2024年1月2日发(作者：)

基于STEAM项目式学习的人工智能课程设计研究

摘要：基于STEAM项目式学习实施人工智能课程，是新时代培养拔尖创新人才的重要途径，将STEAM项目式学习理念融入高中阶段人工智能教育，有助于改善高中阶段人工智能教育面临的问题，助力培养智能时代的科技人才，推动基础教育教学改革。笔者通过文献研究了解STEAM项目式学习与人工智能课程的基本内涵，探究STEAM理念融入人工智能课程的切入点，并提出人工智能课程设计的关键要素，以期为人工智能课程研究提供些许参考。

关键词：STEAM；项目式学习；人工智能课程

一、STEAM项目式学习

STEAM是科学(Science) 、技术(Technology) 、工程(Engineering) 、艺术(Art) 和数学( Mathematics)的跨学科整合，旨在通过多元学科文化的融合创新，培养学生的创新思维与实践能力。项目式学习（Project based learning，简称PBL）是以建构主义为核心理念、以学生为中心的教学模式，通过项目驱动，把独立的学科问题进行统整融合，引导学生在项目式学习中解决复杂问题。STEAM的跨学科性、情境性的特点与项目式学习的理念交叠。因此，STEAM项目式学习是一项学生在活动参与、项目设计、问题解决中进行的跨学科实践活动，具有彰显时代特色、贴近社会生活、以跨学科任务为驱动、以实践为取向、注重合作学习等多方面特点。STEAM项目式学习是培养科技创新人才的重要依托，它以真实的问题为导向，通过STEAM项目式学习培养学生的问题意识、创新精神和科学素养。调查表明，当前仍有教师在STEAM项目式学习的理念、策略上存在困惑，提高教师对STEAM项目式学习的本质理解，对推进STEAM项目化学习的研究有着重要意义。

二、人工智能课程

《新一代人工智能发展规划》提出将人工智能课程引入基础教育学段，《普通高中信息技术课程标准》也在选修课中增加人工智能课程选项。国家重视人工智能课程的实施，目的在于全面提升学生的人工智能方面的信息素养，帮助学生掌握人工智能技术基础知识，增强意识，激发思维，提升应用与创造能力，培养社会责任，从而成为未来智能化社会的合格公民。调查表明，人工智能课程的开设能够对教育方法、教学环境产生一系列影响。教师引领学生体验和学习人工智能课程，学生的信息意识能够得到进一步加强，满足智能化社会的需求。而人工智能课程在高中阶段得以开展，对学生学习方式的个性化、多样化大有裨益，具有较高的研究价值。在中国知网以“STEAM+人工智能课程”检索，检索范围2004年到2022年，来源类别核心期刊，得到文献74篇，总体研究趋势如图1所示。若将检索范围进一步限定为中等教育，仅得到文献29篇，可以看出“STEAM+人工智能课程”的相关研究在基础教育中关注度不高，未来仍有较大研究空间。

图1 2004-2022年“STEAM+人工智能课程”相关主题的研究趋势

三、基于STEAM项目式学习的人工智能课程设计

STEAM项目式学习理念强调跨学科整合、在“做中学”、基于真实问题解决，其内涵都能够体现在人工智能教育之中，可以更好的帮助学生理解运用知识，培养创新意识、合作能力。涉及范围广、深度学习和跨界融合是人工智能课程的主要特征，在课程实施中采用理论知识和操作技能相结合的策略，相得益彰。同时人工智能课程难度偏大，使用传统讲授式教学效果并不明显，在高中阶段开展基于STEAM项目式学习理念的人工智能课程具有必要性。下面分别从课程内容和方法层面，阐述课程设计的关键要素。

（一）教学内容

基于STEAM项目式学习的理念，进行人工智能课程设计，要充分考虑到STEAM项目式学习和人工智能课程的内涵，深入的挖掘两者的契合之处，课程内容的设计上，需要考虑以下要素。

1.跨学科融合

跨学科融合是STEAM项目式学习的显著特点，在人工智能课程设计的视角下，STEAM项目式学习首先体现的是一种教育理念，同时在教学设计、教学策略、教学方法的层面也有独到之处。尽管人工智能课程本身是单独的一门课程，但结合STEAM项目式学习的理念，人工智能课程可以选择融合若干不同种类的学科内容，也可以选择以人工智能课程为中心，适当补充其他学科内容进行融合设计。

例如“3DOne智能设计”课程，主题为制作个性化台灯，教学内容融合了多种不同类型的学科知识，如数学中的三维坐标，艺术领域的外观设计，工程上的造型与建模，体现物理原理的稳固性，以及人工智能技术的创作设计等，充分体现了跨学科融合。

2.循序渐进

项目式学习是人工智能课程的主要组织形式，教学过程不是教师一味的灌输，而是要让学生参与到项目化学习中来，发挥他们的主观能动性。因此，在课程实施过程中，学生的学习离不开教师的正确引导，尤其是课程内容的合理安排，课程内容难度过大，学生的自主学习难以进行；课程内容过于容易，学生又会觉得索然无味。教师必须结合学生实际情况，进行人工智能课程的教学内容设计。总体原则是循序渐进，即先简单后困难，先基础后拓展，逐层深入，螺旋上升。

例如“智能浇水机器人”课程，教师首先应将整个项目划分为不同的子项目，引导学生实现分步处理，首先让学生明确智能浇水机器人的活动范围；接着引导学生共同讨论如何设计浇水模块，能够实现在指定的范围内自动浇水。最后才是编制程序控制智能浇水机器人的实际行动。

3.课程兴趣

趣味性是基于STEAM项目式学习的人工智能课程设计的重要原则之一。有趣的教学内容能够激发学生主动探究的热情，同时也会促进学生对人工智能课程本身的学习兴趣。STEAM项目式学习理念倡导儿童为中心的学习理论，强调学生在学习过程中的主动建构，教师的角色是组织者和引导者。相比其他理论性课程而言，基于STEAM项目式学习的人工智能课程资源丰富，教师有广泛的选择空间。

例如：《App Inventor趣味编程》课程，学生在选择这门课程时往往看中“趣味”二字，教师在进行课程设计时，应充分考虑到这一点，课程内容优先选取学生熟悉的老师、同学甚至校园生活中常见的事物，通过文字、图像、视频等多种形式进行呈现，极大地引起学生的学习兴趣。

（二）教学方法

教学方法的有效选择是基于STEAM项目式学习的人工智能课程能否有效实施的关键所在，教师应根据不同的教学内容，选择合适的教学方法，常见的适用于人工智能课程的教学方法有如下三种：

1.探究法

探究法又叫“发现法”，是基于STEAM项目式学习的人工智能课程教学过程中常用方法之一。该方法可以有效引导学生参与到项目式学习中来，教师在课程实施过程中一定要具有问题意识，高质量的问题可以引导学生主动探究，积极寻找解决问题的方法与步骤，从而掌握相关的知识与技能，促进创新思维和实践能力的发展，实现个体的全面发展。

2.讨论法

讨论法，即学生通过讨论或辩论的方式，针对某个现象或者问题，表达各自的观点，在交流中丰富原有认知结构，加深对知识的理解。讨论法可以起到头脑风暴的作用，有助于学生发散思维能力的培养。但前提是学生已经具备了一定的基础和能力。对基于STEAM项目式学习的人工智能课程而言，讨论法更适合在课程学习的中后期使用，使用过程中教师要把控讨论方向，防止学生偏离原本的讨论主题，进而影响到课程学习。

3.合作法

合作法是一种具有共同目标、明确分工、互助共赢的学习方式。一般建议根据学生的学习兴趣和认知水平进行异质分组。在人工智能课程学习的过程中，学生间、师生间的共同讨论，往往会启发对方的思维向新的领域发展，形成新视角，生成新问题。人工智能课程中的实践活动尤其适合采用合作法来完成，有利于培养学生的合作精神。

参考文献：

[1]国发[2017]35号，新一代人工智能发展规划[Z].

[2]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：9-10.

[3]熊璋，吴建锋.普通高中信息技术课程必修1中的人工智能[J].中国信息技术教育，2020，(11)：22-24.

本文系中国自动化学会青少年人工智能创新后备人才培育工程教科研项目《基于STEAM项目式学习的高中人工智能课程设计与实施研究》（编号：HBRC-JKY-118）的研究成果。