中职学校“STEM+创客”教学探究

刘海龙 陈冬冬

一、“STEM+创客”助力创新型人才培养

人工智能、大数据、云计算、移动互联网、物联网等新一代信息技术正与教育深度融合。与市场、就业密不可分的职业教育如何应对新形势？职业学校如何革新教育教学范式？依笔者之见，职业学校不能只盯着操作技能类培训，要引导学生从人工智能的享用者转为人工智能的参与者、制造者。如何培养面向未来社会的创新型人才，探索教什么、学什么、怎么教、怎么学是“人工智能+教育”的重要研究课题^[1]。国务院印发的《新一代人工智能发展规划》为我国人工智能教育在职业教育阶段的发展指明了方向。人工智能正逐步成为中职教育的重要教学内容之一。中职教师应注重学生逻辑思维能力、解决问题能力、动手能力、创新意识等素养的培养，要紧跟时代步伐，提高学生适应未来竞争的潜力。

STEM（科学、技术、工程和数学）教育与创客教育被视为推动教育变革的关键力量，是培养学生创新能力和实践能力的最佳路径之一^[2]。人工智能的融合丰富了STEM教育和创客教育的内涵，同时也为STEM教育和创客教育的创新发展注入了新鲜血液^[3]，为培养具有综合创新能力和创新素养的创新型人才提供了有力的支撑，这与人工智能时代职教生的培养目标不谋而合。笔者将以“智能餐厅结算系统”为例，探索“STEM+创客”教学模式下中职学校人工智能教学方法与路径。

二、“智能餐厅结算系统”课例分析

“智能餐厅结算系统”是东莞理工学校人工智能校本课程中的一课。教师讲解人工智能相关知识、原理，指导学生运用人工智能技术解决生活中的问题，培养学生积极参与、勇于探索、乐于创新、勤于动手的习惯，提高学生的创造性思维能力和解决问题能力，发展学生的科学素养。笔者采用“STEM+创客”模式，以项目化的形式开展课程教学，引导学生使用人工智能技术的典型技术（计算机视觉识别、Python语言编程），制作一套能够快速识别不同种类餐品的价格并自动计算总价的智能结算系统，以解决部分餐厅人工收付款不时出错的问题。

（一）教学目标

1.知识与技能：①了解人工智能的基本分类和常见应用场景;②掌握基于Arduino的智能硬件系统的设计方法，熟悉人工智能技术的典型技术——计算机视觉识别、语音合成技术的应用方法;③掌握Python编程方法，通过编程实现对主控制器、人工智能模块等智能硬件的驱动;④掌握数字设计与数字制造方法，学会三维设计与3D打印、平面设计与激光切割，设计并制作功能各异的结构模型;⑤理解图像处理中的阈值分割原理。

2.过程与方法：①通过生活情境引出问题，明确任务;②教师引导学生分析问题并针对知识难点进行讲解;③学生参与项目学习活动，分组合作进行创意、设计、结构搭建、电子控制和Python编程，完成制作任务。

3.情感态度与价值观：①让学生学习人工智能和Python编程知识，加深他们對人工智能的理解，提高他们设计人工智能作品的兴趣，激发学生对人工智能技术的学习欲望;②培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，锻炼学生的协作能力，提高学生的科学素养。

4.创造力：①借助数字化工具表达创意，开展结构、控制、程序方面的设计活动，培养学生的设计思维能力;②学生参与结构的设计和搭建活动，设计并操控电子控制系统，发展工程思维能力;③参与程序设计（Python编程）活动，提高计算思维能力;④设计并制作智能餐厅结算系统项目原型作品。

（二）基于“STEM+创客”模式的教学设计

笔者以建构主义和创新理论为依据，坚持“做中学”的理念，组织学生参与项目式学习和体验式学习活动，充分发挥学生学习的主动性与能动性，引导学生围绕生活中的情境（问题），分组合作，探究人工智能技术的应用，设计与制作作品，以新的视角和思维方式在实践中探究、在探究中学习、在学习中建构，提升跨学科创新能力、解决问题能力^[4]。基于“STEM+创客”模式的教学设计模型如图1所示。

“智能餐厅结算系统”是一个涉及新兴信息技术集多学科知识于一体的项目，是人工智能课程教学的典型案例。该系统的开发涉及人工智能技术（如视觉识别、语音合成）、数字设计与制造、电子系统搭建、Python编程等技术，以及跨学科知识。教师在开展教学活动前，可按照教学模型来设计和组织教学活动。

1.基于生活实际，发现问题

科技发展深刻影响人们的生活。平时买东西时，大多数人采用微信或支付宝结账，非常便利。目前一些餐厅仍然由服务员进行人工计算价格，收款，有时还出错。市面上已有一种结算系统支持智能结算但存在不足。它通过在餐盘中放置感应芯片来快速识别，计算价格，但芯片容易因为餐盘接受高温消毒而失效，成本较高。

教师结合社会现实提出问题，将学生所学知识与生活实际联系起来，引导学生基于问题和需求确定项目作品要解决的问题和实现的功能。这与强调“做中学”的创客教育，在理念上异曲同工，都是以解决现实问题为导向，让学生发现现实问题，寻求富有创意的解决方案并通过努力使之变成现实^[5]，发展学生创新思维能力和解决问题的能力。

2.分析问题，探究解决方式

项目作品的实现需要用到多学科知识。这个环节，教师组织学生以小组合作的形式进行探究，思考智能餐厅结算系统需要实现哪些功能，分析实现相关功能需要哪些技术及软硬件设备，如何对作品原型进行功能验证，引导学生利用多学科知识探索系列问题，提高分析问题、解决问题的能力。教学活动安排如下。

问题1：智能餐厅结算系统需要实现哪些功能？（科学）

活动：学生讨论、归纳、总结。

结论：智能识别不同颜色的餐盘;播报价格;模拟扫码支付;自动计算总价。

问题2：制作作品实现以上功能需要使用哪些技术手段和方法？（技术、工程、数学）

活动：探讨作品实物化的呈现方式，选用材料;确定每个功能实现所需要的硬件设备及编程方式。

结论：采用平面设计与激光切割展现作品的主体结构，选用纹理自然、厚2 mm的胶合木板和厚2 mm的透明亚克力板制作。在作图设计时需考虑智能硬件安装的位置。餐盘可通过三维设计与3D打印方式制作。选取不用颜色的Pla打印耗材。基于Arduino的主控制器、人工智能模块（计算机视觉模块），以及其他辅助电子模块设计电子系统。使用python编程语言编写程序。

智能餐厅结算系统软硬件材料：用于处理运行程序的Arduino主控板、用于识别餐盘颜色并计算价格及扫码支付的计算机视觉模块、LED灯圈、按键、电位器、MP3播放模块、XH2.54 4pin电子连接线、锂电池组、3D打印盘子、胶合木板/亚克力板、Python编程软件。

拓展探究：应用阈值分割技术。

技术原理：运用图像处理中的阈值分割方法，对图像进行处理，将不同灰度级的像素分为不同的区域，进而进行操作识别，达到识别目标物体的目的。

问题3：结算效果的验证如何？（数学）

活动：学生基于制作的餐厅模型，编写好程序并上传到Arduino主控制器后，在计价平台上分别放置1个餐盘、随机2个餐盘、3个餐盘，然后使用手机扫描模拟支付，分别记录每次结算的数据，分析结算结果的有效性。

问题4：有哪些收获？

活动：分享作品设计和制作的心得及实验结果。

3.项目原型设计与制作

项目作品的设计与制作环节，教师的主要工作是引导学生使用前沿科技和新兴技术手段解决创作过程中遇到的复杂问题，强调“造物”即真实作品（即实物化成果）的产出，强调“学习成果作品化”，让学生体验实物化、可视化的成果带来的成就感，并在这一系列完整的制作过程中自然而然获得知识与技能^[6]。项目作品的设计包含不同类型的挑战性问题或任务。根据项目作品特性和实现功能，笔者将具体教学任务安排如下。

任务1：餐厅结构体的平面设计与激光切割。学生设计餐厅整体结构的外形时，使用平面设计制图软件AutoCAD绘图，然后根据设计图在教师的指导下操作激光切割机切割胶合木板和亚克力板，最后进行组装。

任务2：餐盘模型的三维设计与3D打印。使用123D Design三维建模软件设计餐盘外形，使用Cura软件对模型进行切片处理，最后使用3D打印机打印。餐盘的颜色可根据选用的Pla打印材料而定。提供了黄色、红色和蓝色三种颜色的材料。

任务3：搭建电子控制系统并完成编程。将Arduino主控板、计算机视觉模块、LED灯圈安装到餐厅主体结构中，使用电子连接线实现Arduino主控与其他电子模块的线路连接，并通电测试。

使用Python语言进行程序设计。Python语言是最接近人工智能的编程语言。使用Python语言进行编程，可以帮助學生更好地理解人工智能算法的实现过程。程序的功能实现可以分为两部分：一是编程驱动计算机视觉模块识别不同颜色;二是控制系统实现语音播报价格、感应餐盘、模拟扫码支付等功能。程序流程如图2所示。

任务4：测试作品的功能。打开电源，启动系统，将餐盘放置在指定平台。等计算机视觉模块检测到餐盘后，根据预设值识别相应的颜色，并按照对应的价格进行计算，模拟整个支付和结算流程，测试作品功能和结算效果（如图3）。

完成项目作品的制作后，教师组织学生对作品原型进行验证和展示，引导学生重新审视作品，促进知识迁移和拓展。当然，教学过程中的教学评价也是不可缺失的。

4.作品验证与分享展示

完成上一环节后，教师组织学生对项目作品进行验证，判断是否实现预期功能：能否实现对不同颜色餐盘的智能识别，是否支持语音播报价格，是否可以模拟扫码支付，能否自动计算总价。同时，组织学生现场展示并介绍作品，阐述作品设计与制作的思路，分享在创作过程中的心得体会、遇到的问题及解决思路、有无新的创意或想法。

5.评价反思

①作品的迭代优化。教师带领学生重新审视作品，研讨如何对作品进行升级改造、迭代优化。例如在材料、设备和时间不限的前提下，如何设计并制作一个可以商用的智能餐厅结算系统。

②拓展延伸与迁移应用。教师提出若干问题引导学生思考，项目作品设计制作所运用的方式方法、技术手段能否解决生活中其他问题，促进学生深层次思考，加深学生对人工智能知识和技能的理解，促进学生对知识的迁移。在这个过程中教师反复强化学生的创新思维、创新能力，提高学生的创新能力。

③教学效果评价。为了解学生的学习情况，笔者设计教学活动评价表对教学效果进行全面评价，以利于后续调整和改善教学策略，取得更佳的教学成效。教学活动评价包括自评、互评、师评。教学成效评价标准如下。

知识与技能：熟悉人工智能的核心技术和常见应用场景。学生能够理解计算机视觉识别模块、语音合成技术的工作原理;掌握Python编程工具的使用及Python语言基本的编程方法;熟练掌握平面制图、3D制图工具的使用方法，绘制2D、3D图形并操作激光切割机、3D打印机，设计制作餐厅主体结构及餐盘。

创造力表现：能够基于Arduino智能硬件，搭建智能餐厅电子系统。学生能够通过Python编程实现对计算机视觉模块的驱动，编写价格播报、感应餐盘、模拟扫码支付等程序;制作智能餐厅作品原型，实现智能识别、价格播报、模拟扫码支付、自动计算总价等功能，并适当拓展。

协作能力：为设计制作智能餐厅作品，小组同伴之间相互配合，一起思考与探究。在制作智能餐厅作品原型环节，小组同伴之间能够根据活动任务明确分工。作品实现过程中，遇到困难时，小组同伴间相互帮助。

解决问题能力：在规定的时间内完成任务，实现智能餐厅项目作品的制作及预期功能。遇到难题，能够积极主动与同伴或教师交流，寻找解决问题的办法。

三、总结与反思

笔者通过实际问题抛出话题，将应用前景很广的人工智能技术引入课堂，让学生体验、感受当前新一代信息技术对人们生活、工作的影响，理解、掌握人工智能技术在不同领域的应用方法，激发学生对人工智能的学习欲望。教师坚持“学生主体、教师主导”的教学观念科学组织教学活动：一方面，给学生充足的时间和机会，引导学生分析问题、分解问题，运用所学知识探求解决方案，尤其在作品的设计与制作环节，将科学、技术、工程、数学和艺术等多学科知识融合在一起，促进学生深层次学习，提高学生应用知识的能力和解决问题的能力;另一方面，在设计与制作作品过程中，针对学生独特的创意、设计，教师及时鼓励，当学生遇到问题，适时介入给予指导，保证教学活动正常开展。在成果分享和反思环节，教师对学生作品进行综合评价，鼓励学生对作品进行迭代升级和拓展创新，实现由实验室作品到商用产品的转换，提高学生的高阶学习能力和高阶思维能力。在教学效果评价环节，教师通过多种方式进行评价，掌握学生对知识内容的学习情况，评估学生思考探究、沟通协作、创造性解决问题的能力，同时发现学生新的问题和新的需求，为调整教学策略提供依据，为取得更好的教学效果作铺垫。

對于中职学校和中职学生而言，人工智能是一个较新的领域。很多学校之前没有开设相关课程，学生没有或很少学习相关知识，教学难免存在不足：首先，学生不了解人工智能的相关原理、应用场景和发展方向，对人工智能的基础知识缺乏积累且理解不深;其次，学习人工智能有较高的技术门槛，其中软硬件技术的应用和算法的编程可能超出中职学生的认知范围，让学生感觉有难度;再次，学生在项目活动中表现出来的协作能力和分析问题与解决的能力也有些不足。笔者认为在中职学校开设人工智能课程需注意以下几点：在课程案例的安排上，应以生活实际问题为切入点，立足学生已有知识与技能，激发学习兴趣，培养学生跨学科解决问题的能力;在课程目标的设定上，需重视学生的学习需求、学习兴趣，瞄准育人目标，加强对人工智能基础知识、相关原理和技术应用方式方法的介绍和讲解;在课程实施方面，坚持教师主导与学生主体相结合的原则，教师适时介入，充分挖掘学生潜力;在课程资源建设方面，在日常教学中积累人工智能相关资源，引导学生通过互联网获取人工智能相关知识。

注：本文系2020年度广东省教育研究院第二批STEM教育专项研究（项目编号：GDJY-2020-S-b064）课题成果。

参考文献

[1] 朱志萍.智能释放：人工智能2.0时代教育的冲击与改变——兼论人工智能赋能高等职业教育[J].中国职业技术教育，2021（1）：51-58.

[2] 王佑镁，郭静，宛平，等.设计思维：促进STEM教育与创客教育的深度融合[J].电化教育研究，2019（3）：34-41.

[3] 丁美荣，王同聚.人工智能教学中“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型的设计与应用[J].电化教育研究，2021（4）：108-114.

[4] 赵呈领，申静洁，蒋志辉.一种整合创客和STEM的教学模型建构研究[J].电化教育研究，2018（9）：81-87.

[5] 杨现民，李冀红.创客教育的价值潜能及其争议[J].现代远程教育研究，2015（2）：23-34.

[6] 滕娇娇，闫志明，张铭锐，等.STEM教育与创客教育辨析[J].现代教育技术，2019（11）：101-106.

（作者刘海龙系河南信阳学院讲师;陈冬冬系广东东莞理工学校教师）

责任编辑：祝元志