集成式STEM课程《红外智能计圈系统》第01稿
《红外智能计圈系统》在第三十二届全国青少年科技创新大赛中荣获科技辅导员科技教育创新成果项目科教制作类二等奖。以此为依托开发的STEM课程可操作性强，材料性价比高，可自行购置，无需占用过多场地；可以将科学学科背景知识学习和解决工程问题结合在一起，实现比单一学科教学更深入的教学目标与教育价值；采用基于项目学习的方式，以学生为中心，有利于学生解决问题能力的培养。
STEM课程《红外智能计圈系统》整体教学思路：
1.总体目标：教师围绕工程问题为学生提供一个真实的问题情境，要求他们针对车模竞速赛小车计圈问题设计并实现合理有效切合实际能够推广使用的计圈系统。
2.在情境的引导下，学生提出一系列解决方案，在分组讨论基础上确定最终解决方案。学生可能会提出的方案有图片识别、电磁波编码识别……学生要能够学会资料检索并列出每种可能实现方案需要用到的器材及实现方案所要用到的科学知识及相应的技术，能够对每种方案实现的容易程度做出恰当评估。
3.通过一系列背景体验活动来学习解决这些问题所需要的知识和技能，如什么是红外线、红外线编码解码、如何根据赛道与参赛小车数量采取有效红外编码、简单电路设计、电路焊接、3D打印外壳等。
4.在完成预备知识与技能学习之后，学生再次回到具体的工程情景中，采用探究与合作的方式进行设计、建构、测试、改进等一系列环节，完成本课程开始时所提出的任务。
5.学生对完成任务的情况进行交流并写一篇有说服力的工程解决方案。
本课程的核心是红外线的调制（编码）与解码，从产品的角度出发简单电路设计及焊接、电子产品的外壳设计也是必需的。核心概念知识技能学习包括六个背景经验活动（见表1）。科学与工程实践是本课程的重点。
表1:背景经验活动
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活动1: 解决方案检索 |
活动2: 简单红外遥控系统之接收 |
活动3: 简单红外遥控系统之发射 |
活动4: 红外遥控编码原理 |
活动5: 万能遥控方法1 |
活动6: 外壳设计 |
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浙江网络图书馆、百度学术、谷歌学术检索 |
什么是红外线？ 认识红外接收头 构建电路 编写烧录程序 观察效果 |
认识红外发射管 构建电路 编写烧录程序 观察效果 |
什么是进位计数制 二、十进制整数转换 NEC红外编码协议 |
采集红外信号并尝试发射相同红外信号 |
3D one软件构建立方体及布尔操作 |
表2:拓展经验活动
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活动3-1: At89C2051 |
活动3-2: STC15L104W |
活动7: 信息处理中心架构WJTA |
活动8: 微信公众号查询服务搭建与设置 |
活动9:
Altium |
活动10: 焊接 |
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FoS820开发板 认识Keil3 构建电路 IR_send.c解读 烧录并观察 |
构建电路 IR_send.c解读 烧录并观察 |
Jdk安装 Tomcat安装 Tomcat设置 Access数据库插入记录示例 |
微信公众号接口设置、服务端应用程序安装、查询数据显示示例解读 |
Altium Designer 简单电子线路设计实现 |
焊接基础知识 焊接前注意事项 焊接直插元件 焊接贴片元件 常见焊接缺陷 |
科学、技术、工程与数学的有机融合
《红外智能计圈系统》课程教学期望学生通过系列背景经验活动及拓展经验活动学习特定的物理知识，并能够综合运用数学知识和计算机模拟操作能力来设计与构建电梯模型，解决现实存在的问题。
在课程内容上，每个背景经验活动都与建构电梯模型的任务要求息息相关，通过实验探究的方式学习特定的物理知识，同时还运用来加强理解。
表2列举了该课程单元在科学、数学、技术和工程各方面的部分学习内容，体现了科学、数学、技术和工程的综合。
表3:课程单元在STEM各方面的学习内容举例
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科学 |
数学 |
技术 |
工程 |
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(1)什么是红外线 (2)红外线的基本特性 (3)红外发射管的基本构造及特点 (4)红外接收头与红外接收管的区别 (5)基本电路分析:U=IR… |
(1)进位进数制及二进制整数与十进制整数转换 (2)能够根据情景需要定义有效地红外编码方案 (3)学生设计智能计圈系统发射模块及接收模块外壳时，涉及三视图尺寸、计算空间布局细节，等等。 (4)工程材料成本核算 |
(1)基本文献资料检索技术 (2)keil3单片机基本开发技术 (3)Altium Designer简单电子线路设计技术 (4)焊接技术 (5)信息处理中心架构WJTA搭建技术 (6)微信公众号查询服务搭建与设置 (7) 3D one软件构建产品外壳技术 |
(1)教师指导学生创建一个工程流程，学生按照流程进行构建。 (2)学生自己选择相应电子元件设计电路并在焊接后封装在3D打印的外壳之中。学生需要考虑相应的细节。建议学生在构思相应解决方案过程中及时与专业指导老师及时沟通联系。 |
基于真实情境，将知识与实践相联系
本课程单元基于真实情境，强调以活动为基础展开教学与实践。有效“集成式STEM”课程配套组织和硬软件设施能够促进知识向实践过程的转变。在整个活动中，教师创设真实的工程问题情境：
在车辆模型竞速赛中，工作人员经常需要对小车绕圈进行计数。想象一下，当场地有多辆小车进行比赛时，每辆小车都需要一名工作人员，每位工作人员需要时刻紧盯分配给自己观察的小车状态，很有可能一不留神或被打扰而造成小车计圈错误的情况；此外小车计圈成绩公布在传统赛事中不能做到即时查询，一般情况下都是整个赛事完毕以后才能知道。
背景经验活动能够让学生实现红外智能计圈的原型产品，了解红外智能计圈的基本原理并能灵活应用；
拓展经验活动能够让学生实现红外智能计圈的雏形产品，更符合实际场景的需要――更小、成本更低、功能更稳定。
背景经验活动与拓展经验活动都与红外智能计圈产品设计任务有直接关联，这使得实践情境和问题解决始终贯穿于学习过程中，学生在每次探究活动中都能切实感受到知识学习与实际任务解决之间的关系。
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