基于工程思維的中學人工智能課程探究

【摘要】《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》將人工智能納入了中小學信息科技教育體系。在人工智能時代熱潮下，廣西壯族自治區(qū)柳州市第八中學基于工程思維對中學人工智能課程進行探究實踐，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；中學生；人工智能課程研究背景隨著智能客服機器人、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)于加強中小學人工智能教育的通知》中，強調(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)引導學生正確處理人與技術(shù)、社會的關(guān)系，促進思維發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高解決實際問題的能力。在此背景下，學校以工程思維為核心，普及推廣人工智能課程，讓人工智能走進學生生活，取得顯著成效。工程思維在研究文獻中表現(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，通過實際操作獲取成長與提升。這種思維方式注重目標的實際價值，強調(diào)可行性。具體而言，學生面對問題時，可以提出多樣化的創(chuàng)意方案，但在解決問題時，需聚焦切實可行的途徑。教師在此過程中鼓勵學生自由討論，隨后給予引導，促使學生回歸實際問題，設(shè)計出既科學又可行的方案。人工智能是一門由計算機、心理學、哲學等多學科交叉融合的新興學科，覆蓋的知識面很廣[1]，目前大部分學校的現(xiàn)狀是把人工智能課程開成單純的編程課，但僅僅單純地學習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用人工智能技術(shù)的。人工智能課程培養(yǎng)模式探索與實踐1.實施問題導向、項目驅(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，是教師以學生為中心，注重理論與實踐的結(jié)合進行設(shè)計的。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、模型構(gòu)建與測試得以被運用，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新思維和實踐能力[2]。（1）問題導向?qū)W習。創(chuàng)設(shè)與學生學習生活息息相關(guān)的真實情景，如智能校園情景，在情景中設(shè)計一系列問題，如提出“如何利用圖像識別技術(shù)識別學生是否佩戴校牌”等問題，在智慧交通情景中，提出“怎樣借助機器學習技術(shù)預測交通擁堵趨勢，尋找合適的上學路線”。（2）項目驅(qū)動學習。以實施項目的方式，讓學生以團隊的形式開展學習，團隊成員共同進行問題剖析、信息挖掘、小組討論、方案設(shè)計與作品優(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)”項目中，促使學生主動整合多學科知識，包括物理、化學、信息技術(shù)等多學科知識，實現(xiàn)對校園環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、空氣質(zhì)量等）的實時監(jiān)測與智能調(diào)控。（3）賽創(chuàng)融合學習。以人工智能與編程類競賽為依托，有效推動學生“賽中學”知識、“賽中做”實踐、“賽中創(chuàng)”新。如組織學生參與教育部白名單中的機器人競賽及虛擬機器人足球課程，學生面對競賽任務(wù)與對手挑戰(zhàn)，不斷嘗試新方案、優(yōu)化算法、創(chuàng)新策略，在實踐操作中強化編程與人工智能專業(yè)技能，實現(xiàn)能力的綜合提升。2.優(yōu)化教材選擇與教學場所（1）分層教材體系。在認知與理解階段，學校安排每周2節(jié)面向全體學生的零基礎(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，幫助學生初步了解人工智能理論原理，激發(fā)學習興趣。在應(yīng)用與實踐階段，學校每學期開設(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，促使學生深入鉆研人工智能算法、掌握編程技巧并學會團隊協(xié)作策略。如在“AI超級工程師”課程里，學生需要親自設(shè)計機械手臂，編寫程序并進行調(diào)試，讓機械手臂能夠模擬人手臂完成物品拿取、搬運等特定任務(wù)。在競賽和培優(yōu)階段，學校每學期安排36學時，用于包括C++編程在信息學奧林匹克競賽中的應(yīng)用、Python在人工智能領(lǐng)域的編程項目，學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)用實踐[3]，以深化學生對人工智能領(lǐng)域的理解和應(yīng)用能力。（2）多元教學場所利用。整合校內(nèi)資源，學校除配備三間常規(guī)機房用于日常人工智能課程教學外，還建設(shè)了柳州市第一家中學生眾創(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驗室，為學生提供了將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實際作品的理想環(huán)境。在這里，學生能夠充分發(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。學校加強與高校，如廣西科技大學、電子科技大學合作，共建中學生科技創(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器人教育實驗室，共同開展課程研發(fā)、師資培訓和項目合作，引入先進的技術(shù)和教育資源，提升學校人工智能教育水平。課程探究的成效1.學生綜合素質(zhì)全面提升一是鍛造了學生跨學科整合與知識遷移能力。人工智能課程作為多學科交叉融合的新興學科，促使學生在學習過程中主動融合多學科知識，將各學科知識有機整合，實現(xiàn)對復雜問題的有效解決，從而極大地提升了跨學科整合能力與知識遷移應(yīng)用能力。二是塑造了學生持續(xù)學習的品質(zhì)和培養(yǎng)了其創(chuàng)新意識。在參與競賽和創(chuàng)新實踐的過程中，學生不斷自我挑戰(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，學生必須持續(xù)學習前沿理論，勇于嘗試新算法和模型架構(gòu)，不斷突破自我，進而逐漸養(yǎng)成持續(xù)學習的習慣和勇于創(chuàng)新的精神。三是培養(yǎng)了團隊協(xié)作和批判思維的能力。項目式學習強調(diào)團隊合作的重要性，在項目完成的過程中，學生需要共同開展研究，各司其職又相互配合，通過對項目方案的反復討論、評估和改進，學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.推動了學校特色發(fā)展一是提高了教育教學質(zhì)量。開設(shè)人工智能課程，教師有機會接觸到最前沿的信息科技知識，通過專題培訓和自主學習不斷提升自身的專業(yè)素養(yǎng)和教學能力。在指導開展跨學科項目學習和競賽實踐活動中，不同學科教師探究合作學習，通過人工智能課程跨學科研究，掌握更先進的教學方法，引導學生更好地進行學習，進而推動學校整體教育教學質(zhì)量提高。二是擴大學校影響力與促進人才培養(yǎng)。作為學校的特色項目，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、跨學科項目式科技冬令營等活動，指導學生利用跨學科知識，以項目化的形式解決生活中的問題，向社會各界展示了學校在人工智能教育領(lǐng)域的實力和學生的風采，進一步擴大了學校的社會影響力。更重要的是，人工智能教育的實施為學校培養(yǎng)了一批批具有創(chuàng)新精神和實踐能力的學生，為學校的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。未來，學校將繼