用AI解決身邊的問題
——科技中學項目式學習方案介紹
趙曉東 李芳
（深圳市福田區紅嶺科技中學 廣東 深圳 518000）
【摘要】：項目式學習是科技中學科技創新系列課程的核心，我們在AI賦能教育環境下結合深圳學校實際情況在校本課程中長期采用項目式學習的教學方法，以此為抓手將學校的科技創新校本必修課同校本選修課程、訓練課程進行整合，采用開放式選題，多學科融合解題的模式。學生通過“發現問題、研究問題、解決問題”等環節和小組合作方式，開展科學考察和研究，既重視對學生必備品格和關鍵能力的培養，更重視發掘學生的創新精神和探究意識，兼顧學生的社會責任感和團隊意識的培養。在評價方式上突出多維化、多元化和多樣，有助于學生形成正確的自我成長觀和成才觀。
關鍵詞：AI賦能教育 項目式學習 科技創新
1課程體系建設
科技中學是一所以科技創新教育為辦學特色的公辦初級中學，我們因地制宜自主研發的校本課程《學會創新》，以科技創新為重點內容，九年級每班每周一課時。學生在創新課上學習創新的技能和方法，訓練創新的思維和品質，然后，通過綜合實踐活動，加深理解，培養動手實際操作能力。在此基礎上學校還開設了多類別、多方向科技類校本選修課，內容包含：科技發明、科技論文與科技實踐活動、科技制作、機器人、編程、無人機操作等，打造AI賦能教育環境下的科技創新課程體系。在這一系列課程中我們采用“七步式”教學方法，以問題作為驅動，啟發學生發現問題；以AI作為手段，賦能學生研究問題，解決問題；以評價作為指引，引導學生進步。
圖1科技創新課程模型
2教學環境營造
科技中學建有科技創新工作室、機器人工作室、編程工作室、手工制作室、機械制作室、無人機實驗室、場地賽車實驗室、科技創新成果展覽館等一批科創類教學活動場地，用于學生科技創新活動的開展。并配備有大型激光雕刻機、數控機床、車床、鉆銑床、VEX（IQ、EDR）機器人、BDS機器人、樂高機器人、無人機、3D打印機等教學設備，還購置大量科普讀物，為科技創新教育活動的開展創造更加良好的條件。
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2功能室示例圖
教育中讓學生發現問題是培養他們批判性思維、解決問題能力和創造力的關鍵組成部分，而引導他們去發現并選擇“好問題”則是一項重要的任務。我們可以在課堂上幫助學生培養提出好問題和創造作品的能力，具體方法如下：
激發興趣：首先，了解學生的興趣，以便能夠與他們建立聯系。從學生感興趣的主題或領域開始，能夠更容易引導他們提出相關的問題。鼓勵他們思考：什么是他們最關心的問題或感興趣的主題？
提問技巧：教授學生提問的技巧是關鍵。解釋什么是開放性問題，如何提出有關特定主題的問題，以及如何避免過于狹窄或模糊的問題。示范一些示例問題，以幫助他們理解。
創造性思維：鼓勵學生進行創造性思維。可以使用啟發性的問題或挑戰來激發他們的想象力。提問類似于：“如果你可以改變世界的一件事，你會選擇什么？為什么？”這種問題可以引導學生提出獨特而有創意的問題。
實踐項目：將學生置于實際項目中，鼓勵他們合作并解決問題。例如，讓他們參與科學展覽或發明比賽，這樣他們可以將問題轉化為創造性的解決方案。提供支持和反饋，以幫助他們不斷改進。
提供資源：確保學生可以訪問各種資源，如圖書館、互聯網和專業人士的幫助。這些資源可以幫助他們更深入地研究問題，并找到相關信息。
鼓勵堅持：提出好問題和創造有創意的作品通常需要時間和耐心。鼓勵學生堅持不懈，不斷改進他們的想法和項目，同時也要接受失敗和挫折，并從中學習。
最重要的是，要創建一個鼓勵學生提出問題、探索想法和創造作品的課堂環境。通過積極的反饋和鼓勵，學生將更有動力去追求他們的好問題和創意作品，從而培養了解決問題和創新的能力。
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圖3《學會創新》課上啟發學生發現問題
3項目式學習“七步法”（以學生項目《自巡航垃圾清理機器人》為例）
圖4學會創新項目式學習方法示例
教師指導學生通過“發現問題、研究問題、解決問題”等環節學習和小組合作方式，自主開展科學考察和研究，引導學生“帶著發現問題的思考去解決問題”，整個項目學習過程分為分組、選題、討論定題、知識和技術儲備、材料準備、設計制作和展示等七個環節（如上圖所示）：
分組：采取分組合作的方式，學生根據興趣愛好和能力特長進行自愿分組，每組三人。每組設組長一名負責項目的整體方案制定和項目演示；程序員一名負責項目程序編寫和工程筆記記錄；工程師一名負責項目硬件制作及后期維護。該環節培養學生興趣愛好，發現自身能力，在團隊不同角色中尋找自身價值。
例：《自巡航垃圾清理機器人》項目小組由九年級某班三名學生自愿組成，三人討論決定根據自身興趣和特長由A同學任組長、B同學任程序員、C同學任工程師。
選題：采取講授法、啟發法、觀察法，教師首先從科學的角度提出什么樣的問題是“好問題”，“如何去發現問題”，引導學生理解“好問題”的特點，主動發現“好問題”，并提出發現“好問題”有哪些方法和途徑”。學生每天將發現的問題記錄在工程筆記中，并利用周末進行相關社會調查，在課上根據平時記錄來選擇自己認為好問題，并填寫《創意卡》。該環節根據初中生問題分析認知能力較弱特點，重點培養學生發現問題、運用科學方法等方面能力。
例：《自巡航垃圾清理機器人》項目小組在教師引導下發現公園草坪內垃圾清理困難的問題，并填寫《創意卡》。
討論定題：采取分組討論和綜合討論，每小組選出代表上臺展示本小組發現的一個或多個問題，并介紹解決相關問題的途徑和技術手段，其他小組對該問題進行討論并提出質疑，該小組代表和成員進行答辯。根據采取分組討論和綜合討論的結果，綜合本組、他組和教師的意見確定項目題目，選取解決問題的技術手段。該環節根據初中生問題分析能力較弱、團隊意識較差等特點，重點培養學生問題分析、團隊合作和語言表達等方面能力。
例：《自巡航垃圾清理機器人》項目小組通過討論選出“草坪內垃圾清理困難”的問題作為本組的研究題目進行介紹并回答其他小組提出的相關問題，并結合教師的意見進行完善，最終決定設計制作《自巡航垃圾清理機器人》解決上面的問題。
知識和技術儲備：每組學生根據項目題目和成員分工結合學校科技創新校本課程宣講，自主選擇校本選修課程學習相關知識和技術，并自主學習研究項目相關知識，如：小組組長多選擇創新發明、科技論文和DI創意設計校本課，小組程序員多選擇編程和機器人校本課，小組工程師多選擇科技制作和校本課，每人每天將學到的相關知識記錄到工程筆記中。該環節針對初中生自主學習能力弱，知識技能儲備較弱等特點，重點培養學生自主學習能力，并掌握科技論文、編程、機器人等方面的知識和技能。
例：《自巡航垃圾清理機器人》項目小組在教師的指導下根據設計制作《自巡航垃圾清理機器人》需掌握的知識與技能選擇參加相關的校本選修課進行學習，組長A同學和工程師C同學選擇了科技制作課、程序員B同學選擇了編程課。
材料準備：學生根據本組項目技術要求，自主選擇由學校提供材料和設備，或通過網絡自主采購特殊材料和零件，過程中由導師和家長協助指導。該環節針對初中生自主性差的特點，重點培養學生自主意識。
例：《自巡航垃圾清理機器人》項目小組圍繞小組課題《自巡航垃圾清理機器人》在校本選修課上進行項目設計后開始準備制作材料，由學校提供主板、超聲波測距模塊、電池、電機、輪胎、攝像頭等通用部件，學生家長提供部分專用部件。
設計制作：學生按照本組項目技術要求，通過之前選取或采購的材料，選用合適的設備進行項目設計和制作，并利用假期進行相關社會調查和實踐活動，不斷改進項目。過程中由導師和學科教師提供技術指導、安全操作規范并參與社會調查和實踐活動。該環節針對初中生動手能力差、安全意識弱的特點，重點培養學生動手能力和安全意識。
例：《自巡航垃圾清理機器人》項目小組利用校本選修課、訓練課時間在教師的指導下進行《自巡航垃圾清理機器人》的材料切割、焊接、安裝、調試，并利用課余時間開展關于項目的相關調研，完成工程筆記和調研筆記。
展示：學生完成本組項目后，分別在課上、班級、學校校本課程成果展示活動、科技類競賽等場合進行項目展示，組內每位成員按照分工進行學習成果展示、小組合作進行項目路演。該環節根據初中生問題分析能力較弱、團隊意識較差等特點，重點培養學生自信心，團隊合作和綜合表達等方面能力。
例：《自巡航垃圾清理機器人》項目小組完成制作后在課堂、班級及一系列科技創新比賽中進行項目作品展示，小組成員對自己的研究學習的過程進行回顧，并對下一步項目作品改進和研究學習提出方案。
圖5學生項目案例-設計草圖
圖6學生項目案例-合作組裝部件
其中，優秀作品還會在福田區科技館、深圳市科學館，深圳市青少年活動中心，深圳市會展中心等場所進行展示與分享。同時，為了提升項目式學習的專業性，學校還建立了校外科普實踐基地——中國科學院深圳先進技術研究院，由專業的導師對學生進行指導，讓孩子們實地感受科研實踐的魅力，培養孩子們的學術素養、創新思維和實踐能力。進一步拓寬學生培養渠道，拓展學生實踐空間，共同探索培養未來科技創新人才的新途徑。
4評價設計
評價方式上，評價要素的多維化——“用AI解決生活中的問題”項目學生素質的評價內容能更好地詮釋新課程評價的理念，評價內容不是單一的，而是多維的，包含對參與項目學生項目的評價、研究報告評價、學習過程評價、收獲展示評價、競賽活動評價等內容，既關注學生知識與技能的理解和掌握，更關注他們情感與態度的形成和發展，關注他們在學習活動中所表現出來的情感和態度，幫助學生認識自我，建立信心。實施多元評價，在現有初中學生綜合素質評價的基礎上，加入科學基礎素養、學習發展能力、科技創新素質、動手動腦能力評價要素二級指標評價維度。具體包括學生的領悟程度和探究能力、思維邏輯性和嚴謹性、資料獲取與掌握能力、表達能力、創造能力、想象能力以及系統分析能力，通過網絡電子平臺評價、實踐評價、建立檔案評價來完成。評價的多元化——“用AI解決生活中的問題”項目評價的特殊之處在于擁有著名科創導師和學科教師組成教師組成的教師團隊，并在學校微信群上建立專家教師互動平臺，保證教師、學生、專家在網絡上的溝通聯系。項目學生的主體評價包括班主任評價、任課教師評價、年級組評價、導師評價、畢業生導師評價、學生自主評價、學生之間評價、家長評價等。比如項目式學習過程中還實行家長開放日，家長可以進實驗室聽課對教師和學生進行評價。評價主體的多樣化有利于建立完善科學合理的學生互動和評價方式，讓更多的有發展潛力的學生參與到項目式學習中來。評價方式的多樣化——多元化課程結構體系必然要求多樣化的評價方式，打破了以往考試評價主導的局面。采用過程性、發展性評價，全面發展學生的個性特長，對學生進行過程表現、潛能發展的評價，以及論文、實驗成果等形式的評價、研究性學習課程則采用課題管理的形式進行過程性評價，要求學生認真選題、認真對待研究過程，并做出一定研究成果；社團活動課程是學生自主設計，自我管理，主要為了培養學生的個性特長，評價形式主要是優秀社團評定，學生的活動表現和展示評價。
評價設計注重過程性評價，質量評價，量化與非量化評價和結合，對學生的成長產生良性的促進，對學生的學習選擇有積極正確的導向，對初中學生的科學精神和科技創新素質形成有良好的自我教育功能，從而有助于學生形成正確的自我成長觀和成才觀。
圖7學生項目案例-反復測試
圖8參加競賽活動也是評價方式之一
總的來說，項目式學習方案對初中生的教育有諸多益處。它不僅可以激發興趣，提高學術表現，還可以培養實際問題解決、團隊合作和溝通等關鍵技能，為他們未來的成功打下堅實的基礎。這種教育方法不僅關注知識的傳授，還注重學生全面素質的發展。
作者簡介：
趙曉東，中國青少年科技輔導員協會會員、廣東省青少年科技教育協會代表、廣東省十佳優秀科技輔導員、深圳市中小學教育信息化專家人才、福田區趙曉東教與學方式轉變中學科技創新工作室主持人，現任福田區科技中學副校長、科技創新中心負責人，郵箱576468108@qq.com、電話：13798580805。
李芳，深圳市福田區教育系統特聘博士，2020年畢業于中國科學院大學計算機系統結構專業，現任深圳市福田區科技中學科創中心專職教師。郵箱:lifang061@163.com
附：學生項目案例—《自巡航垃圾清理機器人》研究報告
發現問題：我在家附近的社區公園草坪中經常看到廢紙巾、包裝袋、空易拉罐等垃圾，雖然工人師傅每天都在清掃，但由于這些不同材質、體積的垃圾掉落在草坪中難以被發現和清理，給清掃工作帶來不便。
于是我萌生了發明自巡航垃圾清理機器人的想法，在老師指導下我設計制作了該項目。該項目利用優控430A控制器（PLC）經行整體控制，結合M415B步進電機驅動器控制24V20AH電池驅動兩臺57J09型電機提供行走動力，11.3V、5200MAH電池為垃圾收集箱內600W、電壓11.3的涵道風扇提供動力，利用負壓吸收細小垃圾；攝像頭配合機械臂抓取較大塊垃圾。可在復雜路面上實現自動巡航、垃圾清理及初步分類的新型清潔機械，旨在提高城市清潔工作效率、降低人力成本。
科學方法和原理：
（1）超聲波測距：為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向），超聲波其實就是聲波的一種，因為頻率高于20kHz，所以人耳聽不見，并且指向性更強。聲波遇到障礙物會反射，而聲波的速度已知，所以只需要知道發射到接收的時間差，就能輕松計算出測量距離，再結合發射器和接收器的距離，就能算出障礙物的實際距離。
（2）履帶行進運動學：本項目安裝有環形鏈帶，履帶由履帶板和履帶銷等組成。履帶銷將各履帶板連接起來構成履帶鏈環，履帶環在與地面接觸的一面有加強防滑筋（簡稱花紋），以提高履帶板的堅固性和履帶與地面的附著力。
（3）TRIZ發明方法之局部質量原理：局部質量原理是技術系統不均衡進化法則的一種體現，目的是使得系統資源達到最優配置。設計中將清理出的全部垃圾看做一個整體，再將垃圾通過比重實現初步分類。
（4）攝像頭感應技術：通過攝像頭感應技術配合機械臂實現大塊垃圾自動識別清理。
（5）電磁鐵、隔網：通過電磁鐵和隔網對已回收的垃圾進行自動分類。
項目評價：
（1）全地形行駛，零半徑轉向，可適應各類路面，包括平地、山坡、沙灘、叢林等；
（2）履帶車的差速轉向:本清掃機器人左右各兩個動力輪，每個動力輪采用獨立的電機來驅動，這樣就省去了傳統的轉向傳動部件，利用左右車輪的速度差實向拐彎及轉向，甚至可以實現原地零半徑轉向，大大提高了車體的機動性能。
（3）超聲波測距實現自動避障和避險:本清理機器人前后的水平方向及車底均安裝了超聲波測距傳感器，機器人行駛過程中實時檢測路面狀態，如果在前進或后退方向上檢測到有障礙物靠近，就會自動改變方向，避免與障礙物相撞。如果發現車底到路面的距離突然變化超過一定幅度，如落差超過車身高度，就判斷到車體行駛到了懸崖邊緣，就立即向相反方向運動，從而避免車體墜落。
（4）根據垃圾的比重實現初步的分類:路面的常見垃圾一般有樹葉、紙片、塑料、織物，以及石塊、玻璃、金屬小物件等。先根據這些垃圾的比重實現分別清掃分類，安裝雙功率吸塵裝置，小功率吸塵器安裝在車頭，首先吸入輕質垃圾，如樹葉、紙張、塑料等，大功率吸塵器在車尾吸入重質垃圾，如石塊、金屬、玻璃等。這樣不同的垃圾收集到不同的垃圾袋中，并通過電磁鐵和隔網對已回收的垃圾進行自動分類，為后續處理提供了方便。
（5）遙控或自動巡掃路面，可自動避障，設定路線自動巡掃；
（6）發送路面清掃實時視頻，方便遠程操作。
收獲體會：
經過自己大半年的努力，在老師的幫助下，我終于完成了自己的發明項目。在這段時間里我學會了調查分析、工程設計、硬件加工和基礎電路等許多知識，也得到了很多鍛煉。我的發明在實際應用中，真正實現了自巡航清理垃圾和垃圾分類，即美化環境又節省了人力。感謝在我項目研究工程中給予我們指導和幫助的輔導老師、工程師和同學們，感謝你們在科技創新的道路上指引我不斷進步，我會繼續努力的！