前言

現代科技的發展越來越需要跨領域學科知識的整合應用，基因測序、納米技術、可再生能源、量子計算等技術的發展無不印證了橫跨數學、物理、生物、信息等技術融合的必要性。人類科技的發展需要培養STEM復合型人才，而中小學現在最廣泛應用的課程模式還是分科教學模式，很少重視學科之間的聯系。

STEM教育代表了課程組織方式的重大變革。學習者接受STEM教育有助于獲得對數學和科學等內容更加深入的理解；同時也有助于培養他們在真實世界應用這些知識解決問題的能力，因為這些問題從本質上就是跨學科的。因此，STEM教育的課程設計應該使用整合的課程設計模式，即將科學、技術、工程和數學乃至藝術人文等諸多學科整合在一起。目前來看，我國STEM教育有一些案例，如青少年科技創新大賽、各級各類機器人比賽等會使一些學校因“大獎”的引導而開展一些相應的活動。但普遍存在的問題是此類活動受眾群體比例偏小，很多學校都是因賽事而針對性地短時期開展，沒有持續全面的推動，真正的成效可想而知。STEM教育的有效開展需要建立一種持續推動的機制，也需要硬件與師資配備和相應課程資源的配套。

筆者認為，目前制約STEM教育開展的主要瓶頸之一是STEM的課程建設。上海、溫州等城市的許多中小學都已率先開設了STEM研究實驗中心，嘗試STEM課程進入課堂的實踐研究。筆者近幾年總結了在信息技術、科技創新、創客教育方面的經驗進行了面向STEM的課程開發實踐，取得了預期成效。因有《中小學生3D建模打印教程》的編寫經驗，遂有將案例編撰成書的想法。書中的許多項目從案例策劃到素材獲取，從程序編寫到工程設計，經歷了許多的溝溝坎坎，最終都有驚無險地得以順利達成目標。

本書共分4部分，第1部分是PicoBoard互動篇，PicoBoard開發板互動課程讓屏幕內外亦步亦趨，編程軟件運用與PicoBoard開發板結合較好的Scratch 1.5，與學生之前使用的Scratch版本相同，容易實現知識遷移。許多課程讓學生從游戲的參與者變身為游戲程序的編制者。第2部分是Arduino UNO R3創新篇，編程軟件采用Scratch for Arduino，即S4A，使程序設計與工程技術有機融合，其中一些基于STEM教學理念Scratch的創新課程設計令趣味編程走向趣味創造。第3部分是整合應用實踐篇，其中的3D打印、編程與創新發明的整合課程能讓學生體驗到跨越學科思考與創造的過程。第4部分是教學案例篇，為一線教師實際教學提供參考和借鑒。

在STEM視野下，信息技術學科的教學內容不應該僅局限于創作一個作品過程中的各種操作，要將編寫程序研究科學、數學問題等有機地融合到信息技術的課程體系中，其課程的難度顯然會增加，在難度增大的同時，對學生綜合能力的要求也會更為具體。但是正如體育訓練，沒有一次次難度和強度的累積，就沒有跨越性的提升。書中第3部分的項目大都是綜合性的具有一定難度系數，如《金魚缸智能管家》一課，圍繞著這個項目，要涉及自控裝置的設計策劃，傳感器的選用安裝，喂食器、加熱棒等裝置的整合對接，控制程序的編寫調試，3D模型的下載構建，圖片的拍攝處理等一系列較為復雜的綜合性任務。本書的案例均以完成一個創意設計方案為主線，串聯一些跨學科的技術單元，讓學生在綜合應用的環境中學習技術，提升STEM核心素養。

筆者編寫的課程是基于Arduino這一開放技術平臺的設計，為本課程配套的器材僅需幾百元，成本比較低，便于普及，許多傳感器、擴展板的兼容性好，在后續課程的“生長”環境中仍可繼續使用，減少了不必要的資源浪費。相信今后在眾多開源愛好者的努力下，信息技術教師的積極開發下，Scratch、S4A、Makeblock等課程案例將層出不窮，筆者拋磚引玉，學生STEM教育的課程資源也將更加豐富多彩。

周迎春

2016年12月