劉雪蘭，田宏偉

（1.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院 農(nóng)業(yè)信息學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 昆山 215325）

0 引 言

STEM 是 科 學(xué)（Science）、技 術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱。STEM教育提倡跨學(xué)科教育，使用多學(xué)科的思維和知識解決實(shí)際問題[1]，是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的新興路徑。目前國內(nèi)中小學(xué)生STEM教育和創(chuàng)客教育相融合，各種競賽活動(dòng)開展得如火如荼。但是，STEM教育也存在重視技能培養(yǎng)、活動(dòng)形式、學(xué)習(xí)結(jié)果，忽視知識學(xué)習(xí)、科學(xué)精神培養(yǎng)的問題[2]。對職業(yè)院校大學(xué)生而言，開展開源硬件、3D打印和機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，在一定程度上可以激發(fā)他們學(xué)習(xí)專業(yè)知識的興趣，但如何進(jìn)一步引導(dǎo)大學(xué)生開展探究活動(dòng)、融入STEM教育理念、融合多學(xué)科基礎(chǔ)知識、培養(yǎng)綜合問題解決能力和創(chuàng)新思維[3-4]是?？祁愒盒＿M(jìn)行教學(xué)探索的目標(biāo)。

電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)一般是第四學(xué)期的項(xiàng)目課程，課程教學(xué)目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的綜合能力，實(shí)訓(xùn)課程是C語言、印刷電路板設(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)等課程。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)一直采用的教學(xué)模式是CDIO項(xiàng)目化教學(xué)模式，CDIO 代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在工程基礎(chǔ)知識、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[5]?？梢钥闯?，CDIO模式對于學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)有很大幫助，但是對于多學(xué)科知識尤其是基礎(chǔ)知識的融合涉及較少，而跨學(xué)科教育是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的重要途徑。

STEM提倡跨學(xué)科教育理念，可以彌補(bǔ)CDIO模式在多學(xué)科知識融合方面的不足，能夠引導(dǎo)學(xué)生把學(xué)習(xí)到的知識和技能轉(zhuǎn)變成探究真實(shí)世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的綜合能力[4]。

1 STEM跨學(xué)科整合思路

STEM教育代表了課程組織方式的重大變革。以職業(yè)院校為例，目前的課程組織形式還是分專業(yè)分學(xué)科的教學(xué)模式，基礎(chǔ)課程如數(shù)學(xué)、物理課程，專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程均由不同學(xué)科的教師教授。然而，要讓學(xué)生為未來的職業(yè)發(fā)展做準(zhǔn)備，他們必須超越學(xué)科的界限進(jìn)行思考。有研究表明，學(xué)習(xí)者接受STEM教育有助于培養(yǎng)他們在真實(shí)世界應(yīng)用這些知識解決問題的能力，因?yàn)檫@些問題從本質(zhì)上就是跨學(xué)科的[6]。

本文嘗試在CDIO模式的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用STEM教育理念跨學(xué)科整合教學(xué)內(nèi)容。設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，對項(xiàng)目內(nèi)容從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)方面進(jìn)行教學(xué)分析，確定所選擇的項(xiàng)目既包括跨學(xué)科內(nèi)容，又能滿足CDIO教學(xué)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)。

STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)將知識蘊(yùn)含于情境化的真實(shí)問題中，強(qiáng)調(diào)調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)積極地利用各學(xué)科的相關(guān)知識設(shè)計(jì)解決方案，跨越學(xué)科界限提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力[4]。因此借鑒余勝泉等[4]提出的STEM項(xiàng)目教學(xué)模式，提出了適合職業(yè)院校大學(xué)生的STEM跨學(xué)科整合項(xiàng)目教學(xué)模式，如圖1所示。在該模式中，“項(xiàng)目”是核心，“教學(xué)分析”是首要工作，CDIO是教學(xué)重要過程。

圖1 融合STEM跨學(xué)科教育理念的項(xiàng)目教學(xué)模式

2 STEM跨學(xué)科項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式示例

電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程在項(xiàng)目選擇時(shí)一般綜合考慮技術(shù)性和先進(jìn)性，因此之前的課程選擇教育機(jī)器人作為目標(biāo)開發(fā)產(chǎn)品。教育機(jī)器人主要功能為讀取輸入輸出模擬量、輸入輸出開關(guān)量、讀取超聲波傳感器數(shù)據(jù)、輸出直流電機(jī)PWM信號等。作為實(shí)訓(xùn)課程案例來講，學(xué)習(xí)和實(shí)踐內(nèi)容飽滿，有助于提升學(xué)生的各方面能力和素質(zhì)；但STEM素養(yǎng)方面，工程（Engineering）教育體現(xiàn)較多，在科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)方面，學(xué)生得到的鍛煉偏少。以超聲波傳感器為例，該傳感器一般用于測距和障礙物感應(yīng)，在各種教育類、工業(yè)和家用電子產(chǎn)品中都得到了廣泛應(yīng)用，而且物美價(jià)廉，售價(jià)在10元左右。但是這個(gè)小小的超聲波傳感器中包含著不少STEM元素。

2.1 項(xiàng)目選擇

超聲波測距是一種典型的非接觸式測量方法，具有易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制以及與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)[7]。目前常用的是HC-SR04型超聲波測距模塊，其具體參數(shù)為：頻率40 kHz，探頭規(guī)格16 mm，探測距離2～4.5 m，盲區(qū)2 cm。雖然超聲波測距模塊電路成熟、價(jià)格低廉，但是自行設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波模塊并非易事，涉及到科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)相關(guān)知識，同時(shí)涉及到嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。因此設(shè)計(jì)一款性能指標(biāo)接近現(xiàn)有模塊的超聲波測距傳感器，是一個(gè)能夠提高學(xué)生綜合能力的項(xiàng)目。

2.2 項(xiàng)目STEM教學(xué)分析

利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物防御及捕捉獵物的生存手段，蝙蝠等生物通過獵物或障礙物反射超聲波的時(shí)間長短和強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置。人類對此進(jìn)行借鑒，利用超聲波開展定位和測距技術(shù)研究，已廣泛應(yīng)用在民用及國防工業(yè)中[8]。

針對超聲波測距模塊的STEM教學(xué)從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等方面進(jìn)行了如下分析：

（1）科學(xué)方面：根據(jù)物理學(xué)知識，聲波屬于彈性機(jī)械波范圍，按振動(dòng)頻率的不同可分為次聲波（小于20 Hz）、聲波（20 Hz～20 kHz）及超聲波（20 kHz以上），不同頻率聲波在相同的傳播媒體里（如大氣條件）傳播速度相同。波動(dòng)方程描述方法與電磁波是類似的。

其中：A(x)為振幅；ω為角頻率；t為時(shí)間；k=2π/λ為波數(shù)，λ為波長；x為傳播距離。

超聲測距利用聲波在既定的均勻媒質(zhì)里傳播速度恒定且不隨聲波頻率變化的特點(diǎn)，通過計(jì)量聲波從A地傳播到B地的時(shí)間，便可以得出A和B之間的距離，用下式表示：

其中：L為待測間距；C為超聲波在空氣中的傳播速度；Δt為超聲波由A地傳播到B地所經(jīng)歷的時(shí)間。

通過分析，超聲波測距的物理原理已經(jīng)基本清楚，但在學(xué)生分析如何進(jìn)行測量時(shí)，仍會(huì)遇到問題。假設(shè)聲速C=340 m/s，若期望超聲波測距誤差σ≤0.01 m，則要求測量的最大時(shí)間誤差σt為：

σt=σ/C=0.01/340 ≈ 0.000 03 s

這種情況下，使用常規(guī)的秒表計(jì)數(shù)法等方法無法完成測量，接下來就需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何從技術(shù)方面考慮實(shí)現(xiàn)超聲波測距。

（2）技術(shù)方面：超聲波測距的最初形式是如圖2所示的對射測距形式，其中A為超聲波發(fā)送單元，B為超聲波接收單元，即A單元發(fā)射超聲波，B單元進(jìn)行接收。但實(shí)際應(yīng)用中，更需要對目標(biāo)障礙物進(jìn)行測距，因?yàn)槌暡ǚ瓷淠芰軓?qiáng)，同時(shí)波長也遠(yuǎn)比一般的反射物表面粗糙度大，所以通常對堅(jiān)硬物質(zhì)面都能進(jìn)行反射，超聲波測距更多使用圖3所示的超聲波反射測距形式。

圖2 超聲波對射測距形式

圖3 超聲波反射測距形式

對于超聲波反射測距形式，測距方法主要有相位檢測法、時(shí)間互相關(guān)檢測法和渡越時(shí)間法。首先需要讓學(xué)生對這三種測距方法進(jìn)行深入理解和總結(jié)，挑選出適合在課程中實(shí)現(xiàn)的檢測方法。

相位檢測法使用低頻正弦信號對超聲波進(jìn)行調(diào)制，通過測量發(fā)射單元與接收單元的低頻正弦信號的相位差實(shí)現(xiàn)測量目標(biāo)與發(fā)射機(jī)之間的距離[9]。

時(shí)間互相關(guān)檢測法利用周期信號的互相關(guān)性進(jìn)行檢測，通過測量被測信號得到與標(biāo)準(zhǔn)距離信號x(t)的自相關(guān)函數(shù)的平移時(shí)間τ；通過該平移時(shí)間結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)距離，即可得到超聲波測量的距離[10]。

渡越時(shí)間法原理為超聲波發(fā)射傳感器向外發(fā)射超聲波，遇到障礙物后反射產(chǎn)生回波后被接收傳感器接收。通過檢測發(fā)射超聲波與接收到回波之間的時(shí)間差Δt（渡越時(shí)間），便可以計(jì)算出目標(biāo)障礙物與信號發(fā)射源的距離L[11]。

其中，C為超聲波在空氣中的傳播速度。

通過查閱文獻(xiàn)和其他資料，學(xué)生已經(jīng)對超聲波檢測的技術(shù)和方法有了一定理解，接下來就是在工程方面具體實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

（3）工程方面：測距模塊由超聲波發(fā)射探頭和接收探頭、單片機(jī)模塊以及信號處理模塊構(gòu)成，如圖4所示。傳感器探頭采用收發(fā)分立式壓電超聲波探頭，發(fā)射探頭受到周期電信號激勵(lì)后會(huì)產(chǎn)生同頻率超聲波并向外發(fā)射，接收探頭接收到超聲波后，將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

圖4 超聲波測距模塊主要組成部分

發(fā)射探頭和接收探頭采用TCT40-16T/R型分體式超聲波探頭，其中TCT40-16T為發(fā)射探頭，工作頻率為40 kHz，聲壓≥110 dB，驅(qū)動(dòng)電壓為3～30 V；TCT40-16R工作頻率為40 kHz，靈敏度≥-65 dB。探頭實(shí)物如圖5所示。

圖5 超聲波發(fā)射探頭和接收探頭

單片機(jī)模塊采用開源硬件形式，使用的是Arduino UNO單片機(jī)開發(fā)板，學(xué)生可嘗試基礎(chǔ)搭建，使用單片機(jī)開發(fā)板直接驅(qū)動(dòng)發(fā)射探頭發(fā)射周期電信號，同時(shí)從接收探頭中讀取反射回來的信號，具體內(nèi)容涉及硬件電路搭建和程序代碼編寫，此部分在CDIO模式下完成。

（4）數(shù)學(xué)方面：數(shù)學(xué)內(nèi)容教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)思維與工具處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)誤差等，讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)課程中提高數(shù)學(xué)分析能力、培養(yǎng)數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

針對不同的測距距離，記錄單片機(jī)開發(fā)板發(fā)送周期電信號到接收探頭接收到周期電信號的時(shí)間差Δt，分析在不同測距范圍內(nèi)周期電信號的脈沖數(shù)目不同對測距精度的影響。同時(shí)，結(jié)合超聲波發(fā)射探頭和接收探頭的超聲波發(fā)射和接收角度，分析和計(jì)算超聲波測距模塊的測距盲區(qū)，并分析如何有效縮小測距盲區(qū)。

3 STEM跨學(xué)科項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)效果

在實(shí)訓(xùn)課程開始前和結(jié)束后，對班級30名學(xué)生做了相應(yīng)調(diào)查問卷，調(diào)查問卷有4個(gè)選項(xiàng)：非常認(rèn)可、認(rèn)可、不認(rèn)可和不確定。調(diào)查問卷主要內(nèi)容包括：（1）我了解超聲波測距模塊的功能；（2）我了解超聲波測距模塊的測距原理；（3）我覺得自己的知識足夠開發(fā)超聲波模塊；（4）我覺得我能開發(fā)一款性能接近已有產(chǎn)品的超聲波測距模塊；（5）我了解開發(fā)一款產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析和開發(fā)流程。

具體調(diào)查問卷數(shù)據(jù)對比如圖6所示。在開始前，學(xué)生比較有信心能夠自行設(shè)計(jì)一款超聲波測距模塊，但是經(jīng)過實(shí)訓(xùn)課程后，針對問題1、問題2和問題5回答非常認(rèn)可和認(rèn)可的比例上升，針對問題3和問題4回答非常認(rèn)可和認(rèn)可的比例有所下降?？梢钥闯觯瑢W(xué)們在經(jīng)過融合STEM跨學(xué)科教育理念的項(xiàng)目教學(xué)后，更加熟悉產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析和開發(fā)流程，同時(shí)更加能夠靜下心提升自己的知識水平和能力。

圖6 實(shí)訓(xùn)課程開始前和結(jié)束后的調(diào)查問卷數(shù)據(jù)對比

4 結(jié) 語

為有效提高職業(yè)院校大學(xué)生解決復(fù)雜技術(shù)問題的能力，需要開展以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的CDIO教學(xué)模式的改革，教學(xué)改革的核心是項(xiàng)目的選擇。為了避免過于偏重工程訓(xùn)練的項(xiàng)目，本文通過借鑒、分析和創(chuàng)新，提出了適合職業(yè)院校大學(xué)生的STEM跨學(xué)科整合項(xiàng)目教學(xué)模式，并以電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程中進(jìn)行超聲波測距模塊開發(fā)項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹如何進(jìn)行STEM分析，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)方面的要素緊緊融入項(xiàng)目教學(xué)過程。通過教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對于電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析和開發(fā)等各方面知識要素掌握得更加深入，對于產(chǎn)品開發(fā)更有信心。