淺談基于STEAM 教育的中學(xué)生人工智能項(xiàng)目
——以林芝一中為例

西藏林芝市第一中學(xué) 吳 廣

2017 年7 月，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出，實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)校設(shè)置人工智能課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣。支持開展人工智能競(jìng)賽，鼓勵(lì)進(jìn)行形式多樣的人工智能科普創(chuàng)作。基于國家出臺(tái)的宏觀教育方針政策，我們的中小學(xué)科技創(chuàng)新教育必須對(duì)接國家戰(zhàn)略，致力于每一個(gè)學(xué)生的全面發(fā)展，提升學(xué)生核心素養(yǎng)，早日服務(wù)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，使我們中華民族早日并再次立于世界民族之巔。

一、STEAM 教育簡(jiǎn)介

STEAM 教育即：科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的多學(xué)科融合教育模式，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)等。STEAM 教育打破了學(xué)科壁壘，為提升學(xué)生的綜合素質(zhì)提供了溫床，它其實(shí)是對(duì)基于標(biāo)準(zhǔn)化考試的傳統(tǒng)教育理念的轉(zhuǎn)型，它代表著一種現(xiàn)代的教育哲學(xué)，更注重學(xué)習(xí)的過程，而不是結(jié)果。本質(zhì)上來說，老師們敢于讓學(xué)生們犯錯(cuò)，讓大家嘗試不同的想法，讓大家聽到不同的觀點(diǎn)。與考試相反的，我們希望大家創(chuàng)造能夠應(yīng)用于真實(shí)生活的知識(shí)。所以STEAM 教育不是在桌椅整齊的教室上課，而是在充滿木板、銼刀、畫筆、電線、電路板、芯片、3D 打印機(jī)以及各種奇怪教育科技產(chǎn)品的工作坊。

二、人工智能簡(jiǎn)介

人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能與人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。在中小學(xué)開展人工智能教育，可以依托教育機(jī)器人、寓教于樂的編程軟件進(jìn)行活動(dòng)項(xiàng)目開發(fā)和推廣。

三、教育資源

我校現(xiàn)已配有以下活動(dòng)器材：STEAM&創(chuàng)客教育社團(tuán)臺(tái)式機(jī)3 臺(tái)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室筆記本電腦30 臺(tái)。中山創(chuàng)客教育項(xiàng)目開源電子套件（30 套）、3D 打印機(jī)（1 臺(tái)）、樂高機(jī)器人套裝（6 套）、單片機(jī)與控制電路套件（28套）、簡(jiǎn)易機(jī)器人套裝（28 套）、人形機(jī)器人25 套+體感機(jī)器人2 套+S1 和E1 創(chuàng)客套件50 套（廣州智信信息科技有限公司提供）。

四、方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有器材、設(shè)備，我校共開發(fā)了9 個(gè)分活動(dòng)項(xiàng)目，鑒于文章篇幅限制，本文主要介紹其中的3 個(gè)項(xiàng)目。

（一）KC—LOGO 語言編程寫字、畫圖（虛擬仿真機(jī)器人）項(xiàng)目

本項(xiàng)目活動(dòng)的開展也只需具備可以上網(wǎng)的電腦即可，學(xué)生可以百度“http://www.stkuaichang.com/”， 找到KC-logo 編程平臺(tái)，點(diǎn)擊下載鏈接（約7MB），解壓縮后，安裝。該軟件的編程語言簡(jiǎn)單易學(xué)，比如讓機(jī)器人前進(jìn)40 步，可以在程序編輯區(qū)域輸入：fd 40，讓機(jī)器人右轉(zhuǎn)90 度，可以在程序編輯區(qū)域輸入：rt 90。這樣就很容易讓機(jī)器人寫出第一個(gè)字：口。其他可以書寫的比如：田、工、王、十、士、吉等字。控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的角度后，就可以讓機(jī)器人畫圖了，比如正三角形（前進(jìn)50、右轉(zhuǎn)120，重復(fù)3次）、正四邊形、正五邊形、正六邊形、圓形等圖形。

本活動(dòng)編程語言簡(jiǎn)單易學(xué)、任務(wù)簡(jiǎn)單有趣，贏得學(xué)生一致的好評(píng)，其對(duì)學(xué)生的技術(shù)、信息素養(yǎng)的培養(yǎng)比較到位。本項(xiàng)目比較簡(jiǎn)單，適合中小學(xué)生。

當(dāng)然，虛擬仿真機(jī)器人還有一個(gè)比較出名的，即：蘿卜圈機(jī)器人。我們可以百度“http://www.irobotq.com/”，然后注冊(cè)登錄irobotq 3D 在線仿真機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)的注冊(cè)及客戶端的下載跟手機(jī)上安裝APP 并注冊(cè)一樣簡(jiǎn)單。進(jìn)入平臺(tái)后，平臺(tái)有一些簡(jiǎn)單活動(dòng)的教程，諸如如何使用平臺(tái)、如何搭建虛擬機(jī)器人、如何給機(jī)器人編程等。搭建機(jī)器人的關(guān)鍵在于從任務(wù)出發(fā)，選擇合適的控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳感器，然后就像用零散的元件組裝整機(jī)。編程的關(guān)鍵在于合理運(yùn)用循環(huán)和判斷語句，將傳感器獲取的參數(shù)傳輸給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

（二）基于Arduino 的創(chuàng)客教育項(xiàng)目

本項(xiàng)目屬于單片機(jī)（簡(jiǎn)易機(jī)器人核心控件）項(xiàng)目，基于Arduino 電子開源軟件平臺(tái)。開源軟件即開放源代碼軟件，它被定義為描述其源碼可以被公眾使用的軟件。本項(xiàng)目用圖形化編程軟件“mixly”對(duì)arduino 主控板進(jìn)行編程，使得主控板能夠控制聲、光及伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)一些預(yù)設(shè)功能。本項(xiàng)目所使用的電子元件比較簡(jiǎn)單，但是可以開發(fā)學(xué)生們的想象力，他們可以創(chuàng)造性地應(yīng)用簡(jiǎn)單元件制作出稍復(fù)雜的器件，這個(gè)過程中，可以開發(fā)學(xué)生們的創(chuàng)造力和動(dòng)手能力。本項(xiàng)目的編程軟件為圖形化的編程軟件，可以讓編程零基礎(chǔ)的學(xué)生學(xué)會(huì)編輯簡(jiǎn)單程序，并且實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。我校本項(xiàng)目硬件為：中山創(chuàng)客教育項(xiàng)目開源電子套件和廣州智信信息科技有限公司開發(fā)的S1 和E1 創(chuàng)客套件。本項(xiàng)目對(duì)學(xué)生的科學(xué)、工程、技術(shù)、信息素養(yǎng)的培養(yǎng)比較到位。本項(xiàng)目難度稍大，適合高中生。

（三）益智小游戲程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目

本項(xiàng)目采用Scratch 和萌萌編程軟件，分別開發(fā)益智小游戲，我所在學(xué)校在每周一次的社團(tuán)活動(dòng)中，均在開設(shè)萌萌編程課程，已經(jīng)開發(fā)了“極品飛車、抓蜻蜓、動(dòng)量守恒的小球、闖迷宮”等小游戲。在初步看懂程序以后，學(xué)生們發(fā)揮自己的聰明才智，更改程序參數(shù)，使得游戲千變?nèi)f化。

該項(xiàng)目對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)、藝術(shù)和信息素養(yǎng)的培養(yǎng)比較到位，設(shè)計(jì)有難有易，適合在中小學(xué)生群體中開展。

以上3 個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，只做了簡(jiǎn)單的介紹，具體實(shí)施方案還需自行設(shè)計(jì)并完善。

五、實(shí)踐操作

（一）開展形式：社團(tuán)、綜合實(shí)踐活動(dòng)，或者人工智能教育活動(dòng)。

（二）對(duì)象及人數(shù)：可以以興趣小組的形式進(jìn)行綜合實(shí)踐活動(dòng)，可以以班級(jí)為集體進(jìn)行人工智能活動(dòng)教學(xué)。

（三）主觀條件（人力資源）：數(shù)學(xué)、科學(xué)、物理、信息技術(shù)、通用技術(shù)等學(xué)科老師均可指導(dǎo)開展STEAM&創(chuàng)客教育活動(dòng)。要求指導(dǎo)教師具有一定的研究水平，掌握相當(dāng)?shù)募夹g(shù)教育理論，專業(yè)技術(shù)適合指導(dǎo)學(xué)生開展各項(xiàng)教育活動(dòng)。

過程實(shí)施：教師完善教育方案后，按照方案展開實(shí)踐活動(dòng)。

六、評(píng)價(jià)方式

在針對(duì)每個(gè)活動(dòng)設(shè)計(jì)出詳細(xì)的方案后，從STEAM 教育核心素養(yǎng)方面設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，參與實(shí)踐活動(dòng)的學(xué)生需要對(duì)每個(gè)活動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐，力求每個(gè)項(xiàng)目都能讓其充分體驗(yàn)并記錄下活動(dòng)過程，以期獲得較深刻的STEAM暨人工智能體驗(yàn)。每個(gè)分活動(dòng)項(xiàng)目均可以量身定制一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，除此之外，還可以在每次活動(dòng)結(jié)束后，要求每個(gè)成員書寫活動(dòng)反思。

七、結(jié)語

虛擬仿真機(jī)器人、基于Arduino的創(chuàng)客項(xiàng)目和益智小游戲的程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目等對(duì)學(xué)生關(guān)于編程、關(guān)于數(shù)據(jù)的處理要求很高，這在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)理思維和對(duì)信息處理的能力（信息素養(yǎng)）；學(xué)生關(guān)于虛擬機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型的搭建和設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了技術(shù)、工程中的一些知識(shí)，學(xué)生從中能獲得對(duì)技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)；學(xué)生關(guān)于作品外觀方面和視覺效果方面的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了藝術(shù)思想，這對(duì)學(xué)生藝術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)提供了溫床。總體來看，通過該方案所述之活動(dòng)的開展，能夠讓學(xué)生在潛移默化中提高STEAM 核心素養(yǎng)，這正是本活動(dòng)基于STEAM教育的原因所在。

本活動(dòng)圍繞編程展開，可以說，在充分培養(yǎng)學(xué)生的STEAM 素養(yǎng)的同時(shí)，又讓學(xué)生充分地體驗(yàn)了人工智能教育，二者相互促進(jìn)、共同融合發(fā)展，取得1+1＞2 的效果。在實(shí)踐中，以編程教育為契機(jī)，綜合工程、技術(shù)等方面的知識(shí)，教師開發(fā)出寓教于樂的STEAM 與人工智能融合項(xiàng)目，讓學(xué)生在實(shí)踐過程中，對(duì)控制、仿真模擬等有越來越深刻的認(rèn)識(shí)，當(dāng)他們?cè)诩依铩⒃谏鐣?huì)中接觸到類似的場(chǎng)景，他就會(huì)試著用實(shí)踐活動(dòng)中培養(yǎng)的能力去思考和解決問題，以期讓他們?cè)谌斯ぶ悄軙r(shí)代里更好地生存。時(shí)代在變革，教育也在變革，人工智能作為信息技術(shù)的發(fā)展分支，將會(huì)為未來教育的變革帶來重要影響。