基于 STEAM 教育理念的初中人工智能课程设计与实践

《义务教育课程方案（2022 年版）》突出强调了跨学科主题学习的重要性，在提出强化课程的协同育人功能要求的同时，也要求强化学科实践，积极开展主题化、项目式学习等综合性教学活动，进而引导学生经历发现问题、解决问题、建构知识、运用知识的过程，提高他们认识真实世界、解决真实问题的能力^[1]。但是，目前大部分人工智能教育更偏向于学生技能的培养。学生更多停留在模仿教师的阶段，其应用和迁移多学科知识解决问题的能力无法得到培养。这不利于智能人才的养成。基于STEAM教育理念的跨学科项目学习，能够展现出驱动性问题的认知过程和结构分析，让学生在连续的实践活动中激发出创造性的思维方式。这有助于学生建立起一套完整的学习机制，包括发现问题、分析问题、解决问题和拓展应用等方面。通过这种方式，学生可以掌握一般性的问题解决方法，并应用于解决生活中的实际问题，从而核心素养得到培养^[2]。本文以人工智能课程为依托，基于STEAM教育理念设计了跨学科项目“智能皮影戏”，并进行了教学实践，通过项目主题和真实性问题链助力人工智能核心素养的落地。

一、基于STEAM教育理念的跨学科项目的优势

（一）综合跨学科知识与技能培养

通过跨学科项目，人工智能学科能够融合科学、技术、工程、艺术和数学等多个领域的知识与技能。这种综合性的学习方式使学生能够从多个角度深入理解人工智能的原理和应用，掌握跨学科的知识体系。同时，它也有助于培养学生的综合思维能力和解决问题能力，使他们能够运用多种学科知识来应对人工智能领域的复杂挑战。

（二）实践与创新能力的提升

在人工智能学科的跨学科项目中，学生可以通过实践探索、团队协作和问题解决等活动，将所学知识应用于实际项目中。这种实践性的学习方式能够提升学生的动手能力和创新能力，激发他们的创造力和想象力。学生可以在项目中主动探索、发现问题并尝试解决，从而培养独立思考和解决问题的能力。同时，通过团队协作，学生还能够学会如何与他人合作、如何分工协作以及如何共同完成任务等技能。

（三） 综合素质与高阶思维的培养

基于STEAM教育理念的跨学科项目设计不仅注重学生的知识和技能培养，还注重对学生情感态度和价值观的培养。通过参与项目学习，学生可以体验到成功的喜悦和挫折的磨砺，从而自信心、耐心和毅力等综合素质得到培养。同时，跨学科的项目学习也有助于培养学生的创新思维和批判性思维等高阶思维能力。这些能力对于学生的未来职业发展和社会适应能力具有重要意义，可以帮助他们更好地应对复杂多变的社会环境和挑战。

综上所述，基于STEAM教育理念的跨学科项目在综合跨学科知识与技能培养、实践与创新能力的提升以及综合素质与高阶思维的培养等方面具有显著优势。这种教学模式有助于全面提高学生的综合素质和创新能力，为他们未来的职业发展和社会适应能力奠定坚实的基础。

二、基于STEAM教育理念的跨学科项目设计

（一）跨学科项目概况

中国皮影戏拥有超过两千年的历史，文化内涵丰富，流行范围广泛，是我国珍贵的非物质文化遗产。然而，由于多种因素，皮影戏面临着传播与保护力度不够、传承断代、后继乏人等多重困境。在本案例中，教师引导学生以项目小组为单位组建非遗宣传大使团队。项目小组需要宣传我国非物质文化遗产——皮影戏。为了让大家更好地了解皮影戏，项目小组首先需要为皮影人物设计服饰，将设计好的皮影人物打印制作，然后编写皮影故事，同时准备在街头放置皮影戏播放装置。在本次项目活动中，项目小组需要结合物理、信息科技、人工智能、人文艺术等学科中的知识，通过知识的迁移分析问题、解决问题，进而完成项目任务。

（二）项目知识地图分析与设计

该项目立足于我国非物质文化遗产的宣传，引入人工智能技术，通过人脸识别实现皮影戏的智能播放。该项目共5课时，参与对象为七年级学生，他们已经具备一定的编程和人工智能学习基础。项目中涉及的跨学科知识地图如图1所示。

（三）项目目标

本跨学科项目学习需确定两个方面的目标：一是社会迁移目标，即培养学生知识迁移应用能力，并激发学生对中华优秀传统文化的兴趣和热爱，增强文化自信；二是学科素养目标，即通过人工智能、人文艺术、物理等学科知识的融会贯通，学生可以利用数字化手段完成项目目标，培养他们的核心素养。具体目标如表1所示。

三、基于STEAM教育理念的跨学科项目实施

“智能皮影戏”跨学科项目以传承我国非物质文化遗产为设计要点，基于STEAM教育理念从项目启动、项目实施、成果共赏、多元评鉴等方面进行深入探究。具体教学流程如图2所示。

（一）项目启动，STEAM理念构思

教师基于STEAM理念创设关于皮影戏的真实学习情境——组建非遗宣传大使团队。通过视频《中国传统文化之皮影戏》，学生直观地了解皮影戏的历史渊源、制作原理及承载的深厚文化内涵，从而深刻认识到皮影戏宣传的重要性。紧接着，学生打开国家中小学智慧教育平台，自主观看“皮影欣赏”目录下的视频，构思皮影故事。教师引导学生思考如何更有效地推广和保护我国的皮影戏，以维护文化的多样性。这极大地激发了他们对文化宣传活动的探究热情。

接下来，教师提供剧本范例和视频资源，学生依据范例确定本组皮影戏故事主题，完成“皮影故事”文档（如图3）。这一学习过程不仅使学生深入领略皮影戏文化的魅力，还促进了他们语文写作能力的提升。最后学生在组内分享各自的作品，探讨皮影戏故事的合理性、可实现性以及智能皮影戏如何实现。这个过程中，学生需要运用数学知识规划皮影戏播放装置的结构，利用科学知识理解皮影戏的运动原理，通过编程技术实现装置的自动播放功能。这不仅培养了学生的跨学科思维能力，还使他们在探究中实现了知识的迁移与运用。

（二）项目实施，技术协同推进

项目进入实施阶段后，学生要利用多种技术手段助力项目完成。

1.皮影纹样创绘

学生通过运用Photoshop软件中的图层蒙版功能，为皮影人物设计富有传统韵味的服饰纹样。小组内学生共同筛选出1到2件最具创意和代表性的作品，并将它们打印制作出来。学生将虚拟的设计转化为实体的皮影人物服饰纹样，这不仅检验了学生的设计成果，还为他们提供了将创意付诸实践的机会。同时，通过对我国传统纹样的学习和应用，学生对这些文化遗产有了更深刻的认识，从而增强了他们的文化自信。

2.皮影动态演绎

学生通过信息化辅助平台ITtools查看教师提供的脚手架（如图4），从而构思项目实现的方式，同时思考皮影人物如何动起来。然后学生小组合作探究让皮影戏自动播放所需的装置，如电动机、智能摄像头、主控板、乐高等硬件设施及编程软件。通过观看微课、听教师讲解电动机的工作原理以及电动机转动需要考虑的因素（方向、转速），学生理解了让电动机转动的编程语句。最后学生通过编程实现电动机带动皮影人物的运动。在这个过程中，学生还需考虑皮影戏播放装置与皮影的位置规划。在该环节，学生根据项目介绍视频梳理项目流程，使得目标任务越来越清晰。小组合作不仅锻炼了学生的团队协作能力，还让他们学会了如何在团队中发挥自己的优势，共同解决问题。同时ITtools 平台中的“锦囊妙计”也为后进生提供了有力的支持，帮助他们更好地参与到项目中来。

3.制作皮影戏智能播放装置

教师进一步引导学生思考：我们该如何实现一个有人靠近时就自动播放皮影戏的装置？用什么元器件进行人脸检测？接下来，教师介绍人脸识别概念，并通过视频展示，让学生更直观地理解什么是人脸识别以及人脸识别的过程。然后，教师提出问题：智能摄像头一开始就会识别人脸吗？通过类比婴儿认识事物的方式，教师引导学生理解智能摄像头同样需要经过学习和训练，进而让学生初步理解图像识别的基本原理。接下来，学生利用ITtools平台提供的脚手架训练智能摄像头，并梳理任务逻辑，绘制任务流程图，从而形成清晰的问题解决思路。最后，学生小组合作完成皮影戏智能播放装置的制作（如图5），并进行程序调试。在调试过程中，学生会发现摄像头在离开人脸的瞬间，会出现人脸检测错误的情况。此时学生需要利用ITtools平台提供的“锦囊妙计”探究任务解决方案。通过不断调试、优化程序，学生的编程调试能力和问题解决能力得到进一步提升。

（三） 成果共赏，创新成果分享

教师及时关注项目小组任务完成情况。每个子任务完成后都有一个展示交流环节，小组成员根据展示情况进一步完善子任务。最后教师组织召开作品展示及研讨会，小组从故事背景、本组智能设备的优势等方面展示自己的皮影戏。展示过程中教师及时总结，并引导其他学生对展示作品进行评价。参与展示的小组成员记录展示中他人的意见和观点（如图6），以便后续进一步改进完善。

在该环节中学生展示与交流项目成果，这不仅是他们设计作品、创新思维和审美能力的展现，同时也是一个互相学习和启发的过程。这样的展示与交流活动，不仅有助于培养学生的表达能力、沟通能力和合作交流能力，还可以拓展学生的视野和思维方式。在这个过程中，教师通过观察和评估学生的展示，能更全面地了解各组项目进展情况，从而进行有针对性的指导。

（四）多元评鉴，反思优化提升

开展跨学科项目教学不仅要关注学生知识掌握情况，更要关注学生创新能力和素养的提高。小组合作是人工智能课堂中常有的组织形式，有效的小组合作能体现学生在数字化环境中的自主学习能力。因此在本课的评价环节，学生通过ITtools平台反馈任务进展情况，通过问卷星反馈小组合作情况 。教师将两种评价结合，运用多种评价手段，以此检验学生学习成效，并从侧面检查学科核心素养的达成情况。在本文中，教师提供的学习评价表主要从任务完成情况、组内合作情况等维度评价。最后教师根据学生在课堂上的实时反馈进行终结性评价，实现小组合作评价的进一步升华。

该项目中各小组合作整体表现较好。以组内合作情况（如图7）为例，在四个题目中，大多数学生都表示每个成员都能积极参与小组活动，每个成员都有明确的任务并能认真完成任务，小组成员能认真倾听、互助互学，小组合作氛围愉快、合作效果好。但也有个别学生在组内倾听、互助互学以及合作氛围方面不太满意，教师将进一步关注。

四、结语

随着社会的发展，传统的人才培养模式将面临严峻挑战。智能时代的到来需要人工智能教育的支持，创新人才的发展则需要跨学科学习的推动。因此，教育事业应该致力于培养兼具人工智能和跨学科素养的创新型人才，使得学生面向未来的综合能力得到提升^[3]。本文将人工智能与非物质文化遗产皮影戏相结合，基于STEAM教育理念设计了跨学科项目“智能皮影戏”。在该项目实施过程中，学生被赋予了更多自主探索的空间，教师鼓励他们跳出传统框架，勇于创新。学生利用数字化工具，在真实情境中合作探究，从梳理任务逻辑到形成解决方案，每一步都充满了主动性与创造性。这一过程不仅培养了学生的计算思维，还促进了他们多学科知识的迁移与应用，构建了问题解决的有效策略，形成了问题解决的一般化方法。同时学生还能够意识到利用科技弘扬中华优秀传统文化的重要性和必要性，助推文化自信自强。在整个项目过程中，学生的核心素养得到了有效培养。

总之，学生在跨学科项目学习中拓宽了学习的场域，拥有更多的自主探索空间。学生可以利用数字化学习的工具，在真实情境中探索和寻找问题的解决方案，他们可以亲身体验到项目实施的整个过程，将知识从课内延伸至课外，体会到技术与非遗结合的魅力。

注 ：本文系福建省教育科学“十四五”规划2023年度课题“单元视角下初中信息科技跨学科主题学习设计研究”（课题编号：FJJKZX23-524）、厦门市高中“提质增效”专项专家型教师课题“基于数字化学习与创新培养的中学信息学科学习评价研究”（课题编号：XMZJ2023106）的研究成果。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育课程方案：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 李刚.跨学科项目化学习的设计与教学实施：以“自制油量表”为例[J].物理教师，2023（9）：38-41.

[3] 梁云真，刘瑞星，高思圆.中小学“人工智能+X”跨学科融合教学：理论框架与实践策略[J].电化教育研究，2022（10）：94-101.

（作者系福建省厦门市马銮湾实验学校教师）

责任编辑：李媛