基于“STEAM+”的人工智能课程模式构建与应用

基于“STEAM+”的人工智能课程模式构建与应用
发布时间：2021-11-15T07:57:49.285Z 来源：《中小学教育》2021年第436期作者：刘佳佳
[导读] 人工智能正在成为经济发展的下一个引擎，也成为全球各国竞相占领的技术高地。

——以校园AI“解说员”机器人项目教学为例
湖北省武汉经济技术开发区实验小学430056
摘要：近几年，人工智能教育逐渐走入中小学的课堂，面对新技术，很多一线教师热情饱满，笔者也是其中一员。

在尝试了近一年的小学人工智能教学探究，对课程模式的构建与运用方面，有了一定的收获，初步形成了我校人工智能课程模式框架，并在课程教学中得以实践验证。

笔者以校园AI“解说员”机器人项目教学为例，具体来看看该模式的实践情况。

关键词：STEAM 人工智能课程模式
随着云计算、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术迅速崛起，人工智能正在成为经济发展的下一个引擎，也成为全球各国竞相占领的技术高地。

我国高度重视发展人工智能，2017年国务院出台了《新一代人工智能发展规划》，绘制了下一阶段我国人工智能技术和产业的发展路线图，发展人工智能需要人才，培养人工智能领域的人才需要从娃娃抓起，从中小学生抓起，从教育抓起。

在小学开设人工智能课程，进行人工智能启蒙教育，让学生发现、感知人工智能；进行人工智能体验教育，让学生在日常生活中学会与人工智能打交道，掌握使用人工智能产品；进行人工智能设计教育，学习用编程解决问题，培养学生计算思维、创新思维的能力；进行人工智能创造教育，让学生利用最新的科技发展成果，建立属于自己的人工智能初步架构体系。

因此，在小学开设人工智能教育是非常必要的。

我校作为“中央电化教育馆人工智能教育实验校”，进行了将近一年的人工智能课程模式与运用探究，发现以“STEAM+”的课程模式，融合多学科知识，对学生“批判性思考和解决问题能力、沟通与协作能力、创造与革新能力”等21世纪的核心能力深度培养，能更好地促进人工智能课程育人目标的实现。

综合上述，以“STEAM+”的课程模式具体实施，是小学人工智能课程落地的必由之路。

一、项目策划
1.项目选题。

项目背景
我们学校经常有一些外宾来校参观，担任学校解说工作的师生解说员是承担校园接待工作的重要成员。

学生们善于思考和发现，解说员的工作非常不容易，给正常学习和工作带来了一些困扰，比如会占用上课的时间、解说的时候容易卡壳等。

基于这些现实问题，学生思考制作一个AI机器人，代替解说员的工作。

在知识与技能方面，四年级的学生经过一学年scratch软件的学习，已经掌握一定的可视化图形编程知识，例如循环、控制、条件等，为本项目人工智能(简称：AI)编程学习奠定了一定的基础，即学习者对设计图绘制、简单的说明文写作、立体造型设计等方面的知识与技能有充分的了解。

在认知与情感方面，四年级的学生对创新事物“有料想，有话说、有图设、有物创”，他们乐于思考、善于想象、乐于表达，好于动手，能与同伴开展协作学习。

基于此，笔者结合四年级综合实践课程，以人工智能编程知识与“STEAM+”学科内容为载体，着眼于培养学生的设计思维能力与21世纪核心能力，结合项目学习、设计学习等学习理论，以工程设计作为内容连接的枢纽，构建“STEAM+”课程模式基于该模式，开发了校园AI“解说员”机器人项目课程活动。

2.项目理论支撑。

基于设计的学习(Design-based Learning，又称为DBL)，由乔治亚技术学院Kolodner教授在2007年首次提出。

Kolodner教授提出基于设计的双环结构，通过基于设计的学习促进科学探究能力的培养。

Fortus教授则于2014年提出了一种单环迭代的基于设计的教学模式，即基于设计的科学环(Design-based Science，缩写DBS)，该模式共分为五步，(1)鉴别与定义情境；(2)背景研究；(3)开发个人与集体观念；(4)构建产品；(5)反馈。

此后，随着信息技术的迅猛发展，更多学者强调利用基于设计的学习将STEAM学科进行深度融合。

基于设计的学习对真实世界的问题解决能力、批判思维、创造力、协作思维均有显著的提升作用，正好契合人工智能课程“STEAM+”的育人目标。

3.项目目标。

在小学开展人工智能教育，旨在为培养符合智能化社会需求的、具备良好计算思维和编程能力的创新人才奠定基础。

一方面帮助中小学生了解人工智能对现代社会的影响，关注相关前沿知识，发展人工智能意识和信息伦理道德；另一方面帮助小学生增长技术应用技能，激发利用人工智能技术创造美好世界的情感。

基于此，在研究“STEAM+”领域相关学科课程目标后，制定了本项目的课程目标如下：
4.项目内容。

本项目具体实施需要4课时。

需要提前准备：人工智能小飞机器人、未来派套件、平板电脑、活动记录单、设计图纸、使用说明书设计单、彩笔、剪刀……
二、项目实施
1.提出问题，设计方案。

再现学校解说员工作的情境照片(如图1)，小组讨论，转换角色，体会工作岗位需求，提出问题，引出本项目任务：设计校园AI“解说员”机器人。

本课时，小组确定主题、制定方案、人员分工，绘制AI机器人设计图，以图文并茂的形式展现小组讨论设计的成果。

图1
观察思考：转换角色，提出问题
设计方案：机器人名称、造型、功能设计，使用说明书的呈现形式，作品宣传展示方式
人员分工
工作职责
2.知识铺垫，物料准备。

老师汇总各组的知识点，把共需的知识进行集体讲授。

经过汇总发现，各小组设计的机器人都需要机器人开口说话，需要用到“语音合成”的AI技术。

编程需要提前撰写解说词，如何撰写合适的解说词？这两个知识点是本项目中的重点知识点。

教师采用集体讲授的方式，对
其他知识点的需求，采用慕课课后自学的方式获得。

统计学生课后自学情况(已自学的AI技能请“√”选)
3.小组合作，完成作品。

本课时是本次项目学习活动的高潮，学生在前两课时的设计和构思，各种物料、知识的准备后，这节课在小组里将作品制作出来(如图2)。

学生在各个部门，体验到一个生产公司各个部门的工作任务，感受到一个事物的诞生是需要多方部门合作完成。

学生的作品，有编程实现功能的机器人作品，还有制作使用说明书的纸质作品，宣传展示作品的PPT电子作品、机器人造型的艺术作品、记录监督评价本组的活动手册作品。

在各组经理的带领下，各部门各司其职，通力合作，互帮互助。

老师主要做课堂的引导者，在课堂巡视中如发现有共性的问题可以集中讲解，发现学生亮点做法，记录下来，后期点评作证，鼓励学生集思广益，奇思妙想，学会合作。

制作：记录组员活动情况
图2
4.展示评价，总结交流。

小组进行作品展示(如图3)，介绍作品的亮点，活动情况，组员的合作情况等，全班点评，并对作品提出改进的意见。

根据大家提出的建议，小组根据实际情况，完善作品。

组组互评，组员自评，老师综合点评整个活动情况。

图3
组间评价
学生自评
考虑到四年级的学生在项目学习活动中，对课堂的把控力还有待提高，对过程性评价还太容易自主操作，每课时的容量饱和，所以本项目的评价主要为终结性评价，主要是第四课时的组评、自评、师评三种形式。

各个小组上台展示作品后，其他小组进行口头点评，并在“组间评价”表星级评定。

小组成员从“知识、合作、收获”等方面进行自我评价。

老师做活动总结评价，对各个组进行点评，表扬亮点，提出希望，颁发星奖。

三、结束语
1.关注人文，激发学习动力。

该项目基于学生设计的学习，从真实校园生活情境的问题出发，通过知识和力量施予人文关怀。

本项目学习重点并非知识的教学，而是关注学生能力和素养的提升，允许每个孩子不同的成长和收获，表扬每个孩子不同程度的进步。

2.“STEAM+”模式，强化学科融合。

通过“STEAM+”的教学模式，融合多学科知识，促进学生高层次思维和积极的情感投入，解决复杂问题，全面提高学生知识、情感、动手和创新的能力。

3.职业体验，增强责任意识。

将全班学生根据“绘画、编程、作文、演讲、手工”等个人特长进行建组，以生产公司的工作部门赋予每个孩子的任务和职责，让他们体会到实际造物的形式。

小组合作充分展现组员对要求的达成度、分工合作的参与度、讨论交流的自由度、守望相助的相关度，发挥个人优势，树立责任感。

参考文献
[1]李幸基于设计的STEM+C教学对小学生计算思维的影响研究[J].中国电化教育，2019，5-9。

[2]Kolodner J cational implications of analogy.A view from casebased reasoning[J].Am Psychol,1997,52，(1)，57-66。

[3]Fortus D,Dershimer R C,et al.Design-based science and student learning[J].Journal of Research in Science Teaching,2004,41，(10)，1081-1110。

[4]Choi E,Lindquist R,et al.Effects of problem-based learning vs. Traditional lecture on Korean nursing students' critical thinking, problem-solving, and self-directed learning[J].Nurse education today,2014,34，(1)，52-56。