融合人工智能的STEAM教育實踐研究
——以“智能飛行救生圈”項目為例

宗艷 廣東省深圳市羅湖區教育科學研究院

● 研究源起

人工智能技術近年來在全世界引起高度關注，從本質上看，STEAM課程和人工智能教育有著內在的聯系[1]，STEAM教育包含多項“技術”知識，強調跨學科整合，并最終形成成果，能夠培養學生的創新精神及實踐能力。[2]因此，如何將人工智能技術融入STEAM教育，培養學生的高階思維，真正實現教育的跨學科融合，應該是當前STEAM課程與教學研究需要思考的問題。[3]“智能飛行救生圈”作為融合人工智能的STEAM教育項目，極具教育價值與社會意義，值得在STEAM教學中深入探索。

● “智能飛行救生圈”項目的價值分析

智能飛行救生圈項目源于對現實生活場景的需求，其智能飛行、搜尋、投放功能都涉及人工智能技術，其中的科學原理非常值得探究、學習。該項目的設計與制作過程，不僅能讓學生學習感悟人工智能技術，還能讓學生參與到具有社會責任感的實踐當中，有效地提升學生的核心素養以及計算思維各方面能力。

1.項目的教育價值分析

STEAM教育的特點包括解決真實社會中的具體問題、運用項目式（產品目標導向）學習方式、講求團隊協作能力等[4]，智能飛行救生圈項目教學活動除具有上述理念外，還具有融合多項人工智能技術教育的特點，倡導在“做中學”，讓學生充分領悟到人工智能技術的內在邏輯并將其實現。

智能飛行救生圈的工作原理是通過人工智能技術實現救生圈的自動飛行、定位，并對溺水者進行精準投放，幫助溺水者脫離危險。項目通過紅外傳感定位、智能編隊、視覺識別（熱成像系統）等人工智能技術來實現整個工作流程。該項目讓學生在真實情境中獲得體驗、積累學習經驗、樹立正確的價值觀，使學生在構建自我認知、培養創造思維及探索能力的過程中，提升創新實踐能力[5]，具有極強的教育價值。

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2.項目的社會價值分析

智能飛行救生圈通過人工智能技術使救生圈具備自動飛行與識別功能，可以實時矯正救生圈落點，不受事發點地面交通情況（如行人擁擠）及水況的影響，極大地節省了施救時間，提高落水者生還幾率。智能飛行救生圈與市面上的救援方案的對比分析，如上頁表所示。

現有機動救援方案救援速度慢，對環境要求較高，不適合快速機動救援，而智能飛行救生圈方案速度快，對環境要求低，能夠對溺水者進行快速施救，填補了近岸1海里以內高速機動救援的空白，具有極高的社會意義。

● “智能飛行救生圈”項目的創新實踐

1.功能創新設計

根據方案規劃與多次實地試驗，本項目最終確定運用紅外傳感器定位+AI智能編隊、視覺巡檢+熱成像系統輔助、AI追蹤定位、物聯網定位+終端智能響應四個人工智能技術流程完成智能飛行救生圈功能（如圖1）。

圖1

①紅外傳感器定位+AI智能編隊。當接到救援信號后，智能飛行救生圈迅速對溺水者所在位置實施定位，并編隊飛行巡航。②視覺巡檢+熱成像系統輔助。視覺識別模塊已深度學習識別人體溺水特征，通過機器視覺巡檢（能見度不高的情況下啟用熱成像系統輔助），識別出目標。③AI追蹤定位。智能飛行救生圈鎖定呼救目標，進行AI追蹤定位，圈定事發地點。④物聯網定位+終端智能響應。當對目標定位后，智能終端開始啟動降落輔助救援功能，精準投放到目標位置，并發射信號等待后續救援。在目標獲救后，智能飛行救生圈可以根據紅外定位，自動返航、充電。

2.項目創新實施

在經歷了前期上百次的試驗后，智能飛行救生圈項目終于朝著正確的方向開始實施。下面，以第一代到第四代作品的迭代內容來說明項目的創新實施。

①第一代作品。制作出僅有基本動力系統與中框的O-Class原型機，用于驗證600級軸距下O-Class構型的可行性。在驗證成功后，借助這臺原型機對飛控基準參數進行特化調整。

②第二代作品。借助SolidWorks工程三維建模軟件，設計出全尺寸概念機的模型，進行氣動、受力、散熱等方面的仿真分析。根據仿真結果，確定各關鍵機載設備的安裝位置，升級動力系統配置的指標，并從減重、減輕高速抖震等方面對中框進行優化。

③第三代作品。與大疆視覺組工程師研討確定飛行救生圈的“紅外熱像-可見光”雙光視覺配置方案，拓展飛行救生圈在夜間、低能見度天氣等特殊環境下的工作能力。與飛行器制造專業學生進行交流，對飛行救生圈的氣動方案進行更多的優化。

完成第三版原型機的基本系統測試“V3平臺”總裝，開始對自動飛行搜救全過程進行測試。

④第四代作品。對飛行救生圈的外側護圈區域進行結構調整，制作出第四代飛行平臺。

在此之后，項目組進行了近100小時的飛行測試，對飛行救生圈的天線、減震球等細節部分不斷改進，并對飛控的飛行參數、應急邏輯等更深入地進行了優化，最終項目完成的作品如圖2所示。

圖2

● “智能飛行救生圈”項目的教育活動模式構建

智能飛行救生圈項目教育活動模式遵從一般性STEAM教育模式規律。為了實現融合人工智能的STEAM教學目標，一般選擇工程性課程，工程性課程是體現STEAM教育理念最適切的形式?；诠こ淘O計的STEAM教育活動可以使學習者根據自己的興趣，沉浸于學習活動中，并在多次調試和迭代中完成STEAM學習。[6]國外的教材為了滿足工程設計需求，會選用工程設計的模式進行STEAM教育活動的步驟劃分，其中包括明確任務、發散思維、迭代設計、作品呈現。[7]此外，STEAM教育模式——5E教學模式，基于建構主義理論形成，該模式包括參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation)5個環節[8]，教學活動以學生為中心，以教師為指導者。

參考工程性課程模式和5E教學模式，智能飛行救生圈項目教育活動模式構建如圖3所示。

圖3

1.確定項目

項目開始之初基于真實情境引出問題，通過凝練主題、構建問題矩陣、制訂項目規劃，進行智能飛行救生圈項目的整體策劃。

2.組建團隊

學生通過自我探索、小組協作組建團隊，并進行對應角色分配、技能補齊，深度學習人工智能相關技術，保證團隊的合作戰斗力。

3.功能設計

在教師的指導下，學生進行自主探究、知識構建，用各類軟件、硬件進行產品功能設計，完成智能飛行救生圈的全部功能流程。

4.外觀完善

在產品功能完成后進行外觀設計，此階段包括確定設計平臺、設計產品外觀等。

5.迭代優化

學生通過對智能飛行救生圈的評價進行優化改進，教師啟發學生思維創新，此階段包括項目評審、方案優化、迭代改進等環節。

● 展望

目前的STEAM教育大多融合了人工智能技術，融合人工智能的STEAM教育開展得越來越廣泛。因此，在STEAM的教學實踐中還應注意以下問題：

①教學內容要注重趣味性和關聯性。STEAM教育關注學生在學習過程中知識與技能的獲得，培養學生創造力、邏輯思維、問題解決能力等計算思維能力，因此，教學內容要還原到真實生活中去，設計有趣、合理并相互關聯的內容，讓學生明白要解決的問題的邏輯關系，產生強烈的學習興趣，主動連接多個學科中的知識點來完成。尤其是融合人工智能的STEAM教育突出了項目的創新性，更應該注意項目設計的合理性及趣味性。

②教學目標要富有層次性。參與STEAM教育的學生具備不同的文化基礎和認知水平，因此，STEAM教學目標的設置應該有不同的層次。特別是有人工智能的加持，對學生的自律、自學能力要求更高，所以STEAM的教學目標應該關注學生創造思維的培養，并形成有梯度、有層次的不同的目標體系。

③教學模式要具有多樣性。融合人工智能的STEAM教育的突出特點是具有創新性，傳統單一的教學方法不能滿足其教學，因此，要在充分理解項目的基礎上積極探索更有效的教學模式。[9]