基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的STEM和人工智能教育研究

任紅娟 郝鵬飛

(錫林郭勒職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

一、 STEM和人工智能教育溯源

STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)四門(mén)學(xué)科英文首字母的縮寫(xiě)，其中，科學(xué)在于認(rèn)識(shí)世界、解釋自然界的客觀規(guī)律；技術(shù)和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上改造世界、實(shí)現(xiàn)與自然界的和諧共處、解決社會(huì)發(fā)展過(guò)程中遇到的難題；數(shù)學(xué)則是技術(shù)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)工具。

2017 年，國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告中首次寫(xiě)入人工智能，人工智能上升為國(guó)家戰(zhàn)略。同年 10 月，十九大報(bào)告進(jìn)一步提出“加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合”。在國(guó)家層面的大力倡導(dǎo)下，全社會(huì)掀起了人工智能技術(shù)創(chuàng)新的熱潮。對(duì)于我國(guó)大部分職業(yè)教育工作者來(lái)說(shuō)，人工智能是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的新命題。

在本質(zhì)上，無(wú)論是STEM教育或者人工智能教育，都屬于多門(mén)學(xué)科的融合學(xué)科，其本質(zhì)目的都是讓學(xué)生通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)習(xí)，逐步地通過(guò)多學(xué)科知識(shí)的融合去解決當(dāng)下實(shí)際問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生打破學(xué)科壁壘。在我國(guó)，除了學(xué)校、機(jī)構(gòu)、非營(yíng)利性組織等，高科技企業(yè)也正利用自身對(duì)于科學(xué)技術(shù)的理解和掌控，通過(guò)一系列活動(dòng)，幫助我國(guó)青少年完成從機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)到人工智能和機(jī)器人控制原理的知識(shí)進(jìn)階，并通過(guò)競(jìng)賽的形式，考查學(xué)生的臨場(chǎng)反應(yīng)能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也將一流科學(xué)家、工程師對(duì)科技行業(yè)的興趣和熱愛(ài)傳播至青少年一代。

二、STEM和人工智能教育存在的問(wèn)題

只有在了解STEM和人工智能教育核心價(jià)值的基礎(chǔ)上，我們才能著手去解決教育過(guò)程中的問(wèn)題。鑒于它們都是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)學(xué)科的融合，因此學(xué)校及各方機(jī)構(gòu)要通過(guò)多方面的教學(xué)手段，使學(xué)生獲得跨學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，從而利用知識(shí)基礎(chǔ)獲得自主探究解決方案的能力。對(duì)于高階的學(xué)生，更是要培養(yǎng)他們計(jì)算機(jī)思維以及設(shè)計(jì)思維這種高階的思維能力?，F(xiàn)階段我國(guó)STEM及人工智能教育仍存在諸多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(一)教育誤區(qū)

很多學(xué)校和機(jī)構(gòu)對(duì)于STEM和人工智能教育的理解仍存在偏差，一是認(rèn)為只要融入了實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)就是STEM教育，主要鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力；二是認(rèn)為編程能力即為STEM和人工智能教育的能力，主要培養(yǎng)學(xué)生的編程能力；三是認(rèn)為STEM和人工智能教育是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探索問(wèn)題解決方法的教育。以上三種問(wèn)題忽視了學(xué)生對(duì)于合作能力、問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新能力、探索能力等綜合能力的培養(yǎng)。

(二)學(xué)科融合的誤區(qū)

目前，我國(guó)的教育課程體系是建立在嚴(yán)格的學(xué)科分類(lèi)的基礎(chǔ)上，雖然能有效地進(jìn)行學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)，但往往脫離實(shí)際，缺乏實(shí)踐及應(yīng)用性的教育。而STEM和人工智能教育是在豐富的教學(xué)情景和挑戰(zhàn)中促進(jìn)學(xué)科知識(shí)的融合。STEM和人工智能教育并非新學(xué)科，脫離了基礎(chǔ)知識(shí)體系的STEM和人工智能教育只是無(wú)本之木，是偽學(xué)科，因此，應(yīng)當(dāng)將STEM和人工智能教育融入學(xué)科知識(shí)的體系當(dāng)中，開(kāi)發(fā)項(xiàng)目化的優(yōu)質(zhì)跨學(xué)科教學(xué)，才能促進(jìn)STEM和人工智能教育的良性發(fā)展。

(三)商業(yè)誤區(qū)

STEM和人工智能教育教學(xué)的開(kāi)展，需要借助校內(nèi)及校外的一些特殊教具，因此，很多教育科技公司推出大批系列教具打包銷(xiāo)售給學(xué)校，有些學(xué)校投入大量資金建設(shè)STEM實(shí)驗(yàn)室或創(chuàng)客教室，但并沒(méi)有取得理想的效果，主要原因在于很多教育科技公司把眾多精力都放在教具的銷(xiāo)售上，并未挖掘其中的相關(guān)課程、教學(xué)方法以及教學(xué)輸出上，這在一定程度上脫離了STEM和人工智能教育的本質(zhì)。[1]

三、STEM及人工智能教育的教學(xué)反思

(一)轉(zhuǎn)變培養(yǎng)思路

一方面，人工智能已成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)， 世界各國(guó)都在抓緊謀劃和布局，力求掌握國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的主導(dǎo)權(quán)，我國(guó)也理應(yīng)積極投入，搶占先機(jī)。另一方面，人工智能帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，必將引發(fā)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)與變革，對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生深刻影響。作為當(dāng)今的職業(yè)教育從業(yè)者，我們需要建立以下兩點(diǎn)理念：一是建立不斷學(xué)習(xí)的理念。當(dāng)今時(shí)代，科學(xué)技術(shù)日新月異，昨天的技術(shù)突破就有可能成為今天普遍的技術(shù)應(yīng)用，昨天的技術(shù)壁壘就有可能在明天得以突破，迅速應(yīng)用于各行各業(yè)，所以，要想跟住時(shí)代的變革，把握當(dāng)下科學(xué)技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，就需要當(dāng)今的技術(shù)教育從業(yè)者不斷與當(dāng)今承擔(dān)技術(shù)貢獻(xiàn)的企業(yè)多交流、多學(xué)習(xí)，避免閉門(mén)造車(chē)。二是提高學(xué)習(xí)的廣度和深度。如今的技術(shù)革命已不僅僅是單個(gè)學(xué)科的突破，而是多學(xué)科的融合。例如5G技術(shù)革命，5G作為一項(xiàng)通信標(biāo)準(zhǔn)，并不屬于某個(gè)國(guó)家，它由多個(gè)公司同時(shí)進(jìn)行研發(fā)。眾所周知，華為在5G技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域投入了大量的人力和財(cái)力，截至2018年12月28日，中國(guó)信息通信研究院知識(shí)產(chǎn)權(quán)中心統(tǒng)計(jì)出5G網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)利數(shù)量，華為以1970件專(zhuān)利排在其他通訊公司前列，專(zhuān)利數(shù)量占5G網(wǎng)絡(luò)總專(zhuān)利數(shù)的21%，它的背后是集合了通信技術(shù)、軟件技術(shù)、硬件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等多學(xué)科的融合。所以教育從業(yè)者在深化自身學(xué)科的同時(shí)，也要多去研究學(xué)科之間的融合，才能在實(shí)踐中指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)學(xué)科之間的協(xié)同解決實(shí)際問(wèn)題，將以往的單一性人才逐步培養(yǎng)為復(fù)合型人才。

(二)調(diào)整培養(yǎng)模式

一是研究科學(xué)領(lǐng)域，設(shè)置新專(zhuān)業(yè)。人工智能時(shí)代，新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換加快，產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度加快，職業(yè)院校要充分對(duì)接區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)升級(jí)的需要，提前謀劃專(zhuān)業(yè)布局，研究基礎(chǔ)課程分布，增設(shè)新興專(zhuān)業(yè)。二是適應(yīng)人工智能，改造原有專(zhuān)業(yè)。人工智能、信息技術(shù)、無(wú)人控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域相關(guān)的專(zhuān)業(yè)應(yīng)在職業(yè)院校專(zhuān)業(yè)體系布局中占據(jù)重要席位。三是在學(xué)校內(nèi)部建設(shè)人工智能樣板實(shí)驗(yàn)室，保障學(xué)校開(kāi)設(shè)人工智能課程的環(huán)境條件，通過(guò)校企合作，研發(fā)適合學(xué)生的相關(guān)教學(xué)教材，在開(kāi)展人工智能教學(xué)的同時(shí)，增加師資培訓(xùn)力度，搭設(shè)區(qū)域間人工智能教學(xué)成果交流平臺(tái)。

(三)項(xiàng)目化教學(xué)探索

為了提高人工智能教學(xué)的質(zhì)量，在學(xué)校內(nèi)部增設(shè)人工智能專(zhuān)業(yè)，調(diào)整教學(xué)模式。讓企業(yè)的教育產(chǎn)品流入到學(xué)校內(nèi)部，通過(guò)校內(nèi)外教師和研發(fā)工程師共同打造符合當(dāng)下人工智能領(lǐng)域的核心技術(shù)，推出適合各年齡段學(xué)生學(xué)習(xí)的人工智能課程。通過(guò)學(xué)習(xí)校內(nèi)優(yōu)質(zhì)的人工智能課程，讓學(xué)生在人工智能競(jìng)賽中得以實(shí)踐和應(yīng)用，不斷總結(jié)和完善學(xué)習(xí)成果，在不斷地學(xué)習(xí)和實(shí)踐中培養(yǎng)青少年的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，幫助他們?cè)诳萍几?jìng)技中獲得快樂(lè)和成就感，充滿信心地面對(duì)未來(lái)，朝著改變世界的方向前進(jìn)。[2]

四、項(xiàng)目式教學(xué)探索

下面以目前國(guó)內(nèi)認(rèn)可度相對(duì)較高的深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司研發(fā)的教育機(jī)器人中的視覺(jué)識(shí)別技術(shù)為主線，探討STEM和人工智領(lǐng)域中的視覺(jué)識(shí)別技術(shù)點(diǎn)應(yīng)用。

(一)項(xiàng)目名稱(chēng)

人臉識(shí)別與云臺(tái)跟隨。

(二)項(xiàng)目背景

計(jì)算機(jī)視覺(jué)是用攝像機(jī)和電腦及其他相關(guān)設(shè)備，對(duì)生物視覺(jué)的一種模擬。它的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得相應(yīng)場(chǎng)景的三維信息。在機(jī)器人智能化的道路上，人工智能、自動(dòng)化、機(jī)器人學(xué)等領(lǐng)域是高度重合和交叉的，多學(xué)科共同促進(jìn)了機(jī)器人在感知智能、認(rèn)知智能等方面的長(zhǎng)足進(jìn)步。我們知道，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)是人工智能的重要核心技術(shù)之一，可應(yīng)用到安防、金融、硬件、營(yíng)銷(xiāo)、駕駛、醫(yī)療等領(lǐng)域。目前我國(guó)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)水平已達(dá)到全球領(lǐng)先水平，廣泛的商業(yè)化渠道和技術(shù)基礎(chǔ)是其成為最熱門(mén)領(lǐng)域的主要原因。

從2016年至今，在大疆針對(duì)大學(xué)生的RoboMaster對(duì)抗賽中開(kāi)始引入了能量機(jī)關(guān)的概念，引導(dǎo)學(xué)生將目標(biāo)檢測(cè)與視覺(jué)伺服控制應(yīng)用于比賽中，從2018年至今，大疆科技在學(xué)術(shù)會(huì)議ICRA上開(kāi)設(shè)了全自動(dòng)對(duì)抗的人工智能挑戰(zhàn)賽，引導(dǎo)參賽者從定位感知、決策到運(yùn)動(dòng)規(guī)劃上實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化。作為教育工作者，我們應(yīng)思考如何將越來(lái)越成熟的機(jī)器人學(xué)和人工智能技術(shù)教給學(xué)生，讓學(xué)生更好地掌握移動(dòng)機(jī)器人的知識(shí)。

(三)項(xiàng)目目標(biāo)

通過(guò)此類(lèi)人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的項(xiàng)目化教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生：

1.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力。即根據(jù)問(wèn)題情景給出自己的見(jiàn)解，分析問(wèn)題并進(jìn)行拆解。

2.解決問(wèn)題的能力。即找到解決問(wèn)題的關(guān)鍵路徑，判斷各模擬問(wèn)題的優(yōu)先級(jí)。

3.責(zé)任心與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。即有承擔(dān)并做好各項(xiàng)任務(wù)的決心，有高度的合作精神。

4.批判性思維。即對(duì)事物有著更加客觀地分析和評(píng)估，不盲從不偏見(jiàn)。

5.簡(jiǎn)潔有效的表達(dá)能力。即在團(tuán)隊(duì)討論中能夠高度概括，有清晰的邏輯思路。

(四)開(kāi)展項(xiàng)目的軟件、硬件

1.軟件：明文協(xié)議SDK(Python) 。

2.硬件： 機(jī)器人載體：大疆S1 EP。

傳感器：攝像頭。

執(zhí)行器：LED、云臺(tái)。

(五)項(xiàng)目流程，問(wèn)題引導(dǎo)

1.連接機(jī)器人EP SDK，試一試云臺(tái)如何控制、LED如何控制、攝像頭的視頻流圖片怎么獲取？ 通過(guò)硬件機(jī)器人已經(jīng)設(shè)定好的程序，感受機(jī)器人是如何通過(guò)傳感器和程序去控制云臺(tái)和LED燈，在此過(guò)程中，讓學(xué)生建立起硬件之間的直觀感受，設(shè)想其中的原理，為下一步做準(zhǔn)備。

2.人臉檢測(cè)系統(tǒng)的輸入和輸出是什么？ 要進(jìn)行人臉檢測(cè)，對(duì)于機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，想要控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸入信號(hào)為什么？輸出信號(hào)為什么？如何通過(guò)輸出信號(hào)的變化控制云臺(tái)的變化，其中存在什么樣的邏輯關(guān)系，用什么樣的語(yǔ)言去實(shí)現(xiàn)過(guò)程，在教師教學(xué)的過(guò)程中，要不斷引導(dǎo)學(xué)生利用學(xué)習(xí)過(guò)的物理數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行邏輯推理。

3.知道人臉的位置后怎么控制云臺(tái)進(jìn)行跟隨？ 控制云臺(tái)跟隨需要借助編程語(yǔ)言去設(shè)定相關(guān)程序，在編輯程序的過(guò)程中，通過(guò)舉例及演示燈方式，讓學(xué)生了解編程的底層邏輯。

4.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：多個(gè)人怎么辦？ 當(dāng)變量增加時(shí)，我們?cè)撊绾魏Y選其中的有利信息進(jìn)行跟隨？在完成上一步的編程后，要拓展問(wèn)題的豐富性，引入不同干擾因素，考察學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

5.用識(shí)別去解決問(wèn)題。學(xué)習(xí)完基本的知識(shí)之后，下一步如何利用現(xiàn)有的軟硬件設(shè)備，去解決生活中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，要學(xué)生帶入生活場(chǎng)景，解決實(shí)際問(wèn)題，解決可能存在的各種干擾因素。

(六)課程設(shè)計(jì)

1.將學(xué)生暫時(shí)理解不了的技術(shù)打包交給學(xué)生使用，從而降低學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)領(lǐng)域的難度，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣和自信心。

2.發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，充分利用傳感器、計(jì)算設(shè)備、控制器，讓感知通過(guò)邏輯與機(jī)器相連。

3.在課程上，給定項(xiàng)目情境引入，結(jié)合數(shù)理基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)流程，動(dòng)手實(shí)踐一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，舉一反三，最終啟發(fā)思考。那么教師該如何選擇實(shí)踐案例呢？我們選擇簡(jiǎn)單的案例進(jìn)行教學(xué)，比如分出圖像中的蘋(píng)果、香蕉和葡萄，帶他們走過(guò)整個(gè)流程，達(dá)到能夠識(shí)別的效果。

解決完人臉檢測(cè)問(wèn)題之后，如何舉一反三？我們的模塊可以支持其他東西分類(lèi)嗎？ 比如手勢(shì)1、手勢(shì)2 、手勢(shì)3，在這里是否有提高辨識(shí)度的空間？比如不同的人臉，是效果一般還是完全沒(méi)法用？為什么不同的背景總是影響我的分類(lèi)效果？將知識(shí)帶入到不同的場(chǎng)景當(dāng)中，尋求不同的解決方案。

通過(guò)實(shí)踐的啟發(fā)探索，我們可以將技術(shù)發(fā)展的路線清晰地呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生親身感受當(dāng)代科學(xué)家在突破技術(shù)壁壘時(shí)的所思所想，引導(dǎo)學(xué)生在遇到問(wèn)題時(shí)尋找解決問(wèn)題的模型。

(七)項(xiàng)目考核

期末我們需要給學(xué)生一個(gè)簡(jiǎn)易化的開(kāi)放性比賽項(xiàng)目，讓他們根據(jù)學(xué)習(xí)到的不同知識(shí)和工具，來(lái)完成任務(wù)，進(jìn)而考核學(xué)習(xí)成果。

五、前景展望

本研究為STEM和人工智能課程關(guān)于視覺(jué)識(shí)別及跟隨項(xiàng)目化教學(xué)的探索，人工智能作為一門(mén)前沿技術(shù)，對(duì)軟硬件設(shè)備的要求都相當(dāng)高，此外，有關(guān)STEM和人工智能課程的教學(xué)方法探究比較少，筆者只是通過(guò)項(xiàng)目化的方式進(jìn)行了教學(xué)探索，在教學(xué)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了很多存在的問(wèn)題，但是通過(guò)這樣的教學(xué)方法和手段，能有效地激發(fā)學(xué)生利用課程所涉及的物理數(shù)學(xué)知識(shí)及軟硬件解決實(shí)際生產(chǎn)生活中所遇到的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科融合解決實(shí)際問(wèn)題的初衷，反過(guò)來(lái)激勵(lì)學(xué)生更好地完成基礎(chǔ)學(xué)科的知識(shí)積累。

對(duì)于在課堂上有學(xué)習(xí)興趣和特長(zhǎng)的同學(xué)，要多用自底向上(即由簡(jiǎn)到難，由單一任務(wù)到多維度復(fù)雜任務(wù)的方式)項(xiàng)目引導(dǎo)他們學(xué)習(xí)技術(shù)，讓他們了解跨學(xué)科知識(shí)和系統(tǒng)知識(shí)，通過(guò)完成這樣的項(xiàng)目式應(yīng)用，學(xué)生可以更加深入和完整地拆解理論知識(shí)，提高實(shí)踐能力，發(fā)掘技術(shù)應(yīng)用的核心難點(diǎn)，最后，通過(guò)國(guó)內(nèi)外對(duì)于機(jī)器人、人工智能等方向的實(shí)踐型競(jìng)賽，將所學(xué)、所想、所能應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中，激發(fā)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，激勵(lì)學(xué)生在人工智能領(lǐng)域長(zhǎng)足發(fā)展下去，為地區(qū)和國(guó)家輸送實(shí)踐性人才。

對(duì)于教育工作者而言，要告訴學(xué)生泛學(xué)，學(xué)會(huì)去哪兒、怎樣搜索知識(shí)，學(xué)會(huì)給問(wèn)題建立模型并獲取自己想要的知識(shí)，要通過(guò)實(shí)踐去理解理論的意義。這才是當(dāng)下人工智能教育中，我們所能教給學(xué)生最寶貴的解決問(wèn)題的方法。