基于CDIO工程教育理念的小学人工智能工程教学实践与探索

摘" 要：在人工智能时代，将人工智能融入工程教育已经成为培养学生核心素养的重要途径之一，但现在小学课堂存在忽视学生自主学习、缺乏对过程的关注、缺少对创新力的培养等问题。因此，引入CDIO工程教育理念，以小学人工智能案例“AI智能体测仰卧起坐”为载体，设计小学人工智能工程教育教学模式，力求让学生初步理解人工智能技术的含义及其在生活中的应用，经历“构思—设计—实现—运行”的工程研究过程，提高创新能力和问题解决能力，促进工程素养发展。

关键词：CDIO；人工智能；小学工程教育；AI智能体测仰卧起坐

文章编号：1671-489X（2025）01-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.01.

0" 引言

人工智能（AI）技术作为新一轮技术和产业革命的重要驱动力，正在深刻改变社会的生产、生活和学习方式。在我国以创新驱动高质量社会发展的国家建设战略指导下，在中小学开设开展人工智能教育、提升青少年智能素养的课程，成为普及公民数字化胜任力、储备创新型人才的重要途径[1]。随着人工智能时代的到来，将人工智能技术引入小学工程教育课堂，可以为小学工程教育注入新的活力。但当前小学工程教育课堂总是以讲授和机械模仿为主，忽视学生自主学习；过于重视作品成果，缺乏对探究过程的关注；对学生作品评价标准单一，缺少对学生创新能力的培养。这样无法真正促进学生工程素养的发展，提升学生的问题解决能力和创新能力。

笔者在小学人工智能工程教育中引入CDIO工程教育理念，从学生学习中的真实情境出发，以“生活中仰卧起坐计数困难，难以评判动作标准，该怎么解决”为驱动问题，以“AI智能体测仰卧起坐”项目为载体，引导学生经历“构思—设计—实现—运行”的工程研究过程，促进学生工程素养发展。

1" CDIO工程教育理念与小学人工智能工程" "教学的关联

CDIO即Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）和Operate（运行）的英文首字母缩写，是由麻省理工学院首先提出的工程教育模式。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统构思—设计—实现—运行过程的背景环境基础上的工程教育。2021年10月，中国教育学会中小学信息技术教育专业委员会发布《中小学人工智能课程开发标准（试行）》，提到要引导学生发现生活中应用人工智能的需求，鼓励学生尝试提出新的问题和新的解决方法，从而培养学生问题发现、深度思考与应用创新能力，以适应智能社会的发展。而小学工程教育起步较晚，小学教育大多指向应试教育，注重书本学习，以认知学习、知识点学习、标准化学习为主，与真实世界联系较少，不重视实践操作，缺少迁移应用，忽视高阶思维的训练。这使得小学生对于工程教育的认知较少，缺少亲身实践与创新，工程实践能力较弱，缺乏工程思维和工程情感。因此，在人工智能工程教育中引入CDIO工程教育理念，有助于培养学生的问题解决能力和创新能力，提高学生的工程素养。

1.1" 真实问题驱动学生的探索需求，提高学生的学习兴趣和参与度

根据皮亚杰的认知发展理论，小学生正处于具体运算阶段，能够进行抽象思考，但需要具体事物的支撑。小学生在日常生活中对于建造房屋、搭建桥梁等工程问题已经有了初步的感性认识。因此，基于小学生日常生活、学习中的需求，从真实的社会生活出发，创设模拟工程情境，以真实问题驱动，唤醒小学生原有的感性认识，使其了解工程项目完成的实际意义，激发学生探索的欲望，有助于学生主动进行学习和实践，加深对知识的理解，感受人工智能的应用，强化工程意识。

1.2" 完整的工程探索过程能提升学生使用系统思维解决问题的能力

在工程素养培育目标中，其系统思维是指能够运用知识形成对问题情境的整体判断，具有发现问题、分析问题和科学解决问题的综合思维能力[2]。人工智能工程教育可以让学生像工程师一样研究工程项目，挖掘生活中的需求，从整体的角度对问题情境进行判断，经历“构思—设计—实现—运行”的工程研究过程，将所学知识迁移应用到现实生活中，解决生活中的问题，提升问题解决能力和系统思维能力。

1.3" 多学科融合强化学生的工程情感和社会责任感

将工程教育前移，对激发学生的工程科技学习兴趣，提高创新能力和工程科技素养，形成正确的世界观、人生观和价值观，树立实学兴业、实业报国的理想，立志成为担当民族复兴大任的卓越工程师、工程科技专家和工程引领人才，都具有十分重大的意义与作用[3]。工程教育是一门融合科学、技术、艺术等多个学科的综合性学科，它将人、自然和社会紧密地联系在一起。小学阶段让学生接触人工智能支持下的工程教育，体验并感受人工智能的应用价值和真实的工程探索过程，不仅能够帮助学生紧跟时代发展的脚步，还能够利用贴近社会发展的内容培养学生乐于探索、敢于质疑、勤于思考的工程情感，同时使其树立科技报国、提高我国自主创新能力的崇高理想，立志成为卓越工程师。

2" 基于CDIO工程教育理念的小学人工智能" "工程教育教学模式设计

基于CDIO工程教育理念的小学人工智能工程教育教学主要分为构思、设计、实现、运行四个环节，其核心是强调学生主动参与设计实践和更新迭代。因此，基于CDIO工程教育理念的小学人工智能工程教育可以创设工程模拟情境，以生活中的真实问题为驱动，引导学生分析需求，提高学生提出问题和分析问题的能力。学生通过自主学习和小组合作的方式寻求问题解决的方案，利用所学知识解决问题，加强对知识的理解与技能的应用。在完成作品后，对作品进行更新迭代，同时将所学知识迁移到生活中其他问题的解决过程中，实现高通路迁移，提高创新能力。基于CDIO工程教育理念的小学人工智能工程教育教学模式如图1所示。

3" 基于CDIO工程教育理念的小学人工智能" "工程教育教学模式实施

将CDIO工程教育理念引入小学人工智能工程教育，以“AI智能体测仰卧起坐”项目为例，按照基于CDIO工程教育理念的小学人工智能工程教育教学模式开展教学实践。

3.1" 体验AI，引出项目

教师通过提问“AI含义是什么？AI怎么和仰卧起坐结合”，引导学生预设AI和仰卧起坐结合的效果，激发学生的好奇心，调动学生的学习积极性和学习兴趣。

3.2" 项目分解与方案设计

教师播放视频《AI助力！让体育课变聪明》并提问：“视频中的仰卧起坐与我们传统的仰卧起坐有何不同？如果让你来制作一个这样的作品，你会设计什么功能呢？”引导学生思考并设计作品功能。

学生分小组讨论并填写学习单中的“功能设计”（视频有相应提示），如图2所示。

教师总结：“计算机需要实现自动识别人体的动作，还需要识别是否成功完成一个仰卧起坐并计数。那么，计算机是如何识别人体的姿态的呢？接下来我们就一起来学习人工智能中的姿态识别。”

3.3" 项目需求，学习技术

教师播放姿态识别介绍视频，视频解说可以让学生简单、直观地了解姿态识别的概念和姿态识别的过程，同时总结人体姿态识别追踪是靠捕捉关键点来识别人体，并通过关键点的位置判断姿态。这样有利于降低人工智能技术学习的难度，增强学习的效果。

教师介绍人体的姿态识别就是靠追踪关键点实现的，并提问：“那么，什么是关键点呢？关键点又在哪里呢？关键点所表示的是我们人体的哪些结构呢？”随后邀请一位学生上一体机操作，其他学生在学习单上圈画关键点（图3）。

教师点评学生圈画的关键点，并提示补充关键点位置。教师提问并引导学生思考为什么鼻子是关键点（鼻子大约在头的中间位置，确定鼻子的位置，就基本能确定头的位置）。

教师总结：“一般我们用17个关键点识别人体，一会儿可以用图形化编程画出来。”

教师出示三张姿态图，引导学生猜测姿态图的动作。

教师总结：“计算机跟我们一样，不需要知道身体所有部分的位置，只要知道关键点的位置，就可以分析出人的动作。”

3.4" 头脑风暴，完善方案

教师提问：“我们已经知道通过17个关键点进行姿态识别，那接下来该如何实现成功完成一次仰卧起坐计数呢？请各组完成流程图设计。”

学生回答：“当鼻子碰到膝盖，算完成一次仰卧起坐。完成一次仰卧起坐，次数加1。”

教师邀请一位学生上一体机绘制流程图，其余学生在学习单上分小组讨论并绘制流程图。

3.5" 项目实施，尝试解决

3.5.1" 编写脚本，标注关键点

鼻子碰到膝盖，算一次成功的仰卧起坐，所以需要重点关注鼻子和膝盖两个关键点。为了更加醒目，用红色的圆圈标出鼻子。

教师提问：“如何让红色的圆圈移到鼻子上，标记出鼻子呢？我们一起来学习一个新控件Pose-Net（图4）。我们进入网站，要实现姿态识别的功能，首先要添加AI的PoseNet姿态识别控件，开启摄像头。”

这个控件的部位里面有多个关键点的名称，这里默认鼻子，除了要找到鼻子的x坐标，还要找到y坐标。

学生扫描二维码访问图形化编程网站，尝试完成用红色圆圈标记鼻子后，继续完成用橘色圆圈标记膝盖。

3.5.2" 深度分析，培养思维力

教师提问：“如何判断鼻子是否碰到膝盖？当鼻子去碰膝盖的时候，距离越来越小，直到碰到膝盖，这样就完成了一次仰卧起坐，次数加1。”

出示人体由平躺到坐起图组（图5），让学生画一画鼻子与膝盖的距离并观察规律。出示计算两点之间距离的公式（图6）。

深度分析：分析鼻子碰到膝盖的判断程序。

教师提问：“我们可以用测得的距离小于某一个数值表示鼻子碰到膝盖，那这个数值是多少？这个‘小于’控件又怎么放到脚本里？”

学生尝试搭建脚本并运行脚本。

比较脚本（图7）：学生迁移以往知识使用“如果……那么……”控件，教师出示“等待……”控件，学生比较这两个脚本的不同，对于学生的分析，教师不做表态。

3.6" 运行调试，测试项目

出示人体由坐起到平躺图组。

教师提问：“运行过程中有没有发现问题？为什么会出现这些问题？”

学生回答：“脚本没有考虑鼻子碰到膝盖之后，还要恢复平躺状态。”

学生自主编写判断平躺状态程序，教师提示平躺时的距离并不唯一，需要学生自主测试数值范围（图8）。

教师提问：“完成一次仰卧起坐后需要判断距离是否大于100，那么这个‘大于’控件怎么放入脚本？”要求学生尝试用“等待”控件完成脚本。引导学生理解：“等待”控件不仅可以用于“等待”时间，还可以用于“等待”距离，如果距离没有大于100，脚本就不会判断距离是否小于50，也就不会频繁地增加次数。学生运行、调试程序，进行项目测试。教师发布比赛任务：比一比哪个小组的AI智能体测仰卧起坐仪计数最正确。

3.7" 优化脚本，迭代改进

教师提问：“刚才的测试中已经发现了什么问题？为了解决这些问题，还需要设计什么功能呢？”教师播放视频，引导学生思考更多功能，再次让学生分小组填写创新方案的创新点。

3.8" 展示交流，分享作品

3.8.1" 结合实际，拓展生活应用

引导学生思考姿态识别在生活中其他地方的应用。人工智能在舞蹈、体育、医疗、教育等领域都发挥着重要作用，进一步提升学生感受人工智能技术在信息社会中的重要性。让学生深切体会当今科技的强大和科技对生活的改变，帮助学生树立崇尚科学、热爱科学的理念，让学生辩证地看待人工智能技术带来的生产和生活的变革。

3.8.2" 梳理学法，发展工程思维

带领学生回顾学习过程：体验AI，引出项目—问题分解，初步设计—项目需求，学习技术—头脑风暴，完善方案—项目实施，尝试解决—运行调试，测试项目—优化脚本，迭代改进—展示交流，分享作品。采用八步学习法在循环迭代中完成工程实施。

3.8.3" 课程思政，培养爱国情操

教师提问：“在运行脚本的时候有什么想法？”学生回答：“平板很卡，很热。”姿态识别需要芯片强大的运算能力，教师咨询“文心一言”，发现PoseNet模型需要一定的芯片算力。教师指出：“这几年美国加强对我国芯片发展的封锁，但我国一直致力于推动芯片产业的发展，采取了一系列措施提高自主创新能力。希望大家从小树立创新意识，积极参与创新活动，长大后为我国芯片产业的发展贡献力量。人工智能正在改变人们的生活方式，认识它可以帮助我们适应未来的社会。希望大家能够学好人工智能知识，让它更好地服务社会。”

4" 基于CDIO工程教育理念的小学人工智能" "工程教育启示

在进行人工智能教学后，利用调查问卷对学生的学习效果进行分析，从调查结果来看，在小学人工智能教育中引入CDIO工程教育理念的小学人工智能工程教育切实提升了学生的工程素养。

4.1" 基于真实问题解决的跨学科学习渗透工程素养

从小学生的知识结构看，他们对于仰卧起坐的标准动作和仰卧起坐的过程已经有了一定的知识基础。比如在体育课上，学生会学习掌握仰卧起坐的姿势和评价标准，在体测训练时会交替角色，分别进行计数和仰卧起坐练习，为AI智能体测仰卧起坐奠定基础。跨学科主题学习以现实生活中的情境为起点，以解决具有实际意义的问题为学习归宿，引导师生探讨知识的迁移、综合、运用与交叉[4]。“AI智能体测仰卧起坐”是一个跨学科的综合性项目，包含体育、信息科技、语文、数学等学科知识，可以提供真实的、多学科整合的情境任务，提出学习要求，有助于学生综合运用多个学科的知识与技能解决生活中的复杂实际问题，最终促进学生的工程素养发展。

4.2" 迭代优化，培养学生工程设计思维

课堂中，学生设计与测试心目中的AI智能体测仰卧起坐脚本，并且对AI智能体测仰卧起坐功能进行更新迭代，同时提出需要增加新的功能，以检查姿态是否正确，如双手是否始终交叉于后脑、起身时屁股是否离地等。测试时，发现体测仪测数据不够稳定，于是再一次组织学生观察并使用体测仪，并召开讨论会，对比两者之间的不同并思考该如何完善作品。为此，学生提出需要为平板设计一个支架。

随着体测仪的设计与开发不断地深入推进，学生的自主实践能力得以增强。学生以实践感悟为起点，带着产生的新问题进一步更新迭代；继续提出新的问题，根据需求进行个性化实践，开展合作探究；再次进入工程实践的过程，发现问题、分析问题、设计方案以解决问题，不断循环往复，提升工程设计思维水平。

4.3" 评价表现，提高工程素养

根据学习目标和学习任务，在单项评价和综合评价中均设置相关的表现性评价指标，如学生提问、知识应用和成果展示等，教师、组内成员和其他成员多个主体、多个角度进行协同评价。评价后可颁发“最佳设计”“最具前景”“心灵手巧”等个人奖，以及“最佳方案”“最佳创意”“最佳合作”等团体奖，并结合学校特色，根据学生获得的评价等级，评选学校的“七色花少年”，并在“五育”平台上宣传报道。同时，形成学生活动成长手册，同步到家长端。

在评价方法上，提出注重动手操作、作品展示、口头报告等多种方式的综合运用，关注典型行为表现，推进表现性评价[5]。基于CDIO工程教育理念的小学人工智能工程教育评价倡导关注学生的表现，既要关注学生对知识与技能的学习，也要关注学生工程素养的发展。同时，还要为学生提供劣构问题和复杂任务，拓展学生学习的深度，提高学生的工程创新能力。

5" 参考文献

[1] 姜冰倩，尹君慧.融入设计思维和跨学科理念的人工智能课程设计与实践[J].中国信息技术教育，2023（13）：30-33.

[2] 顾凌燕.指向工程素养培育的高中选修课程实施策略优化：以“工程模型的创意设计与研究”教学为例[J].新课程研究，2022（34）：83-85.

[3] 唐江澎，胡晓军.工程教育：发展普通高中学生的创造力[J].教育国际交流，2023（2）：41-44.

[4] 俞莉丹.指向问题解决的跨学科主题学习：典型特征与实践路径[J].基础教育课程，2023（14）：10-18.

[5] 中华人民共和国教育部.义务教育课程方案（2022年版）[M]北京：北京师范大学出版社，2022.