【摘 要】本文以上海交通大學(xué)附屬中學(xué)嘉定分校的人工智能課程設(shè)計與實施為例，探討人工智能技術(shù)（以下簡稱AI技術(shù)）在青少年科技創(chuàng)新活動中的賦能作用。研究發(fā)現(xiàn)，AI技術(shù)通過提供個性化學(xué)習(xí)體驗、增強問題解決能力、促進跨學(xué)科學(xué)習(xí)和創(chuàng)造實驗與模擬環(huán)境等方式，顯著提升了學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。本文還提出了在教育中有效整合和應(yīng)用AI技術(shù)的策略，并對未來教育模式的創(chuàng)新和發(fā)展提出了思考。

【關(guān)鍵詞】人工智能；科技創(chuàng)新；教育實踐

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）011-075-02

智能時代的教育新篇章：AI在青少年創(chuàng)新中的角色

隨著AI技術(shù)的快速發(fā)展，我們正步入一個由智能驅(qū)動的新時代。AI技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大潛力，并在教育領(lǐng)域扮演著日益重要的角色。隨著《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版2020年修訂）》和《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》的發(fā)布，人工智能教育已經(jīng)成為中小學(xué)教育的重要組成部分。科技創(chuàng)新活動作為培養(yǎng)青少年創(chuàng)新能力的重要途徑之一，正受益于人工智能技術(shù)的進步。

研究指出，AI技術(shù)通過個性化學(xué)習(xí)、問題解決能力提升、跨學(xué)科學(xué)習(xí)和實驗?zāi)M環(huán)境的創(chuàng)造，為青少年科技創(chuàng)新注入新的活力[1]?；诖?，本研究深入探討了AI技術(shù)在培養(yǎng)青少年科技創(chuàng)新能力中的作用，并提出了實施建議。

構(gòu)筑知識與實踐的橋梁：AI課程的創(chuàng)新設(shè)計及實施

學(xué)校的人工智能課程分為普及和高階兩大類，以滿足不同水平學(xué)生的需求。普及課程面向全體學(xué)生，重點集中于AI基礎(chǔ)知識和技能的普及。在學(xué)生掌握AI技術(shù)的基本應(yīng)用后，通過社團形式招募有興趣的學(xué)生，進一步探索AI在科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用。

1.微縮智能世界：AIoT小鎮(zhèn)課程全景解析

在AIoT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)課程中，學(xué)生通過設(shè)計和制作集成傳感器、執(zhí)行器的沙盤模型，實踐數(shù)據(jù)分析、決策支持和自動化控制。課程采用“體驗—理解—應(yīng)用—創(chuàng)新—反思”五環(huán)節(jié)教學(xué)法，逐步引導(dǎo)學(xué)生深入探索AI與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]。學(xué)生通過實際操作和項目實踐，將理論知識應(yīng)用于創(chuàng)新項目，同時在課程中獲得持續(xù)的評估和反饋。

2.創(chuàng)新實驗室：高階AI項目的探索與實踐

（1）案例一：“大嘴巴”乒乓球拾取機器人

針對乒乓球館中撿球勞動強度大、效率低的實際問題，學(xué)生團隊設(shè)計了一款集成AI視覺識別技術(shù)的機器人。該機器人利用霍夫變換算法對乒乓球進行精確識別，并通過自主導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)高效拾取。實驗結(jié)果表明，機器人在深色地面的室內(nèi)乒乓球館對白色乒乓球的識別準確率達到了96.2%，拾取成功率為88.0%，避障準確率約為88.5%，拾取三個鄰近乒乓球的平均時間為26.8秒，該項目也獲得了第39屆上海市青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎。

（2）案例二：AI繪畫項目的創(chuàng)意探索

學(xué)生團隊以《山海經(jīng)》為創(chuàng)作藍本，運用AI繪畫工具將古籍中的異獸形象轉(zhuǎn)化為視覺圖像。在此過程中，學(xué)生首先對文本進行深入分析，提取異獸的關(guān)鍵特征，然后通過訓(xùn)練AI模型，將這些特征轉(zhuǎn)化為具有現(xiàn)代審美的藝術(shù)作品。項目中，AI模型在訓(xùn)練過程中達到了90%的精度。

這些項目不僅鍛煉了學(xué)生解決實際問題的能力，也加深了他們對AI技術(shù)社會文化價值的理解，體現(xiàn)了高階課程在推動學(xué)生技術(shù)應(yīng)用和創(chuàng)新思維方面的重要作用。

AI與創(chuàng)新融合：青少年科技創(chuàng)新活動的策略與思考

1.跨越創(chuàng)新的障礙：AI賦能過程中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

（1）技術(shù)整合的復(fù)雜性

在任何科技創(chuàng)新活動中，技術(shù)整合都至關(guān)重要。尤其是在AIoT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)沙盤模型這類綜合性項目中，將AI技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有效整合，實現(xiàn)模型內(nèi)部各系統(tǒng)之間的無縫協(xié)作，是實現(xiàn)智能化管理的基礎(chǔ)。

（2）實時數(shù)據(jù)處理能力

AI技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其處理實時數(shù)據(jù)的能力。在數(shù)據(jù)量激增的現(xiàn)代社會，無論是工業(yè)、城市管理還是日常生活，AI技術(shù)都能迅速從大量動態(tài)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取有用信息，據(jù)此作出決策或預(yù)測。例如，在AIoT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)沙盤模型中，學(xué)生利用傳感器網(wǎng)絡(luò)實時收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過AI分析優(yōu)化交通流量。

（3）創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

AI技術(shù)在培養(yǎng)創(chuàng)新思維方面發(fā)揮著重要作用。首先，它提供了實驗和模擬環(huán)境，讓學(xué)生能夠自由地探索和測試解決方案。其次，AI技術(shù)提供的個性化學(xué)習(xí)體驗，能夠根據(jù)每位學(xué)生的興趣和能力定制學(xué)習(xí)路徑，激發(fā)學(xué)生的探索欲和求知欲。案例顯示，學(xué)生在團隊合作中，利用AI技術(shù)進行數(shù)據(jù)分析、智能決策支持、自動化控制等實踐，在這個更為開放和自由的環(huán)境中探索問題解決，有助于激發(fā)其創(chuàng)新潛能。

（4）跨學(xué)科知識的應(yīng)用

AI技術(shù)的應(yīng)用往往需要跨學(xué)科知識的支持，這是因為在解決現(xiàn)實世界的復(fù)雜問題時，單一學(xué)科的知識往往難以涵蓋問題的所有方面，還需要對相關(guān)領(lǐng)域有深入的了解。這種跨學(xué)科的方法不僅推動了問題全面地解決，也增強了學(xué)生的綜合能力。

2.AI賦能科技創(chuàng)新活動的誤區(qū)及應(yīng)對策略

在AI賦能科技創(chuàng)新活動中，學(xué)生可能會遇到一些常見誤區(qū)，教師需要加以關(guān)注并采取相應(yīng)的對策。以下是幾個常見的誤區(qū)及其對應(yīng)的策略。

（1）誤區(qū)一：過分依賴技術(shù)自動化

在使用AI的過程中，學(xué)生可能過分依賴技術(shù)的自動化功能，忽略了對系統(tǒng)進行微調(diào)和創(chuàng)新改進的必要性，這種依賴可能導(dǎo)致系統(tǒng)在面對復(fù)雜或變化的環(huán)境時無法達到預(yù)期效果。

策略：應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生參與系統(tǒng)的持續(xù)改進，通過定期評估和反饋機制，讓學(xué)生認識到自動化系統(tǒng)并非一勞永逸，而是需要不斷優(yōu)化和更新。比如即使在高度自動化的交通管理系統(tǒng)中，也需要根據(jù)實時交通流量、天氣條件等因素進行動態(tài)調(diào)整。

（2）誤區(qū)二：技術(shù)應(yīng)用與實際需求脫節(jié)

學(xué)生在設(shè)計技術(shù)解決方案時，可能未能充分考慮實際需求和限制，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計不切實際或無法滿足實際需求。

策略：讓學(xué)生參與到實際應(yīng)用場景中，收集用戶反饋，并調(diào)整設(shè)計方案，確保技術(shù)解決方案能夠滿足實際需求。例如，在能源管理系統(tǒng)的設(shè)計中，可以讓學(xué)生實地考察小鎮(zhèn)的實際能源消耗情況，并與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医涣鳎私饩唧w的需求和限制并設(shè)計出更加實用的解決方案。

（3）誤區(qū)三：缺乏持續(xù)的創(chuàng)新動力

在科技創(chuàng)新活動的后期階段，學(xué)生可能會失去持續(xù)改進的動力，因為他們可能認為基本功能已經(jīng)實現(xiàn)。

策略：通過引入新的挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生思考如何利用AI技術(shù)提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。例如，可以模擬突發(fā)事件對小鎮(zhèn)模型的影響，讓學(xué)生思考如何利用AI技術(shù)提高系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)能力和恢復(fù)速度。

（4）誤區(qū)四：忽視倫理和社會影響

在AI賦能的科技創(chuàng)新活動中，學(xué)生可能忽視了技術(shù)應(yīng)用的倫理和社會影響，導(dǎo)致技術(shù)成果在實際應(yīng)用中引發(fā)爭議或負面影響。

策略：通過引入倫理討論和案例分析，讓學(xué)生認識到技術(shù)應(yīng)用的倫理和社會責(zé)任。例如，可以討論自動駕駛汽車在道德困境中的決策問題，或者AI在就業(yè)市場中的影響。

本研究通過案例分析，揭示了AI技術(shù)在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能方面的重要作用。面向未來，教育者、學(xué)者和政策制定者應(yīng)共同探索AI技術(shù)的最優(yōu)教育應(yīng)用，培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神和實踐能力。

參考文獻

陳華. 人工智能在個性化STEM教育中的應(yīng)用研究[J].中國教育信息化，2024（2）：91-99.

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