Steam理念下的通用技术教学模式探究------以：“空中电子琴”项目设计为例

Steam 理念下的通用技术教学模式探究 ------ 以：“空中电子琴”项目设计为例

钟致民

广州市增城区新塘中学 510000

摘要： 以高中通用技术课程中对发展“学生五大技术核心素养”的要求框架为指引，提出将steam教育理念与项目学习法引入课堂教学中。以开源组件“Arduino”为载体，通过完成“空中电子琴”项目，促使学生自主探究学习相关系统知识，既能促进学生实现知识的跨学科融合，又能使学生从过程体验中形成能力，提升核心技术素养，对该课程教与学形式的改进提升具有启发意义。

关键词：steam教育， 学科核心，八音电子琴；

1. 理论概述 与 研究背景

2017年版高中通用技术课程标准指出：高中通用技术课是一门以实现“技术意识，工程思维，创新设计，图样表达，物化能力”的五大核心素养为目标，以提高学生的技术素养、提升学生的创新能力为宗旨，以设计学习、操作学习为主要特征的必修课程。可见本门学科教与学的过程强调的是，跨学科、跨领域知识的联系，具体体现在思想与方法的综合应用，并能进行技术设计、制作与评价等^[1]。但一般通用技术教学过程，容易陷入理论文字叙述居多，实践材料、实践项目匮乏的问题，学生很少能有深入的操作与体验，无法提升学生的学习兴趣，更无法令学生进行自主学习，对学生的技术核心素养的培养极其不利。

Steam教育的（科学，技术，工程，艺术，数学）理念，其五个环节在实际教学中的体现，可以理解为：强调要对客观世界有“科学”认识，运用逻辑推理与建模等基础“数学”思维，对问题进行系统比较、权衡、归纳等“工程”论证，利用客观规律完成对事物功能的进行“技术”提升、发明改造，及对外观进行生活“艺术”美化。

其核心特征包括：跨学科，情景性，趣味性，协作性，设计性等，教育过程多表现为在以项目为载体，促使学生整合与综合运用多学科知识，以此达到促进学生将学科知识转化为可以解决实际问题的生活性知识，培养与提高学生的科学素养、探究能力与问题解决能力的目的。可见steam的核心特征与通用技术核心素养间存在着不谋而合的内在联系。教师若能选择出既符合学生已掌握或即将掌握的多学科知识点、又具备一定可操作和挑战性的项目为载体进行通用技术教学，会是现阶段有效促进学生技术核心素养提升的可行思路与可选途径。

诞生于2015年的开源电子平台Arduino，它主要由承担电路板作用的硬件与负责程序解码的Arduino IDE软件这两部分构成。其工作原理是将编写好的程序传输到Arduino IDE，再由Arduino 硬件执行命令去控制各种外接的设备。例如通过智能程序对外接的各种传感器实现灯光、马达、声源等装置的控制^[2]。经过多年的发展，目前的Arduino具有跨平台、系统易掌握、学习资源易获取，外接硬件设备价格较便宜等特点。因此以结合steam教育理论的Arduino应用套件为项目载体，应用到高中通用技术课中，并且贯穿整一个学期的通用技术课程，不但能让学生能有充足时间学习思考，也更好地帮助学生在课堂外对所学的知识点进一步巩固和掌握，符合目前高中通用技术课教学的现实特征。

2. steam教育理念下通用技术项目教学的案例分析

在粤教版《技术与设计2》的第四章《控制与技术》的第三节“简单控制系统的设计”的第二课时中，提出通过完成一个控制系统的设计制作，以此让学生体会控制设计的方法，加深对课程内容的理解。为此本课例中选用Arduino套件来完成《空中电子琴》项目的设计与制作，促使学生通过学习、设计与制作，对于电子电路，开源控制，传感器等知识能有更好的了解与掌握。具体任务是在通过红外测距传感器，感控人手的距离，当手在空中的某个位置时，由蜂鸣器发出对应音调的声音，同时控制LED灯的点亮和熄灭。

整个任务过程中，对电子电路的分析与选择属于物理科学的范畴；流程图的设计需要数学逻辑思维；Arduino程序的编写体现出技术意识特征；流程分析与技术实现符合工程素养；最后电子琴的外观设计体现学生的艺术素养。任务过程中各环节与通用技术核心素养、Steam各要素的对应关系如下表：

项目前期准备

1、学生已经通过前期学习，了解到“系统”，“控制”等基础概念，也具备了一定的计算机操作能力，对Arduino程序的编写也由一定的认识。但在进行具体问题分析，信息处理，知识运用上存在困难，考虑到学生个人思路或能力的局限性，让学生组成5--6人小组进行团队合作；

2、教师制定项目设计基本要求：能实现发音功能，控制操作稳定，外观美观，如果能加入新的同步功能就更好；

3、学生填写人员分工表，具体如下：

项目实施流程

（一）情景导入 ：

（1）教师展示空中键盘、Arduino制作的空中电子琴的微视频，介绍本节课设计内容。 以此激发学生探究欲望，开拓学生想象力。

（2）认识器材：蜂鸣器与红外测距传感器。本项目使用了红外测距传感器，为了能让实验顺利进行，教师可先对蜂鸣器，和红外测距传感器的工作原理与使用方法做简单介绍。

（二）分组设计与制作

（1） 测量红外测距传感器数值。因为空中电子琴的工作原理是当手在不同位置时会发出不同音调，所以需要由学生根据本组设计的电子琴音调数，配合红外测距传感器的有效可用范围，进行距离划分的调试。让学生透过本实验的功能需求分析，选择恰当的方式搭建系统，培养学生严谨的设计思维。

（2）设计电路，并安装硬件。将蜂鸣器，Led灯，和红外测距传感器接到Arduino套件上，过程中强调电路的连接方式。透过过程中学生将遇到的端口合理选择问题，扩展板选用问题等，让学生开展小组讨论与学习，教师适当提出思路建议。从而让学生学会分析，和思考每个子系统间的流程关系，掌握相关硬件的使用技巧。

（3）编辑Arduino程序。根据第一步中得到的数据，编写程序，使其完成在不同数据段使用蜂鸣器发出不同音调的声音，并用Led灯发出不同颜色的灯光的功能。这里学生将经历设计思路从数理逻辑到计算机语言的翻译，解难，调试和简化，达到提升图样表达与物化能力的目的。

（4）外观美化。学生发挥自身的创意，为小组的作品在保证功能稳定的情况下，进行外观的包装美化。这里学生的日常创新创意能有机会展现，过程中每个学生都可以提出自己的思路，但最后可能只有部分设计的想法能够得以实现，这些都能有助于学生掌握外观设计的相关硬件和软件的使用技巧，也利于培养学生严谨的设计思维。

（三）项目成果评价

教师主持项目成果评价。要求各小组代表推举代表，来展示作品，叙述作品的创作思路和经验心得，同时参与对其他小组作品的评价。通过这种成果展示，学生之间互相学习互相鼓励、取长补短，达到共同进步的目的，也为后续完善，改良作品做准备。

（四）教学反思

以上关于steam教育理念下通用技术项目教学系列过程的描述中，一方面教师重点突出了“steam教育理念”的核心地位，这是课程教学的优势部分；另一方面是教师课堂授课时期，项目设计与分析时，教师的主导地位与学生主体地位之间的关联紧密度不够，这是本次课程开展中存在的问题。

通用信息技术项目学习内容，主要是从日常生活中通用信息技术的发展水平为背景，对常见的信息技术原理、结构、以及体系进行运用形式的综合评定。教师授课期间，更是充分利用了这一优势，为学生设计了日常信息技术应用环境。比如，选用Arduino套件进行电子信息技术应用特征的定位，后续实行通用结构评定和分析时，更是将程序创新，作为学生动手实践能力评定的一部分。

教师是课堂授课的指导者，即使教学观念怎样发生改变，教师都要注意其实际作用的发挥。但从以上案例实施内容叙述层面而言，教师除了前期进行情景导入，在学生分组设计与实验时，教师似乎并未给予学生更多的指导。比如，学生进行电路设计、Arduino程序界定时，各个组合程序调节、以及程序数理逻辑梳理时，教师除了观看学生操作，还应该在学生多次出错的问题给予点拨。这一点，也是steam教育理念下通用技术项目教学工作需要调整的内容^[2]。

三 结语

通用技术学科作为技术类学科，强调的是学生的实际动手能力，把结合steam理念的项目学习法应用于通用技术的教学过程可以使学生拥有较为轻松的学习环境，学生在过程中更加能集中注意力，激活思维潜力，激发创意想法，积极地应用日常所学。这既是知识内化过程，也是知识走向实践的过程，对学生技术核心素养的提升有较好的帮助。综上所述，教师在高中通用技术日常教学中可以更多借用steam的教育理念与项目载体，开展并提炼出更好的教学与评价方式，从而进一步深化应用、提升教学质量。

参考文献

[1] 恽竹恬. STEAM教育视野下的高中通用技术教学[J]. 创新人才教育.2018(01)

[2] 黄建忠. 基于通用技术课程的STEAM项目教学的探索与实践[J]. 课程教育研究.2017(20)

项目课题：“本文是增城区教育科学“十三五”规划2019年度课题《STEM课程促进高中通用技术课程核心素养落实的研究》，课题编号：zc2019083的研究成果”