基于STEM教育理念的中職物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐

隨著我國(guó)從制造大國(guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)，社會(huì)對(duì)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(huì)需要的創(chuàng)新型人才。中職物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)是一門(mén)綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)，本文通過(guò)在中職物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)課程中引入STEM教育理念，以“智能插座”項(xiàng)目開(kāi)發(fā)為例開(kāi)展教學(xué)改革實(shí)踐，探討STEM教育理念下中職物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行跨課程融合授課的優(yōu)勢(shì)。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(xiě)。STEM教育是一種以解決真實(shí)問(wèn)題為任務(wù)驅(qū)動(dòng)、進(jìn)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(gè)多學(xué)科交叉專(zhuān)業(yè)很適合開(kāi)展STEM教育，STEM教育能夠顯著增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力。二、中職物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)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(shí)融合，中職物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)各個(gè)學(xué)科聯(lián)系緊密，只有熟練運(yùn)用各門(mén)課程所學(xué)知識(shí)，才能開(kāi)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(zhuān)業(yè)課程中的知識(shí)點(diǎn)，提煉出若干項(xiàng)目，再通過(guò)做項(xiàng)目的形式讓學(xué)生“做中學(xué)，學(xué)中做”，增強(qiáng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)跨學(xué)科思維。STEM教育理念強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力，學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，不僅提高了實(shí)操能力，還培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神。三、基于STEM教育理念的教學(xué)實(shí)踐中職物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)課程包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)、電子電路等，如何規(guī)劃每一門(mén)課程的內(nèi)容、任務(wù)實(shí)踐，綜合各個(gè)學(xué)科的技能是開(kāi)展STEM教育的關(guān)鍵。中職物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)需要教師重新規(guī)劃所授課程，重構(gòu)所有課程的實(shí)驗(yàn)、實(shí)操。下面以“智能插座”項(xiàng)目為例，探索STEM教育理念下的教學(xué)實(shí)踐。（一）教學(xué)項(xiàng)目介紹本項(xiàng)目融合了傳感器技術(shù)、電路與電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、PHP程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理及應(yīng)用等學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)。項(xiàng)目基于ESP8266模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制插座開(kāi)關(guān)、遠(yuǎn)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(kāi)關(guān)狀態(tài)、無(wú)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(wàn)用板、銅導(dǎo)線、LED燈、路由器、測(cè)試用手機(jī)、電烙鐵等。2.環(huán)境準(zhǔn)備在電腦安裝ArduinoIDE開(kāi)發(fā)工具、HbuliderXIDE工具，配置ESP8266應(yīng)用庫(kù)、MQTT協(xié)議庫(kù)，注冊(cè)中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)賬號(hào)。（三）教學(xué)實(shí)施1.分解項(xiàng)目“智能插座”項(xiàng)目是一個(gè)綜合性項(xiàng)目，它融合了多個(gè)課程的知識(shí)點(diǎn)。在開(kāi)展教學(xué)前，應(yīng)該先把復(fù)雜性、綜合性項(xiàng)目分解成若干個(gè)緊密相連的子任務(wù)。分解的時(shí)候注意明確每一個(gè)子任務(wù)的知識(shí)目標(biāo)及能力目標(biāo)，同時(shí)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(gè)項(xiàng)目，具體任務(wù)分解如表1所示。2.分任務(wù)教學(xué)在進(jìn)行分任務(wù)教學(xué)前，教師可以通過(guò)思維導(dǎo)圖讓學(xué)生了解項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程以及相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目有整體的認(rèn)知。由于是采用跨課程授課的形式，這就要求各個(gè)任課教師都應(yīng)該對(duì)本項(xiàng)目有充分的了解，包括項(xiàng)目原理、任務(wù)目標(biāo)、培養(yǎng)目標(biāo)等，這樣才能保證各個(gè)任務(wù)之間的無(wú)縫銜接。在本項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，每個(gè)子任務(wù)都有既定的知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)，每個(gè)子任務(wù)可能歸屬不同的課程。下面以“智能插座”項(xiàng)目開(kāi)發(fā)為例，分別簡(jiǎn)述五個(gè)子任務(wù)的實(shí)施情況。子任務(wù)1：焊接電子元件本項(xiàng)目使用的是ESP8266模塊，該模塊是一款低功耗高性價(jià)比的嵌入式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制模塊，并自帶多個(gè)GPIO，十分適合本項(xiàng)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(jìn)行焊接。焊接前，根據(jù)電路圖先在萬(wàn)用板上規(guī)劃好電路路線，再把電子元件插到萬(wàn)用板上，使用電烙鐵和焊錫把元件引腳焊接起來(lái)。如果兩個(gè)元件相隔較遠(yuǎn)，可用銅導(dǎo)線或漆包線進(jìn)行連接。在本任務(wù)中，學(xué)生需掌握一定的電子電路識(shí)讀能力和電子元件焊接能力，而這部分知識(shí)點(diǎn)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(shí)，綜合應(yīng)用了上述兩門(mén)課程的知識(shí)，增強(qiáng)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(tái)為縮短開(kāi)發(fā)周期和增強(qiáng)作品穩(wěn)定性，本項(xiàng)目物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用了“中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)”，下面簡(jiǎn)稱(chēng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。由于ESP8266模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(tái)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(tái)申請(qǐng)賬號(hào)，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(tái)上進(jìn)行實(shí)操、協(xié)議接入。學(xué)生在完成本任務(wù)的同時(shí)也進(jìn)一步了解了物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的使用方法，增強(qiáng)了專(zhuān)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(jī)端APP的升級(jí)更新，本項(xiàng)目使用了B/S的架構(gòu)。在本子任務(wù)中，需要使用JqueryMobile前端框架開(kāi)發(fā)用戶APP界面，再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的API接口規(guī)范，使用PHP編寫(xiě)APP后端支持代碼完成手機(jī)端和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的有效連接。這是一個(gè)綜合性很強(qiáng)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(xiě)調(diào)用能力，這些能力也是PHP動(dòng)態(tài)網(wǎng)站開(kāi)發(fā)和Web前端設(shè)計(jì)課程的能力點(diǎn)。子任務(wù)4：?jiǎn)纹瑱C(jī)編程在物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)中，感知層的設(shè)備以單片機(jī)為主，是感知層的核心，本項(xiàng)目使用性價(jià)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(tái)交換數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目使用Arduino集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，編程語(yǔ)言采用學(xué)生較容易掌握的C語(yǔ)言。在進(jìn)行單片機(jī)編程時(shí)，學(xué)生需要進(jìn)行MQTT協(xié)議的接入代碼和相關(guān)API的編寫(xiě)，并添加物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的鑒權(quán)信息，完成單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的鏈接。這部分內(nèi)容與單片機(jī)控制技術(shù)課程緊密相連，另外還需要學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)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(xiàng)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(cè)試在完成上述的四個(gè)子任務(wù)后，本項(xiàng)目的作品已經(jīng)基本開(kāi)發(fā)完成，最后需要對(duì)作品進(jìn)行綜合測(cè)試。利用單片機(jī)串口調(diào)試檢查各個(gè)接口及相關(guān)模塊的工作情況，提升作品運(yùn)行的穩(wěn)定性。綜合測(cè)試能夠很好地鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。學(xué)生最后使用AutodeskInventor設(shè)計(jì)作品外殼，使用3D打印機(jī)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(xiàng)目的教學(xué)實(shí)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(jìn)步。通過(guò)學(xué)習(xí)和實(shí)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(tái)的連接和數(shù)據(jù)交互方法。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)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(wèn)題的能力。然而，在教學(xué)過(guò)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(shí)間和精力來(lái)學(xué)習(xí)相關(guān)的概念和原理。比如部分學(xué)生對(duì)APP站點(diǎn)的開(kāi)發(fā)和API接口調(diào)用理解還不夠深入，需要更多地進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。其次，在實(shí)踐過(guò)程中學(xué)生也遇到了一些技術(shù)問(wèn)題，比如手動(dòng)改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)后，手機(jī)終端上的APP狀態(tài)未更新，這就需要教師在教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的技術(shù)指導(dǎo)，并鼓勵(lì)學(xué)生相互交流和相互合作解決問(wèn)題。四、結(jié)束語(yǔ)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(shí)踐