【摘要】STEM 是科学、技术、工程和数学四门学科的简称，它强调多学科的交叉融合。而STEM教育则是基于STEM理念下的一种多学科集成融合的教育。小学科学教师如何把 STEM教育融入到实际的科技创新中呢？笔者将尝试把STEM教育融入到设计和制作智能体育馆的整个过程中去，以探索如何把STEM教育更好地融入小学科学教学中。

【关键词】STEM教育;新课程标准;未来学校;科技创新

STEM是科学、技术、工程和数学四门学科的简称，它强调多学科的交叉融合。而STEM教育则是基于STEM理念下的一种多学科集成融合的教育。它跨越了科学、技术、工程和数学之间传统的学科界限，而将目标聚焦于使用现有的工具和技术探寻复杂和情境化问题的解决。

未来学校是指以现代化教育信息技术手段为支撑，通过空间、课程与技术的融合，形成个性化的学习支撑体系，更好地针对学生个体学习水平、性格、兴趣、特长等开展个性化教育，培养能够适应未来社会发展的人才，是面向未来具有创新性的学校。而实现未来学校的教育理念正好是STEM理念下的科技创新教育。随着国民经济的快速发展，发展体育文化产业也是满足人民群众日益增长的精神文化需求的重要途径，现代体育场馆的运动设施及类型涉及的范围非常广，因此同样也会衍生出一个问题：一个体育场馆内能包含的运动设施及类型十分有限，针对于此，本项目会以Arduino、传感器以及3D打印结构件作为核心硬件，引用机械传动等相关知识作为理论支撑，设计一个全自动智能体育场馆。

一、明确选题，让STEM教育走进新课标

小学科学新课程标准课程目标在技术与工程领域中写道：“了解技术是人们改造周围环境的方法，是人类能力的延伸，工程是依据科学原理设计和制造物品，解决技术应用的难题，创造丰富多彩的人工世界的一系列活动，了解科学技术推动着人类社会的发展和文明进程。”STEM教育就是要引导学生把综合学习到的各类知识应用到实际的生活中。以下是学生在老师的引导下写的《选题背景》：

“我爸爸很喜欢打羽毛球，而我十分喜欢游泳，可是我家附近只有一个大型羽毛球场，要是去游泳，那我就要让爸爸载我去8公里外的游泳池进行游泳，并且我还发现羽毛球场周一到周五都不常出现满场的情况，因此我设计了这个多功能体育馆可以解决我以上的现实生活问题，通过Arduino主控板以及各类传感器科学、合理地运用体育馆空间，希望能方便到更多居民。”

学生用实际生活中遇到的问题，产生联想，经过小组的头脑风暴，产生天马行空的想法，找到需求点，把学到的知识运用到实际的生活中去，用科学技术来改变生活。

二、找对方向，用STEM教育融入到科技创新设计中

小学科学是一门基础性、实用性、综合性的课程。小学科学课程的设计从学生身边的现象出发，由发现现象通过学习认清事物发展的规律，在内容上包括物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四个领域。

（一）作品设计的目的与意义

从以上的科学理论为基础上，学生把STEM理念融入到作业设计的目的和意义中，根据实际的生活需求设计以下设计目的和意义：

作品设计目的：利用传感器的功能，能根据体育场馆的人流量和实时需求情况对场馆内的设施和空间进行智能转换，从而达到合理运用体育场馆空间的目的。

作品设计意义：通过体育场馆空间及功能结构的改变，从而达到方便居民，全民健康运动的重要意义。

（二）作品创意说明

明确方向，用STEM理念来确定作品的设计目的和意义，本次设计的科技创意说明如下：

1.场馆共设一层，内设多个羽毛球场，游泳池以及能容纳200名观众的观众席。

2.场馆顶棚装置雨水检测传感器，若是下雨天的情况，顶棚通过传感器以及TT马达形式，能在短时间内关闭顶棚或人工手动关闭。

3.场馆外墙装置太阳能光敏传感器，若是晴天的情况，传感器会以储能形式储电，晚上以LED灯形式对场馆进行照明。

4.场馆内羽毛球场与游泳池二合为一，采用蜗轮蜗杆结构原理，需要切换场馆内运动设施时，四个相邻羽毛球场将水平向下移动，最终形成一个50×100米的标准游泳池结构。

5.羽毛球场与游泳池运动设施的开放，在场馆门外会以LCD屏显示场馆内的开放动态。

6.显示模式：

①TypeA，15：00～19：00;

②TypeB，19：05～21：00;

③TypeC，15：00～21：00。

注释：TypeA表示：游泳池场现正开放;

TypeB表示：羽毛球场现正开放;

TypeC表示：游泳池与羽毛球场同时开放;

以上的创意说明融合科学、技术、工程和数学的知识，让STEM理念在创意说明中得到了体现。心动不如行动，作品的创意实施方案应运而生。

（三）作品研究方案

未来学校智能体育馆方案如下：

1.选定项目主题

这个作品是基于现实生活中的问题并与老师、家长进行头脑风暴所选定的主题。

2.制定计划

日程表计划：见表1

3.活动探究

①头脑风暴如何解决体育场馆运动设施单一和环保供电问题？

②应该符合哪些条件，才能使游泳池与羽毛球场进行智能切换？

③如何模拟真实体育场馆？

④该场馆模型应该使用哪些控制模块和传感器？

4.硬件物资

3D打印齿轮结构模型、3D打印材料、Arduino主控板、雨水传感器、光敏传感器、TT马达、LED灯、颜料笔、颜料、黑胶布等。

5.软件使用

Arduino图形化编程，123D Design建模软件，

6.作品制作

①使用A4纸初步描绘体育场馆平面图。

②通过指导老师和美术老师指引，确定真实体育场馆大体形状，并以3D打印与薄木板等多种材料呈现。

③使用123D Design，完成体育场馆内的羽毛球场、游泳池外观设计，并确定雨水、光敏传感器的安装位置。

④使用Arduino图形化编程完成游泳池与羽毛球场的切换。

7.成果交流

①与同学们、老师头脑风暴，沟通作品继续优化方向;

②通过街头访问，校园采访形式，寻找该作品可优化方向;

③从各类答案中，不断更新迭代，升级该模型功能性;

④现场模拟答辩，作品展示。

8.项目可行性分析与评价：

本发明结构原理简单，材料和安装成本较低，使用3D打印材料模拟体育场馆和Arduino传感器模拟场馆的智能功能，该方案具有可行性。

（四）作品实际制作及程序设计

（五）作品设计的创新点

1.采用雨水传感器模块，对雨水天气进行检测，从而使场馆内的顶棚进行智能关闭与启动，必要时可以人工控制关闭;

2.采用太阳能光敏传感器模块，对炎热 天气进行检测，从而使场馆是能进行储电，晚上以LED灯放电形式对场馆进行照明。

3.游泳池与羽毛球场以二合一形式并存，以涡轮蜗杆传动的工作原理，触发按键开关，四个相邻羽毛球场将水平向下移动，切换至50×100米的标准游泳池。

4.羽毛球场与游泳池运动设施的开放，在场馆门外会以LCD屏显示场馆内的开放动态。

5.显示模式

①TypeA，15：00～19：00;

②TypeB，19：05～21：00;

③TypeC，15：00～21：00。

注释：TypeA表示：游泳池场现正开放;

TypeB表示：羽毛球场现正开放;

TypeC表示：游泳池与羽毛球场同时开放;

（六）作品完成的心得体会

学生通过作品科技创意发明，学到了如何管理时间，如何看着时间行程制定自己的项目计划，同时也让学生将原来天马行空的想法通过Arduino编程和3D打印出来，实现学生的梦想，最终达到把创意转变成现实，让自己真真正正解决现实生活中的问题。

三、学会总结，让STEM教育为大众生活服务

STEM教育强调多学科的交叉融合，STEM教育是基于STEM理念下的一种多学科集成融合的教育。它跨越了科学、技术、工程和数学之间传统的学科界限，是为了让学生通过活动掌握科学知识和技能，并能进行灵活迁移、应用解决现实世界的问题。

对于科学教学来说，其目的在于探寻认知的世界。对于技术来说，获得更为先进的知识可以提高人们的生活水平，可以提高人们对科学的认识度，目的在于创造。科学以提供知识、学问为基础，而技术以提供方法、技能为手段，它们之间相辅相成，共同致力于科技创新与发展。

通过对未来学校智能体育馆的设计，把STEM教育理念带进课堂，在此次的科学创新设计，让学生在学习中学会编程、3D打印、机器人等创客工具。其难点在于如何利用它们，用科学的手段赋予未来学校新的职能，用科技创新来实现心中的梦想，让孩子受到更好的教育。

参考文献：

[1]朱永新.未来学校：重新定义教育[M].北京：中信出版集团，2019.

[2]孙燕.STEM教育在小学科学课程中的融合[J].教育科学论坛，2018，32：39-42.

[3]苏乐.STEAM视角下的小学《科学》教学设计研究[D].曲阜师范大学，2017.