课题申报范本：4666-人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究

人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究

1、问题的提出、课题界定、国内外研究现状述评、选题意义与研究价值。 1.1 问题的提出

现代社会已经步入经济全球化、政治多极化的时代，全球可持续发展在高速发展的社会已经成为迫切的需求。社会文化的多样化使得对教育的要求也随之提高，所以为实现全民可持续发展教育，一种不限制于单个学科的体系、在讲授知识时实现跨学科的融合并能鼓励学生在实际生活中跨学科地去解决问题的高质量的教育方式是社会所期望实现的，也是当前教育改革和世界教育创新发展顺应时代的前进方向。而信息数字化社会中，人工智能无处不在，融入到教育、交通、金融等改革发展的万花筒中。在科技的进步与社会需求的共同促进下，从小学课堂到百年高等学府，人工智能教育已遍地开花。 1.2 课题界定 STEAM（科学、技术、工程、艺术及数学）教育方式满足社会对可持续发展教育的需求，提倡基于跨学科的方法讲授科学、技术、工程、艺术和数学方面的知识，使学生能更快的适应迅速变化的社会生活和掌握持续更新的专业知识。STEAM课程是STEAM教育方式在现实中的一种具体应用，STEAM课程提供从创意到创造、从学涯规划到进阶名校的教育解决方案，适用对象为国内3-18岁的学生。人工智能有关技术的发展有效地促进了其与教育领域的融合和共同发展以及应用的创新。人工智能技术有助于提高教师教学和学生学习的效率并能给学生提供好的教学体验，也可以使得教育资源得以均衡分配，为中小学生教育活动提供了极大的技术支持。所以人工智能相关技术会驱动STEAM课程取得突破式发展，故本课题旨在研究人工智能背景下中小学STEAM课程。 1.3 国内外研究现状述评 （1）国外研究现状

美国学术力竞争委员会对STEAM教育在教师专业化方面等制定了要求。美国麻省理工学院、南加大等海外知名校对人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究得出了丰硕的成果，许多中小学已经建立了STEAM课程实验室，在环境支持下，部分学校基于本校特色开创了STEAM教育课程，如《趣味机器人》《全息影像》等。 （2）国内研究现状

从我国的人工智能教育相关课程实践来看，国内目前开设的人工智能课程比较单一，还没有形成一套完善的体系，涉及的层面也比较简单。学校内多开展的还是STEAM创新教育，专门的编程等教学还是以课外培训机构提供为主。结合点比较分散而且很多相关产品还在试验阶段，但也有部分产品已经投入到应用中。 1.4 选题意义

人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究用以塑造21世纪信息时代所需的创新、批判性思维。我们以往关注的重点是教育和培训课程的内容，目前正在转而注重对于所学知识的承认，评估和认证。本课题致力于研究并实践将零碎知识变成具有内在联系的统一整体和项目驱动的跨学科教育。 1.5 研究价值

人工智能背景下的中小学STEAM课程将培养一批真正可以为学生开蒙而不是灌输的老师，并将自主研发一套将中国孩子培养成世界公民、有实力参与国际竞争的课程体系。调动学生的自主学习热情，建立学习自信，培养敏锐的观察力和提出问题的能力，激发学生的创意与灵感，促进学生、教师、培训机构、高校的互动，使学生的创新实践活动与社会生活紧密关联。

2、课题理论依据、研究目标、研究内容、研究假设、创新之处。

2.1 课题理论依据

STEAM教育：是由美国政府主导的一项教育计划，旨在打破学科界限，通过对学科知识的综合应用解决实际问题，同时培养综合性人才。其几乎囊括了与科学、技术、工程、艺术及数学相关的所有领域，甚至与心理学、经济学、社会学和政治学相关，是一个偏理工科的多学科交融领域。

人工智能：是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以设想，未来人工智能带来的科技产品，将会是人类智慧的“容器”。 2.2 研究目标

本课题旨在让人工智能融入中小学课堂，推助国民科学创新素质，为国家的人工智能发展培育种子力量，以培养学生科学兴趣出发，通过互联网让更多中小学生能学到人工智能课程。推动新技术与教育发展有机融合，实行线上与线下结合的混合式研修，支持部分学校引入人工智能教学实验，推动教师主动适应信息技术变革。 本课题的最终目的不是课堂教学内容与教学模式的变革，而是创新型人才的培养。促进学生、教师、培训机构、高校的互动，使学生的创新实践活动与社会生活紧密关联。不仅要培养学生的人工智能创新能力，更主要是教学生们如何应对未来的人工智能社会，并将自主研发一套有助于将中国孩子培养成世界公民、有实力参与国际竞争的课程体系。 2.3 研究内容 （1）校企多方合作的STEAM教育模式。对当下人工智能背景下中小学STEAM课程实践的现状进行研究和分析，将合作高校实验室的相关人工智能项目成果进行整合，联合高校技术人员和社会培训机构把具体项目简化成不同学段中小学生可以接受的课程，在此基础上结合每一门课程的特征、教学前景、学生接受程度等方面总结出人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究的有效策略。

（2）建设具体人工智能项目相关课程体系。整理我国现有的优秀课程，结合具体的人工智能项目，根据我国各学段学生的不同状况，明确各学段学生的学习目标定位，制定有利于进行线性的、持续性的目标定位和导向，建设针对性的课程体系。针对在当下在中小学开设STEAM课程实践缺乏顶层设计，开课时间比较少且类型单一的问题以及特殊案例进行收集和整理，并进行分类，在此基础上找出如何有效打造高效中小学STEAM课程实践的策略。 （3）多学科融会贯通的STEAM实例课程。在课程设置上既要有全面的基础科学知识，又要有与人工智能工程项目相适应的人文艺术素养，还要有足够的实践技能和经验。因此，以工程、技术类课程为基础，整合科学、数学与艺术等相关课程的知识内容，有效提升学生的综合实践与创新应用能力，并有效弥补我国基础教育领域工程与技术教育的短板。 2.4 研究假设

本课题主要基于下面的研究假设：第一，当前人工智能下中小学STEAM课程体系不完善，无法保障学生可以系统的接受相关教育，课程体系亟待建立；第二，不同学段学生学习水平不同，STEAM课程体系建构的需求也存在差异；第三，建构机制对人工智能下中小学STEAM课程体系的完善起着关键性作用，而当前建构机制尚未形成；第四，学校、政府、高校和教育培训机构需要协调关系、协同作用，共建人工智能下中小学STEAM课程体系。 2.5 创新之处

当前我国经济社会发展正处于转型阶段，创新驱动发展已成为新的国家战略。科技创新的关键在于创新人才，而创新人才培养的关键在于创新教育。本课题注重抓逻辑思维课程和科学教育，提升学生综合素养，培养学生们的科技创新兴趣，人工智能教育在中小学普及的主要作用是培养孩子的思维能力和培养兴趣，其课程形式有创新型编程教学，从最开始的C

语言演变到今天的图形化编程，课程内容更能激发孩子的学习兴趣，这让孩子们更易对未来所处的环境有感性的认知。

3、研究思路、研究方法、技术路线、实施步骤。 3.1 研究思路

为了建设完善的人工智能下中小学STEAM教育课程体系，本课题研究首先将对人工智能背景下中小学STEAM课程教学的现状进行研究，找出STEAM课程进去中小学教育过程中容易出现的问题，研究和分析并找出问题背后的原因；其次，整合高校实验室的人工智能项目，联合高培训机构把具体项目简化成不同学段中小学生可以接受的课程；第三，在部分中小学校建立试点教学，建立相关实验室让学生亲身实践；最后在全社会推广该课程体系，并不断完善。 3.2 研究方法

（1）案例研究法：对已进行的人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究的案例真实记录，并对出现的问题进行分析研究，找出产生问题的根源，进而探索出适合人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究的教学方法和策略。

（2）文献研究法：课题研究过程中，查阅国内外有关人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践，与课堂知识融合的相关文献资料，对人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究的相关研究进行分析和整理，以便进行论文撰写工作。

（3）行动研究法：在搜集、整理的相关理论指导下，展开人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究的探索，通过进行反复论证，从而得出有效的研究结果。

（4）经验总结法：通过认识规律总结经验，寻找新方法，定期总结课题研究中的心得体验与经验，并以教育理论和教育实践为支撑不断提高课题研究的应用价值。 3.3 技术路线

前期调研——初步研究课题——课题论证——课题纲要——课题计划——试点实践——反思调适——收集资料——分析总结——构建体系——应用推广 3.4 实施步骤

1、召开课题组会议，搜集目前国内外关于人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究的相关资料，根据课题研究的目标及具体内容，设计相关的教学活动方案，展开人工智能背景下中小学STEAM课程的理论与实践研究的尝试。结合中国、湖北省教育状况，将STREAM体系在湖北省进行本土化，形成具有当地特色的STREAM体系。

2、设计具体基于项目、活动及问题的学习情境。利用高校已有的实验室项目，例如基于人工智能的学生课堂学习行为分析项目，其对教室中的图像进行人头检测，并对学生进行学习状态分析；基于深度学习的图像风格转换项目，其通过指定风格图片，将原始图像输入构成的神经网络来实现风格转换。这些项目成果可激发中小学生的学习热情，达到良好的教学效果，也有利于推广设计与建模、人工智能与机器人技术等等一系列实践工作在学生心中的地位。

3、设计相关课程，构建实验室。具体课程内容包括python等基础编程语言、3D打印、Scratch语言、机器人设计与制作、机器学习等。为了满足不同年级学生以及不同项目的需求，应提高对实验室设计的要求。除了计算机设备外，实验室还需要具备操作台、工具摆放区、3D 打印设备、激光切割机、焊接工具等。为学生提供丰富的资源、工具和设施，指导他们设计并制作作品，培养学生的创新思维、创新能力和协作能力。

4、在部分合作中小学首先建立试点课程。课题组成员组织相关的实验活动并做好观察记录，及时做出反思并对有问题的环节进行调整；在固定的教研时间进行课题组成员的讨论、交流、分析与总结；根据取得的阶段性成果撰写中期研究报告。