基于人工智能項目的STEM PBL課程設計

王淑麗

摘 要：基于人工智能項目的STEM學習，引導學生通過實踐活動，在真實的情境中，為學生提供機會，讓學生專注于生活，投入到讓學生感覺到滿足而值得從事的活動中，培養學生的科學思維和科學素養。本論文以人工智能項目為例，來分析基于項目的STEM學習，在初中科學課上發揮的獨特魅力。

關鍵詞：基于人工智能項目的STEM學習；科學思維

隨著課程改革的不斷推進和深化，STEM教育正以其不同于分科教學的跨學科整合課程的方式受到極大關注。我國的STEM教育仍處于初級階段，課程資源嚴重不足，而花費大量資金引進國外的原版STEM課程資源，又難免“水土不服”。為了解決課程資源不足的問題并實現STEM教育的本土化，筆者嘗試把傳統的人工智能類校本課程打造成具有鮮明STEM特征的課程資源，并開展了相關實踐研究，總結歸納了一些行之有效的方法和措施。

一、明確STEM教育的核心特征

綜合國內學者對于STEM教育的研究，可將其核心特征歸納為以下九個方面。

一是跨學科，這是STEM教育最重要的核心特征，它意味著教育的重點不在某個特定學科上，而是將重心放在特定的問題上，強調綜合利用多門學科的知識來解決問題。

二是趣味性，STEM教育重視分享和創造，強調使學生能夠從分享和創造的過程中獲得樂趣與成就感。

三是體驗性，強調學生以動手、動腦的方式參與學習活動，在這種體驗式的過程中，不僅獲得“陳述性知識”，還習得蘊含在項目問題解決過程中的“程序性知識”。

四是情境性，STEM教育不直接傳授學生學科知識，而是鼓勵把知識還原于生活，常以生活中面臨的實際挑戰作為問題情境，激發學生綜合運用多種知識解決實際問題。

五是協作性，特別強調通過團隊成員之間的互相幫助和互相啟發進行群體知識建構，往往采用小組合作方式，共同搜集、共享、分析或處理信息，提出多種假設并展開驗證，評價也更多地針對團隊而非個人。

六是設計性，要求學習產出環節要包含設計作品，通過設計促進知識的融合與遷移，通過作品外化學習的結果，外顯習得的知識和能力。設計作品的質量可以體現學習者的創新思維、靈活運用技術和綜合運用知識的能力水平。

七是藝術性，強調在工程設計過程中體現美感，提高作品的藝術性。

八是實證性，這不僅是STEM教育的一個特征，更是科學區別于其他學科的重要特征，強調基于證據驗證假設，以實事求是、嚴謹務實的科學態度來開展研究。

九是技術增強性，STEM教育強調學習者要具備一定的技術素養，要求習得并較熟練掌握技術手段，從而利用技術實現創意，將構想形象化，創造制作形成實物作品[1]。傳統的人工智能類校本課程往往只強調某一類技術的傳授，或者根據某一載體以特定內容和固定方式開展動手實踐活動，雖然也具有活動內容有趣、鼓勵學生小組合作、指導學生動手制作等特點，但往往不能完全涵蓋以上所提及的STEM教育的特征，在跨學科融合、基于現實問題的情境創設以及技術增強性等方面有明顯的缺失。

二、創設趣味情境，將體驗活動任務化

傳統的人工智能類校本課程往往以具體的套材作為載體開展相應的制作活動，較少創設趣味化的情境。而STEM課程更強調在具有趣味性的情境中去解決真實的問題，以問題或任務為驅動，來完成項目作品或形成解決方案。因此，將課程中的具體教學內容融入一個有趣并有意義的情境中，是STEM教學活動的必要前提。例如，“智能花房管家”的設計目標是給花房設定一個無人值守的自動灌溉及恒溫裝置，初始方案是室內安裝空調以保持恒溫，提取土壤濕度傳感器數據驅動電磁閥實現自動灌溉。由于采用Arduino硬件+S4A圖形化編程的組合，原型設計很快實現。在模擬測試過程中，設計團隊再一次頭腦風暴的結果是應該加裝二氧化碳氣體檢測裝置，在植物需要的二氧化碳濃度下降到一定的閾值時驅動開窗器置換窗外的空氣。由于要求團隊要經常變換角色，模擬用戶的產品使用體驗，同理心的力量驅使需求定義不斷優化，有學生提出不同的植物習性不同，因而給水的量應有差異，此時給出為每種植物配搭繼電器控制的方案，也有讓機器人識別不同的植物編號分別澆灌，通過思維“碰撞”出更簡單有效的方法來解決問題，即給每種植物配備粗細不同的出水管。當設計團隊的每位成員“浸潤”其中且變換角色時，基于用戶考慮的同理心會讓需求定義不斷精準優化。當然目標問題域也會不斷拓展，這會給原型實現乃至最后的測試環節帶來不確定性和許多的反復，這正是設計思維的魅力所在。上述方案即便迭代了數次，最后還是有學生提出進一步優化的方案，如加裝空氣濕度傳感器，當空氣干燥時驅動加濕器工作，還有利用室內外溫差進行溫度調節時不使用空調以達到節能的目的等，以上STEM PBL的實施很好地詮釋了“設計思維是進行各種美妙的創意和關于用戶體驗的深度思考”。

三、制造認知沖突，激發問題意識

開門見山直奔主題式的導入，常無法激發學生的問題意識。在創設了有趣的挑戰情境后，學生們躍躍欲試。此時，教師應從問題入手，引發學生的認知沖突，促使學生開動腦筋，通過搜索已有的知識或學習新知識嘗試解決新問題。例如，“金魚缸管家”的初始目標是非良構的，目標任務是實現金魚缸的無人值守、自動管理，但是由于該產品屬于創新設計，用戶的需求定義一開始是不夠明晰的，因此會導致在創意構思、原型設計等環節不斷添加、完善需求定義。設計團隊對問題的解析是：實現自動喂食、自動加溫、自動過濾，此“產品”的原型設計較為簡單，所需的設備均可網購，于是除了金魚缸外，還購買了自動喂食器、加熱棒、水質傳感器等。市售的喂食器、加熱棒能實現自動加熱、喂食，于是初始的創意僅用Arduino UNO提取水質數據，然后判斷是否要進行水質的過濾。頭腦風暴在設計思維的各個環節展開，有人質疑如果室溫上升至30℃以上，加熱棒無法實現水體溫度的下降，而金魚的習性是當溫度上升到30℃以上時活躍指數下降，進食將明顯變慢，此時若仍然按預設投食將導致過剩、污染水質。于是需求定義明確為根據水溫的變化，以“魚”為本，科學投食。在技術層面上加裝了溫度傳感器，數據提供給Arduino UNO，觸發繼電器驅動投食器。試運行后又發現時間如果較長，水位會因蒸發而下降，需要實現自動補水，當主人靠近且環境亮度較低時，LED燈需要自動點亮。基于以人為本的設計理念，在同理心的作用下，用戶的需求定義被不斷地明晰優化，創意構思亦同步迭代演進。

四、以解決問題為驅動，綜合運用各學科知識

STEM教育提倡打破學科界線，實現跨學科融合，充分調動各學科“有用的”知識來解決實際問題。學生長期接受分科教學，在大腦中存儲了很多個單一學科獨立的知識單元，很少有機會將各學科知識進行整合運用。以人工智能類校本課程為基礎的STEM課程可以給學生搭建綜合運用各學科知識的平臺和機會。

參考文獻

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究.2015（4）：15-17.