摘要 本文通过物联网科技与生活和课堂的结合，描述和构建了一个全新的展教结合的物联网创新工作室—比特实验室[1]。文章针对21世纪日益激烈的全球化科技竞争及其面临的挑战，从最新的物联网科技及其对生活和社会发展的价值和意义出发，结合中国教育现状，对科技馆创新工作室的建设提出了一个全新的跨学科、文理交融、多元并举，个性化发展、展教结合的科学教育模式，不仅融入了最新的物联网科学技术，而且对创新人才的培养提出了独特的见解。文章通过构建比特实验室的实例及其教学实践活动，揭示了物联网创新工作室对推动科技馆展教结合的重要意义和积极作用。
关键词 物联网科技创新教育 展教结合 比特实验室
21世纪是科学技术日新月异、物质财富不断增长的信息化时代，时代赋予了我们前所未有的便利和挑战。我们生活在一个空前开放的社会，人们通过卫星电视了解奇妙的海底世界、用手机与千里以外的朋友交流、在网络购物与网络游戏中度过休闲时光。而未来物联网[2]工程的发展更是可以让人预见到：物与物之间可以不经过人而进行交流，从而改变我们的生活方式。互联网时代带动更多的是第三产业的发展，而物联网的兴起将联动第一、第二产业， “就像蒸汽机之于工业革命，物联网将开启一个全新的信息时代”。专家预言物联网技术必将成为未来改变人类生活的重要技术。
物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是“物物相连的互联网”其英文名InternetofThings。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。例如，为了达到节能环保和生活舒适的目的，用手机远程监测室内的温度，并能控制空调的开关。如果在炎热的夏日外出旅行，发现手机报告室内温度低于26度，就知道出门时忘了关空调，这时通过手机就可轻松关闭空调，大大节约能源;另外，在回家前可以先打开空调，这样一回家就可享受舒适的温度，提高了生活质量。应用与创新是物联网的灵魂。
科技馆不仅是一个国家科技现代化的体现，而且也是青少年展览教育活动的集中体现。我国科技馆事业正处于重大转折的关键期，科技馆事业欲迈向新的发展阶段必须实现“三大突破”：改变传统的展示设计思路;改变 “有展无教”的局面;改变单纯展览进行科普教育的局面[3]。
如何才能把最新的物联网科技有效的应用到科技场馆中去?如何才能改变目前普遍存在的展教分离的状况?如何在科技馆与学校之间架起一座联系的桥梁呢?在日益全球化的今天，特别是对于快速发展的中国来说，面对扑面而来的工作挑战和职业困惑，我们数百年来沿袭不变的应试教育和秧田式的课堂教学模式正面临巨大的危机，一种能够个性化、差异化培养学生的创新教育未来教室已经成为我国发展的迫切需要：以面向全体学生、全面提高学生的创新能力为目的;以注重开发学生的潜能发展，培养学生的自主学习能力和自我发展能力。我们的学生需要多维能力来解决未来工作中遇到的各种复杂问题。
针对上述的问题，一种有效的解决方法就是在科技场馆内建一个展教结合的物联网创新工作室，不仅可以对周边学校的学生进行以班级为基础的授课，而且可把学生的创意设计和作品作为成果直接用于物联网科普展览，这样一个教室同时起到了教育和展览的作用。由于教室内学生自己DIY的创意作品通过上课不断更新，可以为科技场馆的展品开发提供创意和素材，又丰富了科技场馆科学教育的内容与形式作用，还可以加强学校与科技馆的联系，极大地提高科技馆的使用率。
本文通过构建物联网创新教育比特实验室的实例及其教学实践活动，提出了一个全新的跨学科、文理交融、多元并举，个性化发展、展教结合的科学教育模式，对创新人才的培养提出了独特的见解[4]。
一、比特实验室的教学环境与理念
(一)教学环境
每个孩子都是天生的发明家，为了体现科技与艺术的结合，比特实验室营造了一个透明和彩色的创新思维空间，把物联网传感电子芯片的应用和3D创意艺术设计巧妙地结合在一起(见图1)。为了激发学生的创新精神，比特实验室内所有的设计都是由小的积木块(“Bit”位)组成。椅子和桌子是由透明的可拼装亚克力面板和矩形框架组成，学生可自行组装和修理;透明的桌面可以让学生在不影响动手实验活动的情况下，透过桌面看到教科书，或储存在平板电脑内的课程设计指导和项目要求，或上网搜索显示的重要信息，无形中把实验活动的面积增加了一倍(见图2)。
图1：内蒙古青少年科技中心比特实验室效果图和实景图(实验区、挑战区、认知区和探索区)
图2：比特实验室的组合式课桌椅
比特实验室的电子传感器芯片积木模块包括了生活中常用的四大领域：节能环保(例如声控灯和温度报警器)、家居安防(例如手机监控家内是否有人)、运动健康(例如超声波测身高以及运动计步器等)和娱乐游戏(平板电脑控制的小车、地磁感应收音机等)。例如声控、光控、红外、超生波、温湿度、加速度和气体传感器等(见图3)，学生可以根据自己产品设计的需求将这些传感器和相关的控制器模块通过插拔式导线连接起来，快速构成一个完整实用的传感电子系统。例如设计一个通过手机远程控制的家居烟火和防盗报警系统或人体感应的灯控系统。这样不但可以激发学生设计电子系统的兴趣，而且增强了学生的动手和创意设计能力。
为了让学生能快速实现产品的外观设计，比特实验室独创设计了带有八种形状不同的3D造型基本模块，包括正方形、长方形、三角形、扇形、直角、钝角和平面连接模块、小圆片、小正方形等九种不同的颜色(见图4)。
图3:比特实验室部分传感器模块
图4：比特实验室3D造型模块
学生采用这些基本的造型模块可以非常迅速而方便地搭建出各种其实妙想的外形，同时方便地把传感电子模块固定到这些造型模块上面，就像给电子系统自己设计一件美丽的外衣一样有趣和激动。有些学生设计出了中国馆、感知恐龙、家居小屋、企鹅等充满想象力好创造力的好作品(见图5)。
作品：中国馆
作品：感知恐龙
图5： 比特实验室3D造型模块搭建的创意作品
比特实验室的架构包含四个区，可以根据学生的具体情况和教学要求进行选择和取舍，这四个区分别为：
1. 认知区：包括科学家的发明故事、芯片、传感器和软件等的认识，创意和动漫设计的一些基础知识。
2. 实验区：在认知的基础上，动手完成一个物联网传感电子系统的整体设计，具有实用性和艺术的创造性。
3. 探索区：对实现的产品进行性能和科学的分析和探测以及归纳和总结，认识其中的工作原理和实现方法。
4. 挑战区：在实验和探索的基础上，发展自己的全新思维，做出自己的创意作品，并且可参加作品竞赛。
比特实验室四个区域布置规划的一个重要特点是：比特实验室可以适合从小学一直到大学的实验课，满足从小到大不同年龄层学生的求知探索需求。比特实验室的实验包括小学生简单的认知和动手实验、大学生设计创意的传感电子产品以及研究芯片的功能和设计应用方案。
比特实验室已于2012年在青海省科技馆和江西省科技馆建立了以物联网教育比特实验室为基础的科学工作室。另外，包含完整四个区(实验区、认知区、探索区和挑战区)的300多平米比特实验室已在内蒙古青少年科技中心建设顺利完成，通过前期学生的体验课，获得学校和学生的一致好评(见图6)。
江西科技馆比特实验室
内蒙古青少年科技中心比特实验室
图6： 比特实验室活动照片
(二)教学理念
比特实验室的建设包含科技和素质两个教学层面：在科技教育层面上推进的是目前世界上最前沿的以传感器和智能化控制为主的物联网技术，而且最能体现从技术到实用的转换，例如生活中处处可以用到的“拍手点亮的灯”、“会说话的温度计”和“长眼睛的电风扇”等比特实验室的作品制作;另外比特实验室还提供体现物联网实际应用的“手机控制智慧农业”和“智慧家居”等实验系统，例如“手机控制智慧农业”系统可以让普通农民通过手机检测蔬菜暖棚的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度等，从而实现自动施肥和浇灌，不仅可以降低劳动力成本，而且还可大大节约宝贵的水资源，提高农作物的产量和质量。这样一个完整的“智慧农业”物联网系统，可以让学生在比特实验室一节课的时间内采用DIY模块自己动手搭建完成，从而充分激发学生的创新意识和科学探索的热情。
另外，比特实验室在素质教育层面上推进的是针对目前中国的应试教育中素质教育欠缺的部分，突出培养学生的创新意识和对科学知识的追求探索精神，激发学生自主学习的兴趣和积极性，从而提高学生成为创新人才的全面素质。提倡每个人都是与众不同的，分数的评估不是和其他人相比，而是和过去的自己比较才是激发自己前进的真正动力。课程设置从一个感人的科学家故事或生活哲理故事开始，从学生聚精会神的听故事到大胆的动手做实验。让同学们在实验的互动过程中，提高动手能力和创新能力，学会如何面对失败和承受挫折，如何帮助失败的同学，如何发现自己的能力和提高自己的学习自信心;在团队的协作中锻炼领导和团队合作能力。通过学生对自制作品的快乐体验和创新思维训炼，不但提高了学生的动手和想象能力，而且通过对作品的表述和演讲提高了学生的语言表达和艺术审美能力。
二、比特实验室的教学模式和实践
(一)教学模式
比特实验室把先进的物联网科技与国际工程教育改革的最新成果CDIO[5](Conceive构思，Design设计，Implement实现，Operate运营)工程教育模式完美地结合在一起，并结合青少年的特点，开发了适合不同年龄孩子的物联网传感电子交互体验式训练课程体系。
比特实验室的教学流程主要包括四个部分：(1)了解发明家和人类科技发展的历史(2)做一个严谨的工程师(3)做一个富有创意的艺术家(4)做一个充满激情的演说家。活动按照孔子的“三人行必有我师”的项目合作模式开展，每队由三到四个学生，男女搭配。在每个创意项目中，团队成员一起工作，解决冲突的思路以达成共识的设计。不同的人才，不同的创意，不同的才智，整个团队成员在创新中，不停地融合再融合，成为一个团结协作的优秀团队 (见图7)。
图7(a)：老师在讲发明家的故事
图7(b)：学生一起合作搭建模型
1. 了解发明家的故事：激发学生的求知欲、好奇心和探索进取精神，如爱迪生实验上千次成功发明电灯等感人故事(见图8)。
图8：内蒙古青少年科技中心比特实验室教师上课
2. 做个严谨的工程师：锻炼学生的动手、观察、思考和解决问题的能力。学生要学会如何有效地使用各种传感器模块来解决现实生活中的问题(见图9)。
图9：内蒙古青少年科技中心比特实验室学生动手连接电路
3. 做一个富有创意的艺术家：锻炼学生的想象力、创造力和团队合作以及沟通能力，激发艺术灵感和用于创新的精神。学生利用多彩的3D造型模块，搭建出时空穿梭机和阳光环保车等(见图10)。
图10：内蒙古青少年科技中心比特实验室学生动手进行艺术创造
4. 做个充满激情的演说家： 锻炼学生的语言表达、审美演讲能力，成为乐观进取和用于挑战的高素质人才。学生就自己团队完成的作品上台演讲，有的同学描述：“我永远也忘不了第一次上台演讲的羞怯， 第二次的渐变，第三次的落落大方(见图11)。
图11：内蒙古青少年科技中心比特实验室学生进行精彩演讲
(二)教学实践与评估
比特实验室的科学教育和动手实践活动是为了弥补目前应试教育中对孩子的个性发展、创造性思维、作文演讲、动手能力和团队合作能力等关键情商和智商能力培养的严重不足和缺陷，训练孩子获得比知识更重要的创造能力和主动求知学习的能力，激发孩子的潜能和学习兴趣，让孩子找到适合自己发展的成功之路，在未来激烈的人才竞争中做一个优胜者。
比特实验室物联网创新课程开展以来，得到了学生、老师和家长的一致认可;绝大多数学生通过比特实验课觉得自己的思维能力和克服困难的能力以及动手能力得到了明显的提高，同时在自信心的培养、团队合作和作文演讲等方面有了很大的进步。例如：江南大学附属中学的初一学生邓剡梁，在比特实验室的课上受到启发， 回家发明了一个折叠式装有传感灯的床，并且完全自己动手构思设计。他还带领3人的团队，用数百个组件成功搭建完成了光芒四射的“中国馆”模型，现在放在比特实验室的入口处作为展示。他在比特实验室最大的感想是：提高了自己的自信心，有了属于自己的闪光点，学习更加轻松了。
无锡市南湖小学自2012年6月建立比特实验室以来，无论男生还是女生，都十分地喜爱。对于男生而言，动手能力和创新能力都普遍提高;对于女生而言，创新能力、领导能力、动手能力也都普遍提高。为了激发每个学生的学习主动性和自信心，实验室的教学评分方法也打破了传统的教师打分制度，而是每个学生在与过去的自己比较中给自己打分。这不仅让学生有了发现自我和找到自我的机会，同时，也让学生学会如何对自己评价，如何对他人进行评价。通过对无锡南湖小学228位学生抽样调查，其中116位男生，112位女生，上过一个学期15节比特实验室课后，学生的十项能力都有了明显的提高。在课程开始时，每个学生将拿到一张评分表，根据表中的十项能力 (动手能力、创新能力、承受挫折能力、观察能力、自信心、领导能力、合作能力、求知能力、语言表达能力和审美艺术能力) 给自己打分，每项能力评分从最差的1到最好的10分。图12中显示了学生经过一学期比特课程后各项能力进步的百分比。图13中显示了学生经过一学期比特课程后提高人数的百分比。例如：一个学生学期初的评分为动手能力2分，期末自己再测评的动手能力为4分，那么这个学生一学期以来动手能力的进步就是 (4-2)/10=20%。从表中可以看出男生的动手能力、创新能力和审美能力，以及女生的观察能力、领导能量和表达能力都有了明显提高。
图12：无锡南湖小学分值提高百分比
图13：无锡南湖小学提高人数百分比
三、总结
比特实验室采用先进的物联网技术，通过锻炼学生的创新思维和动手能力，增强学生的学习自觉性和热情，全面提高学生成为创新人才的素质。数字化的实验，积木化的教学，游戏化的过程，个性化的作业和整合化的展示是“比特实验室”的魅力所在。
(一)数字化的实验：
就是把刻板的理论描述和课本教学通过计算机的数字化处理，用动手实验的方式展现出来，让平常看不见摸不到的东西变得亲切易懂，例如“看”到“皇帝的新装”，“看”到自己的声音，“看”到空中传播的信号等。
(二)积木化的教学：
比特实验室的主体构造都是积木化的。包括积木化的桌椅、积木化的电子模块、积木化的外形等。由于积木的灵活性，因此打破传统固化的课堂模式，取而代之的是可随意改变的、组合的、分散和集中相辅相成的多元化模式，使比特实验室的课堂因此变得新颖而奇特。
(三)个性化的作业：
没有最好，只有更好。比特实验室的作品不设立统一标准和答案，给学生一个自由想象的空间，培养学生的创新思维能力和动手能力，比特实验室的评分标准也是完全个性化的“只和自己的过去比较”，目的是让学生增强自信心、获得进取的勇气和发现自我，提供学生超越极限的发展空间。
(四)游戏化的过程：
搭建创意作品，培养思考力、训练创造力、养成专注力、激发想象力，配合故事、图片、名言、案例、还有轻松的课堂氛围，小组化的合作方式，使比特课堂像游戏一样充满愉悦和快乐。如果一个课堂可以让学生怀着愉悦的心情，带着微笑走进去，那么这个课堂就成功了。在比特实验室，我们就能看到学生的微笑，看到学生对成功的体验感。
(五)整合化的展示：
比特实验室的作品综合展示了学生各方面的能力：动手能力、思维能力、文学创作和想象能力、观察能力、团队合作和领导能力、语言表达能力和审美艺术能力等，是学生全面的科技和素质能力的一个综合表现。
物联网创新教育比特实验室已经在全国十多个省市的中小学和科技馆建立了示范基地，同时，比特实验室的出现教育模式也在美国硅谷苹果公司总部的两个小学、两个中学和两个校外活动机构成功开设了体验课，受到了老师和学生的一致好评。通过比特实验室把最前沿的物联网科技与创新人才的培养模式融汇在一起，特别是通过科技馆的展教活动，不仅使学生对物联网传感电子技术有了深刻的认识和理解，同时培养了青少年的动手、观察、思考和解决问题的能力，激发了他们的想象力、创造力、艺术灵感和勇于创新的精神，弥补了目前应试教育中对学生的个性发展、创造性思维、团队合作及沟通能力等关键情商能力培养的不足和缺陷，帮助学生找到适合自己发展的成功之路，使其在未来激烈的人才竞争中成为一个富有自信、激情和梦想，热爱生命和创造未来的有用之才。
作者简介：曹伟勋，博士，比特实验室创新教育研究中心、比特实验室创始人。地址：江苏省无锡市滨湖区滴翠路100号 创意产业园，530大厦2号楼1903室，邮编：214072，Email：wxcao@ieee.org
作者简介：高虹，内蒙古青少年科技中心主任。地址：内蒙古呼和浩特市新华大街70号。E-mail：nm_gaohong@163.com。
参考文献
[1]W. Cao, etc. "An innovative classroom produces innovative students", 2013 Frontiers in Education Conference, pp.1416-1418, Oct. 23-26, 2013, Oklahoma City， USA.
[2] 《什么是物联网?》, 中国信息产业网.2009.12.11.http://www.cnii.com.cn/20080623/ca599433.htm.
[3]李苗. 论科技馆展览教育活动在内容形式上的突破与创新[J]. (北京)科技馆国际论坛暨学术论文集, 2009, (4): 235-238.
[4] 曹伟勋. 物联网与创新教育[J]. 科技馆, 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.
比特实验室荣获2015年度全国科技馆发展奖“展品奖”，全国获得此奖的仅有3家企业，而比特实验室是全国科协系统首次获奖的创客空间，也是全国唯一的物联网创客空间。
比特实验室创始人曹伟勋博士于2015年12月17日在北京国际会议中心接受颁奖
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