“雙減”形式下初中STEAM社團活動教學模式研究
——以“抗疫分類垃圾桶”項目式教學為例

陳明 安徽省廬江實驗中學

2019年2月教育部發布了《中國教育現代化2035》，明確指出要“全面加強和改進學校美育，弘揚勞動精神，強化實踐動手能力、合作能力、創新能力的培養”。2021年7月中共中央、國務院印發了《關于進一步減輕義務教育階段學生作業負擔和校外培訓負擔的意見》，要求提升課后服務質量，延長課后服務時間，開展豐富多彩的社團活動。STEAM教育課程的實踐性、合作性和創新性得到了人們的高度重視，在“雙減”政策的指引下，全國很多中小學都在課后服務時間設置了STEAM社團課程，但目前我國中小學STEAM教育還沒有專門指定的教材，基本上是以各學校的校本課程為主，且教學方法也是千變萬化、多種多樣。

● STEAM教育中存在的問題和解決方法

筆者所在學校的3D創客教室專門用于學校STEAM社團開展教學和實驗活動。由于設備的限制，學校組織教師編寫了STEAM教育課程，主要是在3D打印、開源電子和其他學科的融合方面開展相應的教學，經過幾年的實踐暴露了以下問題：①新技術、硬件的不斷使用，加快了電子設備的淘汰速度。②技術的更新促進教學課程更新，一套課程用不了幾年就不能滿足教學的需要。③學生對脫離生活、實用性不強的課程缺乏熱情。④生活中的實際問題較為復雜，學生完成的作業解決不了實際問題。⑤傳統教學模式容易造成學生的思維方式固化，無法培養學生的創新思想，難以達到預期的教學效果。

筆者所在研究團隊經過理論研究和教學實踐，總結出以下解決方法：①持續投入教學設備，及時引入一些加持新技術的開源電子設備材料。②靈活開展教學，在教學中及時改進已經淘汰的內容。③尋找緊密聯系生活的課程資源，設計有實用價值的校本課程。④強調實驗的重要性，作業完成后必須通過實驗證明可行性。⑤STEAM教育需要激發學生的創新思想，教學模式應以項目式教學為主。

● 項目式教學的應用

項目式教學強調以學生為中心，以問題為導向，是注重設計學習情境的一種教學方法，筆者構建了一套基于STEAM社團活動的項目式教學模式（如下圖）。下面以“抗疫分類垃圾桶”項目為例，進行具體介紹。

1.設計思想

（1）以項目式教學模式為主

項目式教學模式即“提出問題—分析問題—解決問題—反思評價”，但是由于STEAM教育的內容比較繁雜，結果需要通過實驗進行反思評價，所以筆者采用的是“提出問題—尋找方法—設計方案—作品物化—實驗評價”的方式。針對STEAM作業難度較大，耗時較多的難題，主要采用學生團隊合作的方式來完成作業，模仿現代工廠設計流水線中的“自由設計方案—擇優確定項目—合作物化作品—模擬商業營銷”的方式完成整個作業流程。

（2）突出新技術的應用

隨著科技的不斷發展，以圖像識別、語音識別、語音合成技術為代表的人工智能技術，大大提升了人們的生活品質。為了與時俱進，筆者將這些以新技術加持的開源電子引入到教學中。

（3）緊密聯系生活

當前我國政府重視環保，大力提倡垃圾分類，生活中隨處可見與垃圾分類有關的實施項目；另外，新冠疫情改變了人們的生活，作為中學生，時刻要注意疫情防控信息。因此，在本課設計中，筆者突出了當前典型的“環保”和“抗疫”兩大主題。

2.教學目標與重難點

（1）STEAM目標

科學：學會用基本的物理力學和電學原理來解決實際問題。

技術：學會用3D軟件建模，用編程軟件完成開源電子電路的設計，最后完成實驗調試。

工程：學會針對一個目標，在一段時間內進行協作，解決一個實際問題。

藝術：學會用手繪線條設計作品草圖，讓作品的外觀和實用性結合。

數學：完成數據的測量和收集，學會利用數據來解決設計中的具體問題。

（2）教學重難點分析及解決措施

教學重點：作品的實用價值是如何體現的；開源電子人工智能模塊的應用方法。

教學難點：如何使用3D打印和開源硬件技術制作出一個有實用價值的3D打印作品。

解決措施：通過啟發引導學生創新，保護學生的創新思想，輔助他們完成作業。

3.教學過程

（1）導入新課

教師出示謎語“天生大肚能容物，吃飯從來不挑食。臟活累活從不嫌，美化環境都靠它”。請學生回答，引出“垃圾桶”題材。

（2）講授新課

問題1：你知道垃圾分類有什么重要性嗎？具體有哪幾類？生活中常見的分類垃圾桶是什么樣的？你覺得這種分類垃圾桶有哪些缺點？

學生回答，教師歸納總結。

問題2：當前新冠疫情仍存在，在生活中處理垃圾時，哪些方面可能造成病毒傳播？

學生回答，教師總結——垃圾桶一般都有蓋子。在倒垃圾時，需要用手打開蓋子，才能丟垃圾，垃圾桶蓋子如果沾有病毒，容易傳播給別人。

問題3：不用手能不能打開垃圾桶蓋子？

學生回答，教師歸納——

方案一：腳動式分類垃圾桶。用鞋子接觸垃圾桶，病毒傳播風險大大降低，本款作品設計將四個垃圾箱體組合到一起，利用齒輪組合，采用開花式的造型，具有美感，如果使用腳推動推桿，可以打開或關上四個垃圾箱體。

方案二：超聲波控制垃圾桶。將方案一的腳動式推桿進行改進，用Arduino uno主控板控制，通過超聲波傳感器捕捉人體接近的信號，用舵機打開四個垃圾箱體，同時播放語音，提示注意分類投放垃圾，靜止四分鐘，然后合上四個垃圾箱體，這樣不用接觸垃圾桶就可以投放垃圾了。

問題4：請分析以上兩個方案的優點和缺點。

學生回答，教師總結——優點是：兩個方案都將分類垃圾箱體組合到一起，美觀大方，且都起到抗疫的作用。缺點是：方案一沒有實現自動化，只是用腳推動推桿來改變垃圾桶的四個箱體彈出和收回的狀態，如果鞋子上沾染病毒仍然有傳播風險；方案二雖然實現了自動化，但是智能程度不高，容易造成誤觸發，如行人或寵物路過，也可能被誤認為是有人要倒垃圾。

問題5：以上作品的缺點其實就是智能化程度不夠，生活中還有哪些新技術可以提高作品的智能化程度？

學生回答，教師引導——在開源電子方面，人工智能主要體現在語言識別、圖像識別、語音合成、物聯網應用等幾個方面。下面，我們來學習兩個作品，了解人工智能技術的應用效果。

方案三：語音識別分類垃圾桶。本作品使用了語音識別技術，可以通過人機對話對投放垃圾的人進行語音提示，使用到的硬件有掌控板、語音識別傳感器和mp3模塊和舵機。對著垃圾桶說聲“倒垃圾”就會激活語音識別系統，會提示你說出手中垃圾的名稱，還可以根據你的回答提示屬于何種分類垃圾，同時打開相應的垃圾箱體。

方案四：智能卸貨分類垃圾桶。作品外形像一輛小車，前部安裝Arduino uno主板、超聲波傳感器、人工智能視覺識別攝像頭、mp3串口播放器、灰度傳感器，下部安裝了四個車輪，后部安裝了兩個可以活動的垃圾箱體和兩個可以打開的蓋子。作品主要包含兩方面功能：一是無人駕駛技術，垃圾桶可以巡線行駛于居民區和垃圾處理廠兩個地點，可以將不同種類的分類垃圾分別清空到特定的地方，灰度傳感器讓垃圾桶車進行巡線，當前方一定內范圍出現障礙物時，車前的超聲波傳感器可以識別緊急停車。二是視覺識別傳感器能夠識別幾個重要地點——收集垃圾桶的居民區、垃圾處理廠中不同垃圾存放的地點。當垃圾裝滿后，可以自動巡線前往垃圾處理廠分類進行清空，然后巡線回到居民區繼續收集垃圾。

教師在展示方案三和四后，請學生說出它們的優點，并得出結論：語音合成垃圾桶的優點是體現設計的以人為本，作品可以給垃圾投放人不同的語音提示，幫助他們分類投放垃圾。可以自動卸貨的垃圾桶不僅解決了疫情環境下倒垃圾用手接觸垃圾桶的問題，還實現了清空垃圾全自動服務，可以有效解決倒垃圾過程中疫情傳播的隱患。

（3）深入拓展

教師繼續介紹以上兩個方案中用到的人工智能模塊——語音識別傳感器、人工智能視覺傳感器、語音合成模塊的使用方法，出示“Mind+編程圖”。

問題6：以上兩種傳感器可以對不同的聲音或圖像做出不同的反應，在生活中，什么情況下可以用到語音識別和視覺識別。

學生回答，教師總結——如果生活中需要分類，語音識別和視覺識別都可以發揮作用。

4.作業布置

（1）第1課時作業

選擇生活中與“環保”或“抗疫”有關聯的一個實際問題，利用這節課學到的知識制作一件STEAM作品來解決這個問題，可以采用的技術是3D打印技術和開源電子，至少用上一種人工智能傳感器。

（2）第2～7課時作業

本節課作業是要求學生將作品創意寫下來，并用手繪線條將作品外形結構畫出來，課上十五分鐘完成作業，然后教師收集優秀創意進行展示，同時請作者介紹作品創意特點。

①擇優確定項目。在第1課時的作業中挑選出六個比較好的作品作為團隊作業的項目。

②分工完成作品。將全班學生分為六個團隊，并將挑選出來的優秀創意作品分別交給他們，讓各團隊以分工合作的方式進行3D打印制作和開源電子的電路組建，最終完成作品的物化，也可以對項目進行改進。

（3）第8課時作業

模擬商業營銷。經過六個課時的分工合作，各團隊作業基本物化成型，這時可以模擬產品招標會，邀請本班學生擔任主辦方評委，要求六個團隊分別制作作品介紹PPT，錄制作品實驗視頻。同時，分別推選一名學生擔任投標方代表，結合PPT和實驗視頻當場演講，將自己作品的優點詳細介紹給大家，最后投票評選出最佳作品作為本次招標會中標產品。