基于 STEAM 教育理念的初中人工智能課程設計與實踐

《義務教育課程方案（2022 年版）》突出強調了跨學科主題學習的重要性，在提出強化課程的協同育人功能要求的同時，也要求強化學科實踐，積極開展主題化、項目式學習等綜合性教學活動，進而引導學生經歷發現問題、解決問題、建構知識、運用知識的過程，提高他們認識真實世界、解決真實問題的能力^[1]。但是，目前大部分人工智能教育更偏向于學生技能的培養。學生更多停留在模仿教師的階段，其應用和遷移多學科知識解決問題的能力無法得到培養。這不利于智能人才的養成。基于STEAM教育理念的跨學科項目學習，能夠展現出驅動性問題的認知過程和結構分析，讓學生在連續的實踐活動中激發出創造性的思維方式。這有助于學生建立起一套完整的學習機制，包括發現問題、分析問題、解決問題和拓展應用等方面。通過這種方式，學生可以掌握一般性的問題解決方法，并應用于解決生活中的實際問題，從而核心素養得到培養^[2]。本文以人工智能課程為依托，基于STEAM教育理念設計了跨學科項目“智能皮影戲”，并進行了教學實踐，通過項目主題和真實性問題鏈助力人工智能核心素養的落地。

一、基于STEAM教育理念的跨學科項目的優勢

（一）綜合跨學科知識與技能培養

通過跨學科項目，人工智能學科能夠融合科學、技術、工程、藝術和數學等多個領域的知識與技能。這種綜合性的學習方式使學生能夠從多個角度深入理解人工智能的原理和應用，掌握跨學科的知識體系。同時，它也有助于培養學生的綜合思維能力和解決問題能力，使他們能夠運用多種學科知識來應對人工智能領域的復雜挑戰。

（二）實踐與創新能力的提升

在人工智能學科的跨學科項目中，學生可以通過實踐探索、團隊協作和問題解決等活動，將所學知識應用于實際項目中。這種實踐性的學習方式能夠提升學生的動手能力和創新能力，激發他們的創造力和想象力。學生可以在項目中主動探索、發現問題并嘗試解決，從而培養獨立思考和解決問題的能力。同時，通過團隊協作，學生還能夠學會如何與他人合作、如何分工協作以及如何共同完成任務等技能。

（三） 綜合素質與高階思維的培養

基于STEAM教育理念的跨學科項目設計不僅注重學生的知識和技能培養，還注重對學生情感態度和價值觀的培養。通過參與項目學習，學生可以體驗到成功的喜悅和挫折的磨礪，從而自信心、耐心和毅力等綜合素質得到培養。同時，跨學科的項目學習也有助于培養學生的創新思維和批判性思維等高階思維能力。這些能力對于學生的未來職業發展和社會適應能力具有重要意義，可以幫助他們更好地應對復雜多變的社會環境和挑戰。

綜上所述，基于STEAM教育理念的跨學科項目在綜合跨學科知識與技能培養、實踐與創新能力的提升以及綜合素質與高階思維的培養等方面具有顯著優勢。這種教學模式有助于全面提高學生的綜合素質和創新能力，為他們未來的職業發展和社會適應能力奠定堅實的基礎。

二、基于STEAM教育理念的跨學科項目設計

（一）跨學科項目概況

中國皮影戲擁有超過兩千年的歷史，文化內涵豐富，流行范圍廣泛，是我國珍貴的非物質文化遺產。然而，由于多種因素，皮影戲面臨著傳播與保護力度不夠、傳承斷代、后繼乏人等多重困境。在本案例中，教師引導學生以項目小組為單位組建非遺宣傳大使團隊。項目小組需要宣傳我國非物質文化遺產——皮影戲。為了讓大家更好地了解皮影戲，項目小組首先需要為皮影人物設計服飾，將設計好的皮影人物打印制作，然后編寫皮影故事，同時準備在街頭放置皮影戲播放裝置。在本次項目活動中，項目小組需要結合物理、信息科技、人工智能、人文藝術等學科中的知識，通過知識的遷移分析問題、解決問題，進而完成項目任務。

（二）項目知識地圖分析與設計

該項目立足于我國非物質文化遺產的宣傳，引入人工智能技術，通過人臉識別實現皮影戲的智能播放。該項目共5課時，參與對象為七年級學生，他們已經具備一定的編程和人工智能學習基礎。項目中涉及的跨學科知識地圖如圖1所示。

（三）項目目標

本跨學科項目學習需確定兩個方面的目標：一是社會遷移目標，即培養學生知識遷移應用能力，并激發學生對中華優秀傳統文化的興趣和熱愛，增強文化自信；二是學科素養目標，即通過人工智能、人文藝術、物理等學科知識的融會貫通，學生可以利用數字化手段完成項目目標，培養他們的核心素養。具體目標如表1所示。

三、基于STEAM教育理念的跨學科項目實施

“智能皮影戲”跨學科項目以傳承我國非物質文化遺產為設計要點，基于STEAM教育理念從項目啟動、項目實施、成果共賞、多元評鑒等方面進行深入探究。具體教學流程如圖2所示。

（一）項目啟動，STEAM理念構思

教師基于STEAM理念創設關于皮影戲的真實學習情境——組建非遺宣傳大使團隊。通過視頻《中國傳統文化之皮影戲》，學生直觀地了解皮影戲的歷史淵源、制作原理及承載的深厚文化內涵，從而深刻認識到皮影戲宣傳的重要性。緊接著，學生打開國家中小學智慧教育平臺，自主觀看“皮影欣賞”目錄下的視頻，構思皮影故事。教師引導學生思考如何更有效地推廣和保護我國的皮影戲，以維護文化的多樣性。這極大地激發了他們對文化宣傳活動的探究熱情。

接下來，教師提供劇本范例和視頻資源，學生依據范例確定本組皮影戲故事主題，完成“皮影故事”文檔（如圖3）。這一學習過程不僅使學生深入領略皮影戲文化的魅力，還促進了他們語文寫作能力的提升。最后學生在組內分享各自的作品，探討皮影戲故事的合理性、可實現性以及智能皮影戲如何實現。這個過程中，學生需要運用數學知識規劃皮影戲播放裝置的結構，利用科學知識理解皮影戲的運動原理，通過編程技術實現裝置的自動播放功能。這不僅培養了學生的跨學科思維能力，還使他們在探究中實現了知識的遷移與運用。

（二）項目實施，技術協同推進

項目進入實施階段后，學生要利用多種技術手段助力項目完成。

1.皮影紋樣創繪

學生通過運用Photoshop軟件中的圖層蒙版功能，為皮影人物設計富有傳統韻味的服飾紋樣。小組內學生共同篩選出1到2件最具創意和代表性的作品，并將它們打印制作出來。學生將虛擬的設計轉化為實體的皮影人物服飾紋樣，這不僅檢驗了學生的設計成果，還為他們提供了將創意付諸實踐的機會。同時，通過對我國傳統紋樣的學習和應用，學生對這些文化遺產有了更深刻的認識，從而增強了他們的文化自信。

2.皮影動態演繹

學生通過信息化輔助平臺ITtools查看教師提供的腳手架（如圖4），從而構思項目實現的方式，同時思考皮影人物如何動起來。然后學生小組合作探究讓皮影戲自動播放所需的裝置，如電動機、智能攝像頭、主控板、樂高等硬件設施及編程軟件。通過觀看微課、聽教師講解電動機的工作原理以及電動機轉動需要考慮的因素（方向、轉速），學生理解了讓電動機轉動的編程語句。最后學生通過編程實現電動機帶動皮影人物的運動。在這個過程中，學生還需考慮皮影戲播放裝置與皮影的位置規劃。在該環節，學生根據項目介紹視頻梳理項目流程，使得目標任務越來越清晰。小組合作不僅鍛煉了學生的團隊協作能力，還讓他們學會了如何在團隊中發揮自己的優勢，共同解決問題。同時ITtools 平臺中的“錦囊妙計”也為后進生提供了有力的支持，幫助他們更好地參與到項目中來。

3.制作皮影戲智能播放裝置

教師進一步引導學生思考：我們該如何實現一個有人靠近時就自動播放皮影戲的裝置？用什么元器件進行人臉檢測？接下來，教師介紹人臉識別概念，并通過視頻展示，讓學生更直觀地理解什么是人臉識別以及人臉識別的過程。然后，教師提出問題：智能攝像頭一開始就會識別人臉嗎？通過類比嬰兒認識事物的方式，教師引導學生理解智能攝像頭同樣需要經過學習和訓練，進而讓學生初步理解圖像識別的基本原理。接下來，學生利用ITtools平臺提供的腳手架訓練智能攝像頭，并梳理任務邏輯，繪制任務流程圖，從而形成清晰的問題解決思路。最后，學生小組合作完成皮影戲智能播放裝置的制作（如圖5），并進行程序調試。在調試過程中，學生會發現攝像頭在離開人臉的瞬間，會出現人臉檢測錯誤的情況。此時學生需要利用ITtools平臺提供的“錦囊妙計”探究任務解決方案。通過不斷調試、優化程序，學生的編程調試能力和問題解決能力得到進一步提升。

（三） 成果共賞，創新成果分享

教師及時關注項目小組任務完成情況。每個子任務完成后都有一個展示交流環節，小組成員根據展示情況進一步完善子任務。最后教師組織召開作品展示及研討會，小組從故事背景、本組智能設備的優勢等方面展示自己的皮影戲。展示過程中教師及時總結，并引導其他學生對展示作品進行評價。參與展示的小組成員記錄展示中他人的意見和觀點（如圖6），以便后續進一步改進完善。

在該環節中學生展示與交流項目成果，這不僅是他們設計作品、創新思維和審美能力的展現，同時也是一個互相學習和啟發的過程。這樣的展示與交流活動，不僅有助于培養學生的表達能力、溝通能力和合作交流能力，還可以拓展學生的視野和思維方式。在這個過程中，教師通過觀察和評估學生的展示，能更全面地了解各組項目進展情況，從而進行有針對性的指導。

（四）多元評鑒，反思優化提升

開展跨學科項目教學不僅要關注學生知識掌握情況，更要關注學生創新能力和素養的提高。小組合作是人工智能課堂中常有的組織形式，有效的小組合作能體現學生在數字化環境中的自主學習能力。因此在本課的評價環節，學生通過ITtools平臺反饋任務進展情況，通過問卷星反饋小組合作情況 。教師將兩種評價結合，運用多種評價手段，以此檢驗學生學習成效，并從側面檢查學科核心素養的達成情況。在本文中，教師提供的學習評價表主要從任務完成情況、組內合作情況等維度評價。最后教師根據學生在課堂上的實時反饋進行終結性評價，實現小組合作評價的進一步升華。

該項目中各小組合作整體表現較好。以組內合作情況（如圖7）為例，在四個題目中，大多數學生都表示每個成員都能積極參與小組活動，每個成員都有明確的任務并能認真完成任務，小組成員能認真傾聽、互助互學，小組合作氛圍愉快、合作效果好。但也有個別學生在組內傾聽、互助互學以及合作氛圍方面不太滿意，教師將進一步關注。

四、結語

隨著社會的發展，傳統的人才培養模式將面臨嚴峻挑戰。智能時代的到來需要人工智能教育的支持，創新人才的發展則需要跨學科學習的推動。因此，教育事業應該致力于培養兼具人工智能和跨學科素養的創新型人才，使得學生面向未來的綜合能力得到提升^[3]。本文將人工智能與非物質文化遺產皮影戲相結合，基于STEAM教育理念設計了跨學科項目“智能皮影戲”。在該項目實施過程中，學生被賦予了更多自主探索的空間，教師鼓勵他們跳出傳統框架，勇于創新。學生利用數字化工具，在真實情境中合作探究，從梳理任務邏輯到形成解決方案，每一步都充滿了主動性與創造性。這一過程不僅培養了學生的計算思維，還促進了他們多學科知識的遷移與應用，構建了問題解決的有效策略，形成了問題解決的一般化方法。同時學生還能夠意識到利用科技弘揚中華優秀傳統文化的重要性和必要性，助推文化自信自強。在整個項目過程中，學生的核心素養得到了有效培養。

總之，學生在跨學科項目學習中拓寬了學習的場域，擁有更多的自主探索空間。學生可以利用數字化學習的工具，在真實情境中探索和尋找問題的解決方案，他們可以親身體驗到項目實施的整個過程，將知識從課內延伸至課外，體會到技術與非遺結合的魅力。

注 ：本文系福建省教育科學“十四五”規劃2023年度課題“單元視角下初中信息科技跨學科主題學習設計研究”（課題編號：FJJKZX23-524）、廈門市高中“提質增效”專項專家型教師課題“基于數字化學習與創新培養的中學信息學科學習評價研究”（課題編號：XMZJ2023106）的研究成果。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育課程方案：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 李剛.跨學科項目化學習的設計與教學實施：以“自制油量表”為例[J].物理教師，2023（9）：38-41.

[3] 梁云真，劉瑞星，高思圓.中小學“人工智能+X”跨學科融合教學：理論框架與實踐策略[J].電化教育研究，2022（10）：94-101.

（作者系福建省廈門市馬鑾灣實驗學校教師）

責任編輯：李媛