中職學校“STEM+創客”教學探究

劉海龍 陳冬冬

一、“STEM+創客”助力創新型人才培養

人工智能、大數據、云計算、移動互聯網、物聯網等新一代信息技術正與教育深度融合。與市場、就業密不可分的職業教育如何應對新形勢？職業學校如何革新教育教學范式？依筆者之見，職業學校不能只盯著操作技能類培訓，要引導學生從人工智能的享用者轉為人工智能的參與者、制造者。如何培養面向未來社會的創新型人才，探索教什么、學什么、怎么教、怎么學是“人工智能+教育”的重要研究課題^[1]。國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》為我國人工智能教育在職業教育階段的發展指明了方向。人工智能正逐步成為中職教育的重要教學內容之一。中職教師應注重學生邏輯思維能力、解決問題能力、動手能力、創新意識等素養的培養，要緊跟時代步伐，提高學生適應未來競爭的潛力。

STEM（科學、技術、工程和數學）教育與創客教育被視為推動教育變革的關鍵力量，是培養學生創新能力和實踐能力的最佳路徑之一^[2]。人工智能的融合豐富了STEM教育和創客教育的內涵，同時也為STEM教育和創客教育的創新發展注入了新鮮血液^[3]，為培養具有綜合創新能力和創新素養的創新型人才提供了有力的支撐，這與人工智能時代職教生的培養目標不謀而合。筆者將以“智能餐廳結算系統”為例，探索“STEM+創客”教學模式下中職學校人工智能教學方法與路徑。

二、“智能餐廳結算系統”課例分析

“智能餐廳結算系統”是東莞理工學校人工智能校本課程中的一課。教師講解人工智能相關知識、原理，指導學生運用人工智能技術解決生活中的問題，培養學生積極參與、勇于探索、樂于創新、勤于動手的習慣，提高學生的創造性思維能力和解決問題能力，發展學生的科學素養。筆者采用“STEM+創客”模式，以項目化的形式開展課程教學，引導學生使用人工智能技術的典型技術（計算機視覺識別、Python語言編程），制作一套能夠快速識別不同種類餐品的價格并自動計算總價的智能結算系統，以解決部分餐廳人工收付款不時出錯的問題。

（一）教學目標

1.知識與技能：①了解人工智能的基本分類和常見應用場景;②掌握基于Arduino的智能硬件系統的設計方法，熟悉人工智能技術的典型技術——計算機視覺識別、語音合成技術的應用方法;③掌握Python編程方法，通過編程實現對主控制器、人工智能模塊等智能硬件的驅動;④掌握數字設計與數字制造方法，學會三維設計與3D打印、平面設計與激光切割，設計并制作功能各異的結構模型;⑤理解圖像處理中的閾值分割原理。

2.過程與方法：①通過生活情境引出問題，明確任務;②教師引導學生分析問題并針對知識難點進行講解;③學生參與項目學習活動，分組合作進行創意、設計、結構搭建、電子控制和Python編程，完成制作任務。

3.情感態度與價值觀：①讓學生學習人工智能和Python編程知識，加深他們對人工智能的理解，提高他們設計人工智能作品的興趣，激發學生對人工智能技術的學習欲望;②培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，鍛煉學生的協作能力，提高學生的科學素養。

4.創造力：①借助數字化工具表達創意，開展結構、控制、程序方面的設計活動，培養學生的設計思維能力;②學生參與結構的設計和搭建活動，設計并操控電子控制系統，發展工程思維能力;③參與程序設計（Python編程）活動，提高計算思維能力;④設計并制作智能餐廳結算系統項目原型作品。

（二）基于“STEM+創客”模式的教學設計

筆者以建構主義和創新理論為依據，堅持“做中學”的理念，組織學生參與項目式學習和體驗式學習活動，充分發揮學生學習的主動性與能動性，引導學生圍繞生活中的情境（問題），分組合作，探究人工智能技術的應用，設計與制作作品，以新的視角和思維方式在實踐中探究、在探究中學習、在學習中建構，提升跨學科創新能力、解決問題能力^[4]?；凇癝TEM+創客”模式的教學設計模型如圖1所示。

“智能餐廳結算系統”是一個涉及新興信息技術集多學科知識于一體的項目，是人工智能課程教學的典型案例。該系統的開發涉及人工智能技術（如視覺識別、語音合成）、數字設計與制造、電子系統搭建、Python編程等技術，以及跨學科知識。教師在開展教學活動前，可按照教學模型來設計和組織教學活動。

1.基于生活實際，發現問題

科技發展深刻影響人們的生活。平時買東西時，大多數人采用微信或支付寶結賬，非常便利。目前一些餐廳仍然由服務員進行人工計算價格，收款，有時還出錯。市面上已有一種結算系統支持智能結算但存在不足。它通過在餐盤中放置感應芯片來快速識別，計算價格，但芯片容易因為餐盤接受高溫消毒而失效，成本較高。

教師結合社會現實提出問題，將學生所學知識與生活實際聯系起來，引導學生基于問題和需求確定項目作品要解決的問題和實現的功能。這與強調“做中學”的創客教育，在理念上異曲同工，都是以解決現實問題為導向，讓學生發現現實問題，尋求富有創意的解決方案并通過努力使之變成現實^[5]，發展學生創新思維能力和解決問題的能力。

2.分析問題，探究解決方式

項目作品的實現需要用到多學科知識。這個環節，教師組織學生以小組合作的形式進行探究，思考智能餐廳結算系統需要實現哪些功能，分析實現相關功能需要哪些技術及軟硬件設備，如何對作品原型進行功能驗證，引導學生利用多學科知識探索系列問題，提高分析問題、解決問題的能力。教學活動安排如下。

問題1：智能餐廳結算系統需要實現哪些功能？（科學）

活動：學生討論、歸納、總結。

結論：智能識別不同顏色的餐盤;播報價格;模擬掃碼支付;自動計算總價。

問題2：制作作品實現以上功能需要使用哪些技術手段和方法？（技術、工程、數學）

活動：探討作品實物化的呈現方式，選用材料;確定每個功能實現所需要的硬件設備及編程方式。

結論：采用平面設計與激光切割展現作品的主體結構，選用紋理自然、厚2 mm的膠合木板和厚2 mm的透明亞克力板制作。在作圖設計時需考慮智能硬件安裝的位置。餐盤可通過三維設計與3D打印方式制作。選取不用顏色的Pla打印耗材?；贏rduino的主控制器、人工智能模塊（計算機視覺模塊），以及其他輔助電子模塊設計電子系統。使用python編程語言編寫程序。

智能餐廳結算系統軟硬件材料：用于處理運行程序的Arduino主控板、用于識別餐盤顏色并計算價格及掃碼支付的計算機視覺模塊、LED燈圈、按鍵、電位器、MP3播放模塊、XH2.54 4pin電子連接線、鋰電池組、3D打印盤子、膠合木板/亞克力板、Python編程軟件。

拓展探究：應用閾值分割技術。

技術原理：運用圖像處理中的閾值分割方法，對圖像進行處理，將不同灰度級的像素分為不同的區域，進而進行操作識別，達到識別目標物體的目的。

問題3：結算效果的驗證如何？（數學）

活動：學生基于制作的餐廳模型，編寫好程序并上傳到Arduino主控制器后，在計價平臺上分別放置1個餐盤、隨機2個餐盤、3個餐盤，然后使用手機掃描模擬支付，分別記錄每次結算的數據，分析結算結果的有效性。

問題4：有哪些收獲？

活動：分享作品設計和制作的心得及實驗結果。

3.項目原型設計與制作

項目作品的設計與制作環節，教師的主要工作是引導學生使用前沿科技和新興技術手段解決創作過程中遇到的復雜問題，強調“造物”即真實作品（即實物化成果）的產出，強調“學習成果作品化”，讓學生體驗實物化、可視化的成果帶來的成就感，并在這一系列完整的制作過程中自然而然獲得知識與技能^[6]。項目作品的設計包含不同類型的挑戰性問題或任務。根據項目作品特性和實現功能，筆者將具體教學任務安排如下。

任務1：餐廳結構體的平面設計與激光切割。學生設計餐廳整體結構的外形時，使用平面設計制圖軟件AutoCAD繪圖，然后根據設計圖在教師的指導下操作激光切割機切割膠合木板和亞克力板，最后進行組裝。

任務2：餐盤模型的三維設計與3D打印。使用123D Design三維建模軟件設計餐盤外形，使用Cura軟件對模型進行切片處理，最后使用3D打印機打印。餐盤的顏色可根據選用的Pla打印材料而定。提供了黃色、紅色和藍色三種顏色的材料。

任務3：搭建電子控制系統并完成編程。將Arduino主控板、計算機視覺模塊、LED燈圈安裝到餐廳主體結構中，使用電子連接線實現Arduino主控與其他電子模塊的線路連接，并通電測試。

使用Python語言進行程序設計。Python語言是最接近人工智能的編程語言。使用Python語言進行編程，可以幫助學生更好地理解人工智能算法的實現過程。程序的功能實現可以分為兩部分：一是編程驅動計算機視覺模塊識別不同顏色;二是控制系統實現語音播報價格、感應餐盤、模擬掃碼支付等功能。程序流程如圖2所示。

任務4：測試作品的功能。打開電源，啟動系統，將餐盤放置在指定平臺。等計算機視覺模塊檢測到餐盤后，根據預設值識別相應的顏色，并按照對應的價格進行計算，模擬整個支付和結算流程，測試作品功能和結算效果（如圖3）。

完成項目作品的制作后，教師組織學生對作品原型進行驗證和展示，引導學生重新審視作品，促進知識遷移和拓展。當然，教學過程中的教學評價也是不可缺失的。

4.作品驗證與分享展示

完成上一環節后，教師組織學生對項目作品進行驗證，判斷是否實現預期功能：能否實現對不同顏色餐盤的智能識別，是否支持語音播報價格，是否可以模擬掃碼支付，能否自動計算總價。同時，組織學生現場展示并介紹作品，闡述作品設計與制作的思路，分享在創作過程中的心得體會、遇到的問題及解決思路、有無新的創意或想法。

5.評價反思

①作品的迭代優化。教師帶領學生重新審視作品，研討如何對作品進行升級改造、迭代優化。例如在材料、設備和時間不限的前提下，如何設計并制作一個可以商用的智能餐廳結算系統。

②拓展延伸與遷移應用。教師提出若干問題引導學生思考，項目作品設計制作所運用的方式方法、技術手段能否解決生活中其他問題，促進學生深層次思考，加深學生對人工智能知識和技能的理解，促進學生對知識的遷移。在這個過程中教師反復強化學生的創新思維、創新能力，提高學生的創新能力。

③教學效果評價。為了解學生的學習情況，筆者設計教學活動評價表對教學效果進行全面評價，以利于后續調整和改善教學策略，取得更佳的教學成效。教學活動評價包括自評、互評、師評。教學成效評價標準如下。

知識與技能：熟悉人工智能的核心技術和常見應用場景。學生能夠理解計算機視覺識別模塊、語音合成技術的工作原理;掌握Python編程工具的使用及Python語言基本的編程方法;熟練掌握平面制圖、3D制圖工具的使用方法，繪制2D、3D圖形并操作激光切割機、3D打印機，設計制作餐廳主體結構及餐盤。

創造力表現：能夠基于Arduino智能硬件，搭建智能餐廳電子系統。學生能夠通過Python編程實現對計算機視覺模塊的驅動，編寫價格播報、感應餐盤、模擬掃碼支付等程序;制作智能餐廳作品原型，實現智能識別、價格播報、模擬掃碼支付、自動計算總價等功能，并適當拓展。

協作能力：為設計制作智能餐廳作品，小組同伴之間相互配合，一起思考與探究。在制作智能餐廳作品原型環節，小組同伴之間能夠根據活動任務明確分工。作品實現過程中，遇到困難時，小組同伴間相互幫助。

解決問題能力：在規定的時間內完成任務，實現智能餐廳項目作品的制作及預期功能。遇到難題，能夠積極主動與同伴或教師交流，尋找解決問題的辦法。

三、總結與反思

筆者通過實際問題拋出話題，將應用前景很廣的人工智能技術引入課堂，讓學生體驗、感受當前新一代信息技術對人們生活、工作的影響，理解、掌握人工智能技術在不同領域的應用方法，激發學生對人工智能的學習欲望。教師堅持“學生主體、教師主導”的教學觀念科學組織教學活動：一方面，給學生充足的時間和機會，引導學生分析問題、分解問題，運用所學知識探求解決方案，尤其在作品的設計與制作環節，將科學、技術、工程、數學和藝術等多學科知識融合在一起，促進學生深層次學習，提高學生應用知識的能力和解決問題的能力;另一方面，在設計與制作作品過程中，針對學生獨特的創意、設計，教師及時鼓勵，當學生遇到問題，適時介入給予指導，保證教學活動正常開展。在成果分享和反思環節，教師對學生作品進行綜合評價，鼓勵學生對作品進行迭代升級和拓展創新，實現由實驗室作品到商用產品的轉換，提高學生的高階學習能力和高階思維能力。在教學效果評價環節，教師通過多種方式進行評價，掌握學生對知識內容的學習情況，評估學生思考探究、溝通協作、創造性解決問題的能力，同時發現學生新的問題和新的需求，為調整教學策略提供依據，為取得更好的教學效果作鋪墊。

對于中職學校和中職學生而言，人工智能是一個較新的領域。很多學校之前沒有開設相關課程，學生沒有或很少學習相關知識，教學難免存在不足：首先，學生不了解人工智能的相關原理、應用場景和發展方向，對人工智能的基礎知識缺乏積累且理解不深;其次，學習人工智能有較高的技術門檻，其中軟硬件技術的應用和算法的編程可能超出中職學生的認知范圍，讓學生感覺有難度;再次，學生在項目活動中表現出來的協作能力和分析問題與解決的能力也有些不足。筆者認為在中職學校開設人工智能課程需注意以下幾點：在課程案例的安排上，應以生活實際問題為切入點，立足學生已有知識與技能，激發學習興趣，培養學生跨學科解決問題的能力;在課程目標的設定上，需重視學生的學習需求、學習興趣，瞄準育人目標，加強對人工智能基礎知識、相關原理和技術應用方式方法的介紹和講解;在課程實施方面，堅持教師主導與學生主體相結合的原則，教師適時介入，充分挖掘學生潛力;在課程資源建設方面，在日常教學中積累人工智能相關資源，引導學生通過互聯網獲取人工智能相關知識。

注：本文系2020年度廣東省教育研究院第二批STEM教育專項研究（項目編號：GDJY-2020-S-b064）課題成果。

參考文獻

[1] 朱志萍.智能釋放：人工智能2.0時代教育的沖擊與改變——兼論人工智能賦能高等職業教育[J].中國職業技術教育，2021（1）：51-58.

[2] 王佑鎂，郭靜，宛平，等.設計思維：促進STEM教育與創客教育的深度融合[J].電化教育研究，2019（3）：34-41.

[3] 丁美榮，王同聚.人工智能教學中“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型的設計與應用[J].電化教育研究，2021（4）：108-114.

[4] 趙呈領，申靜潔，蔣志輝.一種整合創客和STEM的教學模型建構研究[J].電化教育研究，2018（9）：81-87.

[5] 楊現民，李冀紅.創客教育的價值潛能及其爭議[J].現代遠程教育研究，2015（2）：23-34.

[6] 滕嬌嬌，閆志明，張銘銳，等.STEM教育與創客教育辨析[J].現代教育技術，2019（11）：101-106.

（作者劉海龍系河南信陽學院講師;陳冬冬系廣東東莞理工學校教師）

責任編輯：祝元志