基于STEM的中职《树莓派的人工智能物联网应用》课程建设

摘要：为了应对当前产业转型升级、产业结构调整形势下的企业高素质人才需求。本文阐述如何通过自主构建《树莓派的人工智能物联网应用》课程， 践行“STEM+职业教育”课程教学改革。该课程通过STEM理念培养学生解决实际问题的能力。课程依托树莓派微型计算机平台，结合PBL项目教学法，强化思政场景融合、跨学科融合及创新思维培养。提升了学生的职业素养和创新能力，旨在从“技能型工匠培养”向“思维型工匠培养”转变，以适应新时代发展要求。

关键词：STEM 职业教育  课程改革 思维型工匠

职业教育承担着培养产业发展和技术变革所需高素质人才的责任。在2024年7月召开的推动现代职业教育体系的改革会议上，教育部吴岩副部长强调职业教育对于实现新型工业化和中国式现代化的重要性，要求做好教育链、产业链、人才链、创新链的四链融通，推动普职融通和产教融合[①教育部副部长吴岩在推动现代职业教育体系建设改革会议上的讲话. [会议文字稿]. 2024年7月.]。

根据会议精神指导，职业教育课程建设应该坚定改革目标，不仅要致力于培养技能传承型人才，更要肩负起创新型和多样化人才培养使命。

为了践行职业教育课程改革精神，笔者通过教学实践，自主构建了《树莓派的人工智能物联网应用》课程。该课程融入了“STEM+职业教育”教学理念，旨在培养“思维型工匠”。下面我将从产业变革导向、STEM理念培养“思维型工匠”、课程整体设计、STEM课程实施几个方面对课程建设进行阐述：

一、产业变革导向

传统的职业教育模式强调产业对接，以高效、批量化的方式培养工业化所需的技术型人才。改革开放后，这一模式极大地推动了我国工业化的进程，使我国迅速崛起并成为制造业大国。然而，随着外部环境和工业化进程的不断演变，这种单一人才培养模式也面临着产业变革带来的挑战，这些挑战主要有：行业分工的日益细化、产能过剩问题、低端产业转移、产业转型升级的迫切需求、贸易壁垒的阻碍、产业结构调整。对这些情况进行梳理和分析，可以概括成以下几个方面：

（一）行业分工细化

以流水线制造为代表的标准化、流程化现代制造业体系极大地弱化了职业技能。因为产业分工将原本需要通过长时间训练习得的手工技能，切分成了一道道简单的工序。在稳定、成熟的工艺流程指引下，工序越多，操作难度越低，这也意味着职业技能的附加值越低。以某地的打火机产业为例，该产业区有100多家工厂进行紧密分工，生产着200多种不同功能的配件，行业分工极大的提升效率，高度细化的行业分工使得一个打火机的成本低至5分钱。

（二）产业结构调整

如图1产值微笑曲线图，两边翘起的高附加值的环节主要集中在设计研发和市场营销两端，中间制造环节附加值和利润率占比较低。这一现象主要原因如下：

1.上游的高效的机器生产自动化、智能化机器替效率低下的代传统技能。工业4.0时代的到来，自动化和智能化技术在生产环节的广泛应用，生产效率提升，导致许多传统技能因为效率低，被机器取代。

2.产业结构的调整，前端的产品研发、设计、创新、材料、工艺是企业生存发展的关键，企业投入占比逐年加大，“创新型人才”岗位也在增多。

3.后端品牌、电商、直播带货等行业兴起，产品制造效率的提升导致低端制造业人才过剩，很多制造业人员转向品牌、电商、直播带货、物流等行业。在销售行业中，需要深入分析理解产品应用场景，挖掘客户需求，为客户提供解决方案需要专业知识。以单一职业技能培养为主的教学模式难于满足产业结构调整带了的多元化岗位需求。

（三）产业升级

1.产业升级人才需求（“技能型工匠”转向“思维型工匠”）

从制造业大国，走向制造业强国。在这个过程中，企业正在通过转变人才结构的提升核心竞争力，这就对职业教育人才培养提出更高的要求。这些企业的转型升级提升竞争力的方式，来源于通过生产实践取得的专利技术。这些技术，是依靠大量的一线生产人员不断发现、解决问题，长期实践积累下来的。

企业转型升级，不仅需要大量“技能型工匠”，更需要“思维型工匠”进行大量的底层一线生产创新。包括产品工艺、生产管理、质量管理持续改进与迭代。新技术应用，包括引入构建信息化软硬件系统，实现生产与管理的自动化、数字化、智能化改造。

2.产业升级案例

国内某钢铁生产企业有着成熟的工艺，生产线自动化程度高，需要的人工不多。但是在生产过程当中遇到一些问题需要解决，企业通过解决这些点滴的问题进行产业升级：

（1）某高炉煤气压力波动较大，导致炉温不稳定。如何诊断问题并提出合适的解决方案？

（2）某轧钢生产线中的自动化控制系统出现故障，导致轧钢速度无法稳定。如何定位故障并解决这一问题？

（3）输送带系统出现异常停机，导致原料输送中断。要如何检查系统、找出问题所在并进行修复。

（4）钢铁集团的某台电动机突然出现过热现象。如何判断故障原因并采取措施解决问题。

面对企业转型升级的要求，职业教育要培养“思维型工匠”，以解决这些企业生产中出现的实际问题。

二、STEM理念培养“思维型工匠”

在产业升级背景下，职业教育面临的各种挑战。这些挑战为职业教育课程改革指明了方向，这个大方向是是为企业培养更多能够解决实际问题的“思维型工匠”。

（一）产业的“思维型工匠”要求

概括“思维型工匠”主要的要求：实践中理解并吸收工艺、技术，熟悉机器运作流程，熟悉现代企业生产模式、管理模式，并且了解他的深层逻辑。能发现问题，用最新的工艺、材料、方法、技术进行工艺改进、设备改进、管理改进，能增加产品附加值；提升生产效率；提升产品质量；分析数据并制订销售策略等实际问题等。

（二）STEM+职业教育课程培养“思维型工匠”

为了应对企业转型升级的人才需求，我的自主构建课程以培养“思维型”工匠为目标。课程融入了“STEM+职业教育理念”提升学生解决实际问题的能力。主要课程目标有：以项目为导向，构建真实的项目情境；开展项目实践，引导学生在实践中发现问题、收集信息、进行数据分析、运用数学和编程工具解决问题，通过项目实践进行知识体系构建。。

三、《树莓派的人工智能物联网应用》课程整体设计

自主构建《树莓派的人工智能物联网应用》课程，该课程进行了三个“融合”，包括“STEM理念与职业教育融合”、“理论与实践相融合”、“创新与应用相融合”，该课程的实施，为学生的终身职业发展奠定基础。课程主要有以下三个模块：

（一）模块1 Python编程思维

构建真实编程实践项目，以项目驱动的方式，提升学生用编程思维解决技能实践问题的能力。在实践中掌握python程序设计基础，引导学生用编程思维解决生产生活中的实际问题。项目包括人机协作、机器执行与决策、机器流程控制、重复劳动、函数与模块化搭建思维、机器中的数学模型。

（二）模块2 人工智能物联网基础

融合人工智能（AI）和物联网（IoT）技术，引导学生通过一系列动手实践项目，掌握并理解物联网的基本原理和技术，激发他们对AI在物联网中应用的兴趣和创造力。项目包括LED控制、APP控制LED灯、搭建聊天服务器、超声波与物联网、PWM控制调光、APP控制舵机与机械臂、人脸检测开关门、物联网与温湿度传感器。

（三）模块3 人工智能物联网综合应用

模块3主要目标是创建真实情景，引导学生将前面学到的理论知识和基本技能，如编程、传感器使用、网络通信和人工智能等基础知识，应用到综合型项目中。这就要求学生将多个STEM领域的知识融合起来，创造新的解决方案来解决实际问题。项目包括物联网鱼塘、物联网温室种植、物联网电梯

四、stem课程实施

课程的实施主要依托树莓派这一嵌入式微型计算机，进行人工智能物联网开发实践。课程融入STEM教育理念，通过创设真实职业情景，基于树莓派平台的软硬件平台，开展跨学科职业教育综合实践，在项目探究中提升职业素养。

（一）思政场景融合

课程以STEM教学理念开展PBL项目教学。通过项目的思政场景融合，激发学生探究世界和国家历史，培养积极地人生观、价值观、世界观，激发学生的探索欲望。

（二）跨学科融合

课程采用项目引领的方式，开展问题探究、知识探索与知识应用的教学活动，旨在构建学生的跨学科知识体系。它着重培养学生发现问题、定义问题、获取信息与知识、解决问题以及构建基于项目问题的知识体系的思维方式。课程深度融合了STEM+职业教育理念，强调通过实践开展探究，鼓励学生像科学家一样思考问题，像工程师一样运用工具和信息解决问题。图3是课程的模块2中的四个项目，展示了课程如何通过STEM（科学、技术、工程和数学）进行跨学科融合，如何通过项目引领构建学生的认知体系。

（三）普职融通，夯实中职学生学科基础

如图2，学科基础是中职学生的弱项，影响着学生对岗位的认知，严重制约着学生的创新能力。课程通过引入STEM+职业教育推进“普职融通”。引导学生在岗位实践中探究岗位技能所遵循的客观规律，在持续探究中提升认知水平，夯实学科基础。并且对基础知识进行融会贯通，迁移应用。

（四）创新思维与问题解决

在《树莓派的人工智能物联网应用》创新应用实践中，学生会遇到各种各样的问题，这些问题会引发学生思考，通过获取项目更多的信息，寻求解决问题的各种方案，为了完成项目，不断通过学习提升自己对于项目的认知。

要解决这些问题，学生必须具备系统性的思考能力，以处理复杂和不确定性问题。在人工智能物联网综合实践模块中，学生需要分析整个系统的需求、设计解决方案、调试和优化系统性能。通过处理实践探究中遇到的问题，都将极大地提升学生的问题及解决能力。

（五）课程融合STEM策略与方法

在课程中项目有机融入了STEM教育的核心策略和方法，包括：情景激发、问题探究、技术实现、实证数据分析、任务挑战、分工与协作、全员参与。最终通过融合STEM理念，提升学生的“职业素养”，助力职业教育“思维型”工匠培养。

以物联网温室种植为例：创设情景——持续干旱来袭，农户绝收；问题探究——滴灌为什么能实现够节水提效呢；技术实现——怎样安装调试传感器实现智慧种植；实证——传感器检测温湿度对植物的影响；挑战——软件编程、硬件连接项目实践；参与——分工物联网实践，全员参与；协作——项目规划协作，共享文档协作，共享思维白板协作，。

五、结束语

在我国产业转型升级的大背景下，职业教育面临着异常复杂的就业形势，面对行业细分、产业结构调整、产业升级等多重挑战。传统职业教育以培养“技能型工匠”为目标，难于适应当前多变产业结构变化。

《树莓派的人工智能物联网应用》课程以培养“思维型工匠”为目标。融合STEM+职业教育理念开展课程建设。将编程思维、程序设计基础、电子技术、AI算法等进行跨学科整合。在真实项目的情景中，以项目引领学生构建跨学科知识体系，培养学生的创新、创造能力。

该课程2023年被立项为“广州市精品课程”、2024年被认定为“广州市增城区精品课程”，课程正在不断优化内容与教学方法，大力开展教学实践改革研究。探索从“技能型工匠”向“思维型工匠”的职业教育人才培养转型，以适应新时代发展的发展的需求。