基于工程思維的中學(xué)人工智能課程探究

【摘要】《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將人工智能納入了中小學(xué)信息科技教育體系。在人工智能時(shí)代熱潮下，廣西壯族自治區(qū)柳州市第八中學(xué)基于工程思維對中學(xué)人工智能課程進(jìn)行探究實(shí)踐，并總結(jié)出課程探究的成效?！娟P(guān)鍵詞】工程思維；人工智能；科技教育；中學(xué)生；人工智能課程研究背景隨著智能客服機(jī)器人、無人駕駛汽車等人工智能技術(shù)的普及，提升人工智能教育和素養(yǎng)成為迫切需求。2024年教育部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)中小學(xué)人工智能教育的通知》中，強(qiáng)調(diào)要以人工智能引領(lǐng)構(gòu)建以人為本的創(chuàng)新教育生態(tài)，服務(wù)引導(dǎo)學(xué)生正確處理人與技術(shù)、社會的關(guān)系，促進(jìn)思維發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高解決實(shí)際問題的能力。在此背景下，學(xué)校以工程思維為核心，普及推廣人工智能課程，讓人工智能走進(jìn)學(xué)生生活，取得顯著成效。工程思維在研究文獻(xiàn)中表現(xiàn)為系統(tǒng)分析、權(quán)衡比較的籌劃性思維，其核心在于發(fā)現(xiàn)并解決問題，通過實(shí)際操作獲取成長與提升。這種思維方式注重目標(biāo)的實(shí)際價(jià)值，強(qiáng)調(diào)可行性。具體而言，學(xué)生面對問題時(shí)，可以提出多樣化的創(chuàng)意方案，但在解決問題時(shí)，需聚焦切實(shí)可行的途徑。教師在此過程中鼓勵學(xué)生自由討論，隨后給予引導(dǎo)，促使學(xué)生回歸實(shí)際問題，設(shè)計(jì)出既科學(xué)又可行的方案。人工智能是一門由計(jì)算機(jī)、心理學(xué)、哲學(xué)等多學(xué)科交叉融合的新興學(xué)科，覆蓋的知識面很廣[1]，目前大部分學(xué)校的現(xiàn)狀是把人工智能課程開成單純的編程課，但僅僅單純地學(xué)習(xí)一門人工智能課或者新興技術(shù)課是不能完全了解和在生活中熟練地運(yùn)用人工智能技術(shù)的。人工智能課程培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐1.實(shí)施問題導(dǎo)向、項(xiàng)目驅(qū)動、賽創(chuàng)融合的人工智能課程基于工程思維的人工智能課程，是教師以學(xué)生為中心，注重理論與實(shí)踐的結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在解決問題的過程中，工程思維方法中的系統(tǒng)分析、方案設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建與測試得以被運(yùn)用，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力[2]。（1）問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)。創(chuàng)設(shè)與學(xué)生學(xué)習(xí)生活息息相關(guān)的真實(shí)情景，如智能校園情景，在情景中設(shè)計(jì)一系列問題，如提出“如何利用圖像識別技術(shù)識別學(xué)生是否佩戴校牌”等問題，在智慧交通情景中，提出“怎樣借助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測交通擁堵趨勢，尋找合適的上學(xué)路線”。（2）項(xiàng)目驅(qū)動學(xué)習(xí)。以實(shí)施項(xiàng)目的方式，讓學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式開展學(xué)習(xí)，團(tuán)隊(duì)成員共同進(jìn)行問題剖析、信息挖掘、小組討論、方案設(shè)計(jì)與作品優(yōu)化，最終完成創(chuàng)意作品。如在“智能校園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”項(xiàng)目中，促使學(xué)生主動整合多學(xué)科知識，包括物理、化學(xué)、信息技術(shù)等多學(xué)科知識，實(shí)現(xiàn)對校園環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、空氣質(zhì)量等）的實(shí)時(shí)監(jiān)測與智能調(diào)控。（3）賽創(chuàng)融合學(xué)習(xí)。以人工智能與編程類競賽為依托，有效推動學(xué)生“賽中學(xué)”知識、“賽中做”實(shí)踐、“賽中創(chuàng)”新。如組織學(xué)生參與教育部白名單中的機(jī)器人競賽及虛擬機(jī)器人足球課程，學(xué)生面對競賽任務(wù)與對手挑戰(zhàn)，不斷嘗試新方案、優(yōu)化算法、創(chuàng)新策略，在實(shí)踐操作中強(qiáng)化編程與人工智能專業(yè)技能，實(shí)現(xiàn)能力的綜合提升。2.優(yōu)化教材選擇與教學(xué)場所（1）分層教材體系。在認(rèn)知與理解階段，學(xué)校安排每周2節(jié)面向全體學(xué)生的零基礎(chǔ)課程，選用Mind+圖形化編程軟件和“人工智能入門”課程，以直觀的圖像識別和語音交互方式，幫助學(xué)生初步了解人工智能理論原理，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在應(yīng)用與實(shí)踐階段，學(xué)校每學(xué)期開設(shè)8—10節(jié)課后服務(wù)課程，選用優(yōu)必選AI智慧教育平臺開設(shè)“AI超級工程師”以及“AI未來小鎮(zhèn)”課程，促使學(xué)生深入鉆研人工智能算法、掌握編程技巧并學(xué)會團(tuán)隊(duì)協(xié)作策略。如在“AI超級工程師”課程里，學(xué)生需要親自設(shè)計(jì)機(jī)械手臂，編寫程序并進(jìn)行調(diào)試，讓機(jī)械手臂能夠模擬人手臂完成物品拿取、搬運(yùn)等特定任務(wù)。在競賽和培優(yōu)階段，學(xué)校每學(xué)期安排36學(xué)時(shí)，用于包括C++編程在信息學(xué)奧林匹克競賽中的應(yīng)用、Python在人工智能領(lǐng)域的編程項(xiàng)目，學(xué)生將深入探究人工智能算法的優(yōu)化技術(shù)、模型的開發(fā)流程，以及創(chuàng)新性的應(yīng)用實(shí)踐[3]，以深化學(xué)生對人工智能領(lǐng)域的理解和應(yīng)用能力。（2）多元教學(xué)場所利用。整合校內(nèi)資源，學(xué)校除配備三間常規(guī)機(jī)房用于日常人工智能課程教學(xué)外，還建設(shè)了柳州市第一家中學(xué)生眾創(chuàng)空間。眾創(chuàng)空間占地1500平方米，涵蓋人工智能活動室和實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供了將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實(shí)際作品的理想環(huán)境。在這里，學(xué)生能夠充分發(fā)揮創(chuàng)造力，自主解決問題，培養(yǎng)克服困難、勇于創(chuàng)新的科技品質(zhì)。（3）拓展校外合作。學(xué)校加強(qiáng)與高校，如廣西科技大學(xué)、電子科技大學(xué)合作，共建中學(xué)生科技創(chuàng)新教育平臺；與柳州市科技館合作開設(shè)“科技創(chuàng)新校外第二課堂”，定期組織學(xué)生參加科技館的科普活動；與優(yōu)必選研究院合作打造人工智能與機(jī)器人教育實(shí)驗(yàn)室，共同開展課程研發(fā)、師資培訓(xùn)和項(xiàng)目合作，引入先進(jìn)的技術(shù)和教育資源，提升學(xué)校人工智能教育水平。課程探究的成效1.學(xué)生綜合素質(zhì)全面提升一是鍛造了學(xué)生跨學(xué)科整合與知識遷移能力。人工智能課程作為多學(xué)科交叉融合的新興學(xué)科，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動融合多學(xué)科知識，將各學(xué)科知識有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜問題的有效解決，從而極大地提升了跨學(xué)科整合能力與知識遷移應(yīng)用能力。二是塑造了學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的品質(zhì)和培養(yǎng)了其創(chuàng)新意識。在參與競賽和創(chuàng)新實(shí)踐的過程中，學(xué)生不斷自我挑戰(zhàn)，不斷接觸新的知識領(lǐng)域和技術(shù)難題，如在探索人工智能算法優(yōu)化的競賽中，為了取得更好成績，學(xué)生必須持續(xù)學(xué)習(xí)前沿理論，勇于嘗試新算法和模型架構(gòu)，不斷突破自我，進(jìn)而逐漸養(yǎng)成持續(xù)學(xué)習(xí)的習(xí)慣和勇于創(chuàng)新的精神。三是培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作和批判思維的能力。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作的重要性，在項(xiàng)目完成的過程中，學(xué)生需要共同開展研究，各司其職又相互配合，通過對項(xiàng)目方案的反復(fù)討論、評估和改進(jìn)，學(xué)生能夠從不同角度思考問題，客觀分析方案優(yōu)劣，培養(yǎng)批判性思維。2.推動了學(xué)校特色發(fā)展一是提高了教育教學(xué)質(zhì)量。開設(shè)人工智能課程，教師有機(jī)會接觸到最前沿的信息科技知識，通過專題培訓(xùn)和自主學(xué)習(xí)不斷提升自身的專業(yè)素養(yǎng)和教學(xué)能力。在指導(dǎo)開展跨學(xué)科項(xiàng)目學(xué)習(xí)和競賽實(shí)踐活動中，不同學(xué)科教師探究合作學(xué)習(xí)，通過人工智能課程跨學(xué)科研究，掌握更先進(jìn)的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而推動學(xué)校整體教育教學(xué)質(zhì)量提高。二是擴(kuò)大學(xué)校影響力與促進(jìn)人才培養(yǎng)。作為學(xué)校的特色項(xiàng)目，每年通過舉辦科技文化藝術(shù)節(jié)、開放眾創(chuàng)空間基地研學(xué)、跨學(xué)科項(xiàng)目式科技冬令營等活動，指導(dǎo)學(xué)生利用跨學(xué)科知識，以項(xiàng)目化的形式解決生活中的問題，向社會各界展示了學(xué)校在人工智能教育領(lǐng)域的實(shí)力和學(xué)生的風(fēng)采，進(jìn)一步擴(kuò)大了學(xué)校的社會影響力。更重要的是，人工智能教育的實(shí)施為學(xué)校培養(yǎng)了一批批具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的學(xué)生，為學(xué)校的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來，學(xué)校將繼