信息科技項目化實踐助力STEM素養(yǎng)發(fā)展

【摘要】本文以“人臉識別物聯(lián)測溫儀”項目為例，通過選題、構(gòu)思、制作和優(yōu)化四個環(huán)節(jié)，展示項目化實踐開啟真實情境下的建構(gòu)與生長、引領(lǐng)跨學科學習和知識綜合運用、促進多學科融入的技術(shù)實踐方法，讓學生體驗約束條件下的工程創(chuàng)造，有效促進學生STEM素養(yǎng)發(fā)展?！娟P(guān)鍵詞】STEM素養(yǎng)；項目化實踐；智能互聯(lián)技術(shù)；信息科技隨著信息科技的迅猛發(fā)展，社會方方面面日益數(shù)字化發(fā)展、智能互聯(lián)，知識經(jīng)濟、第四次工業(yè)革命呼喚創(chuàng)新型、復合型人才。STEM教育“以真實問題解決為任務(wù)驅(qū)動，在實踐中應(yīng)用知識、獲得知識，培養(yǎng)學生的問題解決能力、復合思維和創(chuàng)新思維”[1]，發(fā)展學生STEM素養(yǎng)是回應(yīng)時代呼喚的有效路徑。內(nèi)涵：STEM素養(yǎng)是什么所謂STEM素養(yǎng)，即面向真實問題，綜合運用數(shù)學、科學、技術(shù)、工程等學科相關(guān)知識、技能、方法、情感、態(tài)度和價值觀，解決復雜問題的綜合能力。學生STEM素養(yǎng)發(fā)展首先伴隨著跨學科學習的過程展開，跨學科學習促進學生發(fā)現(xiàn)科學、技術(shù)、數(shù)學、工程等各學科知識間的關(guān)聯(lián)，改善傳統(tǒng)的學習方式[2]。發(fā)展STEM素養(yǎng)主要以面向真實情境的項目化實踐為模式，將學生所學與真實世界聯(lián)結(jié)，綜合運用多學科知識和技能，彌補分科教學知識割裂的不足。優(yōu)良的STEM素養(yǎng)意味著學生擁有創(chuàng)造性解決問題的能力，他們樂于科學探究，敢于技術(shù)實踐，善于運用數(shù)學和編程等手段完成優(yōu)選的工程作品或方案[3]。項目：STEM素養(yǎng)發(fā)展的抓手項目設(shè)計與實施對發(fā)展學生STEM素養(yǎng)的意義重大，體現(xiàn)在項目選題、方案構(gòu)思、作品制作和評測優(yōu)化等各個環(huán)節(jié)中，下面以“人臉識別物聯(lián)測溫儀”項目為例具體闡述。1.選題：開啟真實情境下的建構(gòu)與生長“人臉識別物聯(lián)測溫儀”選取當下防疫的真實情境，組織學生通過分析進一步明晰測溫上報需要解決的一系列問題，如大量師生、多個入口、多個時段測溫以及數(shù)據(jù)記錄、判斷報警、結(jié)果上報等。解決這些問題并沒有確定的路徑、模式和方法可套用，需要調(diào)動已有的知識、能力、經(jīng)驗等，甚至重新學習、不斷嘗試，才有可能解決。由此不難發(fā)現(xiàn)，面向真實情境的選題，可為學生提供知識建構(gòu)、能力生長的機會，有利于培養(yǎng)學生識別、分析問題的能力。指導學生調(diào)研和梳理，將問題拆分為測溫、記錄、處理和報告四個主要環(huán)節(jié)，對每一環(huán)節(jié)的具體問題再加以細化。明晰的流程能激發(fā)學生調(diào)動已有的學科知識和技能，增強問題解決的信心。2.構(gòu)思：引領(lǐng)跨學科學習和知識綜合運用構(gòu)思測溫的方案首先會想到手工的方式，但手工測溫低效繁瑣，不適合學校大規(guī)模集中的情形。自動非接觸測溫方式速度快、報警及時，但存在數(shù)據(jù)無法與人對應(yīng)記錄的問題，難以滿足防疫回溯和精準查找的需要。通過聯(lián)系生活應(yīng)用、查閱文獻，得知人臉識別的人工智能技術(shù)很有應(yīng)用價值，組織學生體驗機器學習訓練智能模型識別人臉的過程，再借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)云端存儲數(shù)據(jù)，基于micro：bit開源硬件基礎(chǔ)，搭配非接觸式紅外溫度傳感器、HuskylensAI攝像頭視覺識別模塊和Arduino+Oblog物聯(lián)網(wǎng)模塊的“人臉識別物聯(lián)測溫儀”方案得以成型。項目構(gòu)思不僅是一個調(diào)取和應(yīng)用已有知識、經(jīng)驗的過程，由于解決問題的方案是開放的，因而沿著所選的問題解決路徑，學生在生物、物理、信息科技、數(shù)學等學科之間展開跨學科學習和知識關(guān)聯(lián)，了解紅外測溫的生物基礎(chǔ)、科學原理和技術(shù)手段，感受人臉圖像的數(shù)據(jù)化以及計算機算法綜合應(yīng)用產(chǎn)生的人工智能，經(jīng)歷跨學科學習，為問題解決提供新知識、技能的同時，豐富自身的學習方式，更新學習觀念[4]。3.制作：促進多學科融入的技術(shù)實踐制作防疫測溫項目的作品，除了開源電子器件的連接、焊接外，還有大量的材料選擇和加工，不同材料加工的工具、工藝也各不相同。因此，項目作品的制作是一個形式十分豐富的技術(shù)實踐活動，激光切割、3D打印機等硬件儀器，配合二維繪圖、三維CAD建模軟件，項目制作環(huán)節(jié)引導學生在數(shù)據(jù)計算、圖形繪制、空間造型、結(jié)構(gòu)建造中將數(shù)學學科知識自覺地融入技術(shù)實踐，保障技術(shù)實踐科學、合理、有效，為學生身體力行將頭腦中“無形”的方案變?yōu)椤坝行巍钡淖髌诽峁┝藦娪辛Φ闹?。信息科技學科尤其是編程技術(shù)的融入，賦予作品快速判斷個體的狀況，按班級、年級、時間段等多種方式分析，發(fā)現(xiàn)體溫變化的趨勢，監(jiān)控或回溯分析異常情況的功能。借助物聯(lián)網(wǎng)平臺，除了能夠便捷地查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，深入挖掘數(shù)據(jù)，還能進一步了解師生到校時間、入口流量、午間就餐耗時等更多有價值的數(shù)據(jù)信息，為學校管理提供決策參考。為了作品形式美觀，藝術(shù)手段、文化符號等也為學生完成技術(shù)實踐提供了必不可少的元素。4.優(yōu)化：體驗約束條件下的工程創(chuàng)造STEM項目的作品是在一定約束條件下進行的“人工改造物質(zhì)世界的建造活動”，也被視為工程。與大多數(shù)工程作品一樣，“人臉識別物聯(lián)測溫儀”作品初次部署測試，發(fā)現(xiàn)因環(huán)境的亮度、人流以及背景等干擾產(chǎn)生偏差，需要不斷地修正優(yōu)化。由于工程活動要求改造者兼顧經(jīng)濟成本、藝術(shù)樣式、人文感受等諸多因素，綜合運用科學原理、技術(shù)方法解決問題，也就是說，優(yōu)化為學生帶來了約束條件下的工程創(chuàng)造的體驗機會，為學生權(quán)衡利弊、規(guī)?；庸?、性價比最優(yōu)等工程思維的發(fā)展提供了最佳訓練園地。進而在有效的優(yōu)化方向上不斷加深，感受迭代的力量，逐漸理解迭代不僅是一種基本的數(shù)學思想和常用的編程方法，也是工程優(yōu)化的基本方式[5]。約束并非僅僅是限制，它也為學生的工程創(chuàng)造帶來新的機遇。隨著作品的有效應(yīng)用，新需求被不斷催生出來，如檢查人員巡視測溫、重點人員實時監(jiān)測以及教室場景下測溫等，學生能主動分析新場景、新約束條件帶來的挑戰(zhàn)，明確問題構(gòu)思方案，探究相應(yīng)的科學原理、選擇可行的技術(shù)，通過工程實驗、測試和迭代，創(chuàng)造了系列化的頭盔式、手環(huán)式和教室專用等作品。思考：構(gòu)建STEM素養(yǎng)發(fā)展的場景通過“人臉識別物聯(lián)測溫儀”項目可以看到，設(shè)計好項目的每一個實踐環(huán)節(jié)將對學生STEM素養(yǎng)發(fā)展產(chǎn)生積極的推進作用。當今社會，需要運用跨學科的方法，依托STEM人才，通過技術(shù)實踐和工程創(chuàng)造，方能應(yīng)對未來發(fā)展中的不確定性，因此，推進學生STEM素養(yǎng)發(fā)展意義重大?！?017地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》指出，驅(qū)動基礎(chǔ)教育應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵要素包括“STEM學習的興起”。未來，學校應(yīng)充分發(fā)揮智能互聯(lián)技術(shù)的優(yōu)勢，為STEM項目解決問題提供技術(shù)手段和跨學科學