STEAM教育理念下高校人工智能課程教學模式研究
——以“人工智能與Python編程基礎”課程為例

劉海龍（通訊作者） 李可會 信陽學院教育學院

陳冬冬 東莞理工學校計算機專業(yè)科

● 研究背景

近年來國內(nèi)高校紛紛設立人工智能專業(yè),并開展了課程建設和教學模式探索，但在落地過程中存在課程內(nèi)容重理論輕實踐、教學方法創(chuàng)新性不足、評價方式單一等問題。STEAM教育著眼于復合型、創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)，在知識結構方面注重培養(yǎng)學習者對跨學科知識的學習和綜合應用，在能力培養(yǎng)方面注重學習者創(chuàng)新精神和實踐能力相結合，這對在高校人工智能課程教學中開發(fā)合適的教學內(nèi)容、構建適切的教學模式、設計科學的評價體系具有重要的指導價值。在高等教育領域中，對“STEAM教育理念下的人工智能教育”研究較少，且現(xiàn)有研究的對象仍以中小學為主。因此，在我國高校人工智能課程教學中運用STEAM教育理念具有重要的教學改革和實踐意義，是解決國內(nèi)高校人工智能教學發(fā)展中所存在問題的一條有效途徑。筆者以“人工智能與Python編程基礎”課程為例，探究在高校如何運用STEAM教育理念開展人工智能課程教學，希望能為高等教育中人工智能課程創(chuàng)新教學實踐和教學改革提供參考和借鑒。

● 融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學模式設計

融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學模式，既是一個包括教學目標設定、教學內(nèi)容規(guī)劃、教學方法選擇、教學實施、多元評價設計的閉環(huán)教學體系，也是一個可持續(xù)發(fā)展的、動態(tài)變化的、不斷進化完善的教學過程。

本研究以“人工智能與Python編程基礎”課程為例，面向高校本科生，進一步闡述在高等教育階段，運用STEAM教育理念構建人工智能課程教學模式的路徑（如下頁圖）：通過引導學生圍繞生活中的真實情境問題，運用人工智能技術設計并開發(fā)創(chuàng)新實踐項目優(yōu)化與重構教學內(nèi)容；通過跨學科、跨專業(yè)、跨領域知識的整合，開展小組合作，探究人工智知識和技能的應用進行教學設計；以多形式共存、多主體參與的多元評價對學生的綜合素質(zhì)進行評判，最終達到培養(yǎng)具備問題解決能力、跨界整合能力、創(chuàng)新實踐能力、科研能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的創(chuàng)新型人才的目標。

1.聚焦創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教學目標設計

融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學目標，可按其面向的知識維度劃分為學科目標和課程目標。學科目標要求高校教師應以發(fā)展的眼光對待這種類型的課程，并貫穿課程教學的始末，以幫助學生為進入人工智能領域的知識學習、學科教研、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、工作求職等做準備；課程目標要求高校教師制訂清晰的課程方向，可按照連接性、持續(xù)性、遞進性、時效性等原則，優(yōu)化或重構教學內(nèi)容，建立“基礎知識”+“人工智能專業(yè)”+“跨學科特色”+“綜合素質(zhì)”等課程模塊，通過專業(yè)知識學習、跨學科知識應用和綜合項目實踐，幫助學生掌握人工智能的基本概念、發(fā)展歷史、應用領域、技術手段及未來發(fā)展方向。

通過學科目標和課程目標最終實現(xiàn)培養(yǎng)具備問題解決能力、跨界整合能力、創(chuàng)新實踐能力、科研能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力創(chuàng)新型人才的目標。其中，問題解決能力是能夠使用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、擴展現(xiàn)實、區(qū)塊鏈等新一代信息技術解決現(xiàn)實生活、工作或?qū)W習中的問題；跨界整合能力是打破專業(yè)、學科界限，在人工智能課程中拓展學習其他學科或領域的知識或能力，或?qū)⑺鶎W的知識或能力遷移應用到其他學科或領域中，實現(xiàn)與不同學科、領域的融合創(chuàng)新；創(chuàng)新實踐能力是針對生活、工作或?qū)W習中已經(jīng)解決的現(xiàn)有問題，使用人工智能技術進行創(chuàng)新性的嘗試，提出新的解決方案；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是基于對人工智能技術的掌握和行業(yè)領域的認知，探索未來職業(yè)的可能性。

融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學模式

2.重視實踐與應用，優(yōu)化與重構教學內(nèi)容

STEAM教育強調(diào)對跨學科、跨專業(yè)、跨領域知識的綜合應用，注重學習者創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)，這與人工智能課程交叉學科的性質(zhì)非常貼切?；诖耍瑥娜斯ぶ悄懿煌膽脠鼍昂皖I域出發(fā)，以理論教學為基礎，以應用實踐教學為抓手，圍繞人工智能新技術的工程實踐，通過對人工智能主流軟硬件的融合學習，對傳統(tǒng)的知識模塊進行重構，將課程內(nèi)容劃分為基礎模塊、進階模塊和綜合模塊。

基礎模塊內(nèi)容旨在教授人工智能相關的基礎概念、基本理論、人工智能的實現(xiàn)技術，使學生建立起對人工智能較為系統(tǒng)的認識。進階模塊首先通過對Python編程基礎知識的講解，讓學生具備使用Python語言進行程序設計的能力，為后面的實踐實操做好準備；進而結合開源智能硬件、開源算法等主流創(chuàng)客技術，通過人工智能典型教學案例和資源，指導學生利用語音識別、神經(jīng)網(wǎng)絡、機器學習、機器視覺等人工智能技術進行動手實踐，運用知識解決實際問題，培養(yǎng)學生的設計思維、計算思維、工程思維等創(chuàng)新實踐能力。該模塊內(nèi)容注重與其他學科、領域知識的融合，重視實踐性教學，具體教學內(nèi)容來源于學術界和產(chǎn)業(yè)界共同關注的熱點問題、專家講座、教師的科研項目以及大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽選題等。綜合模塊內(nèi)容一方面從學生生活、興趣愛好、科研創(chuàng)新和職業(yè)發(fā)展出發(fā)，結合人工智能的應用場景，以專題或主題的形式開展項目實踐研究，讓學生深入體會人工智能知識和技術的具體應用；另一方面，基于學生的項目研究成果，組織學生之間分享與交流，對所學知識進行回顧和總結，同時鍛煉學生的匯報演講能力。

本研究以學校開設的人工智能公選課“人工智能與Python編程基礎”課程為例，對教學內(nèi)容做如下安排（如下表）。

“人工智能與Python編程基礎”教學內(nèi)容與安排

3.創(chuàng)新教學方法，實現(xiàn)教學環(huán)節(jié)的三聯(lián)動

綜合考慮高校人工智能課程的特點，采用PBL教學法可充分利用STEAM教育跨學科整合的優(yōu)勢，以主題或?qū)ｎ}項目為載體，通過跨學科、跨專業(yè)、跨領域知識的融合構建，使學生圍繞生活中的真實問題開展學習和研究，提升學生的跨界整合能力及創(chuàng)新實踐能力。在具體的教學過程中，通過課前、課中、課后三個教學環(huán)節(jié)的聯(lián)動，不僅能夠展現(xiàn)出教學動態(tài)良性發(fā)展的無限可能，還可以通過教師與學生的緊密互動及對研究問題的深入探究，實現(xiàn)教與學的協(xié)同創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展，具體操作如下。

（1）課前環(huán)節(jié)

在進行某個主題或?qū)ｎ}項目教學之前，教師一方面確定當次課的教學目標，進行教學設計并根據(jù)STEAM教育理念，將跨專業(yè)、跨學科、跨領域的知識元素與當次課教學相匹配開發(fā)教學內(nèi)容、策劃教學活動；另一方面，將相關的教學資源通過線上教學平臺（班級微信群、課堂派、雨課堂等）共享給學生，并督促學生充分利用互聯(lián)網(wǎng)途徑查閱相關資料，預先熟悉當次課程所涉及主題或?qū)ｎ}的研究現(xiàn)狀，以調(diào)動學生的學習主動性。

（2）課中環(huán)節(jié)

首先是以教師為主導的系統(tǒng)講授，此過程中教師先講解與當次課教學相關的基礎性、原理性和技能性知識，學生根據(jù)教師講授的內(nèi)容進行模仿操作，以實現(xiàn)對所學內(nèi)容的進一步鞏固和掌握。其次是以學生為中心的小組合作學習，此過程中教師根據(jù)任務的難易程度和學生的基礎設置有梯度的教學任務；學生以小組合作的形式開展任務分析，依據(jù)多學科知識內(nèi)容探究解決方案，進行動手實踐完成項目設計與制作，通過小組內(nèi)部討論與交流對項目進行優(yōu)化和完善；在整個過程中，教師適時介入，引導問題解決方向，幫助學生進行有意義的學習。最后是分享與評價，一方面是“作品秀”環(huán)節(jié)，即每個小組展示分享自己小組的項目作品，簡要闡述項目作品的設計思路、實現(xiàn)方案、遇到的問題及解決方法，同時開展小組互評，組別之間針對項目作品進行評價，闡述優(yōu)點與不足，或針對一些問題進行討論與交流；另一方面是教師進行點評和總結，簡要概括每組學生的表現(xiàn)及項目作品的優(yōu)點、不足及需改進的地方，根據(jù)課堂教學任務完成的情況引導學生開展拓展任務的學習，如申報科研項目、參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的競賽，鼓勵學生再接再厲、勇于嘗試、不斷進步。

（3）課后環(huán)節(jié)

一方面教師反思教學內(nèi)容設計、教學活動策劃及教學實施過程中存在的問題和不足，并針對性地調(diào)整教學策略；另一方面學生通過項目報告或線上交流等方式，將總結的學習收獲、學習中遇到的問題或困難、對教師教學實施的意見或建議等匯總給教師，教師需及時反饋。最終促使教學效果的提升和師生的共同成長。

4.科學設計多元評價，側重學生綜合素質(zhì)的測評

科學、合理、客觀的評價對學生的學習積極性和學習效果具有極大的促進作用，能夠督促學生勇于創(chuàng)新、敢于嘗試，在探索知識的過程不斷“反思”，進而反向促進教學。目前，高校人工智能課程大多以期末考試作為課程結束的標志，也基本采用傳統(tǒng)的以試卷為中心的測評方式，偏重對知識掌握程度的考核，雖然近年來也增加了過程性考核，但對學生跨學科知識融合能力、智能化軟硬件工具應用能力、創(chuàng)新性解決問題能力以及獨立思考、協(xié)作探究能力等仍不能給予恰當?shù)目茖W評價。融入STEAM教育理念的高校人工智能課程評價體系通過課程學習、項目實踐、科學研究、比賽參與等，采用多形式共存、多主體參與相結合的模式，全面評價學生在知識與技能、跨界整合能力、問題解決能力、創(chuàng)新實踐能力、協(xié)作探究能力等方面的表現(xiàn)。

其中，多形式共存除了通過試卷考核學生對人工智能基礎知識的掌握情況外，領域內(nèi)教學研究課題、面向大學生的競賽、學生自選主題項目的設計方案、項目原型設計與制作、研究總結與報告、路演匯報等均可作為考核評價的范疇；多主體參與指采用學生自評、小組互評、教師評價、專家評價（專家包括學術領域內(nèi)相關學者、企業(yè)內(nèi)專業(yè)人士等）并行模式，對學生的綜合素質(zhì)做出準確判斷。

● 融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學模式改革實踐

本研究以筆者所在學校通識教育全校公選課“人工智能與Python編程基礎”課程為例，授課方式以線下授課為主，教師除講授人工智能基本理論知識與技能外，重點引導學生基于生活實際發(fā)現(xiàn)問題，以主題任務的形式開展項目實踐研究。同時，課程還分別邀請2名其他高校教授和1名企業(yè)專家參與教學指導工作。

1.教學實施

“人工智能與Python編程基礎”課程引導學生圍繞生活中的真實情境問題，以主題研究的形式，通過跨學科、跨專業(yè)、跨領域知識的整合，開展小組合作，設計并完成一個人工智能創(chuàng)新項目，教學內(nèi)容涵蓋人工智能基礎知識、開源硬件、Python編程、項目方案設計、項目產(chǎn)品與原型設計、研究總結與報告、路演匯報、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等不同知識板塊和交叉學科領域知識。教學程序包括教學準備、協(xié)作探究、工程實踐、分享與評價和拓展強化五個步驟。

其中，在教學準備環(huán)節(jié)，教師根據(jù)當次教學的主題確定教學目標，選擇合適的教學方法，準備與教學主題相關的教學資源，并組織學生快速組建團隊，學生根據(jù)教師分享的教學資源及通過網(wǎng)絡資源預先熟悉當次教學主題的相關信息；在協(xié)作探究環(huán)節(jié)，因項目需求來源于生活實際，并以解決具體問題為導向，所以會涉及相關跨專業(yè)、跨學科或跨領域知識，教師組織學生以小組合作的形式針對具體問題進行分析，探究解決方案，思考項目實現(xiàn)需具備哪些功能、相關功能實現(xiàn)所需使用的軟硬件設備或技術手段，最終完成項目方案制訂并進行項目團隊的匯報與分享，此環(huán)節(jié)學生除借助教師講授及團隊自查的資料外，亦可參考企業(yè)專家分享的已面向用戶使用的相關產(chǎn)品資料；在工程實踐環(huán)節(jié)，主要引導學生使用開源硬件、Python程序設計、工程設計等技術手段完成項目作品的制作，強調(diào)“造物”即真實作品的產(chǎn)出，并進行項目作品的功能驗證及測試優(yōu)化，最后對項目原型的設計、制作進行階段性總結與匯報；在分享與評價環(huán)節(jié)，每個項目團隊針對項目作品的設計、制作、遇到的問題及問題解決方式做簡要介紹，通過小組自評、團隊互評、教師評價及專家評價相結合的方式，全面分析、評價每組的項目作品的優(yōu)點、不足及需改進的地方；在拓展強化環(huán)節(jié)，教師邀請其他高校教授和企業(yè)專家一起給學生講授有關科研課題申報、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽、項目路演等方面的知識，鼓勵學生積極申報科研課題，參加各類比賽，通過項目路演，接受由領域內(nèi)學術專家、企業(yè)專家、投融資專家和教師組成的專家評審團的點評指導，對于優(yōu)秀的項目，引導學生結合學校在政策、資金等方面激勵保障措施，積極申報入駐學校創(chuàng)業(yè)園繼續(xù)培育孵化，以促進教學成果的轉(zhuǎn)化。

2.教學成效與特征

（1）課程教學滿意度高

調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)顯示，課程教學滿意度指標圍繞教學內(nèi)容選擇、教學活動設計、小組合作方式、多元評價方式、學習體驗、學習收獲六個維度，學生對融入STEAM教育理念的高校人工智能課程教學實施情況的滿意度高達92%以上，從整體來看，學生收獲很多，對教學的評價很高。結合學生期末教學評教結果分析，大多數(shù)學生在學習過程中，不僅收獲了本課程所學知識和技能，還在很大程度上回顧或新學習了其他學科和領域的知識，比較難得的是，可以將所學知識應用于實踐解決具體的問題；同時，小組合作的學習方式讓學生認識到了團隊的重要性和價值；并且，多維度的考核方式不僅增加了學生的閱歷，還在很大程度上提高了學生的學習興趣和學習積極性。

（2）學生的綜合能力顯著提升

經(jīng)過一個學期的學習，大部分學生的綜合能力都得到了顯著提升：在問題解決能力方面，92%以上的學生都得到了較高程度的提升；在跨界整合能力和創(chuàng)新實踐能力方面，82%以上的學生得到了較高程度的提升；在科研能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力方面，因涉及的拓展學習知識較多，對學生的挑戰(zhàn)性較高，有57%以上的學生得到了較高程度的提升。

（3）適用于實踐型課程教學

“人工智能與Python編程基礎”課程教學不僅包括人工智能基本知識和原理性內(nèi)容，還涉及開源硬件、Python編程、項目方案設計、項目產(chǎn)品與原型設計、研究總結與報告、路演匯報、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等不同知識板塊和交叉學科知識領域，屬于典型的實踐性較強的課程。經(jīng)過一個學期的課程教學，基于對問卷數(shù)據(jù)和學生期末評教結果的分析可知，學生的學習興趣顯著提高，教學參與度明顯提升，學習能力進一步增強，學生深刻體會了合作學習、團結互助的重要性，整體來說取得了較好的教學效果。因此，STEAM教育理念非常適用于實踐性課程的教學。

● 結語

本研究為高等教育中人工智能教學發(fā)展所面臨的問題提供了一條解決路徑，并為高校人工智能課程創(chuàng)新教學實踐和教學改革提供了參考和借鑒。