基于STEAM項目式學習的高中人工智能課程設計與實施

摘要：本文結合“人臉識別門禁”項目教學實踐，開展了基于STEAM項目式學習的高中人工智能課程設計與實施，希望能啟發一線教師將人工智能課程設計與實施向深處走、向實處做，助力高中人工智能教育的落地推廣。

關鍵詞：STEAM；項目化學習；高中人工智能課程

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）10-0066-03

STEAM項目式學習的內涵

STEAM項目式學習充分融合STEAM教育與項目式學習的優勢，倡導創設真實有效的情境，引導學生綜合運用科學、技術、工程、藝術和數學等學科領域的知識與技能，在團隊協作與激勵中，創造性地解決現實生產、生活和學習中遇到的問題。[1]這種教學模式強調以真實情境為驅動，以學生活動為中心，以團隊協作為導向，以項目實施為載體，綜合運用知識解決實際問題，發展學生的高階思維，提升綜合素養。

STEAM項目式學習融入高中人工智能教育的優勢

1.更好地支持跨學科學習

高中人工智能課程的知識融合了計算機科學、腦科學、生物學等領域的知識，與云計算、大數據、物聯網等技術緊密聯系，而STEAM項目式學習注重綜合性學習，更注重跨學科的融合。因此，采用STEAM項目式學習方式開展高中人工智能課程教學，可以促進學生對所學內容的整體理解，提升學生對知識的橫縱遷移能力，實現人工智能技術與各學科知識的融會貫通。

2.更好地實施合作探究

高中人工智能課程實施提倡靈活采用小組合作、實踐探究、項目學習等方式，開展基于問題、基于項目和基于設計的學習，讓學生多視角思考問題、學習知識、培養能力、解決問題。STEAM項目式學習倡導學生在項目任務推進過程中，主動與同伴合作、溝通，提升計劃協調、組織管理與溝通交流能力，促進問題的解決。兩者結合，有利于培養學生的團隊精神與合作意識，使其積極主動參與到真實情境下的智能互動學習活動中，促進學生人工智能核心素養的提升。

3.更好地促進問題解決

高中人工智能課程要求著眼于學生學習生活和當前社會熱點，將知識的建構、技能的培養與思維的發展融入運用人工智能知識與技術解決真實問題的過程中。[2]STEAM項目式學習強調項目情境的創設和項目活動的設計，應符合學生的學習習慣和生活經驗，鼓勵學生在真實的問題情境中綜合運用多學科知識形成方案，從而解決問題。采用STEAM項目式學習方式開展高中人工智能課程教學，可以幫助學生在項目活動中主動運用人工智能解決問題，并遷移到其他領域的問題解決中。

基于STEAM項目式學習的高中人工智能課程設計

筆者以“人臉識別門禁”項目為例分4課時進行實踐，并借助全國青少年人工智能科普資源包（Arduino智能控制）和ZMROBO-2.0軟件實現人臉識別相關功能。

1.依據真實情境，設計項目主題

項目主題的設計是STEAM項目式學習得以正常開展的前提。基于STEAM項目式學習的高中人工智能課程設計第一步就是根據學生的現實經驗，選取與人工智能相關的、真實有價值且有趣的問題作為項目主題。在項目主題確定之后，教師融合與主題相關的多學科教學內容，創設教學情境，并設計驅動式問題與任務，引導學生帶著問題去實踐，加深對知識的理解與掌握。

在“人臉識別門禁”項目教學中，筆者導入學生早晨刷臉入校、中午食堂刷臉支付等視頻片段，啟發學生聯系生活實際，列舉身邊的人臉識別應用場景。同時，發布“人臉識別門禁”項目任務，讓學生明確學習目標。“人臉識別門禁”項目的實現涉及科學原理探析、工程結構搭建、算法設計實現、作品創意裝飾、成果展示交流等過程，融合了多學科領域知識，旨在提高學生對知識綜合運用的能力。

2.團隊頭腦風暴，明確項目方案

STEAM項目式學習主張以團隊協作的方式開展學習探索，引導學生培養與他人共處、交流與協作的能力。學生自由組建項目團隊，并進行角色分配（項目負責人、資料搜集者、科學探究者等）。學生在明確任務分工與項目分解后，利用跨學科知識，圍繞項目任務開展頭腦風暴，形成最終的項目方案。

在發布“人臉識別門禁”項目任務之后，筆者組織學生以4人為一組組建項目團隊（填寫《項目團隊分工表》），同時向學生提供有關人臉識別技術的視頻、圖文等資料，并指導學生自主檢索獲取相關知識，幫助學生掌握人臉識別的技術原理，概括提煉出識別的過程與步驟，即“人臉圖像采集—人臉檢測—人臉圖像預處理—人臉特征提取—人臉匹配識別”，為后期進行項目實施奠定理論基礎。在教師的幫助下，學生圍繞項目任務，通過頭腦風暴的方式進行方案探究和創意設計，如門禁使用環境與適用人群、門禁結構設計、系統算法設計、外觀造型美化、作品文案設計等，經過多次迭代后最終生成項目方案。

3.學科知識融合，推進項目實施

項目實施是STEAM項目式學習的中心環節，也是學生習得新知識與技能的必經之路，其關鍵是利用跨學科知識解決問題的過程。高中人工智能課程內容集合了多領域知識，促使學生在項目實施過程中融合應用多學科知識（工程、技術、編程、藝術等）進行探索及問題解決，實現知識的遷移和內化。學生是項目實施的主體，在項目實施過程中學生的學習潛能被不斷挖掘，他們在教師的引導下，通過團隊科學探究、頭腦風暴、交流討論、動手實踐、創意制作等方式，將所學知識與技能遷移到項目實施的過程中，各方面能力與素質都得到提升。[3]

在“人臉識別門禁”項目實施過程中，筆者在講授Arduino智能控制中AI視覺模塊的功能、特點與編程技巧后，帶領學生學習記錄人臉和讀取人臉ID的方法。學生根據既定的項目方案，綜合運用多學科知識實現人臉識別門禁的功能。首先，針對門禁不同的應用場景和人群，使用積木搭建門禁外觀；其次，利用日常生活中的常見物（如塑料瓶、紙箱、繩索等）作為裝飾美化外觀的材料，同時進行AI視覺模塊、數碼管模塊、馬達的連接，完成人臉識別門禁硬件結構的搭建；最后，通過ZMROBO-2.0軟件編寫程序，實現“識別到記錄的人臉后就開門，并且統計記錄進門人數”的功能。作品的軟硬件完成后再進行調試，直至完成項目任務。

4.分享交流匯報，展示項目成果

在項目作品完成后，教師要組織學生團隊參與項目報告會：①團隊內部交流互通。團隊成員對項目實施過程中的疑惑、問題以及習得的知識技能進行梳理、歸納和總結，并提煉具有典型性的問題和經驗，供項目負責人組織參考。②項目成果展示交流。項目負責人作為代表展示團隊作品，總結收獲、遇到的問題及解決辦法。③師生相融教學相長。教師針對學生指出的問題和困惑進行重點講解，鼓勵學生運用高階思維和藝術審美繼續完善項目作品，啟發學生形成積極的學習態度，完成知識的拓展與應用的遷移。

5.面向多元開放，實施項目評價

STEAM項目式學習讓學生在開放的環境中有沉浸式、多元化的學習體驗，其評價強調以發展科學工程基本素養為導向，面向學習的全過程，體現多元開放性，以便更好地發揮其診斷、反饋、調節和激勵的功能。高中人工智能課程評價立足于人工智能課程標準的培養目標及課程理念，注重評價內容的多維性、評價方式的多樣化、評價主體的多元化及評價工具的科學化，通過過程性評價和終結性評價全面了解學生的學習狀態與知識技能的掌握情況，在促進學生人工智能素養發展的同時，指導教師進行課程設計與實施的優化完善。

“人臉識別門禁”項目評價的標準包括場景選擇的普適性、時間規劃的科學性、項目方案的合理性、作品設計的創新性以及結構造型的藝術性等方面。采用學生自評、同伴互評、教師點評等方式開展，運用多種評價工具（如項目規劃書、團隊貢獻調查表、展示評價表等），對學生完成項目任務過程中的興趣度、參與度、貢獻度、任務達成度，以及團隊作品的外觀造型、技術創新、功能價值等進行全面考量與評估。

結束語

STEAM項目式學習注重應用數學思維解決工程、科學與技術問題，是實現讓學生在真實情境中發現問題、提出問題、分析問題、解決問題的學習變革。將STEAM項目式學習運用于高中人工智能課程設計與實施過程中，借助身邊豐富多樣的智能應用場景和案例，以技術和工程活動為抓手，利用數學思維和藝術審美開展教學，可以幫助學生掌握人工智能的基礎原理與技能，感悟人工智能學科方法與思想，理解人工智能的倫理與安全問題[1]，有效促進STEAM教育理念與高中人工智能教育實踐的有機結合，培養學生科學探究、跨學科解決問題等關鍵能力，促進學生人工智能核心素養的發展，為培養智能時代人才奠定堅實基礎。筆者堅信，基于STEAM項目式學習的高中人工智能課程設計與實施必定會給一線教師帶來更多的思考與啟發。

參考文獻：

[1]肖安慶.試論STEAM項目式學習的內涵與設計——以高中生物必修三“生態環境的保護”為例[C].中國科普研究所//中國科普理論與實踐探索——新時代公眾科學素質評估評價專題論壇暨第二十五屆全國科普理論研討會論文集，2018：358-367.

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

[3]周靜，吳涵.項目化學習在高中Python編程教學中的應用[J].中國信息技術教育，2020（20）：55-56.

基金項目：中國自動化學會青少年人工智能創新后備人才培育工程教科研項目“基于STEAM項目式學習的高中人工智能課程設計與實施研究”（編號：HBRC-JKY-118）。