技术领域
[0001] 本发明涉及STEM教育技术领域，特别是涉及基于STEM教育的交互学习系统及方法。
相关背景技术
[0002] 集科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)与数学(Mathematics)多领域融合的综合教育，即STEM教育是培养创新人才的新型教育模式。STEM教育领域包含数字思维培训、科学科普、综合课程平台、科学实验用具、少儿编程和机器人教育等。但是，目前的STEM教育领域主要形式为在线软件编程平台和机器人编程，侧重于编程技能和机器人控制技能的掌握，难以培养创造性解决复杂情境问题的能力。此外，STEM硬件教育的可拓展性较差，难以培养学生拓展思维能力。因此，亟需基于STEM教育的交互学习系统及方法。
具体实施方式
[0053] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0055] 本实施例提供了基于STEM教育的交互学习系统，如图1所示，包括：互动学习控制模块、STEM探索实体装置模块、云端数据服务模块；
[0056] 互动学习控制模块，用于对系统运行进行控制，以及对学习交互流程进行管理；
[0057] STEM探索实体装置模块，用于为学习交互流程提供实体操作和实验探索的硬件支持；
[0058] 云端数据服务模块，用于存储学习内容、用户数据和实验结果，并提供远程访问。
[0059] 具体的，互动学习控制模块通过可视化界面引导用户进行参数选择和设置，然后将控制指令通过低功耗蓝牙通讯传递给STEM探索实体装置模块，需要注意的是，STEM探索实体装置模块需要使用者按照互动学习控制模块的可视化图形提示连接子模块。STEM探索实体装置模块接收到指令后会进行传感器数据采集，采集后的数据通过STEM探索实体装置模块的无线传输功能上传到云端数据服务模块。云端数据服务模块可以提供数据存储、管理、分析、下载的功能。
[0060] 如图2所示，互动学习控制模块包括：用户交互界面单元、学习内容管理单元、学习进度跟踪单元；
[0061] 用户交互界面单元，用于用户输入登录信息进行登录，并选择学习内容；
[0062] 学习内容管理单元，用于根据学习内容提供学习材料以及指引操作；
[0063] 学习进度跟踪单元，用于对用户的学习过程以及进度进行跟踪。
[0064] 具体的，学习内容管理单元以科学原理分为大类，每一个大类单元由多个典型实验案例组成，案例的演示内容包括科学原理讲解视频、程序代码源文件以及该演示案例涉及的STEM探索实体装置的组件连接示意图。学习进度跟踪单元为一张以演示案例为节点组成的地图，以用户登录学习案例演示完成为标志点亮地图上的节点以记录用户学习进度。用户交互界面单元为程序代码源文件二次开发的可视化GUI界面，以便于没有编程基础的用户使用该STEM探索实体装置。
[0065] 如图3所示，STEM探索实体装置模块包括：可编程控制器、传感器组件、信息交互组件和通信接口；
[0066] 可编程控制器，用于根据用户操作对STEM探索实体装置进行控制；
[0067] 传感器组件，用于获取用户操作过程中STEM探索实体装置的输出信息；
[0068] 信息交互组件，用于将输出信息反馈给用户；
[0069] 通信接口，用于提供STEM探索实体装置与学习内容管理单元之间的通信。
[0070] 具体的，可编程控制器是整个STEM探索实体装置的核心，可以是支持MicroPython程序开发的树莓派Pico开发板及拓展板，也可以是支持Wifi和蓝牙通信的Arduino系列拓展板。传感器组件是实现开放式可拓展STEM探索学习教育学习系统的关键，包括但不限于超声波测距传感器HC‑SR04、电阻式土壤湿度传感器、三轴加速度倾角传感器ADXL345、电阻应变式压力传感器数据转换模块HX711等。信息交互组件的功能是反馈传感器组件信息给用户，包括但不限于数码管、液晶显示屏、短脚发光二极管、有源一体式蜂鸣报警器5V0905等。通信接口的功能是实现STEM探索装置与学习内容管理单元之间的低功耗蓝牙通信。
[0071] 如图4所示，云端数据服务模块包括：数据存储单元、数据处理单元、网络通信单元；
[0072] 数据存储单元，用于存储STEM探索实体装置的输出信息；
[0073] 数据处理单元，用于将输出信息处理为物理量信息；
[0074] 网络通信单元，用于接收STEM探索实体装置的通讯信号。
[0075] 具体的，数据存储单元的功能是存储可编程控制器的引脚电平信息、传感器组件的连接状态及输出电压信息。数据处理单元根据传感器的连接状态及输出电压信息解析为具体演示实验中的物理量信息。网络通信单元负责接收STEM探索学习装置发出的低功耗蓝牙通讯信号。
[0076] 用户通过互动学习控制模块的用户交互界面单元登录系统，选择学习内容和实验项目。系统通过学习内容管理单元呈现相关学习材料，并指导用户如何利用STEM探索实体装置模块进行实验探索。用户根据指引操作STEM探索实体装置，进行实验探索。实验数据通过传感器组件收集，并通过通信接口发送到云端数据服务模块。云端数据服务模块处理和存储实验数据，用户可以通过学习控制模块访问实验结果和分析报告，完成学习循环。
[0077] 为进一步优化技术方案，本实施例还提供了基于STEM教育的交互学习方法，如图5所示，包括：
[0078] 步骤1、初始化开放式可扩展教学工具套件中的可编程控制器；
[0079] 步骤2、通过用户注册信息认证以访问客户端应用程序界面；
[0080] 步骤3、依据客户端应用程序的操作示例建立与可扩展教学工具套件内可编程控制器的连接；
[0081] 步骤4、启动客户端应用的学习与探索模块，选择情景式学习示例，并通过图形用户界面(GUI)对可编程控制器执行交互式学习操作。
[0082] 具体的，如图6所示，步骤2的具体流程包括：
[0083] 首先利用开放式可扩展STEM教育工具套件附带的二维码或网站链接，执行客户端应用程序的下载操作，客户端包括但不限于手机、平板电脑、笔记本电脑等可以通过蓝牙通信连接的移动端设备，也可以是PC端。然后遵循客户端应用程序界面指引完成用户账户的注册过程，并发起认证请求。云端系统管理员处理来自客户端的认证请求，验证用户凭证后授予登陆权限，从而使用户能够在客户端应用程序中成功登录。
[0084] 具体的，如图7所示，步骤3的具体流程包括：
[0085] 用户通过客户端应用界面激活蓝牙扫描功能，向目标可编程控制器发送蓝牙配对请求，确保可编程控制器板处于蓝牙配对有效范围内，随后可编程控制器广播其蓝牙低功耗(BLE)服务信息。用户在客户端应用收到可编程控制器的BLE服务信息后，操作界面以尝试建立蓝牙连接。可编程控制器收到蓝牙连接请求后，通过闪烁LED灯作为物理反馈，提示用户连接正在进行，用户视觉确认LED指示灯的状态变化后，在客户端应用中执行确认连接操作，以完成蓝牙配对和连接流程。
[0086] 具体的，如图8所示，步骤4的具体流程包括：
[0087] 用户通过客户端应用选择特定的学习场景示例，并依照该场景的演示视频正确地连接可编程控制器与其可扩展部分，其中，学习场景示例的设计主要包括问题引入模块、图形化接线指引模块、可视化参数调试模块、结果分析模块和拓展思考模块。在确认可扩展部分与可编程控制器的电路连接正确无误后，用户在客户端应用的可视化界面中进行参数配置。经参数配置完成后，用户保存设置并激活程序执行指令，此时，客户端应用将通过蓝牙服务接口将运行配置传输至可编程控制器。用户访问客户端应用的结果展示页面，以观察、记录并分析来自可扩展部分的反馈数据。用户在完成基于场景的学习探索后，关闭蓝牙连接以结束数据传输和设备通讯。
[0088] 以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
