人工智能+STEM教育如何实现

莫莉姣 陈岚鑫 钟柏昌

摘要： 人工智能+STEM教育是当前人工智能教育发展的一个新方向。二者的结合不仅有利于学生了解科学技术的发展，也有利于提高学生跨学科解决真实问题的能力，并能激发他们学习的主动性。“智能分类垃圾桶”就是人工智能+STEM教育的一个典型项目。本文在分析现有教学项目的基础上提出了优化方案，并结合结构创新型教学模式设计了相关教学活动，为人工智能+STEM教育的开展提供鲜活的案例。

关键词：智能分类垃圾桶;垃圾分类;STEM教育;人工智能

一、研究背景

STEM教育起源于美国，是科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）、数学（mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉整合，并形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神和实践能力^[1]。STEM教育中包含的“技术”领域，其本质在于将技术与科学、工程和数学等知识有效融合，促进学生形成生成性成果，进而培养学生的创新能力^[2]。随着人工智能技术的快速普及，全方位提高学生对人工智能的整体认知和应用水平迫在眉睫。2017年，国务院颁布的《新一代人工智能发展规划》要求实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程。同年，教育部颁布的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》将“人工智能初步”列为选择性必修模块。在国家政策积极扶持的背景下，如何借助计算机视觉、人机交互、机器学习等新兴人工智能技术创新STEM教育项目的设计，促进学生实践创新能力的培养，实现真正的跨学科融合，成为当下课程与教学研究的重要内容^{[3] [4]}。一些学校和一线教师已经行动起来，开始尝试在STEM教育和创客教育等跨学科课程中探索人工智能的应用。尤其是在垃圾分类这一社会热点议题下，“智能分类垃圾桶”作为典型的人工智能+STEM教育项目，吸引了众多学校的关注。遗憾的是，从实践层面看，其设计与实现方法依然老套，缺少新意，未能有效培养学生的创新实践能力。

二、现有“智能分类垃圾桶”教学项目价值分析

智能分类垃圾桶已逐步走进人们的生活，其蕴含的科学原理也具备一定的探究价值。其教学项目的开发与制作过程不仅能让学生体验人工智能技术的应用，也能让学生参与到垃圾分类的实践活动中，有效提升他们的创新实践能力和问题解决能力。

（一）智能分类垃圾桶的分类

智能分类垃圾桶的工作原理是将人工智能技术应用于垃圾的收集和分类环节，进而帮助人们完成垃圾分类工作。总的来说，学生制作的智能分类垃圾桶可分为辅助型和全自动型两种。

辅助型智能分類垃圾桶通常是图像识别技术与分类垃圾桶的结合，用户使用微信小程序或配套App扫描垃圾后，系统识别垃圾并将其自动匹配到相应的垃圾收集箱，用户再手动投放垃圾。此类作品仅在垃圾识别与分类这一环节发挥人工智能的辅助作用，未能实现自动投放垃圾的功能。全自动型智能分类垃圾桶则是将人工智能技术应用于垃圾识别、分类、自动投放的全过程。用户只需将垃圾放置在投放口，系统便能自动扫描识别其类型，并自动分类和倾倒垃圾。但受功能所限，目前多数全自动型智能分类垃圾桶只能实现单件垃圾的单次投放。

（二）以智能分类垃圾桶为主题的教学探索

目前，以智能分类垃圾桶为主题的教学通常以项目式学习的方式开展。总的来说，可以分为面向设计思维的STEM课程、创意智造类STEM课程和面向人工智能技术的实践类课程等。

面向设计思维的STEM课程，通常是由教师定义一个具有操作性的问题，学生通过头脑风暴激发其设计想象，再经过简单的工程设计过程，最终完成项目的制作。此类课程主要面向低年级学生，教学中对作品的功能不宜做过多要求，而是从思想教育和实践操作两个方面培养学生的环保意识和初步物化的能力，注重学生思维的发展和创造力的培养，学习难度较小。例如在“创意DIY分类小助手”项目中，学生通过想象、设计、制作等步骤，创作出简易的“隐形”垃圾桶、“悬浮”垃圾桶、“阶梯”垃圾桶等^[5]。

在创意智造类STEM课程中，学生通常需要结合Arduino等开源硬件和各类传感器进行实践，项目制作过程需要综合运用编程知识和其他学科知识。例如，在“环保小能手——智能垃圾桶”项目中，教师基于STEM理念指导学生综合运用Arduino编程知识和舵机模块、触摸传感器、超声波传感器等完成了智能垃圾桶的原型设计 ^[6]。又如，为实现金属垃圾的再利用，张禄、周靖皓等人设计制作了一款基于Arduino的金属垃圾回收系统，以实现金属垃圾与非金属垃圾的自动分类^[7]。

在面向人工智能技术的实践类课程中，教师通常更关注人工智能技术的应用和学生核心素养的培养。为带领学生进一步体验人工智能技术的应用，教师通常会选择需要模型训练的人工智能技术。例如，为使学生掌握计算机视觉技术和语音识别技术，北京市十一学校的校本课程“人工智能技术与应用”以“AI助力垃圾分类”这一真实项目为载体，运用Teachable Machine工具教会机器识别废纸、塑料瓶，让学生对训练分类器有更加深入的认识^[8]。

（三）对当前教学实践研究的反思

从以上案例可知，“智能分类垃圾桶”教学项目在中小学阶段有着较为丰富的实践应用，但大多侧重于让学生简单模仿已有的教学产品，导致新技术的使用和功能的实现都存在较大的局限性，从而出现作品雷同、缺乏个性和创造性的现象，具体表现为以下方面。

一是人工智能技术应用的浅层化。图像识别确实是计算机视觉技术领域发展得最为成熟的技术之一，但现有的智能分类垃圾桶项目，尤其是创意智造类STEM课程仍局限于图像识别的应用，且多以识别图片垃圾为主，就过于浅显了。图片垃圾的体积和重量都无法比拟真实垃圾，难以增加“溢满判断”的功能。为提升人工智能技术的应用水平，我们建议应尽量使用真实垃圾或“立体垃圾”。

二是项目的功能单一化。目前出现在中小学实践项目中的智能分类垃圾桶，多数只能实现自动“分类”和“开盖”的过程，无法将“扔”“识别”和“投放”等过程整合起来，需要用户在其识别垃圾后手动投放垃圾。显然，这难以真正体现人工智能的优势。作为一个教学项目，带领学生全面体验人工智能的优势并激发其对未来美好生活的向往，是人工智能教育的一个重要诉求。

三是外观设计的定式化。现有智能分类垃圾桶在外观造型上多以并排的四个分类垃圾桶为主，分类垃圾桶的并排式分布已然成为思维定式，这明显不利于学生创新思维的培养。另外，分类垃圾桶分类标志不明显，只在颜色和基本标志上有所区别，并没有明确的分类图示或语音提示，尚缺乏进一步的创意挖掘。

由上可见，当前的教学应用没有充分挖掘人工智能技术在中小学教育中的价值，甚至一些实践者尚未意识到人工智能技术在中小学STEM教育中的潜力。在未能充分感知技术应用价值的前提下，教育者和实践者往往难以实现对技术的充分利用，即使有所探索，其教学效果也会大打折扣^[9]。

三、对“智能分类垃圾桶”教学项目的创新设计

根据上述分析，我们针对“智能分类垃圾桶”项目提出了进一步的创新优化方案，并设计出了一款全自动、低成本的智能分类垃圾桶。

在材料选择上，我们选用了Kendryte K210处理器为核心开发的人工智能摄像头模块（以下简称人工智能摄像头）作为图像识别设备，Arduino UNO控制板作为整个系统的控制核心，同时搭配超声波传感器、舵机模块、红外感应器、LED灯带、MP3模块等共同完成工作。各个部分的传感器協调配合工作，实现了全自动智能垃圾分类的功能，同时还具备一定的“人—桶”交互功能（如图1）。

（一）整体功能的创新设计

本项目从自动感应、图像识别、全自动投放、溢满判断和语音播报五个方面对智能分类垃圾桶进行创新设计。项目的工作流程如图2所示。

1.自动感应

为解决垃圾桶的异味问题，我们在垃圾桶的投放口增加了一个红外感应门，使用红外感应器判断是否有人靠近。当用户靠近垃圾桶时，红外感应器感应到人，舵机转动，带动感应门，打开垃圾桶盖，用户便可投放垃圾。其中，位于垃圾桶上方的托盘供用户放置垃圾。较之传统的脚踩开盖式垃圾桶，自动感应开盖能为用户带来更好的使用体验。

2.图像识别

我们将图片垃圾替换成实物垃圾或由3D打印制作的“立体垃圾”，以最大限度地模拟真实使用场景。我们在使用人工智能摄像头进行图像识别时，增加了模型训练的过程，即先采集所有垃圾的图像，再标记数据集，经过多次迭代训练，人工摄像头便能自动识别出垃圾的类型。在教学中，教师若能以该方式引导学生探索体验计算机识别图像的整个过程，学生必然会认识到数据对结果的重要性，进一步掌握图像识别原理。

3.全自动投放

在智能垃圾桶的投放功能上，我们创新性地使用两个舵机控制托盘的左右和上下移动：通过左右移动，将垃圾运载到相应的垃圾收集箱上方;通过上下移动倾倒垃圾，从而自动、精准地投放垃圾。全自动投放是本作品最主要的功能，也是最大的创新点。它已初步实现了对单个垃圾从“扔”到“分类”再到“精准投放”的全自动过程。教学项目中若增加类似的功能，不仅能创新项目的功能，还能更加贴合实际需求，帮助学生进一步体会人工智能技术给生活带来的便利。

4.溢满判断

内置在托盘底部的超声波传感器可对“溢满”状态进行判断。在用户每次投放垃圾之前，也就是托盘移动到相应的垃圾收集箱上方时，该传感器能够判断各垃圾收集箱是否溢满。若有一个垃圾收集箱已经装满，用户再向垃圾桶投放相同类型的垃圾时，系统将停止“投放”，并给出语音提示。

5.语音播报

在智能分类垃圾桶识别到垃圾后，会语音播报识别结果，包括垃圾名称和所属类型，便于用户确认自己投放的垃圾是否被正确识别。如果某垃圾收集箱的状态为溢满，智能分类垃圾桶会亮起红色LED灯，同时伴有语音播报，提醒用户及时清空垃圾桶，以保证系统正常运行。

（二）外观形状的创意设计

智能分类垃圾桶的造型设计应简洁、直观，为保证其易识别性，不宜做过多修饰。学生可通过垃圾桶的桶身结构、图示、文字等要素引导用户正确投放垃圾。为改进现有智能分类垃圾箱外观设计上的不足，我们将垃圾箱制作成一个大的立方体结构，内置四个垃圾收集箱，分别对应干垃圾、湿垃圾、可回收垃圾和有害垃圾，以“田字格”的形式分布在其中，实现了空间利用的最大化。此外，人们通常将舵机安装在每个垃圾收集箱的桶身和桶盖连接处，通过四个舵机的转动实现垃圾桶的自动开盖。这样的控制方式既浪费材料又缺乏新颖性。我们则将四个舵机简化为两个舵机，使其配合工作实现“精准投放”垃圾。为增强提示效果，我们还在垃圾桶顶部设置了带有四个LED灯的灯带，作为溢满的信号提示（如图3）。用户可根据灯带提示，及时清理溢满的垃圾收集箱。

四、基于结构创新型教学模式的“全自动智能分类垃圾桶”教学设计

为将全自动智能分类垃圾桶用于教学中，教师需要对其进行针对性的教学设计。以前，STEM项目采用的教学方法较为单一，如要求学生从零开始设计与制作项目，教学周期长，开发过程存在较多局限性，不适用于强调迭代设计与创新开发的智能分类垃圾桶项目。本团队曾将逆向工程方法引入机器人教育、创客教育和STEM教育，提出了逆向工程教学模式的“灯笼模型”。该模型包括四种具体的教学模式^[10]。其中，结构创新型教学模式（如图4）适用于对现有产品（作品）进行改造或改良的教学，强调培养学生的微创新能力。这一模式与上述智能分类垃圾桶项目强调通过优化产品来培养学生创新实践能力的目标十分契合。因此，笔者将以结构创新型教学模式为例，介绍如何在初中阶段开展“全自动智能分类垃圾桶”项目的教学。

在设计学习活动之前，教师需要进一步明确教学目标。本项目的教学目标可以表述为：学生在了解了智能分类垃圾桶产品的基础上，对现有产品进行分解与观察，结合新的科学知识和人工智能技术进行迭代优化，再设计出富有创新性与个性化的产品，通过多元化评价促进学生反思学习过程，进一步提高学生的创新实践能力和问题解决能力。参考结构创新型教学模式的基本流程，整个教学过程可分为试用与感知、分解与观察、结构再造与测试、评价与总结四个环节。

（一）试用与感知

该环节旨在让学生全面体验现有的产品（作品），对产品的功能、结构等形成初步的认知，激发学生的兴趣。在教学中，教师可以引导学生以小组为单位试用前述全自动智能分类垃圾桶，体验产品的使用方式、结构组成等，并为学生提供学习工作纸，以便学生记录产品的功能和结构。

（二）分解与观察

分解与观察是指让学生结合逆向思维推测产品的设计方法和过程，对产品进行自主解构和复原。在教学中，教师需要为学生提供全自动智能分类垃圾桶的相关说明性文件（包括程序的解释说明、产品功能介绍等）。学生对其进行分解与观察，同时描述硬件的拆分过程，包括拆分的顺序、零件名称和位置等，以便产品结构再造时参考。

（三）结构再造与测试

结构再造与测试是教学实施的关键环节，它需要学生依据改进策略重新选材，进行产品的“再设计”，尤其要注重完善产品的形式与功能。在教学中，学生小组需要根据已有的智能分类垃圾桶设计方案，思考其他方案，同时说明每一项修改的原因或理由，最终确定一个比较完整的再设计方案展开制作，突出创新性。

值得注意的是，结构再造强调“再设计”。这对学生的要求较高，教师应及时评估学生设计方案的可行性、创新性等，并提出建设性的指导意见，鼓励学生形成迭代意识，不断完善产品。

（四）评价与总结

评价与总结通常包括学生自我评价和教师评价两个方面。小组成员需要展示自己的智能分类垃圾桶作品，将再设计后的作品与原产品进行比较，从功能与结构、技术与创新等方面进行自我评价;教師则需要通过课堂观察，记录学生的表现以及小组合作的情况，并结合学习工作纸和再设计方案等，对学生的设计过程进行评价。

需要说明的是，以上只是基于结构创新型教学模式对“全自动智能分类垃圾桶”教学项目给出的教学建议。教师在教学实践的过程中，应避免简单的模仿，而要参悟其中的设计思想，结合实际的教学条件和经验，从人工智能技术和STEM教育的特点出发，不断完善教学项目。另外，在教学实践中，为使项目的整体设计更加直观，教师可以引导学生使用绘制草图、流程图等方式，将设想的创意转化为视觉形象，并通过讨论、质疑等方式优化设计方案，最后深度使用新兴技术并参与实践创新行动。

五、总结与展望

整体而言，对于人工智能+STEM教育的有效落实，一方面需要教师全面把握人工智能和STEM教育的内涵;另一方面需要设计具有可操作性的教学项目作为连接二者的桥梁。本文以“智能分类垃圾桶”教学项目为例，探讨了人工智能+STEM教育的实施方式。与过往实践案例相比，本文提出的设计方案具有以下四个特点：一是面向真实场景，实物垃圾的识别以及自动投放功能的实现等均与实际生活场景高度相似;二是实现完整功能，从“自动开合”到“智能分类”再到“精准投放”，该垃圾桶完整实现了高度自动化的垃圾分类功能;三是优化组成结构，“田字式”分布结构占用空间小，侧开门收取垃圾的方式也更便于垃圾清理;四是节约制作成本，仅用两个舵机便完成了自动投放垃圾的工作，极大地满足了低成本、高效率的开发需求。在教学实践中，还应注意以下问题。

第一，项目功能要体现智能化的思想。新技术支持下的产品设计应该注重功能的创新。从传统技术到数字技术，再到人工智能技术，我们可以运用的技术越来越先进，能够创新的方向自然也应更丰富。例如，制作智能分类垃圾桶，需要考虑到用户对垃圾分类和自动投放的完整需求。实际上，无论是投放到市场的商品还是用于教学的项目，都要全方位考虑用户的实际需求，使人工智能真正发挥出其智能的本领。人工智能时代背景下，项目的开发不能仅停留于传统的手工制作，而要利用更加现代化的技术手段，朝着更加智能化的方向发展，更好地落实创意物化的目标。

第二，设计大单元或专题化学习活动。STEM教育向来强调项目式学习的方式，垃圾分类作为一个社会热点问题，教学中绝不能仅局限于智能分类垃圾桶这一应用，还可以将其扩展成一个大的专题活动，增加多样化的探究项目。例如，教师可结合“为什么要做垃圾分类”“垃圾的回收与利用”“智能分类垃圾桶的设计制作”“垃圾的无害化处理”等活动，引导学生进行全面的探究，通过系列项目的深化探究，达到更好的学习效果。

第三，探索更多的教学模式。就教学而言，新的产品与项目层出不穷，但常常受限于单一、传统的教学方法，使其难以出现在课堂上。这也是难以实现人工智能+STEM教育的原因之一。因此，在充分理解和掌握现有教学项目的基础上，教师应该积极探索更具有针对性的教学模式，使具有教学价值的项目得以有效落地。本文以结构创新型的逆向工程教学模式为例，设计了“全自动智能分类垃圾桶”项目的教学活动，我们希望以此激发教师在探索人工智能+STEM教育的过程中不断尝试更有针对性的教学模式。

注：本文系2021年度华南师范大学哲学社会科学重大培育项目“促进学生创新能力培养的跨学科教育模式研究”（ZDPY2104）的研究成果。

参考文献

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[11]康斯雅，钟柏昌.机器人教育中结构创新型教学模式的案例设计与实施[J].课程教学研究，2020（1）：75-81.

（作者莫莉姣和陈岚鑫系华南师范大学教育信息技术学院研究生;钟柏昌系华南师范大学教育信息技术学院教授、博士生导师，本文通信作者）

责任编辑：牟艳娜