基于STEM教育理念的中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)實踐

梁結(jié)堅 侯敬熙 凌國理 史繼慈

隨著我國從制造大國邁向制造強國，社會對復(fù)合型創(chuàng)新人才的需求不斷增加。中職學(xué)校應(yīng)該勇于探索新的教學(xué)方法，培養(yǎng)符合社會需要的創(chuàng)新型人才。中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一門綜合性和實踐性很強的專業(yè)，本文通過在中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程中引入STEM教育理念，以“智能插座”項目開發(fā)為例開展教學(xué)改革實踐，探討STEM教育理念下中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)進行跨課程融合授課的優(yōu)勢。

一、STEM教育理念

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)英文首字母的縮寫。STEM教育是一種以解決真實問題為任務(wù)驅(qū)動、進行多技術(shù)交叉融合的跨學(xué)科教育。中職物聯(lián)網(wǎng)這個多學(xué)科交叉專業(yè)很適合開展STEM教育，STEM教育能夠顯著增強學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力。

二、中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用STEM教育理念的意義

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)科聯(lián)系緊密，只有熟練運用各門課程所學(xué)知識，才能開發(fā)出完整的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。借助STEM教育理念，教師可以融合各專業(yè)課程中的知識點，提煉出若干項目，再通過做項目的形式讓學(xué)生“做中學(xué)，學(xué)中做”，增強分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)跨學(xué)科思維。STEM教育理念強調(diào)動手能力，學(xué)生通過團隊合作完成項目開發(fā)，不僅提高了實操能力，還培養(yǎng)了團隊合作精神。

三、基于STEM教育理念的教學(xué)實踐

中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程包括計算機網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)、電子電路等，如何規(guī)劃每一門課程的內(nèi)容、任務(wù)實踐，綜合各個學(xué)科的技能是開展STEM教育的關(guān)鍵。中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)需要教師重新規(guī)劃所授課程，重構(gòu)所有課程的實驗、實操。下面以“智能插座”項目為例，探索STEM教育理念下的教學(xué)實踐。

（一）教學(xué)項目介紹

本項目融合了傳感器技術(shù)、電路與電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)、PHP程序設(shè)計、單片機原理及應(yīng)用等學(xué)科的知識點。項目基于ESP8266模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制插座開關(guān)、遠程讀取環(huán)境溫度和濕度、根據(jù)溫度或濕度設(shè)置插座開關(guān)狀態(tài)、無線wifi配網(wǎng)等功能。

（二）教學(xué)準(zhǔn)備

1.器材準(zhǔn)備

課前，準(zhǔn)備如下器材：ESP8266模塊、繼電器模塊、溫度濕度傳感器、220V轉(zhuǎn)3.3V直流電模塊、萬用板、銅導(dǎo)線、LED燈、路由器、測試用手機、電烙鐵等。

2.環(huán)境準(zhǔn)備

在電腦安裝Arduino IDE開發(fā)工具、HbuliderX IDE工具，配置ESP8266應(yīng)用庫、MQTT協(xié)議庫，注冊中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺賬號。

（三）教學(xué)實施

1.分解項目

“智能插座”項目是一個綜合性項目，它融合了多個課程的知識點。在開展教學(xué)前，應(yīng)該先把復(fù)雜性、綜合性項目分解成若干個緊密相連的子任務(wù)。分解的時候注意明確每一個子任務(wù)的知識目標(biāo)及能力目標(biāo)，同時也列舉出任務(wù)所屬的課程。學(xué)生在完成相關(guān)的任務(wù)后，即可完成整個項目，具體任務(wù)分解如表1所示。

2.分任務(wù)教學(xué)

在進行分任務(wù)教學(xué)前，教師可以通過思維導(dǎo)圖讓學(xué)生了解項目的開發(fā)過程以及相關(guān)的知識點，讓學(xué)生對整個項目有整體的認知。由于是采用跨課程授課的形式，這就要求各個任課教師都應(yīng)該對本項目有充分的了解，包括項目原理、任務(wù)目標(biāo)、培養(yǎng)目標(biāo)等，這樣才能保證各個任務(wù)之間的無縫銜接。在本項目的教學(xué)實施過程中，每個子任務(wù)都有既定的知識目標(biāo)和能力目標(biāo)，每個子任務(wù)可能歸屬不同的課程。下面以“智能插座”項目開發(fā)為例，分別簡述五個子任務(wù)的實施情況。

子任務(wù)1：焊接電子元件

本項目使用的是ESP8266模塊，該模塊是一款低功耗高性價比的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊，并自帶多個GPIO，十分適合本項目使用。學(xué)生需要把ESP8266模塊中的GPIO口和繼電器、溫濕度傳感器、LED燈、按鈕進行焊接。焊接前，根據(jù)電路圖先在萬用板上規(guī)劃好電路路線，再把電子元件插到萬用板上，使用電烙鐵和焊錫把元件引腳焊接起來。如果兩個元件相隔較遠，可用銅導(dǎo)線或漆包線進行連接。在本任務(wù)中，學(xué)生需掌握一定的電子電路識讀能力和電子元件焊接能力，而這部分知識點是電工與電子技術(shù)課程的重要內(nèi)容。焊接溫濕度傳感器需要學(xué)生掌握該傳感器的正確使用方法，這屬于傳感器技術(shù)應(yīng)用課程的內(nèi)容。學(xué)生在完成本子任務(wù)時，綜合應(yīng)用了上述兩門課程的知識，增強了綜合應(yīng)用能力。

子任務(wù)2：使用及管理物聯(lián)網(wǎng)平臺

為縮短開發(fā)周期和增強作品穩(wěn)定性，本項目物聯(lián)網(wǎng)平臺使用了“中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺”，下面簡稱物聯(lián)網(wǎng)平臺。由于ESP8266模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺連接使用了MQTT協(xié)議作為接入?yún)f(xié)議，所以學(xué)生需要掌握如何在物聯(lián)網(wǎng)平臺上管理設(shè)備和應(yīng)用接入?yún)f(xié)議。在本任務(wù)中，學(xué)生需要先在物聯(lián)網(wǎng)平臺申請賬號，添加硬件設(shè)備，設(shè)置使用MQTT協(xié)議，得到連接物聯(lián)網(wǎng)所需的鑒權(quán)信息，再在物聯(lián)網(wǎng)平臺上進行實操、協(xié)議接入。學(xué)生在完成本任務(wù)的同時也進一步了解了物聯(lián)網(wǎng)平臺的使用方法，增強了專業(yè)技術(shù)能力。

子任務(wù)3：搭建及部署網(wǎng)站

為便于手機端APP的升級更新，本項目使用了B/S的架構(gòu)。在本子任務(wù)中，需要使用Jquery Mobile前端框架開發(fā)用戶APP界面，再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的API接口規(guī)范，使用PHP編寫APP后端支持代碼完成手機端和物聯(lián)網(wǎng)平臺的有效連接。這是一個綜合性很強的任務(wù)，綜合應(yīng)用了學(xué)生使用前端框架的能力、后端編程能力和API編寫調(diào)用能力，這些能力也是PHP動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)和Web前端設(shè)計課程的能力點。

子任務(wù)4：單片機編程

在物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)中，感知層的設(shè)備以單片機為主，是感知層的核心，本項目使用性價比高的ESP8266模塊。由于ESP8266支持wifi協(xié)議棧，因此選用ESP8266模塊連接物聯(lián)網(wǎng)平臺交換數(shù)據(jù)。本項目使用Arduino集成開發(fā)環(huán)境進行編程，編程語言采用學(xué)生較容易掌握的C語言。在進行單片機編程時，學(xué)生需要進行MQTT協(xié)議的接入代碼和相關(guān)API的編寫，并添加物聯(lián)網(wǎng)平臺的鑒權(quán)信息，完成單片機與物聯(lián)網(wǎng)平臺的鏈接。這部分內(nèi)容與單片機控制技術(shù)課程緊密相連，另外還需要學(xué)生掌握計算機網(wǎng)絡(luò)課程中的配網(wǎng)技術(shù)，當(dāng)前AirKiss協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備配網(wǎng)的常用方法，本項目也采用這一成熟的解決方案，學(xué)生在完成本任務(wù)后，也就掌握了常用的物聯(lián)網(wǎng)配網(wǎng)方法。

子任務(wù)5：綜合測試

在完成上述的四個子任務(wù)后，本項目的作品已經(jīng)基本開發(fā)完成，最后需要對作品進行綜合測試。利用單片機串口調(diào)試檢查各個接口及相關(guān)模塊的工作情況，提升作品運行的穩(wěn)定性。綜合測試能夠很好地鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。學(xué)生最后使用Autodesk Inventor設(shè)計作品外殼，使用3D打印機打印外殼，打印完成后即可把電路板置入外殼中，完成作品的組裝。

（四）教學(xué)反思

在完成本項目的教學(xué)實踐后，學(xué)生在理解和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面有了很大的進步。通過學(xué)習(xí)和實踐，掌握了智能插座的工作原理、溫濕度傳感器的使用以及與物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接和數(shù)據(jù)交互方法。通過這個項目，學(xué)生不僅掌握了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本概念和應(yīng)用，還鍛煉了分析和解決問題的能力。

然而，在教學(xué)過程中也遇到了一些挑戰(zhàn)。首先，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是比較新穎的領(lǐng)域，學(xué)生需要更多的時間和精力來學(xué)習(xí)相關(guān)的概念和原理。比如部分學(xué)生對APP站點的開發(fā)和API接口調(diào)用理解還不夠深入，需要更多地進行實踐學(xué)習(xí)。其次，在實踐過程中學(xué)生也遇到了一些技術(shù)問題，比如手動改變開關(guān)狀態(tài)后，手機終端上的APP狀態(tài)未更新，這就需要教師在教學(xué)過程中加強對學(xué)生的技術(shù)指導(dǎo)，并鼓勵學(xué)生相互交流和相互合作解決問題。

四、結(jié)束語

STEM教育理念下的“智能插座”教學(xué)案例是一種基于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的新型教學(xué)實踐。通過該項目，學(xué)生能夠接觸物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實際應(yīng)用，并進行實際的設(shè)計和開發(fā)。在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生掌握了一系列的知識和技能，綜合能力得到了很大的提高。同時，學(xué)生的團隊合作意識和分析解決問題的能力得到了很大的提升。基于STEM教育理念進行課程融合一定程度上解決了傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。

［本文是廣東省教育科學(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? 陳春陽