【摘 要】本文以上海交通大學(xué)附屬中學(xué)嘉定分校的人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)施為例，探討人工智能技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱AI技術(shù)）在青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)中的賦能作用。研究發(fā)現(xiàn)，AI技術(shù)通過(guò)提供個(gè)性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)、增強(qiáng)問(wèn)題解決能力、促進(jìn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)和創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)與模擬環(huán)境等方式，顯著提升了學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。本文還提出了在教育中有效整合和應(yīng)用AI技術(shù)的策略，并對(duì)未來(lái)教育模式的創(chuàng)新和發(fā)展提出了思考。

【關(guān)鍵詞】人工智能；科技創(chuàng)新；教育實(shí)踐

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）011-075-02

智能時(shí)代的教育新篇章：AI在青少年創(chuàng)新中的角色

隨著AI技術(shù)的快速發(fā)展，我們正步入一個(gè)由智能驅(qū)動(dòng)的新時(shí)代。AI技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大潛力，并在教育領(lǐng)域扮演著日益重要的角色。隨著《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》和《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的發(fā)布，人工智能教育已經(jīng)成為中小學(xué)教育的重要組成部分?？萍紕?chuàng)新活動(dòng)作為培養(yǎng)青少年創(chuàng)新能力的重要途徑之一，正受益于人工智能技術(shù)的進(jìn)步。

研究指出，AI技術(shù)通過(guò)個(gè)性化學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決能力提升、跨學(xué)科學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境的創(chuàng)造，為青少年科技創(chuàng)新注入新的活力[1]?；诖?，本研究深入探討了AI技術(shù)在培養(yǎng)青少年科技創(chuàng)新能力中的作用，并提出了實(shí)施建議。

構(gòu)筑知識(shí)與實(shí)踐的橋梁：AI課程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)施

學(xué)校的人工智能課程分為普及和高階兩大類，以滿足不同水平學(xué)生的需求。普及課程面向全體學(xué)生，重點(diǎn)集中于AI基礎(chǔ)知識(shí)和技能的普及。在學(xué)生掌握AI技術(shù)的基本應(yīng)用后，通過(guò)社團(tuán)形式招募有興趣的學(xué)生，進(jìn)一步探索AI在科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用。

1.微縮智能世界：AIoT小鎮(zhèn)課程全景解析

在AIoT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)課程中，學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)和制作集成傳感器、執(zhí)行器的沙盤(pán)模型，實(shí)踐數(shù)據(jù)分析、決策支持和自動(dòng)化控制。課程采用“體驗(yàn)—理解—應(yīng)用—?jiǎng)?chuàng)新—反思”五環(huán)節(jié)教學(xué)法，逐步引導(dǎo)學(xué)生深入探索AI與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]。學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作和項(xiàng)目實(shí)踐，將理論知識(shí)應(yīng)用于創(chuàng)新項(xiàng)目，同時(shí)在課程中獲得持續(xù)的評(píng)估和反饋。

2.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室：高階AI項(xiàng)目的探索與實(shí)踐

（1）案例一：“大嘴巴”乒乓球拾取機(jī)器人

針對(duì)乒乓球館中撿球勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款集成AI視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的機(jī)器人。該機(jī)器人利用霍夫變換算法對(duì)乒乓球進(jìn)行精確識(shí)別，并通過(guò)自主導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效拾取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人在深色地面的室內(nèi)乒乓球館對(duì)白色乒乓球的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了96.2%，拾取成功率為88.0%，避障準(zhǔn)確率約為88.5%，拾取三個(gè)鄰近乒乓球的平均時(shí)間為26.8秒，該項(xiàng)目也獲得了第39屆上海市青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)。

（2）案例二：AI繪畫(huà)項(xiàng)目的創(chuàng)意探索

學(xué)生團(tuán)隊(duì)以《山海經(jīng)》為創(chuàng)作藍(lán)本，運(yùn)用AI繪畫(huà)工具將古籍中的異獸形象轉(zhuǎn)化為視覺(jué)圖像。在此過(guò)程中，學(xué)生首先對(duì)文本進(jìn)行深入分析，提取異獸的關(guān)鍵特征，然后通過(guò)訓(xùn)練AI模型，將這些特征轉(zhuǎn)化為具有現(xiàn)代審美的藝術(shù)作品。項(xiàng)目中，AI模型在訓(xùn)練過(guò)程中達(dá)到了90%的精度。

這些項(xiàng)目不僅鍛煉了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，也加深了他們對(duì)AI技術(shù)社會(huì)文化價(jià)值的理解，體現(xiàn)了高階課程在推動(dòng)學(xué)生技術(shù)應(yīng)用和創(chuàng)新思維方面的重要作用。

AI與創(chuàng)新融合：青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)的策略與思考

1.跨越創(chuàng)新的障礙：AI賦能過(guò)程中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

（1）技術(shù)整合的復(fù)雜性

在任何科技創(chuàng)新活動(dòng)中，技術(shù)整合都至關(guān)重要。尤其是在AIoT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)沙盤(pán)模型這類綜合性項(xiàng)目中，將AI技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有效整合，實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)部各系統(tǒng)之間的無(wú)縫協(xié)作，是實(shí)現(xiàn)智能化管理的基礎(chǔ)。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力

AI技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于其處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的能力。在數(shù)據(jù)量激增的現(xiàn)代社會(huì)，無(wú)論是工業(yè)、城市管理還是日常生活，AI技術(shù)都能迅速?gòu)拇罅縿?dòng)態(tài)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取有用信息，據(jù)此作出決策或預(yù)測(cè)。例如，在AIoT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)沙盤(pán)模型中，學(xué)生利用傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)AI分析優(yōu)化交通流量。

（3）創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

AI技術(shù)在培養(yǎng)創(chuàng)新思維方面發(fā)揮著重要作用。首先，它提供了實(shí)驗(yàn)和模擬環(huán)境，讓學(xué)生能夠自由地探索和測(cè)試解決方案。其次，AI技術(shù)提供的個(gè)性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)，能夠根據(jù)每位學(xué)生的興趣和能力定制學(xué)習(xí)路徑，激發(fā)學(xué)生的探索欲和求知欲。案例顯示，學(xué)生在團(tuán)隊(duì)合作中，利用AI技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、智能決策支持、自動(dòng)化控制等實(shí)踐，在這個(gè)更為開(kāi)放和自由的環(huán)境中探索問(wèn)題解決，有助于激發(fā)其創(chuàng)新潛能。

（4）跨學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用

AI技術(shù)的應(yīng)用往往需要跨學(xué)科知識(shí)的支持，這是因?yàn)樵诮鉀Q現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，單一學(xué)科的知識(shí)往往難以涵蓋問(wèn)題的所有方面，還需要對(duì)相關(guān)領(lǐng)域有深入的了解。這種跨學(xué)科的方法不僅推動(dòng)了問(wèn)題全面地解決，也增強(qiáng)了學(xué)生的綜合能力。

2.AI賦能科技創(chuàng)新活動(dòng)的誤區(qū)及應(yīng)對(duì)策略

在AI賦能科技創(chuàng)新活動(dòng)中，學(xué)生可能會(huì)遇到一些常見(jiàn)誤區(qū)，教師需要加以關(guān)注并采取相應(yīng)的對(duì)策。以下是幾個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)及其對(duì)應(yīng)的策略。

（1）誤區(qū)一：過(guò)分依賴技術(shù)自動(dòng)化

在使用AI的過(guò)程中，學(xué)生可能過(guò)分依賴技術(shù)的自動(dòng)化功能，忽略了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)和創(chuàng)新改進(jìn)的必要性，這種依賴可能導(dǎo)致系統(tǒng)在面對(duì)復(fù)雜或變化的環(huán)境時(shí)無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。

策略：應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生參與系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)，通過(guò)定期評(píng)估和反饋機(jī)制，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到自動(dòng)化系統(tǒng)并非一勞永逸，而是需要不斷優(yōu)化和更新。比如即使在高度自動(dòng)化的交通管理系統(tǒng)中，也需要根據(jù)實(shí)時(shí)交通流量、天氣條件等因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（2）誤區(qū)二：技術(shù)應(yīng)用與實(shí)際需求脫節(jié)

學(xué)生在設(shè)計(jì)技術(shù)解決方案時(shí)，可能未能充分考慮實(shí)際需求和限制，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)不切實(shí)際或無(wú)法滿足實(shí)際需求。

策略：讓學(xué)生參與到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，收集用戶反饋，并調(diào)整設(shè)計(jì)方案，確保技術(shù)解決方案能夠滿足實(shí)際需求。例如，在能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以讓學(xué)生實(shí)地考察小鎮(zhèn)的實(shí)際能源消耗情況，并與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医涣?，了解具體的需求和限制并設(shè)計(jì)出更加實(shí)用的解決方案。

（3）誤區(qū)三：缺乏持續(xù)的創(chuàng)新動(dòng)力

在科技創(chuàng)新活動(dòng)的后期階段，學(xué)生可能會(huì)失去持續(xù)改進(jìn)的動(dòng)力，因?yàn)樗麄兛赡苷J(rèn)為基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

策略：通過(guò)引入新的挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生思考如何利用AI技術(shù)提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。例如，可以模擬突發(fā)事件對(duì)小鎮(zhèn)模型的影響，讓學(xué)生思考如何利用AI技術(shù)提高系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)能力和恢復(fù)速度。

（4）誤區(qū)四：忽視倫理和社會(huì)影響

在AI賦能的科技創(chuàng)新活動(dòng)中，學(xué)生可能忽視了技術(shù)應(yīng)用的倫理和社會(huì)影響，導(dǎo)致技術(shù)成果在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)爭(zhēng)議或負(fù)面影響。

策略：通過(guò)引入倫理討論和案例分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到技術(shù)應(yīng)用的倫理和社會(huì)責(zé)任。例如，可以討論自動(dòng)駕駛汽車在道德困境中的決策問(wèn)題，或者AI在就業(yè)市場(chǎng)中的影響。

本研究通過(guò)案例分析，揭示了AI技術(shù)在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能方面的重要作用。面向未來(lái)，教育者、學(xué)者和政策制定者應(yīng)共同探索AI技術(shù)的最優(yōu)教育應(yīng)用，培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)

陳華. 人工智能在個(gè)性化STEM教育中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)教育信息化，2024（2）：91-99.

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