信息技术支撑下的科技创新教育

2021-11-21太原市第十二中学高一华

山西电教 2021年3期

太原市第十二中学刘君高一华

太原十二中创建于1956年，发展至今，已有5个校区，办学规模102 个教学班，在校学生5000 余人。学校坚持“一切为了学生的健康成长”的办学理念和“一体两翼”育人模式，全面落实立德树人根本任务，全面提升学生的人文素养和科学素养，逐步形成了科技创新教育办学特色。学校先后获得了“山西省示范高中”、“山西省素质教育示范校”、“现代教育技术实验学校”、“山西省基础教育课程改革先进学校”、“全国中小学人工智能教育实验校”、“中国STEM 教育2029 创新行动计划领航学校”、“首届全国文明校园”等荣誉称号。

一、实施背景

2016年6月中央政府大力推动科技创新教育,国家在发布的《教育信息化“十三五”规划》中提倡有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习(STEAM 教育)、创客教育等新的教育模式中的应用，深化信息技术与教育教学的融合发展，从服务教育教学拓展为服务育人全过程。

2017年7月国家发布《新一代人工智能发展规划》, 明确指出人工智能成为国际竞争的新焦点，应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育、建设人工智能学科，培养复合型人才，形成我国人工智能人才高地。为实现该目标，教育部特别提出需要在中小学设置人工智能课程、编程类课程。并在《规划》中提出，实施全民智能教育项目，在中小学设置人工智能相关课程，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。

2018年1月国家教育部发布《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》,其中人工智能正式被纳入《普通高中信息技术课程标准》新课标。

2018年4月国家发布《教育信息化2.0 行动计划》, 指出了教育信息化2.0 行动计划是顺应智能环境下教育发展的必然选择，确定实施“智慧教育创新发展行动”。

2020年12月《山西省教育厅关于加强和改进新时代基础教育教研工作的实施意见》探索适应课程改革需要的教研工作机制，开展跨区域、跨学校和跨学科的教研活动。以人工智能、大数据、云计算、物联网等新兴技术为基础，积极开展智慧教研探索与实践，推动教研理念、模式、内容、方法及机制创新。

二、模式创新及成效

1.顶层设计，自上而下，提供组织保障

学校坚持“一体两翼”育人模式：“一体”是指落实立德树人根本任务，“两翼”是指全面提升学生的人文素养和科学素养。为更好地落实“一体两翼”育人模式，学校于2020年9月对学校组织架构进行了调整，变原科层制为中心负责制。成立了“六大中心”（党群工作中心、教学服务中心、创新教育中心、学生发展中心、文化艺体中心、后勤保障中心），管理模式不断创新，工作效能进一步提高，实现了“一个集团、四个校区、统一管理、高效运转、特色办学、优质发展”的全新局面。其中创新教育中心下机器人、航模、创客等社团以及人工智能实验室为学生参与科技类活动和竞赛提供了丰富的场地、平台和设施，通过专职创客、机器人教师、班主任和任课教师的配合，实施具体工作安排。

学校成立由校长担任组长，副校长担任副组长，各部门中层领导担任主要成员的创新教育指导组，由校长牵头，各副校长及各部门中层领导积极参与，配合全体教师，共同完成学生的创新教育指导工作。

2.群策群力，多方合作，构建专业师资队伍

学校成立创新教育指导组，在创新教育中心的基础上，发展校企合作、高校联盟，配置专业教师，以专职指导教师为主，联合相关职能处室、学科组及班主任教师，组成全员指导的创新科技指导队伍，组织教师外出培训学习、参观体验，借鉴其他省份优秀学校的相关经验，并通过开展辐射式培训，发展专业的师资队伍。

3.完善课程体系建设，推动STEM 项目式学习

结合本校特点，自主开发适合学生的科技类课程。学校建设了机器人、人工智能、航模、创客实验室等创新训练空间，配套完善相关课程及设施设备，包括乐高套件、赛季场地、航模、遥控器、模拟器、DFRobot 开源硬件等，此外在北大街校区成立了太原十二中创新教育基地，包括STEAM 教学空间、领军人才活动中心、蹦豆创客学院三个教学区域。

基于众多的平台和设备，学校建设了相关的校本课程，分为必修课和选修课。其中必修课包括人工智能和创客，选修课包括无人机、航模、FLL 和Robo-Master。

（1）航模和无人机课程

学校航模队2011年成立，至今已建成成熟的课程体系，包括纸飞机、模拟飞行，航模搭建等，航模是一项飞向天空的体育运动，它涵盖机械、电子、计算机编程、无线电通信、遥感等多方面知识，学校航模社为学生配备了泡沫 KT 板、碳纤维加强杆、胶水、切割工具、无刷电机、螺旋桨、电子调速器、舵机、电池、遥控器等相应设备，学生通过亲自动手制作航模，编程和操作飞行，理解飞机飞行原理、如何保持稳定、空气气流动力学等多种知识。学校航模队每年代表山西参加全国比赛，屡获殊荣，其中蔡佳晟同学多次代表山西省参加国际比赛并获奖，廖原同学考入浙江大学，现于英国通讯无人机专业读博。学生通过学习航模知识，亲手制作航模飞机，参加航模活动和比赛，控制飞机盘旋、翻转，实现了空中翱翔的梦想，不仅丰富了生活，开阔了眼界，更有同学因为这些经历而立志长大为祖国航天事业做出贡献，这是最好的爱国教育。2019年学校获中国航空运动协会授予的“校园航空飞行营地”荣誉称号。

（2）机器人课程

机器人设计涉及到数学逻辑思维、计算机算法初步、结构搭建、物理受力分析、电路连接等多学科知识，在日常训练过程中，我们采用基于项目的任务驱动法进行教学，如“绚彩灯光”、“扫射攻击”、“视线跟随”、“智能巡线”等项目，在项目任务完成过程中渗透变量、分支、循环等编程知识及齿轮传动、电机驱动，颜色传感器、陀螺仪等的用法，实现了“做中学”，“玩中学”。学校机器人队于2015年成立后，参加WER 和FLL 比赛基本囊括省市前三甲，代表山西参加全国赛并屡创佳绩，2018年FIRST 中国机器人大会上，学校机器人队郭肖慧同学在PREP 留学优先计划面试中获得美国密尔沃基工程学院的Offer，同时获得68000 美元的奖学金。郭肖慧同学谈到参加机器人比赛的感想，说机器人结构的设计是比赛的关键，在平时的训练中，完成结构设计之后要尝试着与队友分享，在相互分享与交流的过程中，常常会碰撞出新的想法与思路，会找到机器人活动的乐趣，这时的机器人学习就不会是一项任务，而是一种玩耍。能力才是相伴一生的财富。

（3）人工智能课程

2019年，学校被中央电教馆遴选为22 所“全国中小学人工智能教育实验校”之一，是山西省唯一一所，为了有效开展人工智能课程，学校组织相关老师参加了在合肥举办的中小学人工智能教育试点工作培训会，随后于11月中旬依托中央电教馆的AI 教学资源网、百度EasyDL 深度学习等人工智能应用学习平台、《人工智能》初高中教材，在高一、初一全年级开设必修课，旨在科普人工智能相关理论，培养学生对人工智能专业的兴趣。

在教学探索过程中，我们逐渐认识到，人工智能是一门新兴的技术交叉科学，主要研究如何使机器具有人的智能并开发相应的技术、方法和应用系统，涉及计算机科学、数学、哲学、社会学、认知科学、脑科学、生理学、心理学多个学科领域，其学科交叉性意味着在教学过程不能使用单一的教学方法，这与基于项目的学习、STEAM 教育理念相契合，因此我们逐渐构建了基于STEAM 教育理念的项目教学模式，形成了一系列教学资源，并将研究成果汇入国家级课题《基于STEM 教育的中学人工智能课程教学案例研究》，为开展和推广中学人工智能教育做出了积极探索。2020年，学生温凯峰考入哈尔滨工业大学工科试验班（智能装备）。

（4）基于STEAM 的创客课程

创客活动包含硬件搭建和程序设计两部分，其中硬件搭建涉及到3D 打印、激光切割、图形设计等多方面的知识，学生需要根据主题进行整体设计，制作项目实现方案，结合硬件结构进行程序设计，最终完成项目，用以解决生活中的实际问题。学校初一、高一年级每个班级都去北大街创新教育基地上课，进行创意项目制作，例如“智能宫灯”、“智能垃圾桶”、“智能拐杖”等，通过自己动手实践、编程、小组合作，学生的信息素养、计算思维、动手能力都有所提升。

三、经验与反思

数字校园建设和以信息技术为辅助的教学模式显然已经成为时代发展的必然趋势，学校着重打造了一系列以信息技术为基础的精品科技社团和精品课程，取得了丰富的成果，也为教师在教学科研方面的工作开展指明了方向，收获了以下经验和体会：

1.顺应时代，坚决贯彻执行党的方针政策

十八大以来，我国的教育信息化发展处于前所未有的战略机遇期，国家的政策力度显著提升，此时学校务必要抓住时机，坚决贯彻执行党和国家教育信息化方针政策，服务于新时代的教育改革发展，为实现中国梦培养大批高素质技术技能型人才。

2.组织保障，为学生个性化发展提供平台

创新教育课程种类多样，包括航模、机器人、人工智能都需要大量的资金投入，因此，学校领导的支持和资金的保障是开展数字校园课程建设的首要条件，同时，在组织制度上，成立专门的创新教育中心进行课程开设和管理工作，为必修、选修课程及各社团活动的有序开展提供了保障。

3.变革教学模式，开展基于STEAM 的项目式教学

学校开展的所有科技类课程和活动，都需要理论结合实际，不断实践和尝试，才能获得较好的成果，这与STEAM 教育理念和项目式教学方式都很契合，因此针对不同的问题、任务、比赛，构建项目主题，策划项目实施方案，开展基于STEAM 的项目式教学，是针对这些课程的一种可实施且效果良好的教学模式，学生在自己动手实践的过程中，团队分工合作，分享交流，思维碰撞，最终完成项目、解决实际问题，不仅获得了极大的成就感，而且印象深刻，知识记忆更加牢固。