智能有“溫度”

陳秋薇

● 創新整合點

①基于真實生活情境，融入設計思維、創客教育與STEM教育理念，引導學生建立同理心，挖掘人們真實需求，發現真實問題，并能夠利用多學科的知識去解決問題。

②注重對學生核心素養的培養，在項目實踐過程中培養學生的跨學科問題解決能力、創新思維與創新能力，增強學生社會服務意識，提升社會責任感。

● 項目分析

本項目是基于Arduino開源硬件設計的中學生創客項目。本項目將學生帶入真實的情境，引導學生解決社會中存在的真實問題;引入設計思維理念，讓學生學會由觀察到洞察，由自我到他人，以人為本，挖掘人們的真實需求，學會發現問題，提出問題，并能夠利用多學科的知識去解決問題。

● 學情分析

現有知識水平：學生具備一定的數學、物理、化學、生物等學科知識基礎，具備開展綜合性項目研究的能力，但缺乏實際情境中的綜合應用。

現有技能水平：學生已經具備Arduino開源硬件的基礎知識，認識常見傳感器、電子元器件，對編程開發平臺有一定的了解，能夠調用電子模塊編程解決問題，但缺少綜合項目的開發制作經驗。學生有基礎的建模與制圖能力，但缺少實際操作，對工具的使用不熟悉。

認知發展水平：學生具備一定的主動學習能力，能夠根據提供的資源進行自主學習。學生具備基礎的觀察能力，但缺少全面細致的觀察經驗。

● 教學目標

科學態度與責任：能夠關注現實社會，了解目標人群，挖掘他人的真實需求;能夠利用觀察法、調查法、訪談法等科學方法開展科學探究。

系統設計與創新：能夠從真實需求出發，提出有價值的問題并針對發現的問題進行科學探究和工程設計，完成具有可行性的項目方案設計。在方案設計與制作過程中，形成對需求、問題、設計、優化、制造等工程問題的系統理解。

知識融通與應用：能夠根據項目設計開展工程實踐，并能夠綜合運用科學、技術、工程、數學等學科知識解決問題。

物化實踐與表達：能夠根據項目需求，合理地選擇開源硬件模塊，進行電路搭建、編程;能夠正確地使用工具，選擇結構耗材，進行結構搭建，完成模型和產品的制作;能夠合理使用數字化工具獲取學習資源，實現各模塊功能，創造性地解決問題，形成個性化產品。

文化體驗與認同：體驗項目設計與制作的一般流程，在項目開發過程中能夠體會創作的成就感，從而激發創造潛能和社會責任意識。

● 教學環境與準備

基于創客空間、通用技術教室或者計算機機房，準備聯網的計算機，安裝圖形化編程軟件、3D建模軟件、激光切割軟件等;準備Arduino開源硬件套件，包括主控部分、通信模塊、人工智能相關模塊、輸入模塊、輸出模塊等;準備結構耗材，包括椴木板、雪弗板、瓦楞紙、雪糕棒、吸管、木棍等;準備制造工具，包括激光切割機、3D打印機、膠槍、美工刀、剪刀、鋼尺、圓規、鉛筆、鋸床、磨床等。根據學校情況，可增加與減少。

● 教學過程

1.問題與聚焦

活動一：問題分析

教師首先通過社會熱點新聞引起學生對老年人群體的關注，引發學生思考：通過現在所學的知識和所了解掌握的智能硬件技能，我們可以為老年人做些什么？接著，通過觀看相關智能產品設計，提出“智能有溫度”的話題——不同的人群，面臨著不同的問題，提出能否通過所學智能硬件的知識，幫助人們解決真實的問題，設計出溫暖的智能產品。最后，教師根據核心問題，提出子問題：①你想為哪類群體解決問題，你想為這類人群解決什么問題？②針對這類群體遇到的問題，目前有哪些解決措施？③如何通過智能硬件設計幫助這類群體解決面臨的一些問題？

活動二：觀察、傾聽與了解

（1）引導學生觀察目標群體或個體的生活，并進行記錄。注意觀察他們都在做什么、說什么，生活中他們遇到了哪些問題，并對觀察到的內容進行整理。

（2）要求學生通過訪談法對目標群體或個體進行訪談，擬定訪談提綱。訪談提綱要根據觀察內容和擬研究的內容進行。

設計意圖：從社會熱點新聞出發引起學生對老年人群體的關注，引發學生思考。通過展示學生設計的適老化智能產品，提出“智能有溫度”的話題，引導學生開發一款針對特定人群的有“溫度”的智能產品。讓學生利用科學技術為他人生活帶來便利，帶去溫暖，進而激發學生的社會責任意識。

2.設計方案與論證方案

活動三：設計初步項目方案

第一步：凝聚研究主題。根據前期的觀察、傾聽、訪談等調研內容，學生小組進行整理與分析，圍繞子問題尋求目標群體所面臨的真正問題，尋找盡可能多的需求點。在這個過程中教師使用同理心地圖法，幫助小組更好地梳理信息，理解目標用戶，找到用戶的真實需求。

通過同理心地圖的分析，學生確定用戶痛點，明確用戶的真實需求。結合子問題，各小組選擇至少一個問題作為本組的核心研究方向，各組討論，填寫“研究主題表”。此步驟的意圖是根據問題需求，明確研究方向，確定產品愿景，對研究設計方向進行規劃和約束。

第二步：撰寫初步研究方案。每個研究小組根據自己的研究主題，進行頭腦風暴，撰寫盡可能多的解決思路。頭腦風暴需要遵循自由暢想原則、延遲批判原則、量中求質原則、綜合集成原則等。每組成員通過頭腦風暴法會得到很多可能或有希望的解決方案，這時就要根據評選原則選出兩個或三個方案，具體的評選綜合考慮可行性、創新性、實用性、安全性、科學性、成本等因素。

第三步：各小組根據方案，參考教師提供的研究方案格式，開始撰寫初步的項目研究方案。

活動四：論證交流方案

開展方案論證會，組建由教師和學生代表組成的專家組，學生分組介紹本組項目研究方案，專家組現場交流點評。專家組論證方案的標準涉及選題價值、方案完整性、研究步驟可行性、研究活動安全性、成本預算等方面。

活動五：撰寫最終方案

學生小組根據專家組意見，修改優化方案，撰寫項目實施的最終方案。方案經教師審定后，進入下一階段。

設計意圖：本環節是項目成敗的關鍵所在，教師引領學生經歷發現問題、提出問題、設計方案、交流方案、論證方案的過程，最終讓每個組寫出問題合理、設計可行、格式規范的設計方案。

3.制作、測試與優化

活動六：制作與測試

第一步：項目準備。根據審核通過的項目實施方案，學生提交物料申領表，到教師處領取相關電子模塊、結構耗材、工具等物品。教師提供項目實施記錄表，提醒學生在每次項目實施過程中要按實際情況填寫，掌握學生的項目實施情況。

第二步：按項目步驟實施開展。學生根據自己的產品設計，按照步驟實施，注意合理分工、相互協作，并注意記錄實施過程、遇到的問題與困難、完成情況等。

活動七：分析與優化

各小組對做出來的產品進行原型測試，運行作品的數據采集、運算處理、數據輸出、調控執行等各項功能，檢測實驗數據是否有效、預期功能是否能實現、結構設計是否合理，分析產品的優缺點，并對此進行改進優化。

設計意圖：本環節是項目的實踐部分，基于前面兩個階段的成果，學生小組能夠有序地開展項目實施，記錄實施過程和數據。同時，能夠規范學生使用耗材，強化學生在工程制造過程中的規范意識、節約意識、安全意識等。

4.展示和評價

活動八：撰寫研究報告

第一步：報告寫作準備。教師提供研究報告的標準格式，師生探討各欄目的必要性。小組決定撰寫報告的方式，可以選擇每人獨立寫作，或者小組合作寫作。如果采取小組合作寫作，需要簽署合作書，明確規定成員的任務。小組合作寫作最好采取網絡共享文檔的方式，這樣便于上下文銜接，讓報告行文流暢。

第二步：報告寫作。學生撰寫項目研究報告（也可以寫成科技論文），制作產品說明書（或用戶手冊）。教師建議產品說明書從產品名稱、產品介紹、硬件清單、操作說明等方面撰寫。定稿后，整理項目過程資料，制作交流PPT，拍攝演示視頻，籌備產品發布會。

活動九：產品發布會

產品發布會分為兩個部分。第一部分為班級分享會，主要在班級內部進行，各小組展示項目作品，打分評價，并提出建議。第二部分為產品發布會，在學校科技節上展出，學生進行作品路演，同時學生可邀請受眾體驗自己的產品，并評價與反饋。學生根據實際反饋對原型進行再次優化。

設計意圖：本環節是項目的展示分享部分，主要分為兩個部分：第一部分是學生撰寫研究報告或論文，學會科學寫作。第二部分是產品發布會，讓學生學會如何進行展示和分享。本環節的目的是讓學生體驗創造發明的快樂以及幫助他人解決問題的成就感，同時意識到創新創業的機會，增強學生利用科技造福人類的意識，激發學生繼續學習的欲望。

5.拓展與應用

活動十：項目拓展

在教師的組織下，各組學生對項目研究過程及結果開展反思與總結活動。同時，教師鼓勵學生將自己的研究成果參加科創類比賽、申請專利、開發商業產品等，激發學生深度研究的動機。

6.學業評價

①學生評價。關于本項目的學生評價，主要從過程性評價和作品評價兩方面入手。過程性評價包括出勤情況、對小組貢獻、參與班級討論的情況、過程資料完備性;作品評價包括研究報告、科技論文、產品發布會的分享情況、作品的品質等。

②項目評價。針對整個項目進行評價，主要從學生評價和教師評價兩方面進行。學生評價：學生通過項目掌握了哪些知識、技能與方法，項目學習的意義，項目評價及建議等。教師評價：教師對通過該項目的學習，學生掌握了哪些知識、技能與方法，該項目學習與常規教學相比的優勢，項目過程是否體現了這些優勢進行評價及建議等。

● 教學反思

本項目是基于STEM理念的創客實踐課程，在項目過程中融入了設計思維、工程思維以及創新思維理念。項目是基于社會中存在的真實問題，讓學生走進真實的受眾，在體驗產品開發的完整過程中形成用科學方法觀察事物及運用跨學科知識問題求解的能力，培養學生的創新思維與創新能力，提升社會服務意識，增強社會責任感，讓學生不能只是低頭讀書，也要學會抬頭關注這個世界。

項目開展的難點是引導學生發現問題、提出問題。在提出項目的過程中，要注意為學生提供方法，引導學生進行科學觀察與思考。在作品設計與開發過程中，要注意前期方案設計論證的重要性，這是項目成敗的關鍵所在。在學生制作過程中，注意小組成員明確分工，充分發揮每個人的作用與積極性。制作時，教師一定要強調工具及硬件使用的規范性，要鼓勵學生自主學習、主動探究。