摘要：本文結(jié)合“人臉識別門禁”項目教學(xué)實踐，開展了基于STEAM項目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)計與實施，希望能啟發(fā)一線教師將人工智能課程設(shè)計與實施向深處走、向?qū)嵦幾?，助力高中人工智能教育的落地推廣。

關(guān)鍵詞：STEAM；項目化學(xué)習(xí)；高中人工智能課程

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

STEAM項目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

STEAM項目式學(xué)習(xí)充分融合STEAM教育與項目式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，倡導(dǎo)創(chuàng)設(shè)真實有效的情境，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的知識與技能，在團隊協(xié)作與激勵中，創(chuàng)造性地解決現(xiàn)實生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)中遇到的問題。[1]這種教學(xué)模式強調(diào)以真實情境為驅(qū)動，以學(xué)生活動為中心，以團隊協(xié)作為導(dǎo)向，以項目實施為載體，綜合運用知識解決實際問題，發(fā)展學(xué)生的高階思維，提升綜合素養(yǎng)。

STEAM項目式學(xué)習(xí)融入高中人工智能教育的優(yōu)勢

1.更好地支持跨學(xué)科學(xué)習(xí)

高中人工智能課程的知識融合了計算機科學(xué)、腦科學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的知識，與云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)緊密聯(lián)系，而STEAM項目式學(xué)習(xí)注重綜合性學(xué)習(xí)，更注重跨學(xué)科的融合。因此，采用STEAM項目式學(xué)習(xí)方式開展高中人工智能課程教學(xué)，可以促進學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的整體理解，提升學(xué)生對知識的橫縱遷移能力，實現(xiàn)人工智能技術(shù)與各學(xué)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(xué)習(xí)等方式，開展基于問題、基于項目和基于設(shè)計的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生多視角思考問題、學(xué)習(xí)知識、培養(yǎng)能力、解決問題。STEAM項目式學(xué)習(xí)倡導(dǎo)學(xué)生在項目任務(wù)推進過程中，主動與同伴合作、溝通，提升計劃協(xié)調(diào)、組織管理與溝通交流能力，促進問題的解決。兩者結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)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(xué)習(xí)活動中，促進學(xué)生人工智能核心素養(yǎng)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(xué)生學(xué)習(xí)生活和當(dāng)前社會熱點，將知識的建構(gòu)、技能的培養(yǎng)與思維的發(fā)展融入運用人工智能知識與技術(shù)解決真實問題的過程中。[2]STEAM項目式學(xué)習(xí)強調(diào)項目情境的創(chuàng)設(shè)和項目活動的設(shè)計，應(yīng)符合學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和生活經(jīng)驗，鼓勵學(xué)生在真實的問題情境中綜合運用多學(xué)科知識形成方案，從而解決問題。采用STEAM項目式學(xué)習(xí)方式開展高中人工智能課程教學(xué)，可以幫助學(xué)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(lǐng)域的問題解決中。

基于STEAM項目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)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(xiàn)人臉識別相關(guān)功能。

1.依據(jù)真實情境，設(shè)計項目主題

項目主題的設(shè)計是STEAM項目式學(xué)習(xí)得以正常開展的前提?；赟TEAM項目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)計第一步就是根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)實經(jīng)驗，選取與人工智能相關(guān)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(guān)的多學(xué)科教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，并設(shè)計驅(qū)動式問題與任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)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(xué)中，筆者導(dǎo)入學(xué)生早晨刷臉入校、中午食堂刷臉支付等視頻片段，啟發(fā)學(xué)生聯(lián)系生活實際，列舉身邊的人臉識別應(yīng)用場景。同時，發(fā)布“人臉識別門禁”項目任務(wù)，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)?！叭四樧R別門禁”項目的實現(xiàn)涉及科學(xué)原理探析、工程結(jié)構(gòu)搭建、算法設(shè)計實現(xiàn)、作品創(chuàng)意裝飾、成果展示交流等過程，融合了多學(xué)科領(lǐng)域知識，旨在提高學(xué)生對知識綜合運用的能力。

2.團隊頭腦風(fēng)暴，明確項目方案

STEAM項目式學(xué)習(xí)主張以團隊協(xié)作的方式開展學(xué)習(xí)探索，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)與他人共處、交流與協(xié)作的能力。學(xué)生自由組建項目團隊，并進行角色分配（項目負責(zé)人、資料搜集者、科學(xué)探究者等）。學(xué)生在明確任務(wù)分工與項目分解后，利用跨學(xué)科知識，圍繞項目任務(wù)開展頭腦風(fēng)暴，形成最終的項目方案。

在發(fā)布“人臉識別門禁”項目任務(wù)之后，筆者組織學(xué)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?qū)W生提供有關(guān)人臉識別技術(shù)的視頻、圖文等資料，并指導(dǎo)學(xué)生自主檢索獲取相關(guān)知識，幫助學(xué)生掌握人臉識別的技術(shù)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(yù)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(chǔ)。在教師的幫助下，學(xué)生圍繞項目任務(wù)，通過頭腦風(fēng)暴的方式進行方案探究和創(chuàng)意設(shè)計，如門禁使用環(huán)境與適用人群、門禁結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)算法設(shè)計、外觀造型美化、作品文案設(shè)計等，經(jīng)過多次迭代后最終生成項目方案。

3.學(xué)科知識融合，推進項目實施

項目實施是STEAM項目式學(xué)習(xí)的中心環(huán)節(jié)，也是學(xué)生習(xí)得新知識與技能的必經(jīng)之路，其關(guān)鍵是利用跨學(xué)科知識解決問題的過程。高中人工智能課程內(nèi)容集合了多領(lǐng)域知識，促使學(xué)生在項目實施過程中融合應(yīng)用多學(xué)科知識（工程、技術(shù)、編程、藝術(shù)等）進行探索及問題解決，實現(xiàn)知識的遷移和內(nèi)化。學(xué)生是項目實施的主體，在項目實施過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能被不斷挖掘，他們在教師的引導(dǎo)下，通過團隊科學(xué)探究、頭腦風(fēng)暴、交流討論、動手實踐、創(chuàng)意制作等方式，將所學(xué)知識與技能遷移到項目實施的過程中，各方面能力與素質(zhì)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(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)記錄人臉和讀取人臉I(yè)D的方法。學(xué)生根據(jù)既定的項目方案，綜合運用多學(xué)科知識實現(xiàn)人臉識別門禁的功能。首先，針對門禁不同的應(yīng)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(shù)碼管模塊、馬達的連接，完成人臉識別門禁硬件結(jié)構(gòu)的搭建；最后，通過ZMROBO-2.0軟件編寫程序，實現(xiàn)“識別到記錄的人臉后就開門，并且統(tǒng)計記錄進門人數(shù)”的功能。作品的軟硬件完成后再進行調(diào)試，直至完成項目任務(wù)。

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(xué)生團隊參與項目報告會：①團隊內(nèi)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(xí)得的知識技能進行梳理、歸納和總結(jié)，并提煉具有典型性的問題和經(jīng)驗，供項目負責(zé)人組織參考。②項目成果展示交流。項目負責(zé)人作為代表展示團隊作品，總結(jié)收獲、遇到的問題及解決辦法。③師生相融教學(xué)相長。教師針對學(xué)生指出的問題和困惑進行重點講解，鼓勵學(xué)生運用高階思維和藝術(shù)審美繼續(xù)完善項目作品，啟發(fā)學(xué)生形成積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，完成知識的拓展與應(yīng)用的遷移。

5.面向多元開放，實施項目評價

STEAM項目式學(xué)習(xí)讓學(xué)生在開放的環(huán)境中有沉浸式、多元化的學(xué)習(xí)體驗，其評價強調(diào)以發(fā)展科學(xué)工程基本素養(yǎng)為導(dǎo)向，面向?qū)W習(xí)的全過程，體現(xiàn)多元開放性，以便更好地發(fā)揮其診斷、反饋、調(diào)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)的培養(yǎng)目標(biāo)及課程理念，注重評價內(nèi)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(xué)化，通過過程性評價和終結(jié)性評價全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)與知識技能的掌握情況，在促進學(xué)生人工智能素養(yǎng)發(fā)展的同時，指導(dǎo)教師進行課程設(shè)計與實施的優(yōu)化完善。

“人臉識別門禁”項目評價的標(biāo)準(zhǔn)包括場景選擇的普適性、時間規(guī)劃的科學(xué)性、項目方案的合理性、作品設(shè)計的創(chuàng)新性以及結(jié)構(gòu)造型的藝術(shù)性等方面。采用學(xué)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(guī)劃書、團隊貢獻調(diào)查表、展示評價表等），對學(xué)生完成項目任務(wù)過程中的興趣度、參與度、貢獻度、任務(wù)達成度，以及團隊作品的外觀造型、技術(shù)創(chuàng)新、功能價值等進行全面考量與評估。

結(jié)束語

STEAM項目式學(xué)習(xí)注重應(yīng)用數(shù)學(xué)思維解決工程、科學(xué)與技術(shù)問題，是實現(xiàn)讓學(xué)生在真實情境中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題的學(xué)習(xí)變革。將STEAM項目式學(xué)習(xí)運用于高中人工智能課程設(shè)計與實施過程中，借助身邊豐富多樣的智能應(yīng)用場景和案例，以技術(shù)和工程活動為抓手，利用數(shù)學(xué)思維和藝術(shù)審美開展教學(xué)，可以幫助學(xué)生掌握人工智能的基礎(chǔ)原理與技能，感悟人工智能學(xué)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(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、跨學(xué)科解決問題等關(guān)鍵能力，促進學(xué)生人工智能核心素養(yǎng)的發(fā)展，為培養(yǎng)智能時代人才奠定堅實基礎(chǔ)。筆者堅信，基于STEAM項目式學(xué)習(xí)的高中人工智能課程設(shè)計與實施必定會給一線教師帶來更多的思考與啟發(fā)。

參考文獻：

[1]肖安慶.試論STEAM項目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵與設(shè)計——以高中生物必修三“生態(tài)環(huán)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(xué)素質(zhì)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(xué)人工智能課程指南課題組，江波.中小學(xué)人工智能課程指南[J].華東師范大學(xué)學(xué)報：教育科學(xué)版，2023，41（03）：121-134.

[3]周靜，吳涵.項目化學(xué)習(xí)在高中Python編程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國信息技術(shù)教育，2020（20）：55-56.

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