王淑麗

摘 要：基于人工智能項目的STEM學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生通過實踐活動，在真實的情境中，為學(xué)生提供機會，讓學(xué)生專注于生活，投入到讓學(xué)生感覺到滿足而值得從事的活動中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)素養(yǎng)。本論文以人工智能項目為例，來分析基于項目的STEM學(xué)習(xí)，在初中科學(xué)課上發(fā)揮的獨特魅力。

關(guān)鍵詞：基于人工智能項目的STEM學(xué)習(xí)；科學(xué)思維

隨著課程改革的不斷推進和深化，STEM教育正以其不同于分科教學(xué)的跨學(xué)科整合課程的方式受到極大關(guān)注。我國的STEM教育仍處于初級階段，課程資源嚴(yán)重不足，而花費大量資金引進國外的原版STEM課程資源，又難免“水土不服”。為了解決課程資源不足的問題并實現(xiàn)STEM教育的本土化，筆者嘗試把傳統(tǒng)的人工智能類校本課程打造成具有鮮明STEM特征的課程資源，并開展了相關(guān)實踐研究，總結(jié)歸納了一些行之有效的方法和措施。

一、明確STEM教育的核心特征

綜合國內(nèi)學(xué)者對于STEM教育的研究，可將其核心特征歸納為以下九個方面。

一是跨學(xué)科，這是STEM教育最重要的核心特征，它意味著教育的重點不在某個特定學(xué)科上，而是將重心放在特定的問題上，強調(diào)綜合利用多門學(xué)科的知識來解決問題。

二是趣味性，STEM教育重視分享和創(chuàng)造，強調(diào)使學(xué)生能夠從分享和創(chuàng)造的過程中獲得樂趣與成就感。

三是體驗性，強調(diào)學(xué)生以動手、動腦的方式參與學(xué)習(xí)活動，在這種體驗式的過程中，不僅獲得“陳述性知識”，還習(xí)得蘊含在項目問題解決過程中的“程序性知識”。

四是情境性，STEM教育不直接傳授學(xué)生學(xué)科知識，而是鼓勵把知識還原于生活，常以生活中面臨的實際挑戰(zhàn)作為問題情境，激發(fā)學(xué)生綜合運用多種知識解決實際問題。

五是協(xié)作性，特別強調(diào)通過團隊成員之間的互相幫助和互相啟發(fā)進行群體知識建構(gòu)，往往采用小組合作方式，共同搜集、共享、分析或處理信息，提出多種假設(shè)并展開驗證，評價也更多地針對團隊而非個人。

六是設(shè)計性，要求學(xué)習(xí)產(chǎn)出環(huán)節(jié)要包含設(shè)計作品，通過設(shè)計促進知識的融合與遷移，通過作品外化學(xué)習(xí)的結(jié)果，外顯習(xí)得的知識和能力。設(shè)計作品的質(zhì)量可以體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維、靈活運用技術(shù)和綜合運用知識的能力水平。

七是藝術(shù)性，強調(diào)在工程設(shè)計過程中體現(xiàn)美感，提高作品的藝術(shù)性。

八是實證性，這不僅是STEM教育的一個特征，更是科學(xué)區(qū)別于其他學(xué)科的重要特征，強調(diào)基于證據(jù)驗證假設(shè)，以實事求是、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的科學(xué)態(tài)度來開展研究。

九是技術(shù)增強性，STEM教育強調(diào)學(xué)習(xí)者要具備一定的技術(shù)素養(yǎng)，要求習(xí)得并較熟練掌握技術(shù)手段，從而利用技術(shù)實現(xiàn)創(chuàng)意，將構(gòu)想形象化，創(chuàng)造制作形成實物作品[1]。傳統(tǒng)的人工智能類校本課程往往只強調(diào)某一類技術(shù)的傳授，或者根據(jù)某一載體以特定內(nèi)容和固定方式開展動手實踐活動，雖然也具有活動內(nèi)容有趣、鼓勵學(xué)生小組合作、指導(dǎo)學(xué)生動手制作等特點，但往往不能完全涵蓋以上所提及的STEM教育的特征，在跨學(xué)科融合、基于現(xiàn)實問題的情境創(chuàng)設(shè)以及技術(shù)增強性等方面有明顯的缺失。

二、創(chuàng)設(shè)趣味情境，將體驗活動任務(wù)化

傳統(tǒng)的人工智能類校本課程往往以具體的套材作為載體開展相應(yīng)的制作活動，較少創(chuàng)設(shè)趣味化的情境。而STEM課程更強調(diào)在具有趣味性的情境中去解決真實的問題，以問題或任務(wù)為驅(qū)動，來完成項目作品或形成解決方案。因此，將課程中的具體教學(xué)內(nèi)容融入一個有趣并有意義的情境中，是STEM教學(xué)活動的必要前提。例如，“智能花房管家”的設(shè)計目標(biāo)是給花房設(shè)定一個無人值守的自動灌溉及恒溫裝置，初始方案是室內(nèi)安裝空調(diào)以保持恒溫，提取土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動電磁閥實現(xiàn)自動灌溉。由于采用Arduino硬件+S4A圖形化編程的組合，原型設(shè)計很快實現(xiàn)。在模擬測試過程中，設(shè)計團隊再一次頭腦風(fēng)暴的結(jié)果是應(yīng)該加裝二氧化碳氣體檢測裝置，在植物需要的二氧化碳濃度下降到一定的閾值時驅(qū)動開窗器置換窗外的空氣。由于要求團隊要經(jīng)常變換角色，模擬用戶的產(chǎn)品使用體驗，同理心的力量驅(qū)使需求定義不斷優(yōu)化，有學(xué)生提出不同的植物習(xí)性不同，因而給水的量應(yīng)有差異，此時給出為每種植物配搭繼電器控制的方案，也有讓機器人識別不同的植物編號分別澆灌，通過思維“碰撞”出更簡單有效的方法來解決問題，即給每種植物配備粗細不同的出水管。當(dāng)設(shè)計團隊的每位成員“浸潤”其中且變換角色時，基于用戶考慮的同理心會讓需求定義不斷精準(zhǔn)優(yōu)化。當(dāng)然目標(biāo)問題域也會不斷拓展，這會給原型實現(xiàn)乃至最后的測試環(huán)節(jié)帶來不確定性和許多的反復(fù)，這正是設(shè)計思維的魅力所在。上述方案即便迭代了數(shù)次，最后還是有學(xué)生提出進一步優(yōu)化的方案，如加裝空氣濕度傳感器，當(dāng)空氣干燥時驅(qū)動加濕器工作，還有利用室內(nèi)外溫差進行溫度調(diào)節(jié)時不使用空調(diào)以達到節(jié)能的目的等，以上STEM PBL的實施很好地詮釋了“設(shè)計思維是進行各種美妙的創(chuàng)意和關(guān)于用戶體驗的深度思考”。

三、制造認(rèn)知沖突，激發(fā)問題意識

開門見山直奔主題式的導(dǎo)入，常無法激發(fā)學(xué)生的問題意識。在創(chuàng)設(shè)了有趣的挑戰(zhàn)情境后，學(xué)生們躍躍欲試。此時，教師應(yīng)從問題入手，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，促使學(xué)生開動腦筋，通過搜索已有的知識或?qū)W習(xí)新知識嘗試解決新問題。例如，“金魚缸管家”的初始目標(biāo)是非良構(gòu)的，目標(biāo)任務(wù)是實現(xiàn)金魚缸的無人值守、自動管理，但是由于該產(chǎn)品屬于創(chuàng)新設(shè)計，用戶的需求定義一開始是不夠明晰的，因此會導(dǎo)致在創(chuàng)意構(gòu)思、原型設(shè)計等環(huán)節(jié)不斷添加、完善需求定義。設(shè)計團隊對問題的解析是：實現(xiàn)自動喂食、自動加溫、自動過濾，此“產(chǎn)品”的原型設(shè)計較為簡單，所需的設(shè)備均可網(wǎng)購，于是除了金魚缸外，還購買了自動喂食器、加熱棒、水質(zhì)傳感器等。市售的喂食器、加熱棒能實現(xiàn)自動加熱、喂食，于是初始的創(chuàng)意僅用Arduino UNO提取水質(zhì)數(shù)據(jù)，然后判斷是否要進行水質(zhì)的過濾。頭腦風(fēng)暴在設(shè)計思維的各個環(huán)節(jié)展開，有人質(zhì)疑如果室溫上升至30℃以上，加熱棒無法實現(xiàn)水體溫度的下降，而金魚的習(xí)性是當(dāng)溫度上升到30℃以上時活躍指數(shù)下降，進食將明顯變慢，此時若仍然按預(yù)設(shè)投食將導(dǎo)致過剩、污染水質(zhì)。于是需求定義明確為根據(jù)水溫的變化，以“魚”為本，科學(xué)投食。在技術(shù)層面上加裝了溫度傳感器，數(shù)據(jù)提供給Arduino UNO，觸發(fā)繼電器驅(qū)動投食器。試運行后又發(fā)現(xiàn)時間如果較長，水位會因蒸發(fā)而下降，需要實現(xiàn)自動補水，當(dāng)主人靠近且環(huán)境亮度較低時，LED燈需要自動點亮?；谝匀藶楸镜脑O(shè)計理念，在同理心的作用下，用戶的需求定義被不斷地明晰優(yōu)化，創(chuàng)意構(gòu)思亦同步迭代演進。

四、以解決問題為驅(qū)動，綜合運用各學(xué)科知識

STEM教育提倡打破學(xué)科界線，實現(xiàn)跨學(xué)科融合，充分調(diào)動各學(xué)科“有用的”知識來解決實際問題。學(xué)生長期接受分科教學(xué)，在大腦中存儲了很多個單一學(xué)科獨立的知識單元，很少有機會將各學(xué)科知識進行整合運用。以人工智能類校本課程為基礎(chǔ)的STEM課程可以給學(xué)生搭建綜合運用各學(xué)科知識的平臺和機會。

參考文獻

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究.2015（4）：15-17.