跨學科項目化學習賦能創新人才培養的策略研究
——以人工智能為核心

顧國華 上海市奉賢區陽光外國語學校

一、研究背景與擬解決的問題

黨的二十大報告指出：“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐?！笔状伟呀逃?、科技、人才三者放在一起。如何變革育人方式，激發學生積極探索未知的興趣，注重創新思維與實踐能力的培養，提升學生綜合運用跨學科知識技能解決真實問題的能力，促進教育、科技、人才的深度融合，作為初中科技教師的我有著義不容辭的責任。

為適應科學技術的飛速發展，AI、無人機、編程等課程已在中小學基礎教育中逐漸普及。我校突出人工智能的要素，開設了智能機器人、無人機、機甲機器人等課程。那么，在具體的課程實施中如何培養學生的創新素養呢？上海市教委發布的《關于實施項目化學習推動義務教育育人方式改革的指導意見》指出：“以義務教育課程方案和課程標準為依據，以培養學生創造性解決問題的能力為導向，以項目化學習為載體，深化義務教育學校教與學方式變革?！睘榇?，我開展了“以人工智能為核心的跨學科項目化學習”的研究，旨在引領學生在靈活運用多學科、多領域的知識完成一個個人工智能項目探究中，培養學生的創新思維和實踐能力，賦能創新人才的培養。

二、人工智能應用場景設計

跨學科項目化學習是一種學習方式，是將自然、社會中真實而復雜的問題轉化為項目，引導和支持學生綜合運用多學科知識，創造性地解決真實問題，并通過個性化方式展現項目成果。它是一種適合“人工智能應用”的學習方式，有利于培養學生的創新思維和實踐探究能力。

人工智能應用的真實場景，既是學生開展項目化學習起始點，也是學生進行項目化學習的歸宿點。為此在引領學生開展項目化學習中，我們精心設計了人工智能應用的真實場景。如“智慧城市”是《人工智能》課程中的一個項目探究主題，我們聚焦學生的現實生活，設計了智慧交通工具、智慧物流、智慧交通設施、智慧停車場等真實場景，引領學生研究人工智能在城市生活領域中應用與發展。同時圍繞場景特點，認真分析所需的人工智能技術和技術達成目標（見表1），為引領學生開展“以人工智能為核心的跨學科項目化學習”保駕護航。

表1 “智慧城市”跨學科項目化學習場景創設及人工智能技術、達成目標分析表

三、具體的實踐過程及案例

跨學科項目化學習是以真實的驅動性問題或挑戰性任務激發學生主動探索，強調問題解決，重視親歷實踐。因此，在具體指導中，我注重真實情境的創設，引領學生有計劃地開展項目化學習。

（一）制訂學習計劃，確保有序開展項目化學習

人工智能跨學科項目化學習主要以真實、富有挑戰性的問題為引領，讓學生靈活運用人工智能技術解決問題。為保障學生有序開展項目化學習，教師要引導學生制訂學習計劃。如在智慧交通工具的項目化學習中，有一個小組制訂了如下學習計劃。（如圖1所示）

圖1

（二）聚焦真實場景，確定所用的人工智能技術

開展以人工智能為核心的跨學科項目化學習時，首先要引領學生聚焦問題或場景，明確人工智能技術應用的主題。如“智慧交通工具”要求能智能識別地形、障礙物、行人，獨立完成前進、轉彎、倒車等任務。人工智能技術就是視覺技術在無人駕駛中的應用。

（三）注重多元學習，了解相關的人工智能技術

任何一種人工智能技術的應用，都需要事先了解它、認識它。為此，我充分運用電腦、網絡、文獻等學習資源，借力《智能機器人》《無人機》《機甲機器人》等課程，讓學生通過多元學習，了解人工智能技術。

1.了解基本概念

了解基本概念能促進學生對相關人工智能技術的學習與應用，為此在以人工智能為核心的跨學科項目化學習中，我特別強調讓學生了解各種智能技術的基本概念。如“智慧交通工具”項目探究中，涉及視覺技術和無人駕駛兩個智能技術，因此我先引導學生利用網絡資源以“無人駕駛”“視覺技術”“傳感器”等關鍵詞搜索相關內容，初步感知其基本概念，并將收集的資料做好摘記、歸類，標注作者、出處等信息，便于以后深度學習理解。

2.清晰工作原理

無人駕駛是讓汽車自身擁有感知環境、規劃路徑，實現車輛自主控制的技術，屬于人工智能。它是利用計算機程序模擬人類智能來完成駕駛交通工具的任務。學生要設計人工智能交通工具必須清晰其工作原理。

例如，在“智慧交通工具”項目探究中，我們先邀請專家作《馬勒電動汽車小講堂》科普知識講座，讓學生了解電動汽車的設計與運行原理，知道設計智能交通工具重點應考慮“視覺技術”，需要運用傳感器辨識汽車所處的環境，并將所獲得的道路、交通信號、車輛位置和障礙物等信息傳導給主控計算機，讓計算機分析與判斷，做出決策并命令車輛行駛、轉向和增減速度等，從而實現無人駕駛。同時還組織學生參觀了汽車博物館，了解感知“視覺技術”包括計算機視覺和機器視覺。其中計算機視覺就是計算機感知、理解和解釋汽車所處環境的相關圖像或視頻數據的過程；機器視覺就是機器（交通工具）獲取、處理和分析圖像數據，以實現自動檢測、排序、計量和控制的過程。

3.了解發展情況

了解發展歷史，有助于學生清晰人工智能技術的意義與價值，從而激發學生的學習與探究的興趣，為設計智慧交通工具奠定基礎。如在“智慧交通工具”項目探究中，我引導學生通過資料收集與整理，探尋無人駕駛的發展歷程，無人駕駛技術是計算機科學、數學、工程學、統計學、人工智能技術等多學科協同發展的結果。

（四）分解項目任務，創造性地解決真實的問題

一個真實問題的解決往往是以多任務、多活動、跨學科為驅動，強調學習過程中的合作，聚焦探究過程中的體驗，因此教師在指導學生開展“以人工智能為核心的跨學科項目化學習”時，要引導學生精準分析探究問題或場景，分解探究任務，形成真實問題解決的探索鏈，通過一個個探究任務，引領學生全身心地投入真實情境中問題的研究和解決之中，創造性地解決真實的問題。

例如，在“智慧交通工具”項目探究中，教師要引導學生將問題分解成：“通過什么傳感器獲取路面信息？獲取的信息如何處理？如何在道路中正確移動？遇到障礙物作何種應對決策？遇到行人等移動物體作何種應對決策？遇紅綠燈如何決策？遇到前方同向移動物體作何種應對決策？”等七個探究任務，通過這些任務的探究，讓智慧交通工具能夠識別地形、障礙物、行人、獨立完成前進、轉彎、倒車、停止等待等任務。

（五）制定實施方案，構建問題解決的思維模型

問題解決往往會有一定的方式方法，因此在項目實施前，我注重引導學生調用已有的知識儲備，靈活運用跨學科知識技能，制定項目實施方案，構建問題解決思維模型。

例如，在“智慧交通工具”項目探究中，有一個小組研究“遇紅綠燈如何處理？”

（1）選擇傳感器：攝像頭傳感器。

（2）設計并安裝傳感器：將傳感器安裝到交通工具上，調整位置至合適。

（3）攝像頭傳感器程序編寫：使用OPENMV-IDE 軟件，對攝像頭取值范圍進行設定，并輸出紅、黃、綠三種顏色值，提供給交通工具主機處理器用于判斷。

（4）主程序編寫：當觀察到信號燈時，車輛停止等待處理決策，若為紅燈或黃燈時，繼續等待，若為綠燈時，執行前行、左轉或右轉等指令通過紅綠燈路口。

（5）測試并調整完善設計方案。

（六）強化模擬演習，確保精準地解決真實問題

有了問題解決的模型，教師就可以引導學生靈活運用人工智能課程習得的新技術，解決實際問題。在問題解決的過程中，強化模擬演習，注重調整、完善，確保問題解決的精準性。

例如，在“智慧交通工具”項目探究中，每個小組圍繞探究問題模擬設計、制作智能小車，在反復的演習中，不斷發現問題，并及時調整、改進，最終使智能小車能自主識別地形、障礙物、行人等，實現小車在無人控制的情形下智能完成前進、轉彎、倒車等行駛動作。

（七）突出過程評價，及時完善和修正學習計劃

在項目化學習中，我們突出過程性評價，聚焦每個階段的特點，設計關鍵評價指標，針對項目探究結果或成果，作出客觀評價。如“視覺技術在無人駕駛中的應用”評估表（見表2）。

表2 “視覺技術在無人駕駛中的應用”評估表

四、成效與創新突破

以人工智能為核心的跨學科項目化學習，不僅能讓學生學習和應用人工智能技術，還能提升學生綜合運用跨學科知識與技能創造性解決真實問題的能力。學生在各級各類青少年人工智能比賽中屢屢獲獎，陽光智能機器人社團屢獲佳績。如“機器人救援和微型迷宮救援”兩個項目獲2024 年RoboCup 青少年世界杯上海選拔賽二、三等獎，有3 個團隊獲WER 2019 世界錦標賽一、二等獎，智能機器人社團參加了2023 年上海市教育博覽會并獲區學校特色發展“品牌”計劃特色品牌項目，有兩位學生獲第三屆長三角青少年人工智能挑戰賽一等獎，共有8名學生獲2021年上海市青少年機器人比賽等第獎……

科技立則民族立，科技強則國家強，我們將一如既往地加強學?？萍冀逃?，打造“人工智能社團”的品牌特色，強化人工智能為核心的跨學科項目化學習，賦能創新人才的培育。