基于 STEAM 项目式学习的人工智能课程设计与实施

陈俊 1,2 陈雨杰 2

（1.重庆八中宏帆中学校现代教育技术中心，重庆 400021）（2.重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 401331）

摘要：人才是人工智能发展的基石，人工智能的快速发展迫切需要在各类教育中加强对人工智能人才的培养，信息科技课程更是如此。本文以“无线充电的新能源汽车智慧管理系统”为例，采用 STEAM 项目式教学模式，开展了中学人工智能教育，旨在培养学生的创新思维与实践动手能力。在此基础上，论述了以 STEAM 项目式学习方式开展人工智能教学的优势，并深入分析了这一过程中教师与学生各自的角色及其相互协作的重要性，为中学人工智能课程的实施提供了一种新思路。

关键词：项目式学习；中学科技教育；人工智能；融合教育

引言：

百年大计，教育为本。党的二十大报告提出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”。教育、科技、人才从来都是不可分割的统一体。在当前形势下，培养科技创新的后备人才显得尤为重要。积极推动中学人工智能教育，对于提升青少年的科学素养和培养未来科技创新人才具有重要意义。笔者所在学校充分利用学校资源，通过整合 STEAM 教育理念与项目式学习方法，开展了形式多样、生动有趣且具有技能性和教育意义的社团活动。其中，人工智能编程教育受到同学们的广泛关注，成为了报名人数最多的社团。

一、STEAM 项目式学习在中学人工智能教学中的优势

STEAM 项目式学习是一种跨学科的、综合性的教育方法，涉及科学（ Science ）、技术（ Technology ）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）五个领域，是基于真实世界的问题、以学生为主体、围绕跨学科课题展开的。（如图 1 所示）通过提出问题、设计方案、制作作品、展示作品与评价交流五个步骤，可全方位的培养学生的能力，提升学生的人工智能素养。

同时，STEAM 项目式教学与人工智能教育之间存在众多共通点，因此，采用 STEAM 项目式学习方法开展中学人工智能教育具有诸多优势。例如，依托 STEAM 项目式学习的特点，可以有效弥补当前中学人工智能教育中理论与实践脱节、学生参与度低、跨学科知识整合不足的问题（如图 2所示）。

1.增强理论与实践的结合

当前，部分人工智能教学往往侧重于理论知识的传授，导致学生难以理解人工智能的核心概念与实际应用。而STEAM 项目式学习是以实际生活中真实存在的问题为导向，引导学生挑选自己感兴趣的和能胜任的项目去完成。教师转变为学生学习知识的引路人和学习资源的提供者，促使学生在实践中解决问题，让学生能够将理论知识运用到具体问题中，从而增强对人工智能概念和技术的理解。

2.提升学生参与度

常规的人工智能教学场景中，多数学生往往处于被动接收状态。这种由教师主导的、知识单向传输模式，不能有效激发学生的内在求知欲与内在动力。这直接导致学生课堂参与度不足，知识掌握效率低下，长期记忆留存度薄弱的教学困境。然而，项目式学习强调学生自主参与，鼓励他们积极投入到自主探索当中。通过自主学习、团队合作、头脑风暴和动手实践，能培养学生的批判性思维和创新能力。

3.促进跨学科知识整合

人工智能学习是一个多学科交叉的知识领域，它包括计算机科学、数学、统计学、工程学等多学科知识。STEAM项目式学习为学生的实践活动提供了一个理想的跨学科实践平台，让学生可以在此平台基础上进行学习和研究，帮助学生将不同学科的知识串联成珠、融会贯通。基于此，学生们不再局限于单一学科的知识，而是能够从多角度思考问题，提出创新的解决方案。这不仅为他们未来在人工智能领域的深入研究奠定了基础，更为他们在日后的学习和生活中应对复杂问题提供了新的思路。

二、基于 STEAM 项目式学习的中学人工智能课程设计

为了使教学过程更具趣味性、普适性、专业性等，学校积极与高校合作研发 AI+SFK_B08 编程教具（如图 3 所示）。借助 AI+SFK_B08 教具，设计“无线充电的新能源汽车智慧管理系统”项目，开展了人工智能编程教育。

1.依据真实情境，确定项目主题

随着人工智能的飞速发展，人们生活中的诸多问题得到了有效解决，极大地促进了人们生活质量的改善。例如，在交通领域，推出的 AI 辅助驾驶系统和自动泊车功能极大地帮助了新手司机；在教育方面，基于人工智能的虚拟现实和增强现实技术使学生更容易理解复杂概念；在工程领域，各种机器人的出现替代了人类去执行危险任务，保障了公众安全。因此，教学项目应立足于真实问题，解决实际困难。

在“无线充电的新能源汽车智慧管理系统”项目中，笔者提出：虽然新能源汽车在养护上具有优势，但充电问题通常让车主感到困扰。在某些地区，特别是停车位较少的闹市区，新能源汽车的充电桩本就稀缺，但这些充电桩旁的停车位还经常被燃油车或不充电的新能源汽车占用，给新能源汽车车主带来了许多困扰。同时，引入快充后，新能源汽车充电时间普遍为 0.5-1.5 小时，这个时间不长不短，导致驾驶员既不能远离愉悦玩耍又不能就地舒适等待。因此，如何为新能源汽车司机提供兼具安全管控与人文关怀的等候服务成为关键挑战。

2.开展头脑风暴，明确项目方案

项目选题确定后，随即进入设计方案制定阶段。这一环节是项目推进的核心环节，需明确贯穿全程的实施思路、验证技术路线的可行性，并系统评估项目实施过程中的潜在风险等。不同的方案涉及的原材料、耗时和难度有所差异，这需要团队成员通力合作，发挥各自的优势和特长，通过头脑风暴和积极讨论来制定有效的项目方案。然而，不论选择哪种方案，能够凭借团队的力量顺利完成项目目标的方案才是最佳选择。

例如，其中一组同学的设计方案（如图 4 所示）：设计一个智能车辆管理系统，在充电桩停车场大门口安装一个车辆识别系统，用于识别是否为新能源车，如果是新能源车，便抬杆放行，否则大门则不予开启；添加电能监测装置，用于监测新能源汽车进入后是否进行了充电，若充了电就按市场电费收费，否则按市场停车费两倍收费；增设集成DeepSeek 大模型的趣味交互模块，通过推送本地文化故事、科普充电知识等服务，配合充电进度提醒，将等待时间转化为个性化互动体验。另外，配备手机 APP，远程监测停车场的进出车辆信息和每个充电桩的用电情况，为了实现 APP与硬件的联动，学生需要借助 APP INVENTOR 开源设计平台自主开发项目的 APP。（如图 5 所示）在设计时，团队须从用户角度出发，充分考虑实际功能、界面布局、操作控制等因素，这些要素主要涉及战略层、范围层、结构层、框架层和表现层五个方面。

3.组织动手实践，推进项目实施

在项目实施阶段，最强调的是学生主动参与，小组成员分工协作完成项目的制作。每位同学需根据自身特长，积极投身于软件编程、硬件制作和外观组装等各项任务，将理论方案转化为实际成果，并在实践中锻炼动手能力、培养解决问题的思路。在此过程中，教师的角色被降低，主要担任组织者、安全监督和答辩专家的角色，负责引导学生开展活动，监督制作过程中的安全问题，并解答同学在制作中遇到的各种困难。在面对难度较大的知识点时，教师可以提前进行相关内容的教学。例如，示例项目在软件方面需要解决的主要问题包括“车牌识别”、“数据远程传输”和“传感器与执行机构控制”等。在讲解“车牌识别”时，教师可以组织学生参观停车场，观察停放的车辆，并询问他们燃油车车牌与新能源车车牌的区别。参观后回到教室，教师可以提供一些图片，让学生判断哪些是新能源车牌，哪些是燃油车牌，引发学生思考：计算机是如何区分燃油车和新能源汽车的呢？ 针对提出的问题，对计算机图像处理的一般过程进行讲解：图像采集—获取原始图像；图像预处理—对图像进行增强和降噪处理；车牌定位—找到车牌位置；字符分割—将字符串图片分割为多个单字符图片；字符识别—识别出单字符图片上的文字；结果输出——输出最终的结果（如图 6 所示）。通过讲解车牌识别的过程来帮助学生更好地理解和掌握机器视觉与图像处理的基本原理。

4.分享团队经验，展示项目成果

在项目完成后，教师需组织学生开展项目报告会：（1）小组内部分享，小组成员汇报各自的工作，重点讨论在过程中遇到的困难和核心原理等。接着，通过各位同学的总结，提炼相关知识，并结合项目方案制作汇报 PPT；（2）组间成果展示，由项目负责人牵头，基于小组制作的汇报 PPT，向其他小组展示项目成果，并分享在项目实施中的心得体会。同时，其他小组的成员应积极向汇报小组提问，促进交流；（3）师生共同学习，教师担任评委和指导教师的角色，首先客观评价学生项目作品，而后和学生交流讨论，给予他们新的想法。此外，教师还可以引导学生运用高阶思维来完善和升级项目，并鼓励学生树立积极主动的学习态度。

5.建立多元机制，开展项目评价

STEAM 项目式学习提供了一个跨学科、多元化的学习平台，强调培养学生在科学和工程领域的基本素养。在中学人工智能课程的评价中，应注重评价内容的多样性、评价方式的多元化以及评价工具的科学性等，密切围绕课程培养的标准和目标，构建多维评估框架，整合动态监测与阶段考核的双轨机制。教师需通过学习平台掌握每位学生的学习情况，根据每位学生的数字画像，持续追踪学生的学习轨迹，进行精准的教学干预。

“无线充电的新能源汽车智慧管理系统”项目的评价标准包括项目的真实性、方案的合理性、作品的完成度、作品的创新性以及外观的艺术性等。具体的，一是项目质量，重点验证方案的真实性与合理性，市场调研是否客观反映用户需求，项目过程是否有规范的实验记录；二是创新价值，特别关注无线充电效率优化、新能源汽车充电系统的逻辑等核心技术的创新性，同时考察人机交互设计、结构布局等环节的创意表达；三是实施成效，通过原型系统功能测试及项目文档的完整性，评估方案的可行性与完成度；四是艺术设计，从工业设计的美观性、人机工程适配性等维度来全面评估学生的项目。

三、结束语

随着人工智能的快速发展，中学阶段的人工智能教育显得尤为重要，需要科技教师不断探索新方法，推动教育创新。STEAM 教学在于通过跨学科的学习方式，锻炼学生的批判思维、创造力以及解决复杂问题的能力，最终提升学生的综合素养。本文以项目式学习方式开展中学人工智能教育，以 “无线充电的新能源汽车智慧管理系统”项目为依托，从确定项目主题、明确项目方案、推进项目实施、展示项目成果、开展项目评价五个方面给同学讲解了项目式学习的一般过程。通过项目实践，激发了学生对人工智能领域的学习兴趣，提升了学生的工程实践能力与自主学习意识。希望“无线充电的新能源汽车智慧管理系统”的教学设计与实践，能为我国的中学人工智能教育提供新的思路，为培养更多具备创新精神和实践能力的人才奠定基础。

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