STEAM视域下的中学人工智能机器人综合实践活动课程设计与实施

为探索中学人工智能相关课程的开设经验，广州市番禺区洛溪新城中学积极开设面向全校的人工智能机器人科技实践活动课程，遵循以活动促发展的原则，旨在提高青少年对人工智能的认知和初步应用能力，注重培养学生的研究和解决实际问题能力、合作能力、开拓创新能力以及终身学习能力。

一、人工智能机器人综合实践活动课程框架

（一）活动目标

人工智能机器人综合实践活动结合STEAM 教育，引导学生通过合作与实践，完成主题项目和解决生活中遇到的难题。通过认识人工智能基本理论、机器人组建理论、机器人搭建零件，及动手搭建简单机器人，体验复杂的人工智能应用，学习机器人控制编程，进行小组合作，深入开展人工智能机器人研究活动并参与竞赛活动，拓展学生视野，取得创新体验。

（二）课程流程

为了更好地贯彻落实人工智能相关课程的教育开展，学校依托人工智能相关社团开展常规化活动，人工智能机器人综合实践活动在各个社团开展的活动项目主要有人工智能机器人、创意闯关机器人、演奏机器人、STEM创意机器人、无人驾驶机器人、3D打印培训、创客乐园活动等。

为有计划地开展各项主题活动，学校先后开发了智能校车、智能快递等校本课程，以及人工智能套件课程资源、开源创客校本培训资源等，并积累了大量有价值的综合实践活动课件、微课、活动方案与学习案例等。这些资源作为开展人工智能机器人综合实践活动的课程体系和重要保障，为学生提供了宝贵的自学与探究材料。

综合实践活动学习注重学生在真实情境中，融合科学、技术、工程、艺术、数学等学科知识，进行合作探究，解决实际问题。人工智能机器人综合实践活动的流程可分为选题与设计、探究与实践、制作与完善、交流与评价四个阶段，课程流程如下图所示。

1. 选题与设计

学生选定项目主题，组建团队，进行合理分工，开始深入了解项目所涉及的内容，初步设定作品的功能、所需的知识网络、所用的硬件与软件，制定初步的项目方案。

2.探究与实践

学生通过小组合作，深入探究项目中的问题，协作学习共同解决问题，进行结构测试、传感器等硬件测试与软件编程测试，通过实践验证确定项目主题机器人的结构设计、外观设计和程序流程的最优方案。

3.制作与完善

学生结合探究结果制作作品，对作品进行结构优化、功能优化、算法优化与整体编程调试，以及艺术美化，形成完整的作品。

4.交流与评价

制作过程鼓励学生进行讨论交流，组织学生依据作品参加各种竞赛，进行小组间作品展示与路演交流活动，锻炼学生的系统展示能力和口头表达能力，结合学生过程性表现、作品以及展示交流等方面进行多元评价，在活动中及时总结反思，交流反馈，延长学生的学习制作耐心，增加学生的体验感与成就感。

二、人工智能机器人综合实践活动课程实施

（一）组织形式：社团为载体，项目为主线

人工智能机器人项目活动以人工智能社团、机器人社团、创客社团、创意制作社团等多个社团形式开展，各社团组织学生，开展项目式学习活动，探索人工智能机器人制作与程序编写的方法。

各个社团活动有严格的活动章程，有统一的社团活动时间与固定的活动地点，其他时间开放各个活动场室供学生活动，通过分类探究、分组协作、以老带新的方式，学生在学习与探究过程中相互学习，共同探讨。

人工智能机器人项目活动的各个社团以项目分类学习小组，小组主要有简易机器人、人工智能机器人、创意机器人、创意闯关机器人、WER机器人、垃圾分类机器人、Arduino创客、虚拟机器人等。

（二）项目实施——无人驾驶机器人项目案例

1.项目介绍

无人驾驶项目使用无人驾驶套件和创造栗无人驾驶模拟软件，结合人工智能教育课程，综合科学（开源电子、智能硬件）、技术（物理学电路电子、编程、物联网）、工程（积木、沙盘、3D模型、激光切割造物）、设计（外观美术造型）、数学（人工智能测算、微积分、函数等），把原有复杂的人工智能算法模块化，创造发明各种各样的作品。让学生能接触人工智能中常见的人脸识别、物体识别、巡线追踪、颜色识别、标签识别，摆脱繁琐的训练和复杂的视觉算法，使其更加专注于项目的构思和实现，带领学生走进精彩而丰富的无人驾驶和编程的奇妙世界。

2.学习目标

基于无人驾驶概念与技术，结合图像识别技术，让学生了解和体验无人驾驶技术。通过无人驾驶教育课程体系，以兴趣作为导向，基于项目制学习，推进教学活动，通过团队协作，锻炼动手能力、沟通能力、表达能力，能够熟练综合运用各项学科知识和技能，引导学生发挥科学思维和创意想象能力，强化学生科学素质和创新能力的启蒙和教育培养，为创新型城市建设储备优秀科技创新后备人才。具体学习目标见表1。

3.项目开展

无人驾驶项目在原学习框架流程上增加一个环节，形成选题与设计、探究与实践、制作与完善、提高与拓展、交流与评价五个阶段。课程设计为12个单元活动，共计20个课时，单元活动内容具体见表2。

三、人工智能机器人综合实践活动课程成效

人工智能机器人综合实践活动，让学生进行人工智能机器人学习、训练、比赛等，活动中，学生真正成为学习主体，逐渐能够主动探索与研究。学生独立思考与解决问题的能力也有了明显提高，同时能够了解自我与发展的潜能，学会欣赏、尊重和关爱别人，培养团队意识、提升表达、沟通与分享能力水平，以及统筹规划能力、组织协调能力。

参考文献：

[1]范文翔，张一春.STEAM教育：发展、内涵与可能路径[J].现代教育技术，2018，28（3）：99-105.

[2]张蕾. STEAM视域下中学信息技术课程教学活动设计及应用研究[D].重庆大学，2019.

[3]张磊.基于STEM理念的高中人工智能课程构建的实践与研究——以深圳市高级中学为例[J].中学课程辅导（教师教育），2020，（16）：70-71.

[4]章芳芳，陈华鹏，马琨等.基于STEM教育模式的机器人培训课程设计[J].产业与科技论坛，2020，19（8）：176-177.