前言

现代科技的发展越来越需要跨领域学科知识的整合应用，基因测序、纳米技术、可再生能源、量子计算等技术的发展无不印证了横跨数学、物理、生物、信息等技术融合的必要性。人类科技的发展需要培养STEM复合型人才，而中小学现在最广泛应用的课程模式还是分科教学模式，很少重视学科之间的联系。

STEM教育代表了课程组织方式的重大变革。学习者接受STEM教育有助于获得对数学和科学等内容更加深入的理解；同时也有助于培养他们在真实世界应用这些知识解决问题的能力，因为这些问题从本质上就是跨学科的。因此，STEM教育的课程设计应该使用整合的课程设计模式，即将科学、技术、工程和数学乃至艺术人文等诸多学科整合在一起。目前来看，我国STEM教育有一些案例，如青少年科技创新大赛、各级各类机器人比赛等会使一些学校因“大奖”的引导而开展一些相应的活动。但普遍存在的问题是此类活动受众群体比例偏小，很多学校都是因赛事而针对性地短时期开展，没有持续全面的推动，真正的成效可想而知。STEM教育的有效开展需要建立一种持续推动的机制，也需要硬件与师资配备和相应课程资源的配套。

笔者认为，目前制约STEM教育开展的主要瓶颈之一是STEM的课程建设。上海、温州等城市的许多中小学都已率先开设了STEM研究实验中心，尝试STEM课程进入课堂的实践研究。笔者近几年总结了在信息技术、科技创新、创客教育方面的经验进行了面向STEM的课程开发实践，取得了预期成效。因有《中小学生3D建模打印教程》的编写经验，遂有将案例编撰成书的想法。书中的许多项目从案例策划到素材获取，从程序编写到工程设计，经历了许多的沟沟坎坎，最终都有惊无险地得以顺利达成目标。

本书共分4部分，第1部分是PicoBoard互动篇，PicoBoard开发板互动课程让屏幕内外亦步亦趋，编程软件运用与PicoBoard开发板结合较好的Scratch 1.5，与学生之前使用的Scratch版本相同，容易实现知识迁移。许多课程让学生从游戏的参与者变身为游戏程序的编制者。第2部分是Arduino UNO R3创新篇，编程软件采用Scratch for Arduino，即S4A，使程序设计与工程技术有机融合，其中一些基于STEM教学理念Scratch的创新课程设计令趣味编程走向趣味创造。第3部分是整合应用实践篇，其中的3D打印、编程与创新发明的整合课程能让学生体验到跨越学科思考与创造的过程。第4部分是教学案例篇，为一线教师实际教学提供参考和借鉴。

在STEM视野下，信息技术学科的教学内容不应该仅局限于创作一个作品过程中的各种操作，要将编写程序研究科学、数学问题等有机地融合到信息技术的课程体系中，其课程的难度显然会增加，在难度增大的同时，对学生综合能力的要求也会更为具体。但是正如体育训练，没有一次次难度和强度的累积，就没有跨越性的提升。书中第3部分的项目大都是综合性的具有一定难度系数，如《金鱼缸智能管家》一课，围绕着这个项目，要涉及自控装置的设计策划，传感器的选用安装，喂食器、加热棒等装置的整合对接，控制程序的编写调试，3D模型的下载构建，图片的拍摄处理等一系列较为复杂的综合性任务。本书的案例均以完成一个创意设计方案为主线，串联一些跨学科的技术单元，让学生在综合应用的环境中学习技术，提升STEM核心素养。

笔者编写的课程是基于Arduino这一开放技术平台的设计，为本课程配套的器材仅需几百元，成本比较低，便于普及，许多传感器、扩展板的兼容性好，在后续课程的“生长”环境中仍可继续使用，减少了不必要的资源浪费。相信今后在众多开源爱好者的努力下，信息技术教师的积极开发下，Scratch、S4A、Makeblock等课程案例将层出不穷，笔者抛砖引玉，学生STEM教育的课程资源也将更加丰富多彩。

周迎春

2016年12月