STEAM視域下的中學人工智能機器人綜合實踐活動課程設計與實施

黃炳軍 鄭志華

為探索中學人工智能相關課程的開設經驗，廣州市番禺區洛溪新城中學積極開設面向全校的人工智能機器人科技實踐活動課程，遵循以活動促發展的原則，旨在提高青少年對人工智能的認知和初步應用能力，注重培養學生的研究和解決實際問題能力、合作能力、開拓創新能力以及終身學習能力。

一、人工智能機器人綜合實踐活動課程框架

（一）活動目標

人工智能機器人綜合實踐活動結合STEAM 教育，引導學生通過合作與實踐，完成主題項目和解決生活中遇到的難題。通過認識人工智能基本理論、機器人組建理論、機器人搭建零件，及動手搭建簡單機器人，體驗復雜的人工智能應用，學習機器人控制編程，進行小組合作，深入開展人工智能機器人研究活動并參與競賽活動，拓展學生視野，取得創新體驗。

（二）課程流程

為了更好地貫徹落實人工智能相關課程的教育開展，學校依托人工智能相關社團開展常規化活動，人工智能機器人綜合實踐活動在各個社團開展的活動項目主要有人工智能機器人、創意闖關機器人、演奏機器人、STEM創意機器人、無人駕駛機器人、3D打印培訓、創客樂園活動等。

為有計劃地開展各項主題活動，學校先后開發了智能校車、智能快遞等校本課程，以及人工智能套件課程資源、開源創客校本培訓資源等，并積累了大量有價值的綜合實踐活動課件、微課、活動方案與學習案例等。這些資源作為開展人工智能機器人綜合實踐活動的課程體系和重要保障，為學生提供了寶貴的自學與探究材料。

綜合實踐活動學習注重學生在真實情境中，融合科學、技術、工程、藝術、數學等學科知識，進行合作探究，解決實際問題。人工智能機器人綜合實踐活動的流程可分為選題與設計、探究與實踐、制作與完善、交流與評價四個階段，課程流程如下圖所示。

1. 選題與設計

學生選定項目主題，組建團隊，進行合理分工，開始深入了解項目所涉及的內容，初步設定作品的功能、所需的知識網絡、所用的硬件與軟件，制定初步的項目方案。

2.探究與實踐

學生通過小組合作，深入探究項目中的問題，協作學習共同解決問題，進行結構測試、傳感器等硬件測試與軟件編程測試，通過實踐驗證確定項目主題機器人的結構設計、外觀設計和程序流程的最優方案。

3.制作與完善

學生結合探究結果制作作品，對作品進行結構優化、功能優化、算法優化與整體編程調試，以及藝術美化，形成完整的作品。

4.交流與評價

制作過程鼓勵學生進行討論交流，組織學生依據作品參加各種競賽，進行小組間作品展示與路演交流活動，鍛煉學生的系統展示能力和口頭表達能力，結合學生過程性表現、作品以及展示交流等方面進行多元評價，在活動中及時總結反思，交流反饋，延長學生的學習制作耐心，增加學生的體驗感與成就感。

二、人工智能機器人綜合實踐活動課程實施

（一）組織形式：社團為載體，項目為主線

人工智能機器人項目活動以人工智能社團、機器人社團、創客社團、創意制作社團等多個社團形式開展，各社團組織學生，開展項目式學習活動，探索人工智能機器人制作與程序編寫的方法。

各個社團活動有嚴格的活動章程，有統一的社團活動時間與固定的活動地點，其他時間開放各個活動場室供學生活動，通過分類探究、分組協作、以老帶新的方式，學生在學習與探究過程中相互學習，共同探討。

人工智能機器人項目活動的各個社團以項目分類學習小組，小組主要有簡易機器人、人工智能機器人、創意機器人、創意闖關機器人、WER機器人、垃圾分類機器人、Arduino創客、虛擬機器人等。

（二）項目實施——無人駕駛機器人項目案例

1.項目介紹

無人駕駛項目使用無人駕駛套件和創造栗無人駕駛模擬軟件，結合人工智能教育課程，綜合科學（開源電子、智能硬件）、技術（物理學電路電子、編程、物聯網）、工程（積木、沙盤、3D模型、激光切割造物）、設計（外觀美術造型）、數學（人工智能測算、微積分、函數等），把原有復雜的人工智能算法模塊化，創造發明各種各樣的作品。讓學生能接觸人工智能中常見的人臉識別、物體識別、巡線追蹤、顏色識別、標簽識別，擺脫繁瑣的訓練和復雜的視覺算法，使其更加專注于項目的構思和實現，帶領學生走進精彩而豐富的無人駕駛和編程的奇妙世界。

2.學習目標

基于無人駕駛概念與技術，結合圖像識別技術，讓學生了解和體驗無人駕駛技術。通過無人駕駛教育課程體系，以興趣作為導向，基于項目制學習，推進教學活動，通過團隊協作，鍛煉動手能力、溝通能力、表達能力，能夠熟練綜合運用各項學科知識和技能，引導學生發揮科學思維和創意想象能力，強化學生科學素質和創新能力的啟蒙和教育培養，為創新型城市建設儲備優秀科技創新后備人才。具體學習目標見表1。

3.項目開展

無人駕駛項目在原學習框架流程上增加一個環節，形成選題與設計、探究與實踐、制作與完善、提高與拓展、交流與評價五個階段。課程設計為12個單元活動，共計20個課時，單元活動內容具體見表2。

三、人工智能機器人綜合實踐活動課程成效

人工智能機器人綜合實踐活動，讓學生進行人工智能機器人學習、訓練、比賽等，活動中，學生真正成為學習主體，逐漸能夠主動探索與研究。學生獨立思考與解決問題的能力也有了明顯提高，同時能夠了解自我與發展的潛能，學會欣賞、尊重和關愛別人，培養團隊意識、提升表達、溝通與分享能力水平，以及統籌規劃能力、組織協調能力。

參考文獻：

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