基于工程思维的中学人工智能课程探究

【摘要】《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》将人工智能纳入了中小学信息科技教育体系。在人工智能时代热潮下，广西壮族自治区柳州市第八中学基于工程思维对中学人工智能课程进行探究实践，并总结出课程探究的成效。【关键词】工程思维；人工智能；科技教育；中学生；人工智能课程研究背景随着智能客服机器人、无人驾驶汽车等人工智能技术的普及，提升人工智能教育和素养成为迫切需求。2024年教育部发布的《关于加强中小学人工智能教育的通知》中，强调要以人工智能引领构建以人为本的创新教育生态，服务引导学生正确处理人与技术、社会的关系，促进思维发展，培养创新精神，提高解决实际问题的能力。在此背景下，学校以工程思维为核心，普及推广人工智能课程，让人工智能走进学生生活，取得显著成效。工程思维在研究文献中表现为系统分析、权衡比较的筹划性思维，其核心在于发现并解决问题，通过实际操作获取成长与提升。这种思维方式注重目标的实际价值，强调可行性。具体而言，学生面对问题时，可以提出多样化的创意方案，但在解决问题时，需聚焦切实可行的途径。教师在此过程中鼓励学生自由讨论，随后给予引导，促使学生回归实际问题，设计出既科学又可行的方案。人工智能是一门由计算机、心理学、哲学等多学科交叉融合的新兴学科，覆盖的知识面很广[1]，目前大部分学校的现状是把人工智能课程开成单纯的编程课，但仅仅单纯地学习一门人工智能课或者新兴技术课是不能完全了解和在生活中熟练地运用人工智能技术的。人工智能课程培养模式探索与实践1.实施问题导向、项目驱动、赛创融合的人工智能课程基于工程思维的人工智能课程，是教师以学生为中心，注重理论与实践的结合进行设计的。在解决问题的过程中，工程思维方法中的系统分析、方案设计、模型构建与测试得以被运用，培养了学生创新思维和实践能力[2]。（1）问题导向学习。创设与学生学习生活息息相关的真实情景，如智能校园情景，在情景中设计一系列问题，如提出“如何利用图像识别技术识别学生是否佩戴校牌”等问题，在智慧交通情景中，提出“怎样借助机器学习技术预测交通拥堵趋势，寻找合适的上学路线”。（2）项目驱动学习。以实施项目的方式，让学生以团队的形式开展学习，团队成员共同进行问题剖析、信息挖掘、小组讨论、方案设计与作品优化，最终完成创意作品。如在“智能校园环境监测系统”项目中，促使学生主动整合多学科知识，包括物理、化学、信息技术等多学科知识，实现对校园环境参数（如温度、湿度、空气质量等）的实时监测与智能调控。（3）赛创融合学习。以人工智能与编程类竞赛为依托，有效推动学生“赛中学”知识、“赛中做”实践、“赛中创”新。如组织学生参与教育部白名单中的机器人竞赛及虚拟机器人足球课程，学生面对竞赛任务与对手挑战，不断尝试新方案、优化算法、创新策略，在实践操作中强化编程与人工智能专业技能，实现能力的综合提升。2.优化教材选择与教学场所（1）分层教材体系。在认知与理解阶段，学校安排每周2节面向全体学生的零基础课程，选用Mind+图形化编程软件和“人工智能入门”课程，以直观的图像识别和语音交互方式，帮助学生初步了解人工智能理论原理，激发学习兴趣。在应用与实践阶段，学校每学期开设8—10节课后服务课程，选用优必选AI智慧教育平台开设“AI超级工程师”以及“AI未来小镇”课程，促使学生深入钻研人工智能算法、掌握编程技巧并学会团队协作策略。如在“AI超级工程师”课程里，学生需要亲自设计机械手臂，编写程序并进行调试，让机械手臂能够模拟人手臂完成物品拿取、搬运等特定任务。在竞赛和培优阶段，学校每学期安排36学时，用于包括C++编程在信息学奥林匹克竞赛中的应用、Python在人工智能领域的编程项目，学生将深入探究人工智能算法的优化技术、模型的开发流程，以及创新性的应用实践[3]，以深化学生对人工智能领域的理解和应用能力。（2）多元教学场所利用。整合校内资源，学校除配备三间常规机房用于日常人工智能课程教学外，还建设了柳州市第一家中学生众创空间。众创空间占地1500平方米，涵盖人工智能活动室和实验室，为学生提供了将创意转化为实际作品的理想环境。在这里，学生能够充分发挥创造力，自主解决问题，培养克服困难、勇于创新的科技品质。（3）拓展校外合作。学校加强与高校，如广西科技大学、电子科技大学合作，共建中学生科技创新教育平台；与柳州市科技馆合作开设“科技创新校外第二课堂”，定期组织学生参加科技馆的科普活动；与优必选研究院合作打造人工智能与机器人教育实验室，共同开展课程研发、师资培训和项目合作，引入先进的技术和教育资源，提升学校人工智能教育水平。课程探究的成效1.学生综合素质全面提升一是锻造了学生跨学科整合与知识迁移能力。人工智能课程作为多学科交叉融合的新兴学科，促使学生在学习过程中主动融合多学科知识，将各学科知识有机整合，实现对复杂问题的有效解决，从而极大地提升了跨学科整合能力与知识迁移应用能力。二是塑造了学生持续学习的品质和培养了其创新意识。在参与竞赛和创新实践的过程中，学生不断自我挑战，不断接触新的知识领域和技术难题，如在探索人工智能算法优化的竞赛中，为了取得更好成绩，学生必须持续学习前沿理论，勇于尝试新算法和模型架构，不断突破自我，进而逐渐养成持续学习的习惯和勇于创新的精神。三是培养了团队协作和批判思维的能力。项目式学习强调团队合作的重要性，在项目完成的过程中，学生需要共同开展研究，各司其职又相互配合，通过对项目方案的反复讨论、评估和改进，学生能够从不同角度思考问题，客观分析方案优劣，培养批判性思维。2.推动了学校特色发展一是提高了教育教学质量。开设人工智能课程，教师有机会接触到最前沿的信息科技知识，通过专题培训和自主学习不断提升自身的专业素养和教学能力。在指导开展跨学科项目学习和竞赛实践活动中，不同学科教师探究合作学习，通过人工智能课程跨学科研究，掌握更先进的教学方法，引导学生更好地进行学习，进而推动学校整体教育教学质量提高。二是扩大学校影响力与促进人才培养。作为学校的特色项目，每年通过举办科技文化艺术节、开放众创空间基地研学、跨学科项目式科技冬令营等活动，指导学生利用跨学科知识，以项目化的形式解决生活中的问题，向社会各界展示了学校在人工智能教育领域的实力和学生的风采，进一步扩大了学校的社会影响力。更重要的是，人工智能教育的实施为学校培养了一批批具有创新精神和实践能力的学生，为学校的可持续发展奠定了坚实基础。未来，学校将继