劉海龍（通訊作者） 李可會 信陽學(xué)院教育學(xué)院

陳冬冬 東莞理工學(xué)校計算機專業(yè)科

● 研究背景

近年來國內(nèi)高校紛紛設(shè)立人工智能專業(yè),并開展了課程建設(shè)和教學(xué)模式探索，但在落地過程中存在課程內(nèi)容重理論輕實踐、教學(xué)方法創(chuàng)新性不足、評價方式單一等問題。STEAM教育著眼于復(fù)合型、創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)，在知識結(jié)構(gòu)方面注重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者對跨學(xué)科知識的學(xué)習(xí)和綜合應(yīng)用，在能力培養(yǎng)方面注重學(xué)習(xí)者創(chuàng)新精神和實踐能力相結(jié)合，這對在高校人工智能課程教學(xué)中開發(fā)合適的教學(xué)內(nèi)容、構(gòu)建適切的教學(xué)模式、設(shè)計科學(xué)的評價體系具有重要的指導(dǎo)價值。在高等教育領(lǐng)域中，對“STEAM教育理念下的人工智能教育”研究較少，且現(xiàn)有研究的對象仍以中小學(xué)為主。因此，在我國高校人工智能課程教學(xué)中運用STEAM教育理念具有重要的教學(xué)改革和實踐意義，是解決國內(nèi)高校人工智能教學(xué)發(fā)展中所存在問題的一條有效途徑。筆者以“人工智能與Python編程基礎(chǔ)”課程為例，探究在高校如何運用STEAM教育理念開展人工智能課程教學(xué)，希望能為高等教育中人工智能課程創(chuàng)新教學(xué)實踐和教學(xué)改革提供參考和借鑒。

● 融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學(xué)模式設(shè)計

融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學(xué)模式，既是一個包括教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃、教學(xué)方法選擇、教學(xué)實施、多元評價設(shè)計的閉環(huán)教學(xué)體系，也是一個可持續(xù)發(fā)展的、動態(tài)變化的、不斷進(jìn)化完善的教學(xué)過程。

本研究以“人工智能與Python編程基礎(chǔ)”課程為例，面向高校本科生，進(jìn)一步闡述在高等教育階段，運用STEAM教育理念構(gòu)建人工智能課程教學(xué)模式的路徑（如下頁圖）：通過引導(dǎo)學(xué)生圍繞生活中的真實情境問題，運用人工智能技術(shù)設(shè)計并開發(fā)創(chuàng)新實踐項目優(yōu)化與重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容；通過跨學(xué)科、跨專業(yè)、跨領(lǐng)域知識的整合，開展小組合作，探究人工智知識和技能的應(yīng)用進(jìn)行教學(xué)設(shè)計；以多形式共存、多主體參與的多元評價對學(xué)生的綜合素質(zhì)進(jìn)行評判，最終達(dá)到培養(yǎng)具備問題解決能力、跨界整合能力、創(chuàng)新實踐能力、科研能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。

1.聚焦創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學(xué)目標(biāo)，可按其面向的知識維度劃分為學(xué)科目標(biāo)和課程目標(biāo)。學(xué)科目標(biāo)要求高校教師應(yīng)以發(fā)展的眼光對待這種類型的課程，并貫穿課程教學(xué)的始末，以幫助學(xué)生為進(jìn)入人工智能領(lǐng)域的知識學(xué)習(xí)、學(xué)科教研、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、工作求職等做準(zhǔn)備；課程目標(biāo)要求高校教師制訂清晰的課程方向，可按照連接性、持續(xù)性、遞進(jìn)性、時效性等原則，優(yōu)化或重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，建立“基礎(chǔ)知識”+“人工智能專業(yè)”+“跨學(xué)科特色”+“綜合素質(zhì)”等課程模塊，通過專業(yè)知識學(xué)習(xí)、跨學(xué)科知識應(yīng)用和綜合項目實踐，幫助學(xué)生掌握人工智能的基本概念、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)手段及未來發(fā)展方向。

通過學(xué)科目標(biāo)和課程目標(biāo)最終實現(xiàn)培養(yǎng)具備問題解決能力、跨界整合能力、創(chuàng)新實踐能力、科研能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。其中，問題解決能力是能夠使用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、擴展現(xiàn)實、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)解決現(xiàn)實生活、工作或?qū)W習(xí)中的問題；跨界整合能力是打破專業(yè)、學(xué)科界限，在人工智能課程中拓展學(xué)習(xí)其他學(xué)科或領(lǐng)域的知識或能力，或?qū)⑺鶎W(xué)的知識或能力遷移應(yīng)用到其他學(xué)科或領(lǐng)域中，實現(xiàn)與不同學(xué)科、領(lǐng)域的融合創(chuàng)新；創(chuàng)新實踐能力是針對生活、工作或?qū)W習(xí)中已經(jīng)解決的現(xiàn)有問題，使用人工智能技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性的嘗試，提出新的解決方案；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是基于對人工智能技術(shù)的掌握和行業(yè)領(lǐng)域的認(rèn)知，探索未來職業(yè)的可能性。

融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學(xué)模式

2.重視實踐與應(yīng)用，優(yōu)化與重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

STEAM教育強調(diào)對跨學(xué)科、跨專業(yè)、跨領(lǐng)域知識的綜合應(yīng)用，注重學(xué)習(xí)者創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)，這與人工智能課程交叉學(xué)科的性質(zhì)非常貼切?；诖?，從人工智能不同的應(yīng)用場景和領(lǐng)域出發(fā)，以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用實踐教學(xué)為抓手，圍繞人工智能新技術(shù)的工程實踐，通過對人工智能主流軟硬件的融合學(xué)習(xí)，對傳統(tǒng)的知識模塊進(jìn)行重構(gòu)，將課程內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)模塊、進(jìn)階模塊和綜合模塊。

基礎(chǔ)模塊內(nèi)容旨在教授人工智能相關(guān)的基礎(chǔ)概念、基本理論、人工智能的實現(xiàn)技術(shù)，使學(xué)生建立起對人工智能較為系統(tǒng)的認(rèn)識。進(jìn)階模塊首先通過對Python編程基礎(chǔ)知識的講解，讓學(xué)生具備使用Python語言進(jìn)行程序設(shè)計的能力，為后面的實踐實操做好準(zhǔn)備；進(jìn)而結(jié)合開源智能硬件、開源算法等主流創(chuàng)客技術(shù)，通過人工智能典型教學(xué)案例和資源，指導(dǎo)學(xué)生利用語音識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)、機器視覺等人工智能技術(shù)進(jìn)行動手實踐，運用知識解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、計算思維、工程思維等創(chuàng)新實踐能力。該模塊內(nèi)容注重與其他學(xué)科、領(lǐng)域知識的融合，重視實踐性教學(xué)，具體教學(xué)內(nèi)容來源于學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的熱點問題、專家講座、教師的科研項目以及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽選題等。綜合模塊內(nèi)容一方面從學(xué)生生活、興趣愛好、科研創(chuàng)新和職業(yè)發(fā)展出發(fā)，結(jié)合人工智能的應(yīng)用場景，以專題或主題的形式開展項目實踐研究，讓學(xué)生深入體會人工智能知識和技術(shù)的具體應(yīng)用；另一方面，基于學(xué)生的項目研究成果，組織學(xué)生之間分享與交流，對所學(xué)知識進(jìn)行回顧和總結(jié)，同時鍛煉學(xué)生的匯報演講能力。

本研究以學(xué)校開設(shè)的人工智能公選課“人工智能與Python編程基礎(chǔ)”課程為例，對教學(xué)內(nèi)容做如下安排（如下表）。

“人工智能與Python編程基礎(chǔ)”教學(xué)內(nèi)容與安排

3.創(chuàng)新教學(xué)方法，實現(xiàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的三聯(lián)動

綜合考慮高校人工智能課程的特點，采用PBL教學(xué)法可充分利用STEAM教育跨學(xué)科整合的優(yōu)勢，以主題或?qū)ｎ}項目為載體，通過跨學(xué)科、跨專業(yè)、跨領(lǐng)域知識的融合構(gòu)建，使學(xué)生圍繞生活中的真實問題開展學(xué)習(xí)和研究，提升學(xué)生的跨界整合能力及創(chuàng)新實踐能力。在具體的教學(xué)過程中，通過課前、課中、課后三個教學(xué)環(huán)節(jié)的聯(lián)動，不僅能夠展現(xiàn)出教學(xué)動態(tài)良性發(fā)展的無限可能，還可以通過教師與學(xué)生的緊密互動及對研究問題的深入探究，實現(xiàn)教與學(xué)的協(xié)同創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展，具體操作如下。

（1）課前環(huán)節(jié)

在進(jìn)行某個主題或?qū)ｎ}項目教學(xué)之前，教師一方面確定當(dāng)次課的教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計并根據(jù)STEAM教育理念，將跨專業(yè)、跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的知識元素與當(dāng)次課教學(xué)相匹配開發(fā)教學(xué)內(nèi)容、策劃教學(xué)活動；另一方面，將相關(guān)的教學(xué)資源通過線上教學(xué)平臺（班級微信群、課堂派、雨課堂等）共享給學(xué)生，并督促學(xué)生充分利用互聯(lián)網(wǎng)途徑查閱相關(guān)資料，預(yù)先熟悉當(dāng)次課程所涉及主題或?qū)ｎ}的研究現(xiàn)狀，以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

（2）課中環(huán)節(jié)

首先是以教師為主導(dǎo)的系統(tǒng)講授，此過程中教師先講解與當(dāng)次課教學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)性、原理性和技能性知識，學(xué)生根據(jù)教師講授的內(nèi)容進(jìn)行模仿操作，以實現(xiàn)對所學(xué)內(nèi)容的進(jìn)一步鞏固和掌握。其次是以學(xué)生為中心的小組合作學(xué)習(xí)，此過程中教師根據(jù)任務(wù)的難易程度和學(xué)生的基礎(chǔ)設(shè)置有梯度的教學(xué)任務(wù)；學(xué)生以小組合作的形式開展任務(wù)分析，依據(jù)多學(xué)科知識內(nèi)容探究解決方案，進(jìn)行動手實踐完成項目設(shè)計與制作，通過小組內(nèi)部討論與交流對項目進(jìn)行優(yōu)化和完善；在整個過程中，教師適時介入，引導(dǎo)問題解決方向，幫助學(xué)生進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。最后是分享與評價，一方面是“作品秀”環(huán)節(jié)，即每個小組展示分享自己小組的項目作品，簡要闡述項目作品的設(shè)計思路、實現(xiàn)方案、遇到的問題及解決方法，同時開展小組互評，組別之間針對項目作品進(jìn)行評價，闡述優(yōu)點與不足，或針對一些問題進(jìn)行討論與交流；另一方面是教師進(jìn)行點評和總結(jié)，簡要概括每組學(xué)生的表現(xiàn)及項目作品的優(yōu)點、不足及需改進(jìn)的地方，根據(jù)課堂教學(xué)任務(wù)完成的情況引導(dǎo)學(xué)生開展拓展任務(wù)的學(xué)習(xí)，如申報科研項目、參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的競賽，鼓勵學(xué)生再接再厲、勇于嘗試、不斷進(jìn)步。

（3）課后環(huán)節(jié)

一方面教師反思教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)活動策劃及教學(xué)實施過程中存在的問題和不足，并針對性地調(diào)整教學(xué)策略；另一方面學(xué)生通過項目報告或線上交流等方式，將總結(jié)的學(xué)習(xí)收獲、學(xué)習(xí)中遇到的問題或困難、對教師教學(xué)實施的意見或建議等匯總給教師，教師需及時反饋。最終促使教學(xué)效果的提升和師生的共同成長。

4.科學(xué)設(shè)計多元評價，側(cè)重學(xué)生綜合素質(zhì)的測評

科學(xué)、合理、客觀的評價對學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果具有極大的促進(jìn)作用，能夠督促學(xué)生勇于創(chuàng)新、敢于嘗試，在探索知識的過程不斷“反思”，進(jìn)而反向促進(jìn)教學(xué)。目前，高校人工智能課程大多以期末考試作為課程結(jié)束的標(biāo)志，也基本采用傳統(tǒng)的以試卷為中心的測評方式，偏重對知識掌握程度的考核，雖然近年來也增加了過程性考核，但對學(xué)生跨學(xué)科知識融合能力、智能化軟硬件工具應(yīng)用能力、創(chuàng)新性解決問題能力以及獨立思考、協(xié)作探究能力等仍不能給予恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)評價。融入STEAM教育理念的高校人工智能課程評價體系通過課程學(xué)習(xí)、項目實踐、科學(xué)研究、比賽參與等，采用多形式共存、多主體參與相結(jié)合的模式，全面評價學(xué)生在知識與技能、跨界整合能力、問題解決能力、創(chuàng)新實踐能力、協(xié)作探究能力等方面的表現(xiàn)。

其中，多形式共存除了通過試卷考核學(xué)生對人工智能基礎(chǔ)知識的掌握情況外，領(lǐng)域內(nèi)教學(xué)研究課題、面向大學(xué)生的競賽、學(xué)生自選主題項目的設(shè)計方案、項目原型設(shè)計與制作、研究總結(jié)與報告、路演匯報等均可作為考核評價的范疇；多主體參與指采用學(xué)生自評、小組互評、教師評價、專家評價（專家包括學(xué)術(shù)領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)學(xué)者、企業(yè)內(nèi)專業(yè)人士等）并行模式，對學(xué)生的綜合素質(zhì)做出準(zhǔn)確判斷。

● 融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學(xué)模式改革實踐

本研究以筆者所在學(xué)校通識教育全校公選課“人工智能與Python編程基礎(chǔ)”課程為例，授課方式以線下授課為主，教師除講授人工智能基本理論知識與技能外，重點引導(dǎo)學(xué)生基于生活實際發(fā)現(xiàn)問題，以主題任務(wù)的形式開展項目實踐研究。同時，課程還分別邀請2名其他高校教授和1名企業(yè)專家參與教學(xué)指導(dǎo)工作。

1.教學(xué)實施

“人工智能與Python編程基礎(chǔ)”課程引導(dǎo)學(xué)生圍繞生活中的真實情境問題，以主題研究的形式，通過跨學(xué)科、跨專業(yè)、跨領(lǐng)域知識的整合，開展小組合作，設(shè)計并完成一個人工智能創(chuàng)新項目，教學(xué)內(nèi)容涵蓋人工智能基礎(chǔ)知識、開源硬件、Python編程、項目方案設(shè)計、項目產(chǎn)品與原型設(shè)計、研究總結(jié)與報告、路演匯報、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等不同知識板塊和交叉學(xué)科領(lǐng)域知識。教學(xué)程序包括教學(xué)準(zhǔn)備、協(xié)作探究、工程實踐、分享與評價和拓展強化五個步驟。

其中，在教學(xué)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，教師根據(jù)當(dāng)次教學(xué)的主題確定教學(xué)目標(biāo)，選擇合適的教學(xué)方法，準(zhǔn)備與教學(xué)主題相關(guān)的教學(xué)資源，并組織學(xué)生快速組建團(tuán)隊，學(xué)生根據(jù)教師分享的教學(xué)資源及通過網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)先熟悉當(dāng)次教學(xué)主題的相關(guān)信息；在協(xié)作探究環(huán)節(jié)，因項目需求來源于生活實際，并以解決具體問題為導(dǎo)向，所以會涉及相關(guān)跨專業(yè)、跨學(xué)科或跨領(lǐng)域知識，教師組織學(xué)生以小組合作的形式針對具體問題進(jìn)行分析，探究解決方案，思考項目實現(xiàn)需具備哪些功能、相關(guān)功能實現(xiàn)所需使用的軟硬件設(shè)備或技術(shù)手段，最終完成項目方案制訂并進(jìn)行項目團(tuán)隊的匯報與分享，此環(huán)節(jié)學(xué)生除借助教師講授及團(tuán)隊自查的資料外，亦可參考企業(yè)專家分享的已面向用戶使用的相關(guān)產(chǎn)品資料；在工程實踐環(huán)節(jié)，主要引導(dǎo)學(xué)生使用開源硬件、Python程序設(shè)計、工程設(shè)計等技術(shù)手段完成項目作品的制作，強調(diào)“造物”即真實作品的產(chǎn)出，并進(jìn)行項目作品的功能驗證及測試優(yōu)化，最后對項目原型的設(shè)計、制作進(jìn)行階段性總結(jié)與匯報；在分享與評價環(huán)節(jié)，每個項目團(tuán)隊針對項目作品的設(shè)計、制作、遇到的問題及問題解決方式做簡要介紹，通過小組自評、團(tuán)隊互評、教師評價及專家評價相結(jié)合的方式，全面分析、評價每組的項目作品的優(yōu)點、不足及需改進(jìn)的地方；在拓展強化環(huán)節(jié)，教師邀請其他高校教授和企業(yè)專家一起給學(xué)生講授有關(guān)科研課題申報、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽、項目路演等方面的知識，鼓勵學(xué)生積極申報科研課題，參加各類比賽，通過項目路演，接受由領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)專家、企業(yè)專家、投融資專家和教師組成的專家評審團(tuán)的點評指導(dǎo)，對于優(yōu)秀的項目，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合學(xué)校在政策、資金等方面激勵保障措施，積極申報入駐學(xué)校創(chuàng)業(yè)園繼續(xù)培育孵化，以促進(jìn)教學(xué)成果的轉(zhuǎn)化。

2.教學(xué)成效與特征

（1）課程教學(xué)滿意度高

調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)顯示，課程教學(xué)滿意度指標(biāo)圍繞教學(xué)內(nèi)容選擇、教學(xué)活動設(shè)計、小組合作方式、多元評價方式、學(xué)習(xí)體驗、學(xué)習(xí)收獲六個維度，學(xué)生對融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學(xué)實施情況的滿意度高達(dá)92%以上，從整體來看，學(xué)生收獲很多，對教學(xué)的評價很高。結(jié)合學(xué)生期末教學(xué)評教結(jié)果分析，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不僅收獲了本課程所學(xué)知識和技能，還在很大程度上回顧或新學(xué)習(xí)了其他學(xué)科和領(lǐng)域的知識，比較難得的是，可以將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐解決具體的問題；同時，小組合作的學(xué)習(xí)方式讓學(xué)生認(rèn)識到了團(tuán)隊的重要性和價值；并且，多維度的考核方式不僅增加了學(xué)生的閱歷，還在很大程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。

（2）學(xué)生的綜合能力顯著提升

經(jīng)過一個學(xué)期的學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生的綜合能力都得到了顯著提升：在問題解決能力方面，92%以上的學(xué)生都得到了較高程度的提升；在跨界整合能力和創(chuàng)新實踐能力方面，82%以上的學(xué)生得到了較高程度的提升；在科研能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力方面，因涉及的拓展學(xué)習(xí)知識較多，對學(xué)生的挑戰(zhàn)性較高，有57%以上的學(xué)生得到了較高程度的提升。

（3）適用于實踐型課程教學(xué)

“人工智能與Python編程基礎(chǔ)”課程教學(xué)不僅包括人工智能基本知識和原理性內(nèi)容，還涉及開源硬件、Python編程、項目方案設(shè)計、項目產(chǎn)品與原型設(shè)計、研究總結(jié)與報告、路演匯報、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等不同知識板塊和交叉學(xué)科知識領(lǐng)域，屬于典型的實踐性較強的課程。經(jīng)過一個學(xué)期的課程教學(xué)，基于對問卷數(shù)據(jù)和學(xué)生期末評教結(jié)果的分析可知，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣顯著提高，教學(xué)參與度明顯提升，學(xué)習(xí)能力進(jìn)一步增強，學(xué)生深刻體會了合作學(xué)習(xí)、團(tuán)結(jié)互助的重要性，整體來說取得了較好的教學(xué)效果。因此，STEAM教育理念非常適用于實踐性課程的教學(xué)。

● 結(jié)語

本研究為高等教育中人工智能教學(xué)發(fā)展所面臨的問題提供了一條解決路徑，并為高校人工智能課程創(chuàng)新教學(xué)實踐和教學(xué)改革提供了參考和借鑒。