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用AI解决身边的问题
——科技中学项目式学习方案介绍
【摘要】：项目式学习是科技中学科技创新系列课程的核心，我们在AI赋能教育环境下结合深圳学校实际情况在校本课程中长期采用项目式学习的教学方法，以此为抓手将学校的科技创新校本必修课同校本选修课程、训练课程进行整合，采用开放式选题，多学科融合解题的模式。学生通过“发现问题、研究问题、解决问题”等环节和小组合作方式，开展科学考察和研究，既重视对学生必备品格和关键能力的培养，更重视发掘学生的创新精神和探究意识，兼顾学生的社会责任感和团队意识的培养。在评价方式上突出多维化、多元化和多样，有助于学生形成正确的自我成长观和成才观。
1课程体系建设
科技中学是一所以科技创新教育为办学特色的公办初级中学，我们因地制宜自主研发的校本课程《学会创新》，以科技创新为重点内容，九年级每班每周一课时。学生在创新课上学习创新的技能和方法，训练创新的思维和品质，然后，通过综合实践活动，加深理解，培养动手实际操作能力。在此基础上学校还开设了多类别、多方向科技类校本选修课，内容包含：科技发明、科技论文与科技实践活动、科技制作、机器人、编程、无人机操作等，打造AI赋能教育环境下的科技创新课程体系。在这一系列课程中我们采用“七步式”教学方法，以问题作为驱动，启发学生发现问题；以AI作为手段，赋能学生研究问题，解决问题；以评价作为指引，引导学生进步。
图1科技创新课程模型
2教学环境营造
科技中学建有科技创新工作室、机器人工作室、编程工作室、手工制作室、机械制作室、无人机实验室、场地赛车实验室、科技创新成果展览馆等一批科创类教学活动场地，用于学生科技创新活动的开展。并配备有大型激光雕刻机、数控机床、车床、钻铣床、VEX（IQ、EDR）机器人、BDS机器人、乐高机器人、无人机、3D打印机等教学设备，还购置大量科普读物，为科技创新教育活动的开展创造更加良好的条件。
教育中让学生发现问题是培养他们批判性思维、解决问题能力和创造力的关键组成部分，而引导他们去发现并选择“好问题”则是一项重要的任务。我们可以在课堂上帮助学生培养提出好问题和创造作品的能力，具体方法如下：
激发兴趣：首先，了解学生的兴趣，以便能够与他们建立联系。从学生感兴趣的主题或领域开始，能够更容易引导他们提出相关的问题。鼓励他们思考：什么是他们最关心的问题或感兴趣的主题？
提问技巧：教授学生提问的技巧是关键。解释什么是开放性问题，如何提出有关特定主题的问题，以及如何避免过于狭窄或模糊的问题。示范一些示例问题，以帮助他们理解。
创造性思维：鼓励学生进行创造性思维。可以使用启发性的问题或挑战来激发他们的想象力。提问类似于：“如果你可以改变世界的一件事，你会选择什么？为什么？”这种问题可以引导学生提出独特而有创意的问题。
实践项目：将学生置于实际项目中，鼓励他们合作并解决问题。例如，让他们参与科学展览或发明比赛，这样他们可以将问题转化为创造性的解决方案。提供支持和反馈，以帮助他们不断改进。
提供资源：确保学生可以访问各种资源，如图书馆、互联网和专业人士的帮助。这些资源可以帮助他们更深入地研究问题，并找到相关信息。
鼓励坚持：提出好问题和创造有创意的作品通常需要时间和耐心。鼓励学生坚持不懈，不断改进他们的想法和项目，同时也要接受失败和挫折，并从中学习。
最重要的是，要创建一个鼓励学生提出问题、探索想法和创造作品的课堂环境。通过积极的反馈和鼓励，学生将更有动力去追求他们的好问题和创意作品，从而培养了解决问题和创新的能力。
图3《学会创新》课上启发学生发现问题
3项目式学习“七步法”（以学生项目《自巡航垃圾清理机器人》为例）
图4学会创新项目式学习方法示例
教师指导学生通过“发现问题、研究问题、解决问题”等环节学习和小组合作方式，自主开展科学考察和研究，引导学生“带着发现问题的思考去解决问题”，整个项目学习过程分为分组、选题、讨论定题、知识和技术储备、材料准备、设计制作和展示等七个环节（如上图所示）：
例：《自巡航垃圾清理机器人》项目小组由九年级某班三名学生自愿组成，三人讨论决定根据自身兴趣和特长由A同学任组长、B同学任程序员、C同学任工程师。
例：《自巡航垃圾清理机器人》项目小组在教师引导下发现公园草坪内垃圾清理困难的问题，并填写《创意卡》。
例：《自巡航垃圾清理机器人》项目小组通过讨论选出“草坪内垃圾清理困难”的问题作为本组的研究题目进行介绍并回答其他小组提出的相关问题，并结合教师的意见进行完善，最终决定设计制作《自巡航垃圾清理机器人》解决上面的问题。
例：《自巡航垃圾清理机器人》项目小组在教师的指导下根据设计制作《自巡航垃圾清理机器人》需掌握的知识与技能选择参加相关的校本选修课进行学习，组长A同学和工程师C同学选择了科技制作课、程序员B同学选择了编程课。
例：《自巡航垃圾清理机器人》项目小组围绕小组课题《自巡航垃圾清理机器人》在校本选修课上进行项目设计后开始准备制作材料，由学校提供主板、超声波测距模块、电池、电机、轮胎、摄像头等通用部件，学生家长提供部分专用部件。
例：《自巡航垃圾清理机器人》项目小组利用校本选修课、训练课时间在教师的指导下进行《自巡航垃圾清理机器人》的材料切割、焊接、安装、调试，并利用课余时间开展关于项目的相关调研，完成工程笔记和调研笔记。
例：《自巡航垃圾清理机器人》项目小组完成制作后在课堂、班级及一系列科技创新比赛中进行项目作品展示，小组成员对自己的研究学习的过程进行回顾，并对下一步项目作品改进和研究学习提出方案。
图5学生项目案例-设计草图
图6学生项目案例-合作组装部件
其中，优秀作品还会在福田区科技馆、深圳市科学馆，深圳市青少年活动中心，深圳市会展中心等场所进行展示与分享。同时，为了提升项目式学习的专业性，学校还建立了校外科普实践基地——中国科学院深圳先进技术研究院，由专业的导师对学生进行指导，让孩子们实地感受科研实践的魅力，培养孩子们的学术素养、创新思维和实践能力。进一步拓宽学生培养渠道，拓展学生实践空间，共同探索培养未来科技创新人才的新途径。
4评价设计
评价方式上，评价要素的多维化——“用AI解决生活中的问题”项目学生素质的评价内容能更好地诠释新课程评价的理念，评价内容不是单一的，而是多维的，包含对参与项目学生项目的评价、研究报告评价、学习过程评价、收获展示评价、竞赛活动评价等内容，既关注学生知识与技能的理解和掌握，更关注他们情感与态度的形成和发展，关注他们在学习活动中所表现出来的情感和态度，帮助学生认识自我，建立信心。实施多元评价，在现有初中学生综合素质评价的基础上，加入科学基础素养、学习发展能力、科技创新素质、动手动脑能力评价要素二级指标评价维度。具体包括学生的领悟程度和探究能力、思维逻辑性和严谨性、资料获取与掌握能力、表达能力、创造能力、想象能力以及系统分析能力，通过网络电子平台评价、实践评价、建立档案评价来完成。评价的多元化——“用AI解决生活中的问题”项目评价的特殊之处在于拥有著名科创导师和学科教师组成教师组成的教师团队，并在学校微信群上建立专家教师互动平台，保证教师、学生、专家在网络上的沟通联系。项目学生的主体评价包括班主任评价、任课教师评价、年级组评价、导师评价、毕业生导师评价、学生自主评价、学生之间评价、家长评价等。比如项目式学习过程中还实行家长开放日，家长可以进实验室听课对教师和学生进行评价。评价主体的多样化有利于建立完善科学合理的学生互动和评价方式，让更多的有发展潜力的学生参与到项目式学习中来。评价方式的多样化——多元化课程结构体系必然要求多样化的评价方式，打破了以往考试评价主导的局面。采用过程性、发展性评价，全面发展学生的个性特长，对学生进行过程表现、潜能发展的评价，以及论文、实验成果等形式的评价、研究性学习课程则采用课题管理的形式进行过程性评价，要求学生认真选题、认真对待研究过程，并做出一定研究成果；社团活动课程是学生自主设计，自我管理，主要为了培养学生的个性特长，评价形式主要是优秀社团评定，学生的活动表现和展示评价。
评价设计注重过程性评价，质量评价，量化与非量化评价和结合，对学生的成长产生良性的促进，对学生的学习选择有积极正确的导向，对初中学生的科学精神和科技创新素质形成有良好的自我教育功能，从而有助于学生形成正确的自我成长观和成才观。
图7学生项目案例-反复测试
总的来说，项目式学习方案对初中生的教育有诸多益处。它不仅可以激发兴趣，提高学术表现，还可以培养实际问题解决、团队合作和沟通等关键技能，为他们未来的成功打下坚实的基础。这种教育方法不仅关注知识的传授，还注重学生全面素质的发展。
作者简介：
赵晓东，中国青少年科技辅导员协会会员、广东省青少年科技教育协会代表、广东省十佳优秀科技辅导员、深圳市中小学教育信息化专家人才、福田区赵晓东教与学方式转变中学科技创新工作室主持人，现任福田区科技中学副校长、科技创新中心负责人，邮箱576468108@qq.com、电话：13798580805。
李芳，深圳市福田区教育系统特聘博士，2020年毕业于中国科学院大学计算机系统结构专业，现任深圳市福田区科技中学科创中心专职教师。邮箱:lifang061@163.com
附：学生项目案例—《自巡航垃圾清理机器人》研究报告
发现问题：我在家附近的社区公园草坪中经常看到废纸巾、包装袋、空易拉罐等垃圾，虽然工人师傅每天都在清扫，但由于这些不同材质、体积的垃圾掉落在草坪中难以被发现和清理，给清扫工作带来不便。
于是我萌生了发明自巡航垃圾清理机器人的想法，在老师指导下我设计制作了该项目。该项目利用优控430A控制器（PLC）经行整体控制，结合M415B步进电机驱动器控制24V20AH电池驱动两台57J09型电机提供行走动力，11.3V、5200MAH电池为垃圾收集箱内600W、电压11.3的涵道风扇提供动力，利用负压吸收细小垃圾；摄像头配合机械臂抓取较大块垃圾。可在复杂路面上实现自动巡航、垃圾清理及初步分类的新型清洁机械，旨在提高城市清洁工作效率、降低人力成本。
科学方法和原理：
（1）超声波测距：为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向），超声波其实就是声波的一种，因为频率高于20kHz，所以人耳听不见，并且指向性更强。声波遇到障碍物会反射，而声波的速度已知，所以只需要知道发射到接收的时间差，就能轻松计算出测量距离，再结合发射器和接收器的距离，就能算出障碍物的实际距离。
（2）履带行进运动学：本项目安装有环形链带，履带由履带板和履带销等组成。履带销将各履带板连接起来构成履带链环，履带环在与地面接触的一面有加强防滑筋（简称花纹），以提高履带板的坚固性和履带与地面的附着力。
（3）TRIZ发明方法之局部质量原理：局部质量原理是技术系统不均衡进化法则的一种体现，目的是使得系统资源达到最优配置。设计中将清理出的全部垃圾看做一个整体，再将垃圾通过比重实现初步分类。
（4）摄像头感应技术：通过摄像头感应技术配合机械臂实现大块垃圾自动识别清理。
（5）电磁铁、隔网：通过电磁铁和隔网对已回收的垃圾进行自动分类。
项目评价：
（1）全地形行驶，零半径转向，可适应各类路面，包括平地、山坡、沙滩、丛林等；
（2）履带车的差速转向:本清扫机器人左右各两个动力轮，每个动力轮采用独立的电机来驱动，这样就省去了传统的转向传动部件，利用左右车轮的速度差实向拐弯及转向，甚至可以实现原地零半径转向，大大提高了车体的机动性能。
（3）超声波测距实现自动避障和避险:本清理机器人前后的水平方向及车底均安装了超声波测距传感器，机器人行驶过程中实时检测路面状态，如果在前进或后退方向上检测到有障碍物靠近，就会自动改变方向，避免与障碍物相撞。如果发现车底到路面的距离突然变化超过一定幅度，如落差超过车身高度，就判断到车体行驶到了悬崖边缘，就立即向相反方向运动，从而避免车体坠落。
（4）根据垃圾的比重实现初步的分类:路面的常见垃圾一般有树叶、纸片、塑料、织物，以及石块、玻璃、金属小物件等。先根据这些垃圾的比重实现分别清扫分类，安装双功率吸尘装置，小功率吸尘器安装在车头，首先吸入轻质垃圾，如树叶、纸张、塑料等，大功率吸尘器在车尾吸入重质垃圾，如石块、金属、玻璃等。这样不同的垃圾收集到不同的垃圾袋中，并通过电磁铁和隔网对已回收的垃圾进行自动分类，为后续处理提供了方便。
（5）遥控或自动巡扫路面，可自动避障，设定路线自动巡扫；
（6）发送路面清扫实时视频，方便远程操作。
收获体会：
经过自己大半年的努力，在老师的帮助下，我终于完成了自己的发明项目。在这段时间里我学会了调查分析、工程设计、硬件加工和基础电路等许多知识，也得到了很多锻炼。我的发明在实际应用中，真正实现了自巡航清理垃圾和垃圾分类，即美化环境又节省了人力。感谢在我项目研究工程中给予我们指导和帮助的辅导老师、工程师和同学们，感谢你们在科技创新的道路上指引我不断进步，我会继续努力的！
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