融合人工智能的STEAM教育实践研究——以“智能飞行救生圈”项目为例

宗艳 广东省深圳市罗湖区教育科学研究院

● 研究源起

人工智能技术近年来在全世界引起高度关注，从本质上看，STEAM课程和人工智能教育有着内在的联系[1]，STEAM教育包含多项“技术”知识，强调跨学科整合，并最终形成成果，能够培养学生的创新精神及实践能力。[2]因此，如何将人工智能技术融入STEAM教育，培养学生的高阶思维，真正实现教育的跨学科融合，应该是当前STEAM课程与教学研究需要思考的问题。[3]“智能飞行救生圈”作为融合人工智能的STEAM教育项目，极具教育价值与社会意义，值得在STEAM教学中深入探索。

● “智能飞行救生圈”项目的价值分析

智能飞行救生圈项目源于对现实生活场景的需求，其智能飞行、搜寻、投放功能都涉及人工智能技术，其中的科学原理非常值得探究、学习。该项目的设计与制作过程，不仅能让学生学习感悟人工智能技术，还能让学生参与到具有社会责任感的实践当中，有效地提升学生的核心素养以及计算思维各方面能力。

1.项目的教育价值分析

STEAM教育的特点包括解决真实社会中的具体问题、运用项目式（产品目标导向）学习方式、讲求团队协作能力等[4]，智能飞行救生圈项目教学活动除具有上述理念外，还具有融合多项人工智能技术教育的特点，倡导在“做中学”，让学生充分领悟到人工智能技术的内在逻辑并将其实现。

智能飞行救生圈的工作原理是通过人工智能技术实现救生圈的自动飞行、定位，并对溺水者进行精准投放，帮助溺水者脱离危险。项目通过红外传感定位、智能编队、视觉识别（热成像系统）等人工智能技术来实现整个工作流程。该项目让学生在真实情境中获得体验、积累学习经验、树立正确的价值观，使学生在构建自我认知、培养创造思维及探索能力的过程中，提升创新实践能力[5]，具有极强的教育价值。

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2.项目的社会价值分析

智能飞行救生圈通过人工智能技术使救生圈具备自动飞行与识别功能，可以实时矫正救生圈落点，不受事发点地面交通情况（如行人拥挤）及水况的影响，极大地节省了施救时间，提高落水者生还几率。智能飞行救生圈与市面上的救援方案的对比分析，如上页表所示。

现有机动救援方案救援速度慢，对环境要求较高，不适合快速机动救援，而智能飞行救生圈方案速度快，对环境要求低，能够对溺水者进行快速施救，填补了近岸1海里以内高速机动救援的空白，具有极高的社会意义。

● “智能飞行救生圈”项目的创新实践

1.功能创新设计

根据方案规划与多次实地试验，本项目最终确定运用红外传感器定位+AI智能编队、视觉巡检+热成像系统辅助、AI追踪定位、物联网定位+终端智能响应四个人工智能技术流程完成智能飞行救生圈功能（如图1）。

图1

①红外传感器定位+AI智能编队。当接到救援信号后，智能飞行救生圈迅速对溺水者所在位置实施定位，并编队飞行巡航。②视觉巡检+热成像系统辅助。视觉识别模块已深度学习识别人体溺水特征，通过机器视觉巡检（能见度不高的情况下启用热成像系统辅助），识别出目标。③AI追踪定位。智能飞行救生圈锁定呼救目标，进行AI追踪定位，圈定事发地点。④物联网定位+终端智能响应。当对目标定位后，智能终端开始启动降落辅助救援功能，精准投放到目标位置，并发射信号等待后续救援。在目标获救后，智能飞行救生圈可以根据红外定位，自动返航、充电。

2.项目创新实施

在经历了前期上百次的试验后，智能飞行救生圈项目终于朝着正确的方向开始实施。下面，以第一代到第四代作品的迭代内容来说明项目的创新实施。

①第一代作品。制作出仅有基本动力系统与中框的O-Class原型机，用于验证600级轴距下O-Class构型的可行性。在验证成功后，借助这台原型机对飞控基准参数进行特化调整。

②第二代作品。借助SolidWorks工程三维建模软件，设计出全尺寸概念机的模型，进行气动、受力、散热等方面的仿真分析。根据仿真结果，确定各关键机载设备的安装位置，升级动力系统配置的指标，并从减重、减轻高速抖震等方面对中框进行优化。

③第三代作品。与大疆视觉组工程师研讨确定飞行救生圈的“红外热像-可见光”双光视觉配置方案，拓展飞行救生圈在夜间、低能见度天气等特殊环境下的工作能力。与飞行器制造专业学生进行交流，对飞行救生圈的气动方案进行更多的优化。

完成第三版原型机的基本系统测试“V3平台”总装，开始对自动飞行搜救全过程进行测试。

④第四代作品。对飞行救生圈的外侧护圈区域进行结构调整，制作出第四代飞行平台。

在此之后，项目组进行了近100小时的飞行测试，对飞行救生圈的天线、减震球等细节部分不断改进，并对飞控的飞行参数、应急逻辑等更深入地进行了优化，最终项目完成的作品如图2所示。

图2

● “智能飞行救生圈”项目的教育活动模式构建

智能飞行救生圈项目教育活动模式遵从一般性STEAM教育模式规律。为了实现融合人工智能的STEAM教学目标，一般选择工程性课程，工程性课程是体现STEAM教育理念最适切的形式。基于工程设计的STEAM教育活动可以使学习者根据自己的兴趣，沉浸于学习活动中，并在多次调试和迭代中完成STEAM学习。[6]国外的教材为了满足工程设计需求，会选用工程设计的模式进行STEAM教育活动的步骤划分，其中包括明确任务、发散思维、迭代设计、作品呈现。[7]此外，STEAM教育模式——5E教学模式，基于建构主义理论形成，该模式包括参与（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation)5个环节[8]，教学活动以学生为中心，以教师为指导者。

参考工程性课程模式和5E教学模式，智能飞行救生圈项目教育活动模式构建如图3所示。

图3

1.确定项目

项目开始之初基于真实情境引出问题，通过凝练主题、构建问题矩阵、制订项目规划，进行智能飞行救生圈项目的整体策划。

2.组建团队

学生通过自我探索、小组协作组建团队，并进行对应角色分配、技能补齐，深度学习人工智能相关技术，保证团队的合作战斗力。

3.功能设计

在教师的指导下，学生进行自主探究、知识构建，用各类软件、硬件进行产品功能设计，完成智能飞行救生圈的全部功能流程。

4.外观完善

在产品功能完成后进行外观设计，此阶段包括确定设计平台、设计产品外观等。

5.迭代优化

学生通过对智能飞行救生圈的评价进行优化改进，教师启发学生思维创新，此阶段包括项目评审、方案优化、迭代改进等环节。

● 展望

目前的STEAM教育大多融合了人工智能技术，融合人工智能的STEAM教育开展得越来越广泛。因此，在STEAM的教学实践中还应注意以下问题：

①教学内容要注重趣味性和关联性。STEAM教育关注学生在学习过程中知识与技能的获得，培养学生创造力、逻辑思维、问题解决能力等计算思维能力，因此，教学内容要还原到真实生活中去，设计有趣、合理并相互关联的内容，让学生明白要解决的问题的逻辑关系，产生强烈的学习兴趣，主动连接多个学科中的知识点来完成。尤其是融合人工智能的STEAM教育突出了项目的创新性，更应该注意项目设计的合理性及趣味性。

②教学目标要富有层次性。参与STEAM教育的学生具备不同的文化基础和认知水平，因此，STEAM教学目标的设置应该有不同的层次。特别是有人工智能的加持，对学生的自律、自学能力要求更高，所以STEAM的教学目标应该关注学生创造思维的培养，并形成有梯度、有层次的不同的目标体系。

③教学模式要具有多样性。融合人工智能的STEAM教育的突出特点是具有创新性，传统单一的教学方法不能满足其教学，因此，要在充分理解项目的基础上积极探索更有效的教学模式。[9]