基于STEAM教育的中小学人工智能教育模式设计研究

张攀峰 张 楠

（河北师范大学 教育学院，河北 石家庄 050024）

随着“互联网+”、5G、大数据、人工智能等新技术的发展，教育领域也发生了翻天覆地的变化，其中人工智能在中小学得到了广泛的关注与应用。2017年国务院在《新一代人工智能发展规划》中指出，要加快人工智能转化，要在中小学设置相关课程，逐步推广编程课程[1]；2019年美国政府报告中强调，要加强广大青年开发和应用人工智能的能力[2]；2020年，英国开放大学发布的创新教学报告中提出了一种关于人工智能应用的新型教学法[3]。可见在国内外人工智能教育都得到了广泛的关注，目前我国正大力推广人工智能的相关课程建设与教育应用，如机器人教育、少儿编程、计算机语言编辑、智能课堂建设等，但由于人工智能教育属于前沿教育且开展时间较短，现阶段还存在一些问题，如缺少相应的教学模式、师资短缺、课程建设不完善等，这些影响中小学人工智能发展的问题亟须解决。

《教育信息化“十三五”规划》提出要大力探索跨学科融合应用研究，学校要探索STEAM 教育[4]，之后我国开始了全面的STEAM 教育的研究与应用。STEAM 教育集科学、技术、工程、艺术、数学为一身，以培养学生的跨学科多元思维为目标[5]，关注学生的探究精神、创新精神、问题解决等能力的发展，具有多学科融合、真实问题情境、项目式学习、突出学生地位等特点。因此本研究以STEAM 教育理念为基础，关注现阶段我国中小学人工智能教育教学的现状，以学生能力提升为目标，构建基于STEAM 教育的中小学人工智能教育模式，希望能够为中小学的人工智能教育教学的发展提供帮助，促进中小学生的全面发展。

一、STEAM教育的基本理念

STEAM 教育是指综合了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）的新型教育方式。STEAM 教育不是这五个学科的简单融合，而是使这五个学科之间相互促进、相互作用，最终形成一个高效的综合系统[6]。STEAM 教育最早起源于美国，Hurd 在1957年首次提出学科间的融合，使传统单一学科的概念除了是学校规划课程的根据之外,不再具有实际意义[7]。STEAM 教育在21 世纪盛行开来，2016年我国教育部颁布的《教育信息化“十三五”规划》中，特别强调要积极探索信息技术在跨学科学习（STEAM 教育）中的应用，着力提升学生的创造性思维与创新能力[8]。这象征着我国正在积极地融入STEAM教育的浪潮中，对我国教育教学方式的改革创新具有重要意义。

（一）多学科融合

STEAM 教育最突出的优势之一就是多学科融合[9]，因为通过科学、技术、工程、艺术和数学五项学科的紧密有效融合，避免了以往只学习传统的单一学科造成的学生获得的知识割裂、掌握的内容分散不系统的现象，可以培养学生的创新能力和综合能力。跨领域、跨学科的学习方式在实际教学中具有极大的优势，这种学习方式有助于学生系统地学习知识，同时使学生从获得的单一的、碎片化的知识转换成一个连接紧密、完整统一的知识网络，以便学生能够用更加系统、完整的视角去认识世界、发现问题、应用知识。而STEAM 教育恰好具有跨领域、跨学科的教学优势，所以在教学中应该应用这种新型的教育方式，来提升学生的创新性思维与能力，培养学生的综合素养[10]。

（二）真实的问题情境

STEAM 教育是以解决真实的问题作为任务驱动，使学生在实践中获取知识、掌握方法、应用知识，培养学生的创新能力、逻辑思维能力和问题解决能力。传统教育只重视书本上知识的获取，不重视知识在实际中的应用，这就导致了知识与现实的脱节，使学生只会用所学的知识应对考试，而不会应用知识解决实际问题。而STEAM 教育创设真实问题情境的这一特性，恰好能够弥补传统教育知识与现实生活脱节的缺陷。因为学生在创设的真实问题情境中学习，就会使知识不再停留在记忆的层面，而是上升到了应用的层面，而且在此过程中还会锻炼学生的创新能力和问题解决能力。STEAM教育创设的问题情境具有真实性、复杂性、多面性的特点，这样可以更接近实际生活中的问题，使学生能够更好地适应社会，并且有能力解决未来在生活或者工作中遇到的难题。

（三）关注学生全方面发展

STEAM 教育涉及的学科知识多样、跨越的知识领域广泛，有利于培养学生的综合能力。基于此，可以看出STEAM 教育关注学生的全面发展，致力于培养德、智、体、美、劳兼优的综合性人才，同时STEAM 教育也凭借它独特的教育优势在努力实现这一目标。STEAM 教育跨学科、跨领域的特征，可以使学生获得更加系统、更加完整的知识，培养学生的“智”；基于真实问题情境可以培养学生的动手能力、问题解决能力，同时培养学生的“体”和“劳”；在完成任务的过程中，学生与小组成员交流合作，可以培养学生的人际交往能力、团队精神。由此可以得出结论，STEAM 教育重视学生的综合性发展，能够满足社会对全面发展的综合型人才的需要。

二、STEAM教育融入中小学人工智能教育

（一）我国中小学人工智能教育现状

2003年，教育部颁布了《普通高中技术课程标准（实验）》，有关人工智能的知识才被编入中小学的课程中。当前，中小学实行的信息技术课程标准中也涉及了有关人工智能的部分。简单来说，我国中小学信息技术课程中有关人工智能的知识包括以下几部分：算法与程序入门和机器人入门（小学阶段）、算法与程序设计、机器人设计与制作、人工智能初步以及算法初步（初高中阶段）。除了信息技术课程，目前中小学实施的STEAM 教育中也涉及人工智能的知识[11]。由此可以看出，人工智能在中小学教育中的地位在提升，人工智能教育可以帮助提升学生的科学探索能力、创造性思维能力和应用人工智能解决实际问题的能力。虽然目前在教育领域人们都对人工智能教育重视起来了，但是一些现实问题还是存在的，比如师资短缺问题。当前许多教授人工智能课程的教师都是从信息技术教师中选出来的，这些教师缺乏系统的训练，缺乏完善的课程体系与教材，目前还没有设计出一套完全适合于人工智能教育的课程标准，也没有一本完善的人工智能教材，这都需要我们继续探索研究。

（二）STEAM教育与人工智能教育的关系

1.相同的理论基础

STEAM 教育和人工智能教育都以知识建构理论为基础，知识建构理论属于建构主义理论的一部分，它能够有效促进学习者知识建构[12]。知识建构理论的主要观点是使学生从传统的课堂和书本上获取知识转变成从学习社区或者小组的成员合作探究中获取知识[13]。在STEAM 教育和人工智能教育的实施过程中，都需要创设真实的问题情境，小组合作学习探究并最终解决问题，完成任务。知识建构理论倡导的在学习社区中获得知识这一观点，恰好能够支撑STEAM 教育和人工智能教育这两种新型教育方式课程模式设计和组织的需要。

2.一致的价值追求

首先，STEAM 教育跨学科、跨领域的特点使学生能够综合掌握和应用多个方面的知识，并且在整个过程中锻炼多个领域的技能。在进行人工智能教育时，需要学生应用到各个学科的知识以及生活中的经历，尤其是在完成程序设计任务的过程中，可以使学生的动手能力、挫折承受能力，以及团队合作意识与能力得到充分的锻炼。所以说，STEAM 教育和人工智能教育都关注人的全面发展，共同的目标就是培养具有创新意识与能力的综合性人才。其次，这两种新型教育方式都注重学生的个性化发展，因为在这两种教育方式的学习过程中，学生都可以发表自己的观点，有自己独特的思想，并且自己的个性会得到尊重。最后，在STEAM 教育中，学生的思维会在与团队成员合作探究完成任务的过程中碰撞出“火花”，能够激发他们的创新能力，在人工智能教育中，学生的创造性思维会在程序编写设计的过程中得到发展。因此，这两种教育方式在提升学生创新能力方面益处颇多。

（三）STEAM教育融入人工智能教育的优势

1.有利于培养学生的创造性思维能力

STEAM 教育具有跨学科、跨领域知识的显著优势，恰好人工智能教育所涉及的编程知识、机器人知识也都是跨学科的，所以，STEAM 教育理念融入人工智能教育时，它们之间不会排斥，反而会因为这一共性使学生的逻辑思维能力和创造性思维能力得到更好的发展[14]。

2.有利于激发学生的学习潜力

STEAM 教育通常以项目式教学为主，这种教学方式大都是以任务驱动为导向，借此激发学生的学习兴趣和探究欲望。把STEAM 教育这种教学优势应用到人工智能教育，可以使枯燥的编程知识变得不再难学，因为学生们可以通过小组合作学习，互相帮助、互相激发思维，采用STEAM 教育的这种教学方法，能够极大地调动学生的学习兴趣，激发学生的学习潜力。

3.突出学生的主体地位

STEAM 教育是以学生学习为主，它的各种教育理念、实施方法也都体现了学生的主体地位。目前倡导以学生为主、教师为辅的教学方法，STEAM 教育可以说是这一教学方法最有力的“实现者”之一。人工智能教育涉及的教学内容，如机器人设计，十分适合采用以学生为主体的教学方式，因此STEAM 教育融入人工智能教育，可以更加体现学生的主体地位，有助于达成更好的学习效果。

三、基于STEAM 教育的中小学人工智能教育模式

STEAM 教育注重真实的问题情境，强调以学生为中心，而人工智能教育主张从程序编写和设计的过程中培养学生的相关能力，这两种教育方式在知识内容、组织形式、培养人才等方面具有共同点。因此，文章依据秦瑾若等[15]提出的STEAM 教育融合模式，从STEAM 教育理念、人工智能知识结构、教学目标三个角度，将STEAM 教育融入人工智能教育中，并构建了基于STEAM 教育的中小学人工智能教育模式，如图1。

图1 基于STEAM 教育的中小学人工智能教育模式

（一）创设情境

最先需要设计的也是比较重要的环节就是创设一种情境，这种情境必须具有真实性、复杂性、灵活性、挑战性以及趣味性的特征。教师需要有充足的知识储备，才能够创设出既符合教学知识又能够促使学生应用知识的真实情境。教师需要对教学知识有深刻的了解与认识，同时需要能够灵活地应用生活中的情境，因为所创设的情境必须同时满足涵盖学生所需掌握的知识与技能、培养学生解决问题的能力和激发学生学习兴趣的条件。在创设情境时，教师可以从日常生活中、电视新闻中取材，但一定要注意贴近现实、源于现实。

（二）思考问题

在这一环节，教师基于已经创设好的真实情境，提出人工智能中的智能原理和算法原理的相关问题，并引导学生思考[16]。在这部分的设计中，要充分考虑设计的问题的难度及可行性，是否适合学习者的认知结构，以及是否能够激起学生的探究欲望。之后教师可以组织学生针对此问题进行深入探究，思考相应的解决方案，并在小组中分享自己的想法。这一过程的设计有助于学生自觉主动地获得知识，建构自己的知识以及与他人交流探索问题答案，达到高效深度地理解与应用智能原理和算法原理的目标。在此环节中，学生的知识建构能力、发现问题能力和沟通交流能力能够得到有效锻炼。

（三）组织探究

组织探究是教学过程中最难设计也是最重要的一部分。人工智能教育中的实践部分虽然不像理论学习那么枯燥，但如果设计不好同样难以激发学生的兴趣。所以可以应用STEAM 教育理念中的设计方案（以项目为导向的项目式学习[17]）、跨学科学习（结合物理、科学、语文等学科的知识）、原型制作来进行人工智能教育中的程序设计、实践操作两部分的内容，凭借STEAM 教育的优势，可以在此过程中培养学生的问题探究能力、计算思维能力、团队合作能力、问题解决能力和逻辑思维能力。

（四）展示评价

最后是同样重要的展示评价部分，这一部分可以帮助教师和学生了解教学效果和学习效果，以便及时调整和完善自己的教学与学习。人工智能教育的应用交流环节可以利用STEAM 教育理念中成果展示交流、反思与评价、优化与改进[18]三个方面来设计，可以设计PPT 汇报展示成果环节；可以设计包含课上互动、问题提出和讨论参与度等的过程性评价和包含知识检测、自我评价、汇报结果等的总结性评价的评价方式[19]，这样有助于达到培养和提升学生批判思维能力和创新能力的教学目标。

四、基于STEAM 教育的中小学人工智能教育实施策略

（一）充分体现以学生为中心的策略

STEAM 教育理念在中小学人工智能教育教学过程中应用时要特别注意要以学生为中心，所以无论什么形式的实践探究活动，都需要充分体现学生的主体地位。任何人工智能教育活动实施的目的，除了让学习者积累编程与机器人设计的知识之外，更主要的目的是培养学生的动手操作能力、沟通协作能力、问题解决能力等。但这一切美好期望实现的前提都是需要学生积极主动地参与进来，所以在组织教学活动时要激发学生的学习探究兴趣，教师可以通过播放与课程相关的视频，讲述自己生活中的所见所闻，组织课堂游戏，设计实地探究环节等，吸引学生的注意力，激发学生的兴趣。这些方法都体现了以学生为中心的新课改理念。之所以强调学生主体地位，是因为只有真正地从学生的角度出发，才能充分发挥STEAM 教育理念在人工智能教育中的作用，达到最佳的教学效果。

（二）采用多元评价方式的策略

STEAM 教育理念下的中小学人工智能课程，进行评价的过程就是学生在活动中探究、学习、思辨、展示的过程。因此我们要多采用过程性评价的方式，在实施过程中，教师可以通过观察学生的学习过程，记录学生的行为表现，也可以通过面部表情分析、学生学习视频分析等，评价学生的学习效果。通过对学生学习的过程性记录与分析，帮助学生更好地学习，同时促进实现人工智能教育的预期目标。教师除了利用过程性评价了解学生学习状况、调整自己的教学外，还需要把这些过程性评价反馈给学生，使学生可以更加了解自己，以便有针对性地进行学习。

（三）转变教师思想与角色的策略

STEAM 教育理念下，想要实现人工智能教育课程的目标，需要教师转变角色[20]。首先，教师是人工智能课程的设计者，教师需要依据STEAM 教育的相关理论创设一个真实的问题情境，以调动学生的学习兴趣。其次，教师是人工智能课程的组织者与引导者，教师需要在整个教学过程中牢记以学生为中心，让学生成为课堂的主人，把自己从主导者转变成辅助者，辅助学生学习研究，发现学生有困难时及时进行指导。最后，教师还是学生学习的合作者，教师需要为学生提供环境、资源、人力等学习应备的条件。除此之外，还需要教师真正地参与到学生的探究活动中去，激发他们的创作热情、合作意识以及自身潜能，以“伙伴”的角色帮助学生实现自我价值。

五、总结

目前，我国的人工智能教育仍处于初始阶段，还不够成熟，在教学中的应用也比较少，但是当前社会所需要的是能够有效应用人工智能的创新性综合人才，所以人工智能教育在教育教学领域的作用不容小觑。现在许多研究证明了STEAM 教育的理念有助于人工智能教育的进一步发展。基于此，本研究以STEAM 教育理念为基础，在充分探究STEAM 教育的前提下，发现STEAM教育和人工智能教育具有相同的价值追求，融合STEAM 教育的人工智能教育具有多种教学优势。并在此基础上构建了“基于STEAM 教育的中小学人工智能教育模式”，希望能够为人工智能教育在中小学教育教学中的发展提供支持，以改进和完善人工智能教育模式。