基于人工智能项目的STEM PBL课程设计

王淑丽

摘 要：基于人工智能项目的STEM学习，引导学生通过实践活动，在真实的情境中，为学生提供机会，让学生专注于生活，投入到让学生感觉到满足而值得从事的活动中，培养学生的科学思维和科学素养。本论文以人工智能项目为例，来分析基于项目的STEM学习，在初中科学课上发挥的独特魅力。

关键词：基于人工智能项目的STEM学习；科学思维

随着课程改革的不断推进和深化，STEM教育正以其不同于分科教学的跨学科整合课程的方式受到极大关注。我国的STEM教育仍处于初级阶段，课程资源严重不足，而花费大量资金引进国外的原版STEM课程资源，又难免“水土不服”。为了解决课程资源不足的问题并实现STEM教育的本土化，笔者尝试把传统的人工智能类校本课程打造成具有鲜明STEM特征的课程资源，并开展了相关实践研究，总结归纳了一些行之有效的方法和措施。

一、明确STEM教育的核心特征

综合国内学者对于STEM教育的研究，可将其核心特征归纳为以下九个方面。

一是跨学科，这是STEM教育最重要的核心特征，它意味着教育的重点不在某个特定学科上，而是将重心放在特定的问题上，强调综合利用多门学科的知识来解决问题。

二是趣味性，STEM教育重视分享和创造，强调使学生能够从分享和创造的过程中获得乐趣与成就感。

三是体验性，强调学生以动手、动脑的方式参与学习活动，在这种体验式的过程中，不仅获得“陈述性知识”，还习得蕴含在项目问题解决过程中的“程序性知识”。

四是情境性，STEM教育不直接传授学生学科知识，而是鼓励把知识还原于生活，常以生活中面临的实际挑战作为问题情境，激发学生综合运用多种知识解决实际问题。

五是协作性，特别强调通过团队成员之间的互相帮助和互相启发进行群体知识建构，往往采用小组合作方式，共同搜集、共享、分析或处理信息，提出多种假设并展开验证，评价也更多地针对团队而非个人。

六是设计性，要求学习产出环节要包含设计作品，通过设计促进知识的融合与迁移，通过作品外化学习的结果，外显习得的知识和能力。设计作品的质量可以体现学习者的创新思维、灵活运用技术和综合运用知识的能力水平。

七是艺术性，强调在工程设计过程中体现美感，提高作品的艺术性。

八是实证性，这不仅是STEM教育的一个特征，更是科学区别于其他学科的重要特征，强调基于证据验证假设，以实事求是、严谨务实的科学态度来开展研究。

九是技术增强性，STEM教育强调学习者要具备一定的技术素养，要求习得并较熟练掌握技术手段，从而利用技术实现创意，将构想形象化，创造制作形成实物作品[1]。传统的人工智能类校本课程往往只强调某一类技术的传授，或者根据某一载体以特定内容和固定方式开展动手实践活动，虽然也具有活动内容有趣、鼓励学生小组合作、指导学生动手制作等特点，但往往不能完全涵盖以上所提及的STEM教育的特征，在跨学科融合、基于现实问题的情境创设以及技术增强性等方面有明显的缺失。

二、创设趣味情境，将体验活动任务化

传统的人工智能类校本课程往往以具体的套材作为载体开展相应的制作活动，较少创设趣味化的情境。而STEM课程更强调在具有趣味性的情境中去解决真实的问题，以问题或任务为驱动，来完成项目作品或形成解决方案。因此，将课程中的具体教学内容融入一个有趣并有意义的情境中，是STEM教学活动的必要前提。例如，“智能花房管家”的设计目标是给花房设定一个无人值守的自动灌溉及恒温装置，初始方案是室内安装空调以保持恒温，提取土壤湿度传感器数据驱动电磁阀实现自动灌溉。由于采用Arduino硬件+S4A图形化编程的组合，原型设计很快实现。在模拟测试过程中，设计团队再一次头脑风暴的结果是应该加装二氧化碳气体检测装置，在植物需要的二氧化碳浓度下降到一定的阈值时驱动开窗器置换窗外的空气。由于要求团队要经常变换角色，模拟用户的产品使用体验，同理心的力量驱使需求定义不断优化，有学生提出不同的植物习性不同，因而给水的量应有差异，此时给出为每种植物配搭继电器控制的方案，也有让机器人识别不同的植物编号分别浇灌，通过思维“碰撞”出更简单有效的方法来解决问题，即给每种植物配备粗细不同的出水管。当设计团队的每位成员“浸润”其中且变换角色时，基于用户考虑的同理心会让需求定义不断精准优化。当然目标问题域也会不断拓展，这会给原型实现乃至最后的测试环节带来不确定性和许多的反复，这正是设计思维的魅力所在。上述方案即便迭代了数次，最后还是有学生提出进一步优化的方案，如加装空气湿度传感器，当空气干燥时驱动加湿器工作，还有利用室内外温差进行温度调节时不使用空调以达到节能的目的等，以上STEM PBL的实施很好地诠释了“设计思维是进行各种美妙的创意和关于用户体验的深度思考”。

三、制造认知冲突，激发问题意识

开门见山直奔主题式的导入，常无法激发学生的问题意识。在创设了有趣的挑战情境后，学生们跃跃欲试。此时，教师应从问题入手，引发学生的认知冲突，促使学生开动脑筋，通过搜索已有的知识或学习新知识尝试解决新问题。例如，“金鱼缸管家”的初始目标是非良构的，目标任务是实现金鱼缸的无人值守、自动管理，但是由于该产品属于创新设计，用户的需求定义一开始是不够明晰的，因此会导致在创意构思、原型设计等环节不断添加、完善需求定义。设计团队对问题的解析是：实现自动喂食、自动加温、自动过滤，此“产品”的原型设计较为简单，所需的设备均可网购，于是除了金鱼缸外，还购买了自动喂食器、加热棒、水质传感器等。市售的喂食器、加热棒能实现自动加热、喂食，于是初始的创意仅用Arduino UNO提取水质数据，然后判断是否要进行水质的过滤。头脑风暴在设计思维的各个环节展开，有人质疑如果室温上升至30℃以上，加热棒无法实现水体温度的下降，而金鱼的习性是当温度上升到30℃以上时活跃指数下降，进食将明显变慢，此时若仍然按预设投食将导致过剩、污染水质。于是需求定义明确为根据水温的变化，以“鱼”为本，科学投食。在技术层面上加装了温度传感器，数据提供给Arduino UNO，触发继电器驱动投食器。试运行后又发现时间如果较长，水位会因蒸发而下降，需要实现自动补水，当主人靠近且环境亮度较低时，LED灯需要自动点亮。基于以人为本的设计理念，在同理心的作用下，用戶的需求定义被不断地明晰优化，创意构思亦同步迭代演进。

四、以解决问题为驱动，综合运用各学科知识

STEM教育提倡打破学科界线，实现跨学科融合，充分调动各学科“有用的”知识来解决实际问题。学生长期接受分科教学，在大脑中存储了很多个单一学科独立的知识单元，很少有机会将各学科知识进行整合运用。以人工智能类校本课程为基础的STEM课程可以给学生搭建综合运用各学科知识的平台和机会。

参考文献

[1]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究.2015（4）：15-17.