基于STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘要：本文結(jié)合“人臉識(shí)別門(mén)禁”項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐，開(kāi)展了基于STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)施，希望能啟發(fā)一線教師將人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)施向深處走、向?qū)嵦幾?，助力高中人工智能教育的落地推廣。

關(guān)鍵詞：STEAM；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；高中人工智能課程

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2023）10-0066-03

STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)充分融合STEAM教育與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，倡導(dǎo)創(chuàng)設(shè)真實(shí)有效的情境，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)與技能，在團(tuán)隊(duì)協(xié)作與激勵(lì)中，創(chuàng)造性地解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題。[1]這種教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以真實(shí)情境為驅(qū)動(dòng)，以學(xué)生活動(dòng)為中心，以團(tuán)隊(duì)協(xié)作為導(dǎo)向，以項(xiàng)目實(shí)施為載體，綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生的高階思維，提升綜合素養(yǎng)。

STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)融入高中人工智能教育的優(yōu)勢(shì)

1.更好地支持跨學(xué)科學(xué)習(xí)

高中人工智能課程的知識(shí)融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、腦科學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)，與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)緊密聯(lián)系，而STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)注重綜合性學(xué)習(xí)，更注重跨學(xué)科的融合。因此，采用STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式開(kāi)展高中人工智能課程教學(xué)，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的整體理解，提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的橫縱遷移能力，實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)與各學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通。

2.更好地實(shí)施合作探究

高中人工智能課程實(shí)施提倡靈活采用小組合作、實(shí)踐探究、項(xiàng)目學(xué)習(xí)等方式，開(kāi)展基于問(wèn)題、基于項(xiàng)目和基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生多視角思考問(wèn)題、學(xué)習(xí)知識(shí)、培養(yǎng)能力、解決問(wèn)題。STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)倡導(dǎo)學(xué)生在項(xiàng)目任務(wù)推進(jìn)過(guò)程中，主動(dòng)與同伴合作、溝通，提升計(jì)劃協(xié)調(diào)、組織管理與溝通交流能力，促進(jìn)問(wèn)題的解決。兩者結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神與合作意識(shí)，使其積極主動(dòng)參與到真實(shí)情境下的智能互動(dòng)學(xué)習(xí)活動(dòng)中，促進(jìn)學(xué)生人工智能核心素養(yǎng)的提升。

3.更好地促進(jìn)問(wèn)題解決

高中人工智能課程要求著眼于學(xué)生學(xué)習(xí)生活和當(dāng)前社會(huì)熱點(diǎn)，將知識(shí)的建構(gòu)、技能的培養(yǎng)與思維的發(fā)展融入運(yùn)用人工智能知識(shí)與技術(shù)解決真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中。[2]STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目情境的創(chuàng)設(shè)和項(xiàng)目活動(dòng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)符合學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和生活經(jīng)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生在真實(shí)的問(wèn)題情境中綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)形成方案，從而解決問(wèn)題。采用STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式開(kāi)展高中人工智能課程教學(xué)，可以幫助學(xué)生在項(xiàng)目活動(dòng)中主動(dòng)運(yùn)用人工智能解決問(wèn)題，并遷移到其他領(lǐng)域的問(wèn)題解決中。

基于STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)計(jì)

筆者以“人臉識(shí)別門(mén)禁”項(xiàng)目為例分4課時(shí)進(jìn)行實(shí)踐，并借助全國(guó)青少年人工智能科普資源包（Arduino智能控制）和ZMROBO-2.0軟件實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別相關(guān)功能。

1.依據(jù)真實(shí)情境，設(shè)計(jì)項(xiàng)目主題

項(xiàng)目主題的設(shè)計(jì)是STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)得以正常開(kāi)展的前提?；赟TEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)計(jì)第一步就是根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)，選取與人工智能相關(guān)的、真實(shí)有價(jià)值且有趣的問(wèn)題作為項(xiàng)目主題。在項(xiàng)目主題確定之后，教師融合與主題相關(guān)的多學(xué)科教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)式問(wèn)題與任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生帶著問(wèn)題去實(shí)踐，加深對(duì)知識(shí)的理解與掌握。

在“人臉識(shí)別門(mén)禁”項(xiàng)目教學(xué)中，筆者導(dǎo)入學(xué)生早晨刷臉入校、中午食堂刷臉支付等視頻片段，啟發(fā)學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際，列舉身邊的人臉識(shí)別應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，發(fā)布“人臉識(shí)別門(mén)禁”項(xiàng)目任務(wù)，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)?！叭四樧R(shí)別門(mén)禁”項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)涉及科學(xué)原理探析、工程結(jié)構(gòu)搭建、算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、作品創(chuàng)意裝飾、成果展示交流等過(guò)程，融合了多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，旨在提高學(xué)生對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用的能力。

2.團(tuán)隊(duì)頭腦風(fēng)暴，明確項(xiàng)目方案

STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)主張以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式開(kāi)展學(xué)習(xí)探索，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)與他人共處、交流與協(xié)作的能力。學(xué)生自由組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，并進(jìn)行角色分配（項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、資料搜集者、科學(xué)探究者等）。學(xué)生在明確任務(wù)分工與項(xiàng)目分解后，利用跨學(xué)科知識(shí)，圍繞項(xiàng)目任務(wù)開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，形成最終的項(xiàng)目方案。

在發(fā)布“人臉識(shí)別門(mén)禁”項(xiàng)目任務(wù)之后，筆者組織學(xué)生以4人為一組組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)（填寫(xiě)《項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)分工表》），同時(shí)向?qū)W生提供有關(guān)人臉識(shí)別技術(shù)的視頻、圖文等資料，并指導(dǎo)學(xué)生自主檢索獲取相關(guān)知識(shí)，幫助學(xué)生掌握人臉識(shí)別的技術(shù)原理，概括提煉出識(shí)別的過(guò)程與步驟，即“人臉圖像采集—人臉檢測(cè)—人臉圖像預(yù)處理—人臉特征提取—人臉匹配識(shí)別”，為后期進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施奠定理論基礎(chǔ)。在教師的幫助下，學(xué)生圍繞項(xiàng)目任務(wù)，通過(guò)頭腦風(fēng)暴的方式進(jìn)行方案探究和創(chuàng)意設(shè)計(jì)，如門(mén)禁使用環(huán)境與適用人群、門(mén)禁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)、外觀造型美化、作品文案設(shè)計(jì)等，經(jīng)過(guò)多次迭代后最終生成項(xiàng)目方案。

3.學(xué)科知識(shí)融合，推進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目實(shí)施是STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的中心環(huán)節(jié)，也是學(xué)生習(xí)得新知識(shí)與技能的必經(jīng)之路，其關(guān)鍵是利用跨學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的過(guò)程。高中人工智能課程內(nèi)容集合了多領(lǐng)域知識(shí)，促使學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中融合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)（工程、技術(shù)、編程、藝術(shù)等）進(jìn)行探索及問(wèn)題解決，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移和內(nèi)化。學(xué)生是項(xiàng)目實(shí)施的主體，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能被不斷挖掘，他們?cè)诮處煹囊龑?dǎo)下，通過(guò)團(tuán)隊(duì)科學(xué)探究、頭腦風(fēng)暴、交流討論、動(dòng)手實(shí)踐、創(chuàng)意制作等方式，將所學(xué)知識(shí)與技能遷移到項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，各方面能力與素質(zhì)都得到提升。[3]

在“人臉識(shí)別門(mén)禁”項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，筆者在講授Arduino智能控制中AI視覺(jué)模塊的功能、特點(diǎn)與編程技巧后，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)記錄人臉和讀取人臉I(yè)D的方法。學(xué)生根據(jù)既定的項(xiàng)目方案，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別門(mén)禁的功能。首先，針對(duì)門(mén)禁不同的應(yīng)用場(chǎng)景和人群，使用積木搭建門(mén)禁外觀；其次，利用日常生活中的常見(jiàn)物（如塑料瓶、紙箱、繩索等）作為裝飾美化外觀的材料，同時(shí)進(jìn)行AI視覺(jué)模塊、數(shù)碼管模塊、馬達(dá)的連接，完成人臉識(shí)別門(mén)禁硬件結(jié)構(gòu)的搭建；最后，通過(guò)ZMROBO-2.0軟件編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)“識(shí)別到記錄的人臉后就開(kāi)門(mén)，并且統(tǒng)計(jì)記錄進(jìn)門(mén)人數(shù)”的功能。作品的軟硬件完成后再進(jìn)行調(diào)試，直至完成項(xiàng)目任務(wù)。

4.分享交流匯報(bào)，展示項(xiàng)目成果

在項(xiàng)目作品完成后，教師要組織學(xué)生團(tuán)隊(duì)參與項(xiàng)目報(bào)告會(huì)：①團(tuán)隊(duì)內(nèi)部交流互通。團(tuán)隊(duì)成員對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的疑惑、問(wèn)題以及習(xí)得的知識(shí)技能進(jìn)行梳理、歸納和總結(jié)，并提煉具有典型性的問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)，供項(xiàng)目負(fù)責(zé)人組織參考。②項(xiàng)目成果展示交流。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人作為代表展示團(tuán)隊(duì)作品，總結(jié)收獲、遇到的問(wèn)題及解決辦法。③師生相融教學(xué)相長(zhǎng)。教師針對(duì)學(xué)生指出的問(wèn)題和困惑進(jìn)行重點(diǎn)講解，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用高階思維和藝術(shù)審美繼續(xù)完善項(xiàng)目作品，啟發(fā)學(xué)生形成積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，完成知識(shí)的拓展與應(yīng)用的遷移。

5.面向多元開(kāi)放，實(shí)施項(xiàng)目評(píng)價(jià)

STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)讓學(xué)生在開(kāi)放的環(huán)境中有沉浸式、多元化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，其評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)以發(fā)展科學(xué)工程基本素養(yǎng)為導(dǎo)向，面向?qū)W習(xí)的全過(guò)程，體現(xiàn)多元開(kāi)放性，以便更好地發(fā)揮其診斷、反饋、調(diào)節(jié)和激勵(lì)的功能。高中人工智能課程評(píng)價(jià)立足于人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)的培養(yǎng)目標(biāo)及課程理念，注重評(píng)價(jià)內(nèi)容的多維性、評(píng)價(jià)方式的多樣化、評(píng)價(jià)主體的多元化及評(píng)價(jià)工具的科學(xué)化，通過(guò)過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)與知識(shí)技能的掌握情況，在促進(jìn)學(xué)生人工智能素養(yǎng)發(fā)展的同時(shí)，指導(dǎo)教師進(jìn)行課程設(shè)計(jì)與實(shí)施的優(yōu)化完善。

“人臉識(shí)別門(mén)禁”項(xiàng)目評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)包括場(chǎng)景選擇的普適性、時(shí)間規(guī)劃的科學(xué)性、項(xiàng)目方案的合理性、作品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性以及結(jié)構(gòu)造型的藝術(shù)性等方面。采用學(xué)生自評(píng)、同伴互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)等方式開(kāi)展，運(yùn)用多種評(píng)價(jià)工具（如項(xiàng)目規(guī)劃書(shū)、團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)調(diào)查表、展示評(píng)價(jià)表等），對(duì)學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)過(guò)程中的興趣度、參與度、貢獻(xiàn)度、任務(wù)達(dá)成度，以及團(tuán)隊(duì)作品的外觀造型、技術(shù)創(chuàng)新、功能價(jià)值等進(jìn)行全面考量與評(píng)估。

結(jié)束語(yǔ)

STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)注重應(yīng)用數(shù)學(xué)思維解決工程、科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)變革。將STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)運(yùn)用于高中人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程中，借助身邊豐富多樣的智能應(yīng)用場(chǎng)景和案例，以技術(shù)和工程活動(dòng)為抓手，利用數(shù)學(xué)思維和藝術(shù)審美開(kāi)展教學(xué)，可以幫助學(xué)生掌握人工智能的基礎(chǔ)原理與技能，感悟人工智能學(xué)科方法與思想，理解人工智能的倫理與安全問(wèn)題[1]，有效促進(jìn)STEAM教育理念與高中人工智能教育實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、跨學(xué)科解決問(wèn)題等關(guān)鍵能力，促進(jìn)學(xué)生人工智能核心素養(yǎng)的發(fā)展，為培養(yǎng)智能時(shí)代人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。筆者堅(jiān)信，基于STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)施必定會(huì)給一線教師帶來(lái)更多的思考與啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖安慶.試論STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵與設(shè)計(jì)——以高中生物必修三“生態(tài)環(huán)境的保護(hù)”為例[C].中國(guó)科普研究所//中國(guó)科普理論與實(shí)踐探索——新時(shí)代公眾科學(xué)素質(zhì)評(píng)估評(píng)價(jià)專(zhuān)題論壇暨第二十五屆全國(guó)科普理論研討會(huì)論文集，2018：358-367.

[2]中小學(xué)人工智能課程指南課題組，江波.中小學(xué)人工智能課程指南[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：教育科學(xué)版，2023，41（03）：121-134.

[3]周靜，吳涵.項(xiàng)目化學(xué)習(xí)在高中Python編程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2020（20）：55-56.

基金項(xiàng)目：中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)青少年人工智能創(chuàng)新后備人才培育工程教科研項(xiàng)目“基于STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)施研究”（編號(hào)：HBRC-JKY-118）。