謝梓漢

【摘 要】本文介紹了信息科技課標(biāo)下的一項典型STEAM項目——智能Wi-Fi遠(yuǎn)程控制太陽能臺燈和路燈的案例分析。文中通過STEAM項目案例設(shè)計策略、STEAM項目案例分析、STEAM項目效果分析的闡述，分析總結(jié)出STEAM項目的優(yōu)點(diǎn)，即能提高學(xué)生參與度、有助于知識融合與應(yīng)用、有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與動手能力、能夠提高團(tuán)隊協(xié)作能力和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

【關(guān)鍵詞】STEAM教育；信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)；跨學(xué)科學(xué)習(xí)；深度學(xué)習(xí)

【中圖分類號】G434 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）07-047-03

跨學(xué)科學(xué)習(xí)是一種教學(xué)方法，它將多個學(xué)科的知識、技能和觀點(diǎn)整合到學(xué)習(xí)過程中，促進(jìn)學(xué)生對問題進(jìn)行深入探究、解決，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和協(xié)同合作能力。這種學(xué)習(xí)方法有助于培養(yǎng)學(xué)生全面的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，深化其對知識的理解，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。STEAM項目實(shí)踐是跨學(xué)科學(xué)習(xí)的典型應(yīng)用，它將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）等多個學(xué)科的內(nèi)容融合在一起，幫助學(xué)生建立綜合性的知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力[1]。

STEAM項目案例設(shè)計策略

1.明確項目主題與目標(biāo)

在設(shè)計STEAM項目時，教師首先要明確項目主題和目標(biāo)，確保項目的實(shí)踐性、創(chuàng)新性和趣味性。在明確項目主題與目標(biāo)時，可以從以下幾個方面進(jìn)行選擇和確定。

社會需求與關(guān)注：選擇與當(dāng)下社會需求或關(guān)注領(lǐng)域相關(guān)的主題，使學(xué)生在項目中增強(qiáng)對現(xiàn)實(shí)問題的認(rèn)識和解決能力。學(xué)生興趣和需求：了解學(xué)生的興趣點(diǎn)和需求，選擇能夠激發(fā)學(xué)生興趣、引導(dǎo)學(xué)生主動參與的主題。教育價值與意義：確保項目具有教育價值和意義，有利于學(xué)生的全面發(fā)展。跨學(xué)科整合：選擇可以有效整合多個學(xué)科知識、技能和觀點(diǎn)的主題，促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)和實(shí)踐?？刹僮餍耘c可行性：選擇具有一定難度但可實(shí)現(xiàn)的項目主題，以確保學(xué)生能夠在有限的時間和資源內(nèi)完成項目。創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)性：選擇具有一定創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的主題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。

如在本案例中，主題為設(shè)計并制作一個智能Wi-Fi遠(yuǎn)程控制太陽能臺燈和路燈系統(tǒng)，目標(biāo)是提高用戶的使用體驗(yàn)和能源利用率。這個主題符合社會需求（節(jié)能環(huán)保）、關(guān)注學(xué)生興趣（新興技術(shù)應(yīng)用）、具有教育價值（培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力），且具有跨學(xué)科整合、可行性高、有技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)現(xiàn)難度等特征。

2.分析跨學(xué)科融合點(diǎn)

通過分析跨學(xué)科融合點(diǎn)，我們可以將各學(xué)科的知識和技能有機(jī)地結(jié)合在一起[2]，為設(shè)計和制作智能Wi-Fi遠(yuǎn)程控制太陽能臺燈和路燈系統(tǒng)提供全面的支持。如通過研究太陽能技術(shù)和能源轉(zhuǎn)換與利用，設(shè)計出適合的太陽能板；利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸與通信知識實(shí)現(xiàn)智能控制和遠(yuǎn)程控制功能；運(yùn)用電子電路設(shè)計和制作技巧，完成整個電路系統(tǒng)的搭建和調(diào)試；結(jié)合藝術(shù)設(shè)計理念，設(shè)計出美觀且實(shí)用的產(chǎn)品外觀；應(yīng)用數(shù)學(xué)知識，計算和優(yōu)化能源轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。這些跨學(xué)科融合點(diǎn)將有助于提高項目的實(shí)踐性、創(chuàng)新性和趣味性。

3.制定教學(xué)計劃和實(shí)施步驟

我們根據(jù)項目主題和目標(biāo)，制定詳細(xì)的教學(xué)計劃和實(shí)施步驟，確保項目的順利進(jìn)行。

4.激發(fā)學(xué)生興趣和參與度

我們設(shè)計富有挑戰(zhàn)性和趣味性的任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的興趣和參與度，讓學(xué)生在實(shí)踐中主動探究、解決問題。

5.評估與反饋

我們對項目的實(shí)施過程和結(jié)果進(jìn)行評估，給予學(xué)生及時的反饋，引導(dǎo)學(xué)生不斷地反思和改進(jìn)。

STEAM項目案例分析

1.案例背景

隨著科技的發(fā)展，人們對智能化家居和綠色環(huán)保的需求越來越高。太陽能臺燈和路燈的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是傳統(tǒng)的控制方式存在很多局限性。為了解決這些問題，我們可以使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，結(jié)合STEAM項目教學(xué)，設(shè)計一個智能Wi-Fi遠(yuǎn)程控制太陽能臺燈和路燈的項目。

2.主題

本項目旨在設(shè)計并制作一個智能Wi-Fi遠(yuǎn)程控制太陽能臺燈和路燈系統(tǒng)，通過使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，使太陽能燈具實(shí)現(xiàn)智能化、遠(yuǎn)程化控制，提高用戶的使用體驗(yàn)和能源利用效率。

3.具體步驟

（1）系統(tǒng)設(shè)計。為實(shí)現(xiàn)用戶通過手機(jī)或電腦遠(yuǎn)程控制太陽能燈的開啟、關(guān)閉和亮度調(diào)節(jié)等功能，我們需要設(shè)計一個基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要結(jié)合Wi-Fi遠(yuǎn)程控制功能，以便用戶可以在不同地點(diǎn)對太陽能燈進(jìn)行控制。為此，我們將設(shè)計如下組件：控制器，負(fù)責(zé)接收用戶的指令并將其轉(zhuǎn)換為電路控制信號，需要具備處理來自不同終端設(shè)備的請求的能力；傳感器模塊，用于收集環(huán)境信息，如光照、溫度、濕度等，以便實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能，需與深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行交互，以便根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)調(diào)整燈光狀態(tài)。

（2）材料準(zhǔn)備。在搭建太陽能臺燈和路燈時，我們需要準(zhǔn)備太陽能電池板、LED燈、電池、控制芯片、Wi-Fi模塊等。

（3）編程開發(fā)。在編程開發(fā)階段，我們將使用Python等編程語言編寫代碼，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)模型的搭建和Wi-Fi模塊的控制。

深度學(xué)習(xí)模型搭建采用Python編程語言，結(jié)合TensorFlow或PyTorch等深度學(xué)習(xí)框架，搭建一個適用于本項目的深度學(xué)習(xí)模型。模型需要能夠根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時調(diào)整燈具的亮度和工作狀態(tài)。Wi-Fi模塊控制，通過編寫代碼，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi模塊與控制器的通信，以便接收用戶指令并控制燈具，同時需要考慮不同終端設(shè)備的兼容性，確保用戶可以使用各種設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（4）硬件調(diào)試。在硬件調(diào)試階段，需要將各個部件連接起來，確保電路正常工作。具體步驟如下：連接太陽能電池板、電池和LED燈，根據(jù)電路圖連接各個部件，確保電源能夠正常傳輸?shù)綗艟?，并將電能有效地轉(zhuǎn)換為光能；安裝控制芯片和傳感器模塊，將控制芯片與電路相連，并安裝傳感器模塊，確保其能夠正常收集環(huán)境信息；集成Wi-Fi模塊，將Wi-Fi模塊與控制器相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能；整體調(diào)試，在連接好所有部件后，進(jìn)行整體測試，確保電路連接正確、各部件正常工作。

（5）軟件調(diào)試。軟件調(diào)試階段，我們主要關(guān)注Wi-Fi模塊與深度學(xué)習(xí)模型的聯(lián)動，以及對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

調(diào)試深度學(xué)習(xí)模型：根據(jù)實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)，調(diào)整模型參數(shù)，使其能夠更好地適應(yīng)不同環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)自動光控功能。優(yōu)化Wi-Fi模塊通信：檢查Wi-Fi模塊與終端設(shè)備的通信效果，優(yōu)化代碼以提高通信速度和穩(wěn)定性。用戶界面優(yōu)化：為了提高用戶體驗(yàn)，可以設(shè)計一個簡單易用的用戶界面，使用戶可以方便地對太陽能燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)性能優(yōu)化：在整個系統(tǒng)中尋找可能存在的性能瓶頸，通過代碼優(yōu)化和調(diào)整參數(shù)提高系統(tǒng)的整體性能。

通過以上步驟，我們可以完成智能Wi-Fi遠(yuǎn)程控制太陽能臺燈和路燈項目的實(shí)踐。在這個過程中，學(xué)生們了解到深度學(xué)習(xí)技術(shù)的基本概念和應(yīng)用場景，成功地制作出了具有遠(yuǎn)程控制、自動光控等功能的太陽能燈具。學(xué)生們在項目實(shí)踐中不僅學(xué)習(xí)了有關(guān)硬件和軟件的知識，更重要的是掌握了解決問題的方法和思路，培養(yǎng)了動手能力和創(chuàng)新精神。

4.小結(jié)

本項目融合了STEAM項目教學(xué)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代教育的趨勢和需求，對于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力有重要意義。同時，本項目也是一項充滿挑戰(zhàn)和創(chuàng)新的實(shí)踐，學(xué)生需要充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力和團(tuán)隊協(xié)作能力，深入探討問題并尋找解決方案。通過項目實(shí)踐，學(xué)生在動手操作中鍛煉了自己的實(shí)際能力，為未來的學(xué)術(shù)和職業(yè)生涯打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

STEAM項目效果分析

一是能提高學(xué)生參與度。通過項目實(shí)踐，學(xué)生在自主探究和動手實(shí)踐中獲得了興趣，從而提高了學(xué)習(xí)的熱情和積極性。學(xué)生更加主動地參與到項目中，充分發(fā)揮團(tuán)隊協(xié)作精神，共同解決問題。

二是有助于知識融合與應(yīng)用。在“智能Wi-Fi遠(yuǎn)程控制太陽能臺燈和路燈”項目中，學(xué)生需要將所學(xué)的跨學(xué)科知識進(jìn)行融合與應(yīng)用，如深度學(xué)習(xí)、編程、電子電路等。在項目實(shí)踐中，學(xué)生不僅鞏固了所學(xué)的理論知識，還提高了將知識應(yīng)用于實(shí)際問題解決的能力。

三是有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與動手能力。通過項目實(shí)踐，學(xué)生在動手操作過程中培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新思維與動手能力。在面對問題時，學(xué)生學(xué)會了積極思考、獨(dú)立分析和解決問題，提升了自己的綜合素質(zhì)[4]。

四是能提高學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力。STEAM項目往往需要學(xué)生分工合作，共同完成任務(wù)。在本項目中，學(xué)生通過協(xié)作完成了項目的設(shè)計、制作和調(diào)試工作，培養(yǎng)了團(tuán)隊協(xié)作能力，為未來學(xué)術(shù)和職業(yè)生涯的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

五是能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過實(shí)踐性強(qiáng)的STEAM項目，學(xué)生能夠更加直觀地感受到學(xué)科知識的魅力，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和熱情[5]。這種學(xué)習(xí)方式有利于培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)意識和主動探究、持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

總結(jié)與期望

通過本文的分析和討論，我們可以得出以下結(jié)論：STEAM教育是一種跨學(xué)科的教育模式，它強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的整合，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和跨學(xué)科思維。義教階段信息科技課標(biāo)為STEAM教育提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐依據(jù)，有助于推動STEAM教育的發(fā)展和普及。

要推動STEAM教育的發(fā)展，需要解決教師培訓(xùn)、教育資源配置、課程體系完善等方面的問題。同時，未來的教育實(shí)踐還可以探索將STEAM項目與其他領(lǐng)域相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維和綜合素質(zhì)。

本文的研究對于促進(jìn)STEAM教育在信息科技課標(biāo)背景下的實(shí)踐探索具有一定的啟示作用。我們應(yīng)該認(rèn)識到STEAM教育的重要性，努力探索更多有效的項目實(shí)踐，為培養(yǎng)新時代的創(chuàng)新人才做出積極的貢獻(xiàn)。

通過對“智能Wi-Fi遠(yuǎn)程控制太陽能臺燈和路燈”項目的分析和評述，我們可以看到STEAM教育在跨學(xué)科學(xué)習(xí)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力方面的巨大潛力。在未來的教育實(shí)踐中，我們應(yīng)該繼續(xù)關(guān)注和發(fā)揮STEAM教育的優(yōu)勢，探索更多具有創(chuàng)新性和實(shí)踐性的項目，以培養(yǎng)具備跨學(xué)科素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的新一代人才。

注：本文系廣東省中小學(xué)教師培訓(xùn)中心專項科研項目2021年度課題“指向深度學(xué)習(xí)的STEAM項目式教學(xué)課例開發(fā)與實(shí)踐研究”（課題立項號：GDSP-2021-Q008）的階段性研究成果，受廣東省周莉萍名教師工作室資助

王曉東， 張瑞芳. STEAM教育與創(chuàng)新素質(zhì)教育[J]. 中國教育技術(shù)裝備， 2016（7）：6-10.

中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版） [M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

劉桂芳， 郝芳芳. STEAM教育下創(chuàng)新實(shí)踐項目設(shè)計與實(shí)施策略研究[J]. 教育教學(xué)論壇， 2017（31）：168-169.

張曉華， 郭穎. STEAM教育背景下中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)策略研究[J]. 教育教學(xué)論壇， 2016（43）：97-98.

陳慧， 周志剛， 胡俊杰. STEAM教育對學(xué)生學(xué)科興趣和學(xué)科素養(yǎng)的影響研究[J]. 科技與教育，2017， 25（2）：46-49.