浅谈基于STEAM 教育的中学生人工智能项目——以林芝一中为例

西藏林芝市第一中学 吴 广

2017 年7 月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》提出，实施全民智能教育项目，在中小学校设置人工智能课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。支持开展人工智能竞赛，鼓励进行形式多样的人工智能科普创作。基于国家出台的宏观教育方针政策，我们的中小学科技创新教育必须对接国家战略，致力于每一个学生的全面发展，提升学生核心素养，早日服务国家经济社会发展，使我们中华民族早日并再次立于世界民族之巅。

一、STEAM 教育简介

STEAM 教育即：科学、技术、工程、艺术和数学的多学科融合教育模式，重点培养学生的科学素养、技术素养、工程素养、艺术素养和数学素养等。STEAM 教育打破了学科壁垒，为提升学生的综合素质提供了温床，它其实是对基于标准化考试的传统教育理念的转型，它代表着一种现代的教育哲学，更注重学习的过程，而不是结果。本质上来说，老师们敢于让学生们犯错，让大家尝试不同的想法，让大家听到不同的观点。与考试相反的，我们希望大家创造能够应用于真实生活的知识。所以STEAM 教育不是在桌椅整齐的教室上课，而是在充满木板、锉刀、画笔、电线、电路板、芯片、3D 打印机以及各种奇怪教育科技产品的工作坊。

二、人工智能简介

人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能与人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。在中小学开展人工智能教育，可以依托教育机器人、寓教于乐的编程软件进行活动项目开发和推广。

三、教育资源

我校现已配有以下活动器材：STEAM&创客教育社团台式机3 台、数字化实验室笔记本电脑30 台。中山创客教育项目开源电子套件（30 套）、3D 打印机（1 台）、乐高机器人套装（6 套）、单片机与控制电路套件（28套）、简易机器人套装（28 套）、人形机器人25 套+体感机器人2 套+S1 和E1 创客套件50 套（广州智信信息科技有限公司提供）。

四、方案设计

根据现有器材、设备，我校共开发了9 个分活动项目，鉴于文章篇幅限制，本文主要介绍其中的3 个项目。

（一）KC—LOGO 语言编程写字、画图（虚拟仿真机器人）项目

本项目活动的开展也只需具备可以上网的电脑即可，学生可以百度“http://www.stkuaichang.com/”， 找到KC-logo 编程平台，点击下载链接（约7MB），解压缩后，安装。该软件的编程语言简单易学，比如让机器人前进40 步，可以在程序编辑区域输入：fd 40，让机器人右转90 度，可以在程序编辑区域输入：rt 90。这样就很容易让机器人写出第一个字：口。其他可以书写的比如：田、工、王、十、士、吉等字。控制机器人转弯的角度后，就可以让机器人画图了，比如正三角形（前进50、右转120，重复3次）、正四边形、正五边形、正六边形、圆形等图形。

本活动编程语言简单易学、任务简单有趣，赢得学生一致的好评，其对学生的技术、信息素养的培养比较到位。本项目比较简单，适合中小学生。

当然，虚拟仿真机器人还有一个比较出名的，即：萝卜圈机器人。我们可以百度“http://www.irobotq.com/”，然后注册登录irobotq 3D 在线仿真机器人平台，该平台的注册及客户端的下载跟手机上安装APP 并注册一样简单。进入平台后，平台有一些简单活动的教程，诸如如何使用平台、如何搭建虚拟机器人、如何给机器人编程等。搭建机器人的关键在于从任务出发，选择合适的控制器、驱动电机和传感器，然后就像用零散的元件组装整机。编程的关键在于合理运用循环和判断语句，将传感器获取的参数传输给驱动电机。

（二）基于Arduino 的创客教育项目

本项目属于单片机（简易机器人核心控件）项目，基于Arduino 电子开源软件平台。开源软件即开放源代码软件，它被定义为描述其源码可以被公众使用的软件。本项目用图形化编程软件“mixly”对arduino 主控板进行编程，使得主控板能够控制声、光及伺服电机的转动，从而实现一些预设功能。本项目所使用的电子元件比较简单，但是可以开发学生们的想象力，他们可以创造性地应用简单元件制作出稍复杂的器件，这个过程中，可以开发学生们的创造力和动手能力。本项目的编程软件为图形化的编程软件，可以让编程零基础的学生学会编辑简单程序，并且实现预设功能。我校本项目硬件为：中山创客教育项目开源电子套件和广州智信信息科技有限公司开发的S1 和E1 创客套件。本项目对学生的科学、工程、技术、信息素养的培养比较到位。本项目难度稍大，适合高中生。

（三）益智小游戏程序设计项目

本项目采用Scratch 和萌萌编程软件，分别开发益智小游戏，我所在学校在每周一次的社团活动中，均在开设萌萌编程课程，已经开发了“极品飞车、抓蜻蜓、动量守恒的小球、闯迷宫”等小游戏。在初步看懂程序以后，学生们发挥自己的聪明才智，更改程序参数，使得游戏千变万化。

该项目对学生的设计、艺术和信息素养的培养比较到位，设计有难有易，适合在中小学生群体中开展。

以上3 个项目的设计，只做了简单的介绍，具体实施方案还需自行设计并完善。

五、实践操作

（一）开展形式：社团、综合实践活动，或者人工智能教育活动。

（二）对象及人数：可以以兴趣小组的形式进行综合实践活动，可以以班级为集体进行人工智能活动教学。

（三）主观条件（人力资源）：数学、科学、物理、信息技术、通用技术等学科老师均可指导开展STEAM&创客教育活动。要求指导教师具有一定的研究水平，掌握相当的技术教育理论，专业技术适合指导学生开展各项教育活动。

过程实施：教师完善教育方案后，按照方案展开实践活动。

六、评价方式

在针对每个活动设计出详细的方案后，从STEAM 教育核心素养方面设计评价标准，参与实践活动的学生需要对每个活动项目进行实践，力求每个项目都能让其充分体验并记录下活动过程，以期获得较深刻的STEAM暨人工智能体验。每个分活动项目均可以量身定制一个评价标准，除此之外，还可以在每次活动结束后，要求每个成员书写活动反思。

七、结语

虚拟仿真机器人、基于Arduino的创客项目和益智小游戏的程序设计项目等对学生关于编程、关于数据的处理要求很高，这在一定程度上培养了学生的数理思维和对信息处理的能力（信息素养）；学生关于虚拟机器人结构模型的搭建和设计，体现了技术、工程中的一些知识，学生从中能获得对技术素养和工程素养的培养；学生关于作品外观方面和视觉效果方面的设计体现了艺术思想，这对学生艺术素养的培养提供了温床。总体来看，通过该方案所述之活动的开展，能够让学生在潜移默化中提高STEAM 核心素养，这正是本活动基于STEAM教育的原因所在。

本活动围绕编程展开，可以说，在充分培养学生的STEAM 素养的同时，又让学生充分地体验了人工智能教育，二者相互促进、共同融合发展，取得1+1＞2 的效果。在实践中，以编程教育为契机，综合工程、技术等方面的知识，教师开发出寓教于乐的STEAM 与人工智能融合项目，让学生在实践过程中，对控制、仿真模拟等有越来越深刻的认识，当他们在家里、在社会中接触到类似的场景，他就会试着用实践活动中培养的能力去思考和解决问题，以期让他们在人工智能时代里更好地生存。时代在变革，教育也在变革，人工智能作为信息技术的发展分支，将会为未来教育的变革带来重要影响。