摘要 本文通過物聯網科技與生活和課堂的結合，描述和構建了一個全新的展教結合的物聯網創新工作室—比特實驗室[1]。文章針對21世紀日益激烈的全球化科技競爭及其面臨的挑戰，從最新的物聯網科技及其對生活和社會發展的價值和意義出發，結合中國教育現狀，對科技館創新工作室的建設提出了一個全新的跨學科、文理交融、多元并舉，個性化發展、展教結合的科學教育模式，不僅融入了最新的物聯網科學技術，而且對創新人才的培養提出了獨特的見解。文章通過構建比特實驗室的實例及其教學實踐活動，揭示了物聯網創新工作室對推動科技館展教結合的重要意義和積極作用。
關鍵詞 物聯網科技創新教育 展教結合 比特實驗室
21世紀是科學技術日新月異、物質財富不斷增長的信息化時代，時代賦予了我們前所未有的便利和挑戰。我們生活在一個空前開放的社會，人們通過衛星電視了解奇妙的海底世界、用手機與千里以外的朋友交流、在網絡購物與網絡游戲中度過休閑時光。而未來物聯網[2]工程的發展更是可以讓人預見到：物與物之間可以不經過人而進行交流，從而改變我們的生活方式?；ヂ摼W時代帶動更多的是第三產業的發展，而物聯網的興起將聯動第一、第二產業， “就像蒸汽機之于工業革命，物聯網將開啟一個全新的信息時代”。專家預言物聯網技術必將成為未來改變人類生活的重要技術。
物聯網的概念是在1999年提出的。物聯網就是“物物相連的互聯網”其英文名InternetofThings。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡;第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。物聯網用途廣泛，遍及智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、環境監測、老人護理、個人健康、花卉栽培、水系監測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領域。例如，為了達到節能環保和生活舒適的目的，用手機遠程監測室內的溫度，并能控制空調的開關。如果在炎熱的夏日外出旅行，發現手機報告室內溫度低于26度，就知道出門時忘了關空調，這時通過手機就可輕松關閉空調，大大節約能源;另外，在回家前可以先打開空調，這樣一回家就可享受舒適的溫度，提高了生活質量。應用與創新是物聯網的靈魂。
科技館不僅是一個國家科技現代化的體現，而且也是青少年展覽教育活動的集中體現。我國科技館事業正處于重大轉折的關鍵期，科技館事業欲邁向新的發展階段必須實現“三大突破”：改變傳統的展示設計思路;改變 “有展無教”的局面;改變單純展覽進行科普教育的局面[3]。
如何才能把最新的物聯網科技有效的應用到科技場館中去?如何才能改變目前普遍存在的展教分離的狀況?如何在科技館與學校之間架起一座聯系的橋梁呢?在日益全球化的今天，特別是對于快速發展的中國來說，面對撲面而來的工作挑戰和職業困惑，我們數百年來沿襲不變的應試教育和秧田式的課堂教學模式正面臨巨大的危機，一種能夠個性化、差異化培養學生的創新教育未來教室已經成為我國發展的迫切需要：以面向全體學生、全面提高學生的創新能力為目的;以注重開發學生的潛能發展，培養學生的自主學習能力和自我發展能力。我們的學生需要多維能力來解決未來工作中遇到的各種復雜問題。
針對上述的問題，一種有效的解決方法就是在科技場館內建一個展教結合的物聯網創新工作室，不僅可以對周邊學校的學生進行以班級為基礎的授課，而且可把學生的創意設計和作品作為成果直接用于物聯網科普展覽，這樣一個教室同時起到了教育和展覽的作用。由于教室內學生自己DIY的創意作品通過上課不斷更新，可以為科技場館的展品開發提供創意和素材，又豐富了科技場館科學教育的內容與形式作用，還可以加強學校與科技館的聯系，極大地提高科技館的使用率。
本文通過構建物聯網創新教育比特實驗室的實例及其教學實踐活動，提出了一個全新的跨學科、文理交融、多元并舉，個性化發展、展教結合的科學教育模式，對創新人才的培養提出了獨特的見解[4]。
一、比特實驗室的教學環境與理念
(一)教學環境
每個孩子都是天生的發明家，為了體現科技與藝術的結合，比特實驗室營造了一個透明和彩色的創新思維空間，把物聯網傳感電子芯片的應用和3D創意藝術設計巧妙地結合在一起(見圖1)。為了激發學生的創新精神，比特實驗室內所有的設計都是由小的積木塊(“Bit”位)組成。椅子和桌子是由透明的可拼裝亞克力面板和矩形框架組成，學生可自行組裝和修理;透明的桌面可以讓學生在不影響動手實驗活動的情況下，透過桌面看到教科書，或儲存在平板電腦內的課程設計指導和項目要求，或上網搜索顯示的重要信息，無形中把實驗活動的面積增加了一倍(見圖2)。
圖1：內蒙古青少年科技中心比特實驗室效果圖和實景圖(實驗區、挑戰區、認知區和探索區)
圖2：比特實驗室的組合式課桌椅
比特實驗室的電子傳感器芯片積木模塊包括了生活中常用的四大領域：節能環保(例如聲控燈和溫度報警器)、家居安防(例如手機監控家內是否有人)、運動健康(例如超聲波測身高以及運動計步器等)和娛樂游戲(平板電腦控制的小車、地磁感應收音機等)。例如聲控、光控、紅外、超生波、溫濕度、加速度和氣體傳感器等(見圖3)，學生可以根據自己產品設計的需求將這些傳感器和相關的控制器模塊通過插拔式導線連接起來，快速構成一個完整實用的傳感電子系統。例如設計一個通過手機遠程控制的家居煙火和防盜報警系統或人體感應的燈控系統。這樣不但可以激發學生設計電子系統的興趣，而且增強了學生的動手和創意設計能力。
為了讓學生能快速實現產品的外觀設計，比特實驗室獨創設計了帶有八種形狀不同的3D造型基本模塊，包括正方形、長方形、三角形、扇形、直角、鈍角和平面連接模塊、小圓片、小正方形等九種不同的顏色(見圖4)。
圖3:比特實驗室部分傳感器模塊
圖4：比特實驗室3D造型模塊
學生采用這些基本的造型模塊可以非常迅速而方便地搭建出各種其實妙想的外形，同時方便地把傳感電子模塊固定到這些造型模塊上面，就像給電子系統自己設計一件美麗的外衣一樣有趣和激動。有些學生設計出了中國館、感知恐龍、家居小屋、企鵝等充滿想象力好創造力的好作品(見圖5)。
作品：中國館
作品：感知恐龍
圖5： 比特實驗室3D造型模塊搭建的創意作品
比特實驗室的架構包含四個區，可以根據學生的具體情況和教學要求進行選擇和取舍，這四個區分別為：
1. 認知區：包括科學家的發明故事、芯片、傳感器和軟件等的認識，創意和動漫設計的一些基礎知識。
2. 實驗區：在認知的基礎上，動手完成一個物聯網傳感電子系統的整體設計，具有實用性和藝術的創造性。
3. 探索區：對實現的產品進行性能和科學的分析和探測以及歸納和總結，認識其中的工作原理和實現方法。
4. 挑戰區：在實驗和探索的基礎上，發展自己的全新思維，做出自己的創意作品，并且可參加作品競賽。
比特實驗室四個區域布置規劃的一個重要特點是：比特實驗室可以適合從小學一直到大學的實驗課，滿足從小到大不同年齡層學生的求知探索需求。比特實驗室的實驗包括小學生簡單的認知和動手實驗、大學生設計創意的傳感電子產品以及研究芯片的功能和設計應用方案。
比特實驗室已于2012年在青海省科技館和江西省科技館建立了以物聯網教育比特實驗室為基礎的科學工作室。另外，包含完整四個區(實驗區、認知區、探索區和挑戰區)的300多平米比特實驗室已在內蒙古青少年科技中心建設順利完成，通過前期學生的體驗課，獲得學校和學生的一致好評(見圖6)。
江西科技館比特實驗室
內蒙古青少年科技中心比特實驗室
圖6： 比特實驗室活動照片
(二)教學理念
比特實驗室的建設包含科技和素質兩個教學層面：在科技教育層面上推進的是目前世界上最前沿的以傳感器和智能化控制為主的物聯網技術，而且最能體現從技術到實用的轉換，例如生活中處處可以用到的“拍手點亮的燈”、“會說話的溫度計”和“長眼睛的電風扇”等比特實驗室的作品制作;另外比特實驗室還提供體現物聯網實際應用的“手機控制智慧農業”和“智慧家居”等實驗系統，例如“手機控制智慧農業”系統可以讓普通農民通過手機檢測蔬菜暖棚的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度等，從而實現自動施肥和澆灌，不僅可以降低勞動力成本，而且還可大大節約寶貴的水資源，提高農作物的產量和質量。這樣一個完整的“智慧農業”物聯網系統，可以讓學生在比特實驗室一節課的時間內采用DIY模塊自己動手搭建完成，從而充分激發學生的創新意識和科學探索的熱情。
另外，比特實驗室在素質教育層面上推進的是針對目前中國的應試教育中素質教育欠缺的部分，突出培養學生的創新意識和對科學知識的追求探索精神，激發學生自主學習的興趣和積極性，從而提高學生成為創新人才的全面素質。提倡每個人都是與眾不同的，分數的評估不是和其他人相比，而是和過去的自己比較才是激發自己前進的真正動力。課程設置從一個感人的科學家故事或生活哲理故事開始，從學生聚精會神的聽故事到大膽的動手做實驗。讓同學們在實驗的互動過程中，提高動手能力和創新能力，學會如何面對失敗和承受挫折，如何幫助失敗的同學，如何發現自己的能力和提高自己的學習自信心;在團隊的協作中鍛煉領導和團隊合作能力。通過學生對自制作品的快樂體驗和創新思維訓煉，不但提高了學生的動手和想象能力，而且通過對作品的表述和演講提高了學生的語言表達和藝術審美能力。
二、比特實驗室的教學模式和實踐
(一)教學模式
比特實驗室把先進的物聯網科技與國際工程教育改革的最新成果CDIO[5](Conceive構思，Design設計，Implement實現，Operate運營)工程教育模式完美地結合在一起，并結合青少年的特點，開發了適合不同年齡孩子的物聯網傳感電子交互體驗式訓練課程體系。
比特實驗室的教學流程主要包括四個部分：(1)了解發明家和人類科技發展的歷史(2)做一個嚴謹的工程師(3)做一個富有創意的藝術家(4)做一個充滿激情的演說家?；顒影凑湛鬃拥?ldquo;三人行必有我師”的項目合作模式開展，每隊由三到四個學生，男女搭配。在每個創意項目中，團隊成員一起工作，解決沖突的思路以達成共識的設計。不同的人才，不同的創意，不同的才智，整個團隊成員在創新中，不停地融合再融合，成為一個團結協作的優秀團隊 (見圖7)。
圖7(a)：老師在講發明家的故事
圖7(b)：學生一起合作搭建模型
1. 了解發明家的故事：激發學生的求知欲、好奇心和探索進取精神，如愛迪生實驗上千次成功發明電燈等感人故事(見圖8)。
圖8：內蒙古青少年科技中心比特實驗室教師上課
2. 做個嚴謹的工程師：鍛煉學生的動手、觀察、思考和解決問題的能力。學生要學會如何有效地使用各種傳感器模塊來解決現實生活中的問題(見圖9)。
圖9：內蒙古青少年科技中心比特實驗室學生動手連接電路
3. 做一個富有創意的藝術家：鍛煉學生的想象力、創造力和團隊合作以及溝通能力，激發藝術靈感和用于創新的精神。學生利用多彩的3D造型模塊，搭建出時空穿梭機和陽光環保車等(見圖10)。
圖10：內蒙古青少年科技中心比特實驗室學生動手進行藝術創造
4. 做個充滿激情的演說家： 鍛煉學生的語言表達、審美演講能力，成為樂觀進取和用于挑戰的高素質人才。學生就自己團隊完成的作品上臺演講，有的同學描述：“我永遠也忘不了第一次上臺演講的羞怯， 第二次的漸變，第三次的落落大方(見圖11)。
圖11：內蒙古青少年科技中心比特實驗室學生進行精彩演講
(二)教學實踐與評估
比特實驗室的科學教育和動手實踐活動是為了彌補目前應試教育中對孩子的個性發展、創造性思維、作文演講、動手能力和團隊合作能力等關鍵情商和智商能力培養的嚴重不足和缺陷，訓練孩子獲得比知識更重要的創造能力和主動求知學習的能力，激發孩子的潛能和學習興趣，讓孩子找到適合自己發展的成功之路，在未來激烈的人才競爭中做一個優勝者。
比特實驗室物聯網創新課程開展以來，得到了學生、老師和家長的一致認可;絕大多數學生通過比特實驗課覺得自己的思維能力和克服困難的能力以及動手能力得到了明顯的提高，同時在自信心的培養、團隊合作和作文演講等方面有了很大的進步。例如：江南大學附屬中學的初一學生鄧剡梁，在比特實驗室的課上受到啟發， 回家發明了一個折疊式裝有傳感燈的床，并且完全自己動手構思設計。他還帶領3人的團隊，用數百個組件成功搭建完成了光芒四射的“中國館”模型，現在放在比特實驗室的入口處作為展示。他在比特實驗室最大的感想是：提高了自己的自信心，有了屬于自己的閃光點，學習更加輕松了。
無錫市南湖小學自2012年6月建立比特實驗室以來，無論男生還是女生，都十分地喜愛。對于男生而言，動手能力和創新能力都普遍提高;對于女生而言，創新能力、領導能力、動手能力也都普遍提高。為了激發每個學生的學習主動性和自信心，實驗室的教學評分方法也打破了傳統的教師打分制度，而是每個學生在與過去的自己比較中給自己打分。這不僅讓學生有了發現自我和找到自我的機會，同時，也讓學生學會如何對自己評價，如何對他人進行評價。通過對無錫南湖小學228位學生抽樣調查，其中116位男生，112位女生，上過一個學期15節比特實驗室課后，學生的十項能力都有了明顯的提高。在課程開始時，每個學生將拿到一張評分表，根據表中的十項能力 (動手能力、創新能力、承受挫折能力、觀察能力、自信心、領導能力、合作能力、求知能力、語言表達能力和審美藝術能力) 給自己打分，每項能力評分從最差的1到最好的10分。圖12中顯示了學生經過一學期比特課程后各項能力進步的百分比。圖13中顯示了學生經過一學期比特課程后提高人數的百分比。例如：一個學生學期初的評分為動手能力2分，期末自己再測評的動手能力為4分，那么這個學生一學期以來動手能力的進步就是 (4-2)/10=20%。從表中可以看出男生的動手能力、創新能力和審美能力，以及女生的觀察能力、領導能量和表達能力都有了明顯提高。
圖12：無錫南湖小學分值提高百分比
圖13：無錫南湖小學提高人數百分比
三、總結
比特實驗室采用先進的物聯網技術，通過鍛煉學生的創新思維和動手能力，增強學生的學習自覺性和熱情，全面提高學生成為創新人才的素質。數字化的實驗，積木化的教學，游戲化的過程，個性化的作業和整合化的展示是“比特實驗室”的魅力所在。
(一)數字化的實驗：
就是把刻板的理論描述和課本教學通過計算機的數字化處理，用動手實驗的方式展現出來，讓平?？床灰娒坏降臇|西變得親切易懂，例如“看”到“皇帝的新裝”，“看”到自己的聲音，“看”到空中傳播的信號等。
(二)積木化的教學：
比特實驗室的主體構造都是積木化的。包括積木化的桌椅、積木化的電子模塊、積木化的外形等。由于積木的靈活性，因此打破傳統固化的課堂模式，取而代之的是可隨意改變的、組合的、分散和集中相輔相成的多元化模式，使比特實驗室的課堂因此變得新穎而奇特。
(三)個性化的作業：
沒有最好，只有更好。比特實驗室的作品不設立統一標準和答案，給學生一個自由想象的空間，培養學生的創新思維能力和動手能力，比特實驗室的評分標準也是完全個性化的“只和自己的過去比較”，目的是讓學生增強自信心、獲得進取的勇氣和發現自我，提供學生超越極限的發展空間。
(四)游戲化的過程：
搭建創意作品，培養思考力、訓練創造力、養成專注力、激發想象力，配合故事、圖片、名言、案例、還有輕松的課堂氛圍，小組化的合作方式，使比特課堂像游戲一樣充滿愉悅和快樂。如果一個課堂可以讓學生懷著愉悅的心情，帶著微笑走進去，那么這個課堂就成功了。在比特實驗室，我們就能看到學生的微笑，看到學生對成功的體驗感。
(五)整合化的展示：
比特實驗室的作品綜合展示了學生各方面的能力：動手能力、思維能力、文學創作和想象能力、觀察能力、團隊合作和領導能力、語言表達能力和審美藝術能力等，是學生全面的科技和素質能力的一個綜合表現。
物聯網創新教育比特實驗室已經在全國十多個省市的中小學和科技館建立了示范基地，同時，比特實驗室的出現教育模式也在美國硅谷蘋果公司總部的兩個小學、兩個中學和兩個校外活動機構成功開設了體驗課，受到了老師和學生的一致好評。通過比特實驗室把最前沿的物聯網科技與創新人才的培養模式融匯在一起，特別是通過科技館的展教活動，不僅使學生對物聯網傳感電子技術有了深刻的認識和理解，同時培養了青少年的動手、觀察、思考和解決問題的能力，激發了他們的想象力、創造力、藝術靈感和勇于創新的精神，彌補了目前應試教育中對學生的個性發展、創造性思維、團隊合作及溝通能力等關鍵情商能力培養的不足和缺陷，幫助學生找到適合自己發展的成功之路，使其在未來激烈的人才競爭中成為一個富有自信、激情和夢想，熱愛生命和創造未來的有用之才。
作者簡介：曹偉勛，博士，比特實驗室創新教育研究中心、比特實驗室創始人。地址：江蘇省無錫市濱湖區滴翠路100號 創意產業園，530大廈2號樓1903室，郵編：214072，Email：wxcao@ieee.org
作者簡介：高虹，內蒙古青少年科技中心主任。地址：內蒙古呼和浩特市新華大街70號。E-mail：nm_gaohong@163.com。
參考文獻
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[3]李苗. 論科技館展覽教育活動在內容形式上的突破與創新[J]. (北京)科技館國際論壇暨學術論文集, 2009, (4): 235-238.
[4] 曹偉勛. 物聯網與創新教育[J]. 科技館, 2013, (4): 21-25.
[5] Edward Crawley; Johan Malmqvist; Sören Östlund; Doris Brodeur (2007). Rethinking Engineering Education, The CDIO Approach. Springer. ISBN 978-0-387-38287-6.
比特實驗室榮獲2015年度全國科技館發展獎“展品獎”，全國獲得此獎的僅有3家企業，而比特實驗室是全國科協系統首次獲獎的創客空間，也是全國唯一的物聯網創客空間。
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