人工智能賦能青少年科技創新活動的思考

【摘 要】本文以上海交通大學附屬中學嘉定分校的人工智能課程設計與實施為例，探討人工智能技術（以下簡稱AI技術）在青少年科技創新活動中的賦能作用。研究發現，AI技術通過提供個性化學習體驗、增強問題解決能力、促進跨學科學習和創造實驗與模擬環境等方式，顯著提升了學生的科技創新能力。本文還提出了在教育中有效整合和應用AI技術的策略，并對未來教育模式的創新和發展提出了思考。

【關鍵詞】人工智能；科技創新；教育實踐

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）011-075-02

智能時代的教育新篇章：AI在青少年創新中的角色

隨著AI技術的快速發展，我們正步入一個由智能驅動的新時代。AI技術在工業、醫療等領域展現了巨大潛力，并在教育領域扮演著日益重要的角色。隨著《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的發布，人工智能教育已經成為中小學教育的重要組成部分。科技創新活動作為培養青少年創新能力的重要途徑之一，正受益于人工智能技術的進步。

研究指出，AI技術通過個性化學習、問題解決能力提升、跨學科學習和實驗模擬環境的創造，為青少年科技創新注入新的活力[1]。基于此，本研究深入探討了AI技術在培養青少年科技創新能力中的作用，并提出了實施建議。

構筑知識與實踐的橋梁：AI課程的創新設計及實施

學校的人工智能課程分為普及和高階兩大類，以滿足不同水平學生的需求。普及課程面向全體學生，重點集中于AI基礎知識和技能的普及。在學生掌握AI技術的基本應用后，通過社團形式招募有興趣的學生，進一步探索AI在科技創新活動中的應用。

1.微縮智能世界：AIoT小鎮課程全景解析

在AIoT物聯網小鎮課程中，學生通過設計和制作集成傳感器、執行器的沙盤模型，實踐數據分析、決策支持和自動化控制。課程采用“體驗—理解—應用—創新—反思”五環節教學法，逐步引導學生深入探索AI與物聯網技術[2]。學生通過實際操作和項目實踐，將理論知識應用于創新項目，同時在課程中獲得持續的評估和反饋。

2.創新實驗室：高階AI項目的探索與實踐

（1）案例一：“大嘴巴”乒乓球拾取機器人

針對乒乓球館中撿球勞動強度大、效率低的實際問題，學生團隊設計了一款集成AI視覺識別技術的機器人。該機器人利用霍夫變換算法對乒乓球進行精確識別，并通過自主導航系統實現高效拾取。實驗結果表明，機器人在深色地面的室內乒乓球館對白色乒乓球的識別準確率達到了96.2%，拾取成功率為88.0%，避障準確率約為88.5%，拾取三個鄰近乒乓球的平均時間為26.8秒，該項目也獲得了第39屆上海市青少年科技創新大賽二等獎。

（2）案例二：AI繪畫項目的創意探索

學生團隊以《山海經》為創作藍本，運用AI繪畫工具將古籍中的異獸形象轉化為視覺圖像。在此過程中，學生首先對文本進行深入分析，提取異獸的關鍵特征，然后通過訓練AI模型，將這些特征轉化為具有現代審美的藝術作品。項目中，AI模型在訓練過程中達到了90%的精度。

這些項目不僅鍛煉了學生解決實際問題的能力，也加深了他們對AI技術社會文化價值的理解，體現了高階課程在推動學生技術應用和創新思維方面的重要作用。

AI與創新融合：青少年科技創新活動的策略與思考

1.跨越創新的障礙：AI賦能過程中的關鍵挑戰

（1）技術整合的復雜性

在任何科技創新活動中，技術整合都至關重要。尤其是在AIoT物聯網小鎮沙盤模型這類綜合性項目中，將AI技術與物聯網設備有效整合，實現模型內部各系統之間的無縫協作，是實現智能化管理的基礎。

（2）實時數據處理能力

AI技術的核心優勢在于其處理實時數據的能力。在數據量激增的現代社會，無論是工業、城市管理還是日常生活，AI技術都能迅速從大量動態、非結構化數據中提取有用信息，據此作出決策或預測。例如，在AIoT物聯網小鎮沙盤模型中，學生利用傳感器網絡實時收集環境數據，并通過AI分析優化交通流量。

（3）創新思維的培養

AI技術在培養創新思維方面發揮著重要作用。首先，它提供了實驗和模擬環境，讓學生能夠自由地探索和測試解決方案。其次，AI技術提供的個性化學習體驗，能夠根據每位學生的興趣和能力定制學習路徑，激發學生的探索欲和求知欲。案例顯示，學生在團隊合作中，利用AI技術進行數據分析、智能決策支持、自動化控制等實踐，在這個更為開放和自由的環境中探索問題解決，有助于激發其創新潛能。

（4）跨學科知識的應用

AI技術的應用往往需要跨學科知識的支持，這是因為在解決現實世界的復雜問題時，單一學科的知識往往難以涵蓋問題的所有方面，還需要對相關領域有深入的了解。這種跨學科的方法不僅推動了問題全面地解決，也增強了學生的綜合能力。

2.AI賦能科技創新活動的誤區及應對策略

在AI賦能科技創新活動中，學生可能會遇到一些常見誤區，教師需要加以關注并采取相應的對策。以下是幾個常見的誤區及其對應的策略。

（1）誤區一：過分依賴技術自動化

在使用AI的過程中，學生可能過分依賴技術的自動化功能，忽略了對系統進行微調和創新改進的必要性，這種依賴可能導致系統在面對復雜或變化的環境時無法達到預期效果。

策略：應引導學生參與系統的持續改進，通過定期評估和反饋機制，讓學生認識到自動化系統并非一勞永逸，而是需要不斷優化和更新。比如即使在高度自動化的交通管理系統中，也需要根據實時交通流量、天氣條件等因素進行動態調整。

（2）誤區二：技術應用與實際需求脫節

學生在設計技術解決方案時，可能未能充分考慮實際需求和限制，導致系統設計不切實際或無法滿足實際需求。

策略：讓學生參與到實際應用場景中，收集用戶反饋，并調整設計方案，確保技術解決方案能夠滿足實際需求。例如，在能源管理系統的設計中，可以讓學生實地考察小鎮的實際能源消耗情況，并與相關領域專家交流，了解具體的需求和限制并設計出更加實用的解決方案。

（3）誤區三：缺乏持續的創新動力

在科技創新活動的后期階段，學生可能會失去持續改進的動力，因為他們可能認為基本功能已經實現。

策略：通過引入新的挑戰，激發學生思考如何利用AI技術提高系統的適應性和穩定性。例如，可以模擬突發事件對小鎮模型的影響，讓學生思考如何利用AI技術提高系統的應急響應能力和恢復速度。

（4）誤區四：忽視倫理和社會影響

在AI賦能的科技創新活動中，學生可能忽視了技術應用的倫理和社會影響，導致技術成果在實際應用中引發爭議或負面影響。

策略：通過引入倫理討論和案例分析，讓學生認識到技術應用的倫理和社會責任。例如，可以討論自動駕駛汽車在道德困境中的決策問題，或者AI在就業市場中的影響。

本研究通過案例分析，揭示了AI技術在激發學生創新潛能方面的重要作用。面向未來，教育者、學者和政策制定者應共同探索AI技術的最優教育應用，培養青少年的創新精神和實踐能力。

參考文獻

陳華. 人工智能在個性化STEM教育中的應用研究[J].中國教育信息化，2024（2）：91-99.

葉依薇. 中小學人工智能教育的校本實施策略研究[J].中國信息技術教育，2023（1）： 33-35.