基于STEM教育理念的中职物联网专业教学实践

随着我国从制造大国迈向制造强国，社会对复合型创新人才的需求不断增加。中职学校应该勇于探索新的教学方法，培养符合社会需要的创新型人才。中职物联网专业是一门综合性和实践性很强的专业，本文通过在中职物联网专业课程中引入STEM教育理念，以“智能插座”项目开发为例开展教学改革实践，探讨STEM教育理念下中职物联网专业进行跨课程融合授课的优势。一、STEM教育理念STEM是科学、技术、工程、数学英文首字母的缩写。STEM教育是一种以解决真实问题为任务驱动、进行多技术交叉融合的跨学科教育。中职物联网这个多学科交叉专业很适合开展STEM教育，STEM教育能够显著增强学生的科学素养和创新实践能力。二、中职物联网专业教学中应用STEM教育理念的意义STEM教育的重要作用是跨学科知识融合，中职物联网专业各个学科联系紧密，只有熟练运用各门课程所学知识，才能开发出完整的物联网产品。借助STEM教育理念，教师可以融合各专业课程中的知识点，提炼出若干项目，再通过做项目的形式让学生“做中学，学中做”，增强分析问题和解决问题的能力，培养跨学科思维。STEM教育理念强调动手能力，学生通过团队合作完成项目开发，不仅提高了实操能力，还培养了团队合作精神。三、基于STEM教育理念的教学实践中职物联网专业课程包括计算机网络、传感器技术、电子电路等，如何规划每一门课程的内容、任务实践，综合各个学科的技能是开展STEM教育的关键。中职物联网专业需要教师重新规划所授课程，重构所有课程的实验、实操。下面以“智能插座”项目为例，探索STEM教育理念下的教学实践。（一）教学项目介绍本项目融合了传感器技术、电路与电子技术、计算机网络、PHP程序设计、单片机原理及应用等学科的知识点。项目基于ESP8266模块，能够实现远程控制插座开关、远程读取环境温度和湿度、根据温度或湿度设置插座开关状态、无线wifi配网等功能。（二）教学准备1.器材准备课前，准备如下器材：ESP8266模块、继电器模块、温度湿度传感器、220V转3.3V直流电模块、万用板、铜导线、LED灯、路由器、测试用手机、电烙铁等。2.环境准备在电脑安装ArduinoIDE开发工具、HbuliderXIDE工具，配置ESP8266应用库、MQTT协议库，注册中国移动物联网开放平台账号。（三）教学实施1.分解项目“智能插座”项目是一个综合性项目，它融合了多个课程的知识点。在开展教学前，应该先把复杂性、综合性项目分解成若干个紧密相连的子任务。分解的时候注意明确每一个子任务的知识目标及能力目标，同时也列举出任务所属的课程。学生在完成相关的任务后，即可完成整个项目，具体任务分解如表1所示。2.分任务教学在进行分任务教学前，教师可以通过思维导图让学生了解项目的开发过程以及相关的知识点，让学生对整个项目有整体的认知。由于是采用跨课程授课的形式，这就要求各个任课教师都应该对本项目有充分的了解，包括项目原理、任务目标、培养目标等，这样才能保证各个任务之间的无缝衔接。在本项目的教学实施过程中，每个子任务都有既定的知识目标和能力目标，每个子任务可能归属不同的课程。下面以“智能插座”项目开发为例，分别简述五个子任务的实施情况。子任务1：焊接电子元件本项目使用的是ESP8266模块，该模块是一款低功耗高性价比的嵌入式无线网络控制模块，并自带多个GPIO，十分适合本项目使用。学生需要把ESP8266模块中的GPIO口和继电器、温湿度传感器、LED灯、按钮进行焊接。焊接前，根据电路图先在万用板上规划好电路路线，再把电子元件插到万用板上，使用电烙铁和焊锡把元件引脚焊接起来。如果两个元件相隔较远，可用铜导线或漆包线进行连接。在本任务中，学生需掌握一定的电子电路识读能力和电子元件焊接能力，而这部分知识点是电工与电子技术课程的重要内容。焊接温湿度传感器需要学生掌握该传感器的正确使用方法，这属于传感器技术应用课程的内容。学生在完成本子任务时，综合应用了上述两门课程的知识，增强了综合应用能力。子任务2：使用及管理物联网平台为缩短开发周期和增强作品稳定性，本项目物联网平台使用了“中国移动物联网开放平台”，下面简称物联网平台。由于ESP8266模块与物联网平台连接使用了MQTT协议作为接入协议，所以学生需要掌握如何在物联网平台上管理设备和应用接入协议。在本任务中，学生需要先在物联网平台申请账号，添加硬件设备，设置使用MQTT协议，得到连接物联网所需的鉴权信息，再在物联网平台上进行实操、协议接入。学生在完成本任务的同时也进一步了解了物联网平台的使用方法，增强了专业技术能力。子任务3：搭建及部署网站为便于手机端APP的升级更新，本项目使用了B/S的架构。在本子任务中，需要使用JqueryMobile前端框架开发用户APP界面，再结合物联网平台提供的API接口规范，使用PHP编写APP后端支持代码完成手机端和物联网平台的有效连接。这是一个综合性很强的任务，综合应用了学生使用前端框架的能力、后端编程能力和API编写调用能力，这些能力也是PHP动态网站开发和Web前端设计课程的能力点。子任务4：单片机编程在物联网的架构中，感知层的设备以单片机为主，是感知层的核心，本项目使用性价比高的ESP8266模块。由于ESP8266支持wifi协议栈，因此选用ESP8266模块连接物联网平台交换数据。本项目使用Arduino集成开发环境进行编程，编程语言采用学生较容易掌握的C语言。在进行单片机编程时，学生需要进行MQTT协议的接入代码和相关API的编写，并添加物联网平台的鉴权信息，完成单片机与物联网平台的链接。这部分内容与单片机控制技术课程紧密相连，另外还需要学生掌握计算机网络课程中的配网技术，当前AirKiss协议是物联网设备配网的常用方法，本项目也采用这一成熟的解决方案，学生在完成本任务后，也就掌握了常用的物联网配网方法。子任务5：综合测试在完成上述的四个子任务后，本项目的作品已经基本开发完成，最后需要对作品进行综合测试。利用单片机串口调试检查各个接口及相关模块的工作情况，提升作品运行的稳定性。综合测试能够很好地锻炼学生发现问题和解决问题的能力。学生最后使用AutodeskInventor设计作品外壳，使用3D打印机打印外壳，打印完成后即可把电路板置入外壳中，完成作品的组装。（四）教学反思在完成本项目的教学实践后，学生在理解和应用物联网技术方面有了很大的进步。通过学习和实践，掌握了智能插座的工作原理、温湿度传感器的使用以及与物联网平台的连接和数据交互方法。通过这个项目，学生不仅掌握了物联网技术的基本概念和应用，还锻炼了分析和解决问题的能力。然而，在教学过程中也遇到了一些挑战。首先，由于物联网技术是比较新颖的领域，学生需要更多的时间和精力来学习相关的概念和原理。比如部分学生对APP站点的开发和API接口调用理解还不够深入，需要更多地进行实践学习。其次，在实践过程中学生也遇到了一些技术问题，比如手动改变开关状态后，手机终端上的APP状态未更新，这就需要教师在教学过程中加强对学生的技术指导，并鼓励学生相互交流和相互合作解决问题。四、结束语STEM教育理念下的“智能插座”教学案例是一种基于科学、技术、工程和数学的新型教学实践