基于STEM教育的中職物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)應(yīng)用研究

為提高中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力，增強學(xué)生分析、解決問題的能力，筆者對當(dāng)前中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)模式進行了探索研究，提出了以STEM教育模式對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程進行整合，實行跨學(xué)科融合教學(xué)，開拓學(xué)生視野，提高對中職物聯(lián)網(wǎng)的探究學(xué)習(xí)能力。

一、前言

2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃”》明確指出要有效利用信息技術(shù)推進“眾創(chuàng)空間”建設(shè)，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式。2020年9月教育部印發(fā)《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動計劃（2020-2023年）》，提出要加大力度提升職業(yè)教育專業(yè)和課程教學(xué)質(zhì)量，提出推動職業(yè)學(xué)校“課堂革命”，將課程教學(xué)改革推向縱深。培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才，靠以往通過傳授理論知識是遠遠不夠的，應(yīng)該讓學(xué)生在做中學(xué)，在學(xué)中做，綜合各學(xué)科之長解決實際問題，才能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。而STEM教育思想則是把多個學(xué)科知識技能結(jié)合在一起，重視提高學(xué)生的實際動手操作能力和創(chuàng)新能力。因此，中職物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與STEM教學(xué)進行完美的整合，將會賦予STEM教育更充實的內(nèi)涵和無窮的創(chuàng)造力。

二、中職物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)現(xiàn)狀

2017年教育部頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標準》提出，STEM教育應(yīng)該以項目學(xué)習(xí)與問題解決為導(dǎo)向的跨學(xué)科學(xué)習(xí)形式。我國的STEM教育發(fā)展迅速，全國大部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了STEM課堂、個別地方還為此出臺了STEM教育政策文件，鼓勵教育機構(gòu)開展STEM教育。在國內(nèi)中小學(xué)是STEM教育的重要學(xué)段，各類以STEM為載體學(xué)生比賽、教學(xué)案例評比等也逐漸增多。但是對于有關(guān)中職學(xué)校的STEM教育探索還是寥寥無幾。為什么會造成這種現(xiàn)象呢？筆者認為主要原因是中職學(xué)校過度強調(diào)專業(yè)知識技能，忽視了跨學(xué)科應(yīng)用和學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性。開展STEM教育永遠不會遲，因而努力探索一種適用于中職學(xué)校的STEM教育模式顯得迫在眉睫。

從國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的發(fā)展情況來看，物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)經(jīng)歷了快速的成長。職業(yè)院校十分重視物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的發(fā)展，紛紛開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。為進一步提升學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)，部分院校還以開設(shè)專業(yè)工作室等方式對學(xué)生進行專業(yè)培養(yǎng)。但是中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)存在以下的教學(xué)現(xiàn)狀：大部分物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生還停留在理論、模擬器操作、模塊功能驗證、實驗箱使用的階段，只是簡單地完成理論的驗證、任務(wù)的完成，缺乏任務(wù)創(chuàng)新；各個專業(yè)課程“各自為政”，不能夠?qū)崿F(xiàn)跨課程融合，造成學(xué)生缺乏綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神，遇到實際應(yīng)用時往往想不出解決方法；專業(yè)技術(shù)學(xué)習(xí)往往只注重理論的學(xué)習(xí)，忽略了實踐的重要性，學(xué)生幾乎沒有參與過實際項目的開發(fā)。

三、STEM教育模式下的中職物聯(lián)網(wǎng)

STEM教育的重要作用是跨學(xué)科知識融合，中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)各個學(xué)科緊密相連，只有熟練運用綜合各個課程所學(xué)知識，才能開發(fā)出完整的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。如何規(guī)劃每一個課程的內(nèi)容、任務(wù)實踐，如何綜合各個學(xué)科的技能是STEM教育成敗的關(guān)鍵。中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)需要重新規(guī)劃所授課程，重構(gòu)所有課程的實驗、實操，在重構(gòu)的過程中引入STEM內(nèi)容。建立中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的STEM教育課程體系是十分重要的，也是培養(yǎng)學(xué)生成為創(chuàng)新型人才的內(nèi)在要求。

中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)旨在培養(yǎng)具有物聯(lián)網(wǎng)工程布線安裝與維護、現(xiàn)代通信技術(shù)、各種交換機和路由器的配置與運用、嵌入式開發(fā)、射頻識別與應(yīng)用、傳感器、移動設(shè)備軟件開發(fā)設(shè)計、網(wǎng)頁制作等較強的職業(yè)綜合技能的高素質(zhì)人才。

從圖1可知，中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)分為基礎(chǔ)課和核心課程，專業(yè)課程難度由淺入深。無論是基礎(chǔ)課還是核心課程，都有對應(yīng)的實踐項目與之關(guān)聯(lián)。這樣才能要求學(xué)生使用綜合技術(shù)進行項目實踐。對于基礎(chǔ)課程，學(xué)生需要掌握必要的編程技術(shù)、程序開發(fā)技術(shù)、單片機技術(shù)，而這些課程需要學(xué)生進行實際的開發(fā)活動。學(xué)生可能會使用Arduino、ESP32、STM32等進行項目開發(fā)，使用Android studio、Hbuilder等進行上位機應(yīng)用程序的開發(fā)。學(xué)生在掌握基礎(chǔ)課程后，會深入學(xué)習(xí)組網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)等。這時候?qū)W生項目實踐可以在原來基礎(chǔ)課程上更進一步，可以進行一些綜合項目開發(fā)。在STEM教育模式的引領(lǐng)下，學(xué)生可以利用一些開源硬件、開源平臺進行二次開發(fā)。學(xué)生可以進行智能家居、智慧物流的項目開發(fā)，綜合項目屬于典型的跨學(xué)科融合實踐，學(xué)生運用所學(xué)知識自主開發(fā)項目，極大地提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。

四、中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)下STEM教育應(yīng)用案例

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為“情境”“協(xié)作”“會話”和“意義建構(gòu)”是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素或四大屬性。在STEM教育模式下，學(xué)生通過使用理論知識解決實際問題來構(gòu)建知識體系，在此過程中，學(xué)生通過自主動手、自主思考，做中學(xué)，學(xué)中做，進一步鞏固了知識體系。此外，中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)十分適合STEM教育模式，因為該專業(yè)本身就需要掌握多個學(xué)科的知識技能，強調(diào)學(xué)生的動手能力。下面以“智能燈”項目作為STEM教育教學(xué)案例，摸索STEM教育模式下的中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教育改革。

項目簡介：智能燈由ESP8266模塊、電源、RGB燈珠、按鈕等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程手機控制，可以遠程設(shè)置燈光的顏色及亮度，實現(xiàn)無極變色。通過對項目進行功能提取分析，我們把項目總結(jié)為如下4個知識模塊。

1.物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)

本知識模塊來自動態(tài)網(wǎng)站和程序設(shè)計課程，首先開發(fā)這款智能燈需要用到物聯(lián)網(wǎng)平臺，而這種物聯(lián)網(wǎng)平臺我們可以選擇自主開發(fā)。教師需要綜合運用上述課程所學(xué)的知識技能開發(fā)一套物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，讓其支持MQTT、HTTP等協(xié)議。

2.服務(wù)器配置技術(shù)

本知識模塊來自計算機網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器配置與管理課程，教師需要把開發(fā)好的物聯(lián)網(wǎng)平臺部署到已接入互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器。部署完成后，教師需要對服務(wù)器的安全、并發(fā)數(shù)等進行相應(yīng)的設(shè)置與優(yōu)化。

3.單片機編程技術(shù)

本知識模塊來自單片機技術(shù)課程，本項目使用ESP8266作為主控芯片，該芯片支持wifi協(xié)議棧，通過程序開發(fā)，使該芯片可以通過wifi實現(xiàn)接入Internet，連接物聯(lián)網(wǎng)平臺。在該單片機的開發(fā)中，也融入了通信技術(shù)課程的相關(guān)內(nèi)容，比如使用了MQTT協(xié)議，ESP8266與服務(wù)器的通訊過程即為MQTT協(xié)議的通訊過程。學(xué)生可以在實際中使用應(yīng)用這一通訊協(xié)議，大大提高了學(xué)生對專業(yè)知識的理解運用。ESP8266芯片需要配網(wǎng)才能連入wifi，而配網(wǎng)需要學(xué)生掌握計算機網(wǎng)絡(luò)課程中的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議內(nèi)容；因此，在這個知識模塊里面，其實融合了其他課程的很多知識點，并不是由單門課程可以實現(xiàn)的。

4.終端代碼編寫

本知識模塊來自程序設(shè)計里面的Android開發(fā)，本案例中使用的手機應(yīng)用APP是使用Android Studio開發(fā)的，首先要求學(xué)生懂得基本的手機開發(fā)技術(shù)。學(xué)生需要自行開發(fā)UI界面，集成物聯(lián)網(wǎng)平臺上的API接口或者第三方物聯(lián)網(wǎng)平臺的SDK。如果是自己開發(fā)的API接口，則還需要學(xué)生掌握動態(tài)網(wǎng)站課程中動態(tài)腳本語言的知識點。

5.電子電路制作

本知識模塊來自電子電工課程，本項目中的電源模塊、ESP8266芯片及RGB燈珠都需要統(tǒng)一焊接在電路板上，需要學(xué)生進行PCB板的電路設(shè)計和焊接。由于本項目使用了模塊化的設(shè)計思想，簡化了電路，中職學(xué)生完全可以學(xué)以致用進行PCB板設(shè)計與焊接。

在本案例的項目開發(fā)中，學(xué)生會遇到各種各樣的技術(shù)問題，而且很多問題不能從書本上找到答案。要解決這些問題必須通過不斷地實踐嘗試，學(xué)生從實踐中收獲知識，同時也鞏固了已學(xué)知識。從上述案例可以看出，STEM教育可以把中職物聯(lián)網(wǎng)多門專業(yè)課程重新組合起來，通過綜合運用才可以做出成果、做出產(chǎn)品。

五、STEM教育在中職物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中的應(yīng)用前景

STEM教育的重要作用是能夠?qū)崿F(xiàn)跨學(xué)科融合，實現(xiàn)“一加一大于二”的效果，STEM教育能夠讓學(xué)生在動手制作開發(fā)的過程中學(xué)到知識技能，即“做中學(xué)”；學(xué)生在課堂、書籍、甚至互聯(lián)網(wǎng)上可以獲取最新的知識，在學(xué)到最新的知識后可以應(yīng)用在所開發(fā)或制作的項目上，即“學(xué)中做”。STEM教育的跨學(xué)科和開放性，使STEM教育成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的沃土，培養(yǎng)學(xué)生動手能力提高團隊協(xié)作能力的沃土，踐行勞動教育提高職業(yè)素養(yǎng)的沃土。通過探究實踐，把STEM教育理念融入物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)改革中，解決了傳統(tǒng)教學(xué)方法所不能解決的問題。

六、結(jié)束語

本文分析了中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的現(xiàn)狀及特點，綜合了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程及STEM教育的實踐相關(guān)性，提出了通過STEM教育模式對中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)進行教學(xué)改革，利用STEM教育跨學(xué)科融合的特點對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程進行整合，并通過探索實踐證實了STEM教育的可行性和優(yōu)勢，完善了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)體系。通過本探索實踐，也為不同的專業(yè)進行教育教學(xué)改革提供參考。

[本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于STEM中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)與探究”的研究成果，項目編號2022YQJK556。]

責(zé)任編輯朱守鋰