基于STAEM教育架构的“粉碎+干湿分离多功能垃圾箱”案例设计与实践

摘要：在国家大力提倡“节约资源、保护环境”，实行垃圾分类的大环境下，培养公民良好的生活习惯，提高科学素养势在必行。该文利用STAEM教育的跨学科有机融合特点，制作了“粉碎+干湿分离多功能垃圾箱”，并结合程序教学模式设计了相关教学活动，让学生在制作垃圾箱的实践活动中增强技术应用的意识，促进创新思维能力和社会协同能力的养成。

关键词：多功能垃圾箱;干湿分离;STAEM 教育;人工智能

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）24-0113-02

1 研究背景

随着信息技术的飞速发展，信息技术与教育教学活动的有效融合也日新月异，各类信息化教育方式层出不穷，STAEM 教育作为培养学生科技创新能力的重要手段，受到我国教育界的普遍关注。STEAM教育由STEM教育发展而来，是在STEM教育的基础上增加了艺术的元素，形成了综合科学（Science） 、技术（Technology） 、工程（Engineering） 、艺术（Arts） 和数学（Mathematics） 等学科，以培养具有全面科学素养和创新实践能力的人才为根本目标[1]，探索从多学科的视角来培养学生解决实际问题及创新实践的能力，实现跨学科教育的综合教育理念[2]。2016年，教育部颁布的《教育信息化“十三五”规划》文件指出要积极探索信息技术在STEAM教育中的应用，从国家层面上显现出对STEAM教育的重视。人工智能是引领未来的战略性技术[3]，具有“增强在线学习、自适应学习和研究过程的能力，能够更直观地响应并改进与学生交流的方式”[4]，这与STAEM教育所倡导培养学生的科学探究精神和跨学科多元思维的目标不谋而合。2017年7月，国务院发布的《新一代人工智能发展规划》指出，要“利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系”[5]，2018年4月，教育部印发的《高等学校人工智能创新行动计划》提出“支持高校教师参与中小学人工智能普及教育及相关研究工作”[6]。

然而，如何在教学中引导学生运用科学探究、工程设计、人工智能等多学科知识解决生活中常见的问题则是提升学生综合素养的重要窗口，基于此，经过日常生活观察和科学探究，“粉碎+干湿分离多功能垃圾箱”案例设计油然而生，通过垃圾箱制作实践活动，不仅能让学生体验相关学科的特点，也能增强技术应用的意识，提升知识迁移能力和解决问题的能力。

2 “粉碎+干湿分离多功能垃圾箱”案例设计

在开展案例活动之前，需要明确案例目标。本案例实施的主要目标：基于STEAM教育理念，让学生在充分了解我国垃圾分类现状的基础上，结合多科学知识和人工智能技术，通过问题生成、深度学习、批判建构、创新驱动、多元反思和评价等实践环节，设计出富有创新性与个性化的产品，助力学生的思维成长，提高学生创新实践能力和问题解决能力。整个案例设计分为确立主题、制定步骤、设计结构、试验结果四个环节组成。

2.1 确立主题

在教育学生对垃圾分类现状认知的过程中得知，我国城市生活垃圾的数量位居世界首位，每年产生的垃圾约为 1.5 亿吨，其中可以二次利用的大约占 60%[7]。我国将垃圾分为厨余垃圾、有害垃圾、其他垃圾和可回收物四类，通过垃圾分类，降低垃圾处理成本，节约社会资源。2019年9月，国务院发布了《公共机构生活垃圾分类工作评价参考标准》[8]，要求各公共机构从组织管理、宣传教育、投放收运三个方面做起，制定各项生活垃圾分类工作方案及分配标准等，提高垃圾的资源价值和经济价值，力争物尽其用，变废为宝。我国各地也相继出台了《垃圾管理条例》，城市的街头巷尾都摆放了垃圾分类箱，但在实际使用当中，城市居民分类投放垃圾准确率不高，垃圾分类箱没有干湿分离装置，有些垃圾含有大量的水分与有机物，特别是厨余垃圾占家庭生活垃圾的50%以上，很容易腐坏，产生恶臭气味难闻，污浊液体流出而影响环境，因此将案例设计的主题定为“粉碎+干湿分离多功能垃圾箱”，既源于生活，又符合跨学科要求，具有探究性、实践性、创造性和综合性，契合STEAM教育理念和核心素养发展要求。

2.2 制定步骤

设计“粉碎+干湿分离多功能垃圾箱”需要利用STEAM跨学科综合教育，让学生通过围绕制作多功能垃圾箱这项任务将所学的工程、技术、数学、人工智能等多学科知识镶嵌其中来解决问题。该案例涉及的STEAM学科分布如图1。

图1可以让学生清晰地认识案例中涵盖的各学科知识，并可根据项目制作要求不断完善学科知识图与案例设计之间的关联，由此图结构，列出多功能垃圾箱制作步骤：

（1） 利用头脑风暴交流同学之间的设计思想，由设计理念相近的同学组成设计小组。

（2） 搭建认知“脚手架”，让小组成员跨学科学习和掌握制作多功能垃圾箱需具备的知识和技能，将创新思维贯穿垃圾箱制作学习全过程，充分发挥学生的自主创造力。

（3） 小组成员通过讨论培养科学表达能力，将知识探究过程中形成的设计思路和理念反复沟通、研讨，初步形成对产品的功能、结构、尺寸、造型、安全性和使用便捷性等的认知，写出简单的设计说明书，确定本项目设计的各项性能指标要求。

（4） 小组成员在基于数据的收集、分析和科学论证的基础上，形成设计的可行性评价书，评价的指标主要包含设计制作所需要的知识技能、时间、经费、设备材料及其环保特性等。

（5） 运用“工程设计”的理念科学建模绘制垃圾箱制作蓝图，选择合适的材料制作垃圾箱，促进学生高阶思维的发展。

2.3 设计结构

“粉碎+干湿分离多功能垃圾箱”由内箱1（固体垃圾桶） 、内箱2（液体盛放器） 、伸缩（分离） 板、升降开关、弹力开关、超声波开关、过滤板、超声波测位仪、LED显示器，粉碎轮、烘干风扇、感应机械臂、电磁感应装置、收纳箱、太阳能蓄电板、垃圾出口组成，如图2所示。

（1） 升降压缩板（固体箱隔板） ：类似于伸缩门，升降压缩板可折叠打开（不同于伸缩门，伸缩板打开时是一张密闭板） 。当放入固体部分的垃圾时，伸缩板下降，向下压缩垃圾，从而使空间收纳最大化。

（2） 过滤板（液体箱隔板） ：主要用于分离液体垃圾。借助过滤板，较大的固体类垃圾过滤在过滤板的上方，液体垃圾会流入下方的液体盛放器。并在过滤板上面安装超声波测位仪，外面安装LED显示器，当液面达到虚线面时，语音提示，过滤板上升，收缩合拢液体收纳袋，用户从“侧门”取出收纳袋，并换上新的收纳袋。过滤板左侧加入弹簧装置，当要清理过滤板上方的垃圾时，启动弹簧装置，过滤板左侧升起，右侧下降，形成斜面，垃圾自动聚拢并滑出，用户从侧门收纳清洁。由于过滤板中已安装了烘干风扇，及时吹干过滤板上的冗余物，这样可直接收纳，具体流程如图3所示。

（3） 超声波测位仪：主要检测箱体中垃圾体积、容量，干、湿垃圾箱中各1个。由于垃圾箱是个内嵌的箱子，人工实时查看垃圾量时操作非常不方便，因而在箱体上方内置“超声波测位仪”自动检测箱体中垃圾的体积，当垃圾超过最高限量，语音报警提醒，用户清理。同时为了让用户随时知晓箱体中垃圾收纳情况，在两个分箱的正面分别加了外用“LED显示器”，LED显示器可直观显示箱体盛放器中的垃圾容量，用户可以一目了然地查看当前液体盛放器中垃圾的体积，自主决定是否需提前清理。

（4） 粉碎轮：粉碎较大的垃圾，类同雨伞，可伸缩、收放。当放入垃圾体积较大时，不易收纳，且占用大量的空间，用粉碎轮分解，解决以上问题。

（5） 烘干风扇：安装在液体箱侧面，及时烘干过滤板上方的垃圾，方便清理，减少垃圾箱内的二次污染。

（6） 液体盛放器：用来收纳液体垃圾。箱体侧面安装按压开关，当装有液体的垃圾袋倒入时，按下弹力开关，侧方“尖角”伸出装置，刺破包有液体的包装袋，分离液体与包装，让液体流入液体盛放器。

（7） 感应机械臂：内置在箱体2（液体垃圾箱） 上方，当感应到垃圾放入时，启动“尖角”装置和“烘干风扇”设备。

（8） 电磁感应装置：将金属等重污染物分类开来，再次直接利用或回炉加工。

（9） 太阳能蓄电板：蓄电、供电。

2.4 试验结果

在垃圾箱内投入纸张、剩菜剩饭、鸡骨、硬纸板、铁钉铁片等垃圾，对作品进行试验，试验结果如下：

（1） 固体垃圾桶的粉碎轮反应不够灵敏，在投入垃圾袋的时候需要5-6秒才能将垃圾袋划破，使垃圾顺利倒下;

（2） 在第一个隔板内投入铁制品和其他垃圾并启动电源，使电磁吸附铁制品，这一环节分类效果明显;

（3） 在垃圾进入第二个板间后开始实行第一轮粉碎，经过两分多钟的粉碎后，垃圾进入第三个板间进行第二轮粉碎，经过一分多钟粉碎后，垃圾进入最后一个储存板间;

（4） 在储存板间内，启动烘干装置，经过五分钟的烘干处理，垃圾被运输到垃圾场内进行处理。

3 分析评价

本案例设计与实践引入了STAEM教育的理念，“粉碎+干湿分离多功能垃圾箱”项目的设计包含了数学、物理和人工智能等多学科知识，学生在实践过程中自主提出对垃圾处理“大脑”的设计思路，通过自己的研究探索和知识发现设计问题的答案，在对多功能垃圾箱“大脑”进行垃圾处理过程中出现的问题进行分析、改进和不断优化中，主动学习、不断试错，创造性提出解决问题的方法，为学生思维空间的开发提供个性化服务，从而打开学生创新思维探索人工智能的大门。通过实践项目培养学生对现实世界中各种知识和技能相互融合的全局观念[9]，获得一种参与式的学习体验，增强获得知识的真实感和愉悦感，在做中学提高学生的元认知能力，产生知识的构建，在学中做，通过对各类知识的背景性、综合性、系统性学习，积极实践创新，不断更新、优化完善实践项目，获得创新性思维和批判性思维的能力，从而达到知识学习和实践应用的有效衔接。

4 结论

本文以“粉碎+干湿分离多功能垃圾箱”案例为例，探讨了STAEM 教育的延展实践。案例设计主要有三个特点：一是有粉碎和烘干装置，可以让垃圾变小，尽可能除去异味，减少厨余垃圾对可回收物的污染，节约空间，保护环境;二是简化了垃圾分类过程，将干湿垃圾进行分离，减轻了垃圾分类的压力，减少垃圾收运过程中的二次污染;三是多功能垃圾箱内有电磁吸附装置，可吸附有回收价值的金属，有利于再生资源的循环利用，缩减资源浪费，也有利于城市和居住区的干净整洁。通过此项目实践，充分调动了学生的创造性和动手实践能力，在反复的探索和实践中不断修改、完善，提高了学生的跨学科思维融合的能力、创新能力以及解决问题的能力，希望借此能够在STAEM教育的融合创新中做有意义的实践和探索，培养更多具有实践创新、合作担当、全面发展的人才。

参考文献：

[1] 秦瑾若，傅钢善.STEM教育：基于真实问题情景的跨学科式教育[J].中国电化教育，2017（4）：67-74.

[2] 赵兴龙，许林.STEM教育的五大争议及回应[J].中国电化教育，2016（10）：62-65.

[3] 魏雪飞.国内中小学人工智能教育研究热点及趋势——基于CiteSpace的文献计量分析[J].中国教育信息化，2021（24）：6-12.

[4] 唐烨伟，郭丽婷，解月光，等.基于教育人工智能支持下的STEM跨学科融合模式研究[J].中国电化教育，2017（8）：46-52.

[5] 中华人民共和国中央人民政府.国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知（国发〔2017〕35 号） [EB/OL].（2017-07-08） . http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[6] 中华人民共和国教育部.教育部关于印发《高等学校人工智能创新行动计划》的通知（教技〔2018〕3号） [EB/OL].（2018-04-03）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s7062/201804/t2018 0410_332722.html.

[7] 刘策，柳杨.互联网时代生活垃圾再创价值的新风尚[J].智库时代，2019（30）：264，267.

[8] 中华人民共和国中央人民政府.国家机关事务管理局公布《公共机构生活垃圾分类工作评价参考标准》[EB/OL].（2019-09-03）.http：//www.gov.cn/xinwen/2019-09/03/content_5426952.htm.

[9] 白晓晶，张春华，季瑞芳，等.新技术驱动教学创新的趋势、挑战与策略——2017地平线报告（基础教育中文版）[J].中国现代教育装备，2017（18）：1-20.

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