基于学生创新能力培养的项目设计实践研究成果

以下，我以《智能化家居》项目设计实践研究。

（一）活动背景

随着互联网技术和智能终端技术的迅速发展，家居系统网络化、智能化是一股强大而不可逆转的潮流。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、智能、舒适的居家环境。智能化家居为人们提供安全舒适的家庭生活空间，而且可以通过高科技把智能带进家庭，为消费者提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，为人们有效合理地安排时间，增强家居生活的安全性，以及为各种能源费用节约资金。

本活动方案以“单片机和传感器”为内容，以学生最熟悉的“家居”为主题，采用基于项目学习的方式，强调真实情景，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，通过一系列目标明确、可操作性强的实践活动，使学生在活动中感悟智能化家居发展状况，在合作探究中掌握智能化家居开发技术，在实践中，培养跨学科问题解决能力、团队化作能力和创新能力。

（二）活动目的

1．知识与能力

（1）理解仪器仪表的内涵。

（2）了解仪器仪表战略地位和发展方向。

（3）了解仪器仪表在军事、科学等领域的应用。

（4）了解常用的电子元件的特性，能说出元件的用法。

（5）掌握基本的电学知识，如欧姆定律等。

（6）掌握基本的电子制作技能，如电表测量、电路焊接等。

（7）掌握Arduino IDE编程软件的使用，如编写、下载、调试等。

（8）掌握Arduino编程中常用的语句和逻辑控制。

（9）了解算法实现的一般步骤。

2．过程与方法

（1）通过“家居智能化需求”调查分析和“中国电信互联网+”社会实践活动掌握问卷调查的方法，养成务真求实、勇于创新、积极实践的科学态度。

（2）通过单片机和传感器探究活动，掌握电路组装、程序编写与调试的过程与方法。

（3）通过单片机和传感器探究活动，学会分析问题和科学原理，提高知识整合能力、迁移能力和思维创新能力。

3．情感态度价值观目标

（1）通过课程的学习，培养独立自主动手解决实际生活问题的兴趣，培养问题解决意识以及STEM素养，促进全面而有个性的发展。

（2）在小组合作中体验组员之间互相配合、团结协作的重要性，培养合作分享的意识和能力。

（3）能以开放的视角去学习、评价、借鉴他人的观点，养成宽容的品德和的优良的心理素质。

（4）在互评中培养公正、客观的态度，善于发现别人的优点。

（三）活动对象

高一、高二年级学生。

（四）活动需求分析

1．探究智能化家居符合新课标要求

设计并组织好研究性学习，是教师贯彻落实新课程理念的关键。设计智能化家居探究活动，目的在于为学生构建开放的学习环境，提供多渠道获取知识，并将学到的知识综合应用于实践，培养学生创新与实践能力。

2．探究智能化家居符合创客教育的需求

高中学生拥有一定编程基础，对电子元件有一定兴趣爱好并有一定创意，希望在一定的技术支持下将创意转变为现实。以“家居”为主题，开展探究和创新活动，能促进他们的智力尤其是创造性智力和实践性智力的全面发展，同时提高他们的科学素养。

（五）活动重、难点与创新点

1．重难点

理解传感器的原理，并应用于智能化家居探究项目是本活动的重点。学生编程基础参差不齐，因此通过Arduino IDE编程实现智能化家居探究项目功能是本活动的难点。

2．创新点

在开展智能化家居探究项目过程中，Arduino硬件和Arduino IDE编程结合，学生通过动手实践实现项目设计思想，并在学习过程中获得设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力的提升，独特新颖的活动内容与形式和真实自然的教学环境相结合，真正体现了“互动式”“探究式”“干中学”的教育理念。

活动中，教师创建一个开放、自由、平等、宽松的创客空间，注重协作与分享。在创客空间里，师生经常一起开展头脑风暴、进行批判性思维训练。学生有了独特的想法后，在教师的帮助、与同学合作，努力把想法变为现实。

（六）活动内容与组织形式

活动方案从“普及”到“提高”，从“探究”到“创新”，包含了四大系列活动，每一个活动都有各自的活动分活动获得的能力。目标即通过在活动中，以学生发展为立足点，以自主探索为主线，倡导探究性、实践性、社会参与性、体验性，在活动的实施过程中，采用搜集、调查、访问、交流、评价等多样化的学习方式，尽可能多地引导学生观察辨析、动手操作、自主探索，更多地满足不同学生个性发展的需要。

（七）活动过程与步骤

1．科普宣传：信息获取的感官——仪器科学技术

（1）活动意义。

仪器仪表是一个交叉、前沿、边缘性的学科，是国家重点发展学科。仪器仪表是目前的朝阳产业，结合物联网大数据、实时化处理技术、智能制造等研究热点，将大有作为，得到快速的发展。

（2）具体过程。

我们邀请专家为学生开设讲座：《信息获取的感官——仪器科学技术》。专家围绕主题“信息获取的感官——仪器科学技术”，从仪器仪表的内涵与战略地位、仪器仪表发展的研究热点、“工业4.0中的传感技术”等三个方面向师生们展示了仪器科学技术的奥秘，向全校师生传达了仪器仪表是一个交叉、前沿、边缘性的学科，是国家重点发展学科这一信息；物理制造系统界面的传感测试理论体系已自成体系，广泛用于指导高效高品质生产。

这次科普与创新讲座，专家结合生活中的实例，通俗易懂、形象生动的讲解，以及对仪器科学技术深入的了解和独特的见解，带领学生进入传感器世界，开阔视野，受到了广大师生的好评。学生纷纷表示会努力学习，早日掌握新技术，迎接“工业4.0”时代的到来。

2．调查活动：家居智能化需求调查分析

（1）活动意义。

随着智能家居的迅猛发展，越来越多的家居开始引进智能化系统和设备。通过问卷调查和社会实践，能让学生对智能家居有比较深入的了解，为下阶段的探究与创新活动奠定基础。

（2）具体过程。

①通过文献了解国内外智能家居发展状况。

②开展问卷调查，了解住户对智能化家居的使用情况、功能需求等方面情况。

③社会实践活动，带领学生走访“中国电信互联网+”，了解“互联网+”发展，体验“互联网+医疗”“互联网+交通”“互联网+物流”和“互联网+教育”四大产品的功能。

A．走进大数据时代下“云计算”与“互联网+”：创客社会调查。数据海量化、需求个性化、社会网络化，互联网越来越复杂。2016年7月6日，师生来到中国电信广州云数据中心和“互联网+”基地开展创客社会科学调研活动。

B．大容量信息仓库，吸引互联网巨头落户。中国电信广州云计算数据中心则是华南地区最大的IDC机房，可存放8万台服务器，满载存储近28万T字节。云计算数据中心运营主管齐经理为我们介绍说，可以把IDC机房理解成电脑的机箱，即用于存放处理器和存储器的空间，只不过它不是个人电脑的机箱，而是网站服务器的机箱。中国电信广州云计算数据中心是一个公共机房，它不被单个企业独享，而是面向所有互联网企业。调研中，我们发现这样的超级机房，吸引了“阿里巴巴”“新浪”和“百度”等互联网巨头落户广州，从而夯实了广州信息高速公路的领先地位。

C．互联网+基地。在中国电信天河分公司吴经理的引导下，师生参观了“翼空间互联网+基地”。 中国电信深入理解各行各业对“互联网+”的核心需求，开发了“互联网+医疗”“互联网+交通”“互联网+物流”和“互联网+教育”等六大产品。新颖的形式和丰富的内容深深吸引了在场每一位侨菁班学生，带给他们快乐的体验。

3．探究活动：智能化家居探究活动

（1）活动意义。

高中学生的思维发展趋向成熟，职业偏好将初步形成，所以智能化家居探究活动强调面向真实问题的学习，即“干中学”，强调探究内容与真实世界和社会之间的关联，体现了技术与生活的结合。

（2）具体过程。

①召开活动实施动员大会，让学生明确本次活动的目的与意义——引导学生在一定的技术支持下将创意转变为现实，体验创客的快乐。

②小组探究项目：光控灯、超声感应垃圾桶、便携室内环境检测环保装置和智能读写姿势提醒机器人。

③划分小组，明确任务。依照班级把每班分成十个小组，每个小组完成一项探究任务。每个小组各推选一名组长，由组长负责与小组成员协商，明确探究进度。

④小组划分，任务分工，探究内容明晰化。

⑤课堂交流展示。在综合实践活动课上，将先由各小组组长汇报自己小组的制作成果，接着让其他小组学生提问，互相评价项目特色。

⑥学生自我反思活动收获。

⑦项目制作材料（参考）：

A．光控灯。

利用光敏传感器感应光线亮暗变化，光线暗时，指示灯点亮，光线强时指示灯灭。材料包括单片机、光敏电阻、继电器、指示灯和电压比较器。

B．超声感应垃圾桶。

检测住户是否需要扔垃圾，如果需要，自动打开垃圾桶。材料包括单片机、超声波传感器。

C．便携室内环境检测环保装置。

粉尘传感器实时检测空气中的PM2.5值，温湿度传感器实时检测空气中的温度和湿度，数值通过液晶屏显示。材料包括液晶屏、温湿度传感器、粉尘传感器、单片机等。

D．智能读写姿势提醒机器人。

利用超声波传感器检测头部与书本的距离，通过LED发光管和报警声音，提醒使用者，及时纠正不良读写姿势，保护眼睛，预防近视。材料包括单片机、超声波传感器和LED和蜂鸣器。

4．创新活动：智能化家居创新活动

在全方位普及科学探究电脑作品技术的同时，教师成立了一支创客项目孵化团队，专门为有价值的创客项目进行评估和可行性分析，为产品开发提供保障，鼓励学生对智能化家居进行更深入的研究，以期形成探究成果呈现的改进或创新。例如：

（八）可能出现的问题及解决预案

（1）学生基础参差不齐，有一部分学生由于具有较为丰富的知识，能够在较短时间内完成课堂任务，对于这些学生，教师需要为他们准备一些更加复杂的课堂任务。部分学生在问题提出后会处于无所适从的状态，教师要采用一定的引导式语言提高这些学生的参与度。

（2）要注重对学生科学理念的培养。此活动能激发学生将创意转变为现实的热情，使他们掌握许多电子元件的知识，增强实践操作能力。活动中，教师应注重引导学生自己发现问题，寻找对策，解决问题，使他们在实践的成败中，认识到科学对于人类的重要性，培养起用科学理论解决问题的理念。

（3）高中学生信息环境中的自控能力较弱。高中生具有较强的数字化学习能力，能够灵活运用多媒体资源进行信息加工和表达，社会化交往和个性发展的需求较为强烈，但是信息环境下自控能力较弱，需要教师在活动中加以引导，并实施过程性评价。

（九）预期效果及呈现方式

1． 培养学生的创新思维和实践能力

活动通过课堂上的教学、讨论、探究，课下的制作、动手实践、参观，学生反应积极，态度热情，他们会把好点子，好思维通过自己技术或与他人协作变成现实。活动不仅推进科普，更激发孩子们的创新精神与动手能力，让他们充分体验创客精神，快乐成长。

2．调查研究能力有明显提高

学生参与了一系列主题鲜明的社会调研和研究活动，通过这些科学实践活动，学生不仅掌握了社会调查研究的方法，还养成了尊重事实善于质疑的科学态度，发现问题、科学分析和思考问题的习惯。

3．信息素养得到提高

学生在调查实践活动前期准备阶段，通过互联网搜索了大量相关信息，并对这些信息进行分类、整理和分析，提高了信息的筛选能力。活动实现了计算思维与电子技术与生活应用的完美结合，培养学生Android应用开发能力，提升学生信息素养，培育创新型人才。

4．科技爱好者和科技小达人不断涌现

随着活动深入开展，学校不断涌现一批科技爱好者和科技小达人，他们会尝试把技术应用于新方面，制作小发明，解决生活实际活动。

5．社区影响

我们发动广大家长参与问卷调查，家校联合的模式向社会普及我们的科技教育理念，共同推动科技教育发展。活动彰显我校科技特色，成功营造向上、活泼、励志的校园科技文化氛围，以科学精神引导学生成长，促进学校和谐发展。

（十）评价标准与方式

（1）过程评价——建立小组活动手册，学生把每一个活动后的感受、收获、困难、建议和创新想法记录在手册上，教师在活动过程中实时引导和评价。

表7-1　智能化家居小组探究活动手册

（续上表）

（2）总体定性评价——活动结束后，开展自我评价、同学互评和教师评价。

表7-2　智能化家居探究评价表

（十一）对学生的教育作用

（1）让学生在探究活动中领悟科学本质。学生在活动中，通过分析与探究项目的科学原理既能培养他们科学逻辑思维能力和严谨科学态度，又能让他们感受到科学就发生在身边，体会到科学知识就在生活中产生。

（2）使学生学会分享与合作，以开放的态度去学习、评价、借鉴他人的观点。活动为学生提供开放的创造情境与资源，能与同学进行有效的对话，在充满合作机会的群体交往中展开工作，在学习中分享与合作，在合作中学习，增强学生理解他人、欣赏他人的能力，同时也能更好地使自己得到他人的理解与欣赏。

（十二）方案体现的先进教育理念

（1）活动体现了以学生为主体，让学生主动学习、主动实践的教育理念。围绕四大系列活动内容，学生以组为单位，“干”与“学”结合，学习内容与真实世界密切联系，符合高中学生思维发展和身心发展的特点，对知识的认识和体验不断加深，思想中创造性的火花不断迸发，个性和特长得到充分的展现和发挥。

（2）STEM教育与创客教育相结合，在这种理念之下，活动体现了知识与生活的融合，通过探究活动，让学生萌发创造萌芽，动手实践，把创意转换为现实，从而保证学生具有更加深厚的运用科学知识的能力，为学生培养创作精神打下了良好的基础。

（3）本活动提供“家居智能化”真实环境，综合体现了“交互式”“对话式”“干中学”等教育理念，采用了新型教学方法，是培养高中学生科学素质的有效活动方案，也可以据此对参与活动的教师进行培训。

[1]张立军．试述人的创新能力培养［D］．吉林大学硕士学位论文，2008.

[2]刘国勋．中学生创新能力培养现状及对策研究［D］．湘潭大学硕士学位论文，2013.

[3]黄廷建. 浅谈学生创新意识的培养［J］. 教育探索，2001（7）.

[4]李艺、李冬梅. 信息技术教学方法继承与创新［M］. 高等教育出版社，2003.

[5]时长江. 试论建构当代中国理想人格取向性原则之确定［J］. 社会科学战线，2005（4）.

[6]张宝玉. 数学教学中学生创新思维能力的培养［J］. 江西教育，2001（5）.

[7]李扬. STEM教育视野下的科学课程构建［D］. 浙江师范大学硕士学位论文，2014.

[8]傅骞. 从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究［J］.中国电化教育，2016（4）.