在跨学科建设中塑造steam教育课程

为促进学校组织、家长参与、社会支持的“三位一体”协同育人落地生根，引领家校共育由简单参与走向深度合作，成为学校教育的有益补充和有机延伸，营造了青少年儿童健康快乐的成长环境，助力家校共育发展攀上新高度。格物斯坦表示：中小学人工智能教育是实施全民智能教育的基石，具有普适性、基础性。人工智能教育是中小学技术类课程标准中的重要内容，而标准中人工智能知识的 STEAM 教育逻辑如表 1 所示。表 1 显示，中小学技术类课程标准的基础理念体现了 STEAM 教育的知识融合、项目情景和人文思考等特征，在此基础上形成了基于 STEAM 教育的人工智能认知路径：小学阶段培养人工智能教育的认知基础→初中阶段灵活运用开源工具开展学习实践→高中阶段深入技术原理的背后了解智能观念和产品思维。

在知识学习方面，中小学阶段的人工智能教育没有涉及数学推导、算法设计、芯片电路等专业知识，而是更多地以定性的方式强调原理，倾向于应用能力的培养，可见中小学人工智能教育的育人目标不是培育专业技能，而是面向素养教。少儿机器人教育当前，学习人工智能知识的平台或教材并不少，但成系统的人工智能知识框架却十分缺乏。虽然不同阶段的学生具有不同的认知基础，但都应遵循一个基本的认知逻辑：高中信息技术教材多以相对成熟的抽象级原理或经典的逻辑级算法构建单元，而在低学段不宜过早深入逻辑级算法，以确保基础教育学科的鲁棒性、普适性。由此，本研究推导出义务教育段学习人工智能知识的路径：从体验粗粒度的产品增强经验刺激或技术逻辑入手，然后进入工具级基础知识或抽象级原理的学习，最后逐步尝试运用应用级的开源框架开发产品级项目。少儿机器人学习班照此路径形成的中小学人工智能教育的知识结构符合中小学技术类学科蕴含的 STEAM 教育逻辑，且其智能原理对粗粒度和细粒度知识的兼容性更好。基于此，本研究将抽象级知识作为知识树的根节点，有利于学生在此基础上建立知识框架，形成易于再生的认知基础。

人工智能跨学科的知识结构，为 STEAM 教育提供了丰富的融合素材，项目目标和知识内容构建融合的知识空间：①转变单一学科视角，形成“人工智能知识主线”+“多领域知识基础”的知识集合；依照知识主线预设总目标与子目标，确定智能原理框架，选定核心算法，形成“输入—黑匣子—输出”的实证逻辑；③依据学生已有的知识经验，从多领域配比相关知识辅助理解，形成融会贯通的知识地图。stem项目课程例如，日本中小学将人工智能与现有课程深度融合，并将人工智能基础知识分解到数学等课程中学习——实际上，并非只有理科教学才会涉及人工智能知识，美术、音乐等课程的教学实践同样会涉及，而多学科融合便形成了人工智能教育环境。

人工智能产生于真实的问题、探究于具体的项目、应用于现实的情景。基于此，STEAM 教育的项目化导向要求：创设真实、有挑战、有趣的情景，学生与情景产生互动，在“做中学”中培育发现问题、建模分解和推演论证等认知习惯，形成解决问题和终身学习的能力；stem课程设计依据学生身体发展、认知发展和心理发展选择实践工具，适度封装知识细节，帮助学生了解技术结构、实践技术原理与建构技术概念，实现从产生、探究到应用的人工智能学习过程。例如，人工智能教育行动，stem教育理念是什么？围绕学生的不同认知阶段将算法打包成不同项目，针对搜索算法，学生从幼儿园到高中通过学习决策、搭建专家系统、搜索最短距离和绘制对弈搜索树等逐步深入。我国也有很多的相关实践，如北京海淀区课程从体验技术、创设项目再回落到智能原理，通过调用 API 等学习图像识别、语音识别等原理。

人工智能技术的发展需要输入感知，经过决策处理，输出技术模型。基于此，STEAM 教育的教学活动和评价方式重在激活人本的思维空间：STEAM 教育通过设计多阶目标、多方协作、多元评价，建立起“关注人、对话人、塑造人”的思维环境，从人文视域理解技术原理与价值；学生在协作过程中激发认知冲突、完善知识结构、提升综合素养，创客stem教育并表达个体真实的情感态度；评价覆盖认知过程，以引导价值观念、促进开放思考、调整认知策略为目的。而在我国，从认知发展的角度设计小学、初中、高中人工智能课程，虽然各学段的内容侧重点不同，但都以创设作品的方式结课，目的就是让学生通过动手实践培养人工智能思维。

“机器会思考吗”一课以机器学习中“有监督学习”分类的智能原理为认知主线，与学生已学的数学、生物等知识融合，建立认知基础，激发学生主动思考、逐一解惑。stem专业课程如学生通过上网获知两种鸢尾花的特征差异，对相关材料进行勘误，并以科学性为原则融合学科知识；进行数据的可视化处理时，削弱多维向量的概念，选择学生熟悉的二维平面，以减轻认知成负担；引入条件反射、函数映射和黑匣子等概念，帮助学生实现从生物、数学到技术的认知衔接。

综上所述，我国中小学人工智能教育尚处于探索阶段，而教学实践证明 STEAM 教育为人工智能教育提供了相对成熟的范式，人工智能课程则有利于学生发展多学科素养。基于此，本研究从融合视角、项目视点和人文视域三个维度，构建了基于 STEAM 教育的中小学人工智能教育模式。此模式在“机器会思考吗”一课中进行了应用，结果显示：学生能理解机器的智能之处，并能有意识地联系多学科知识解释现象。但是，在代码知识与人工智能知识的平衡、对于人工智能知识的长线学习等方面还有待跟踪研究。为此，后续研究将进一步深化基于 STEAM 教育与中小学人工智能教育的融合，在课程标准、知识结构、实践平台等方面为基于 STEAM 教育的中小学人工智能教育模式的应用提供更多支持，以完善我国中小学人工智能教育体系。