article/details/90711137.
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