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面向工程思维培养的初中人工智能拓展课教学设计与实践

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面向工程思维培养的初中人工智能拓展课教学设计与实践

作者：宋玉洁华东师范大学

学位级别：硕士

发展人工智能教育、培养人工智能人才已经成为世界趋势,2021年我国发布了《中小学人工智能课程标准》,将中小学人工智能课程定位为具有综合性、实践性和发展性的课程,强调以解决实际问题的方式开展人工智能教育,培养学生对智能技术的使... 详细信息

发展人工智能教育、培养人工智能人才已经成为世界趋势,2021年我国发布了《中小学人工智能课程标准》,将中小学人工智能课程定位为具有综合性、实践性和发展性的课程,强调以解决实际问题的方式开展人工智能教育,培养学生对智能技术的使用能力、反思能力以及创新设计能力。工程思维是一种帮助学生解决实际问题的高阶思维,培养工程思维有助于提高学生思维的逻辑性、系统性以及创新性等特质。本研究从我国工程教育和人工智能教育现实需求出发,将工程思维的培养与人工智能教学相结合,在基于现实问题的工程活动中带领学生学习人工智能知识,培养工程思维习惯。本研究从以下几个方面展开:首先,梳理了我国中小学工程思维培养现状以及人工智能教育教学现状,总结了教学研究的主要需求,分析了工程思维和人工智能教育结合的重要性与契合点。接着,本研究参考国外中小学工程思维培养教学模型,结合人工智能工作流程,构建了面向工程思维培养的初中人工智能拓展课教学模型。该教学模型分为活动前、活动中和活动后三个阶段,教学活动从构建现实问题背景出发,以工程筹划、工程设计、工程实施、工程评价以及迭代与再创造五个环节为核心开展工程活动,在工程活动后组织学生讨论自己的作品在实际应用中将如何解决问题,总结知识技能和经验,并引导学生将课堂中的学习内容迁移应用到现实生活,反思和理解技术对社会的多种影响。依据该教学模型,本研究参考现有人工智能试点课程,设计了由浅入深包含计算机视觉、自然语言处理、机器学习算法三个分支领域的初中人工智能拓展课教学案例。为探究教学模型有效性,本研究在上海市S学校开展为期一学期的人工智能拓展课,实施教学案例。最后,通过对实验组和对照组学习活动、工程活动作品的记录和分析,得到了教学模型的实施对学生工程思维水平、工程效能感、学习效果以及综合能力等方面的影响。经实验验证,本研究发现面向工程思维培养的初中人工智能拓展课的教学模型:1)能够在一定程度上提高学生的工程思维能力,同时可以促进学生反思能力和创新设计能力的发展;2)有助于提高学生的工程效能感;3)有助于提高学生的学习效果和合作交流能力。

关键词：工程思维人工智能教育初中教学模型

面向工程思维培养的STEM行动学习模式研究

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面向工程思维培养的STEM行动学习模式研究

作者：伊欣南昌大学

学位级别：硕士

随着世界各国的人才培养策略的改变及我国“双减”政策的落实,我国的教育模式由“知识教育”转为“素质教育”。在教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准(2017)》中首次涉及工程教育方面的相关要求,让学生体验工程设计带来的乐趣,并... 详细信息

随着世界各国的人才培养策略的改变及我国“双减”政策的落实,我国的教育模式由“知识教育”转为“素质教育”。在教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准(2017)》中首次涉及工程教育方面的相关要求,让学生体验工程设计带来的乐趣,并在此过程中得到素养提升。由此可见,用工程思维的方式解决复杂问题已成为有效培养创新型人才的途径之一。本研究以STEM教育理念为导向,以基础教育阶段六年级学生为研究对象,采用基于设计的研究方法,借鉴设计型学习(DBL)、工程设计的理论模型,对教学模型进行初步构建,在该教学模型的指导下设计系统性课程,并以此展开教学实践。通过受众反馈和课堂观察,反复修改、迭代优化教学模型,构建一种能够指导教师实践的、较为稳定的教学模式,旨在为基础教育中的STEM课程设计提供一定的理论依据,为现阶段我国工程思维培养的途径提供一些参考。本研究主要谈论的是“在教学中如何做”的问题,围绕“如何将知识学习和动手操作有机结合开展STEM教育以培养学生的工程思维?”这一主要问题,笔者提出了三个子问题:第一,基于行动学习理论的STEM教学如何实施?第二,STEM行动学习模式对于工程思维培养的成效如何?第三,根据活动实施后的数据收集和分析结果,如何对教学活动模型进行优化和改进?具体来说,本研究主要从三个方面进行:第一,基于STEM教育,结合工程思维培养现状及行动学习理论提出STEM行动学习模型。本研究通过文献分析法,界定工程思维及行动学习的构成要素,参考工程设计的一般流程,结合基础教育阶段工程思维培养的现状,提出教学模式原型。第二,在教学实施中反思、调整、改进教学模型,得到有效且可靠的教学模型。笔者进入泉州市某小学,在相关学科的工作人员和老师协助下,利用教学模型设计并实施三轮教学,并结合受众反馈和课堂观察,反复修改、迭代优化教学模型。第三,评估教学模式的实施效果。本研究从教学设计、学生工程思维发展的效果分析及学生对教学模式认可度分析中考察了教学模式的实施效果,最终得出行动学习教学模式是培养小学生工程思维的有效模式的结论。本文最重要的研究成果是通过设计研究构建了可行有效的面向工程思维培养的STEM行动学习模式。该教学模式包括四个阶段,四个阶段中又包括了十一个环节:识别问题、基础研究、创新构想环节(工程决策阶段);分析想法、分解任务环节(工程设计阶段);搭建模型、测试完善、优化迭代环节(工程实施阶段);交流讨论、质疑反思、知识拓展环节(工程评价阶段)。其中,将克罗多纳双循环模型中“需要了解什么”以及“需要做什么”的思想融入学生对于微型课程体系的使用中,以行动及行动后产生疑问的驱动力进行学习。通过教学设计、学生工程思维发展的效果分析及学生对教学模式的认可度分析表明,STEM行动学习模式不仅能促进学生知识学习和动手操作有机结合,而且能够提升学生的工程思维水平。除此之外,该模式能够促进学生在实践、反思、协作和表达等方面能力的提升,是培养小学生工程思维的有效模式。

关键词：工程思维行动学习模式 STEM教学模式

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工程思维导向的“结构力学”教学方法与实践

教育教学论坛 2021年第50期 133-136页

作者：管青海付涛周燕薛江山东建筑大学交通工程学院山东济南250101 天津城建大学土木工程学院天津300384

为适应新工科培养目标,提升学生力学素养,提高学生的结构创新和工程实践能力,针对"结构力学"传统教学课程内容缺乏时代特征、教学互动性及多样性等诸多问题,对"结构力学"课程的教学方法进行探讨。在有条件的基础上进行工程现场授课,形... 详细信息

为适应新工科培养目标,提升学生力学素养,提高学生的结构创新和工程实践能力,针对"结构力学"传统教学课程内容缺乏时代特征、教学互动性及多样性等诸多问题,对"结构力学"课程的教学方法进行探讨。在有条件的基础上进行工程现场授课,形成与课堂授课互补的"第二课堂";增加课上工程结构电算内容,组织课下工程结构竞赛活动;建立互联网知识共享平台,方便学生在线学习和师生及时沟通。教学结果表明,工程思维导向的教学设计,可以使学生建立结构力学概念的工程思维能力和发展工程思维直觉,并为后续专业课的学习打下坚实基础。

关键词：结构力学工程思维教学设计结构电算

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新工科课程体系中的工程设计思维

高等工程教育研究 2021年第1期69卷 39-43,55页

作者：郭永春西南交通大学地球科学与环境工程学院

工程思维和设计思维是新工科建设活动中的基本思维。通过对人才培养课程体系、专业知识结构体系、专业课程和跨学科课程等新工科建设活动中设计特征分析,提出在新工科课程体系建设中应重视工程思维和设计思维的融合,即"工程设计思维",... 详细信息

工程思维和设计思维是新工科建设活动中的基本思维。通过对人才培养课程体系、专业知识结构体系、专业课程和跨学科课程等新工科建设活动中设计特征分析,提出在新工科课程体系建设中应重视工程思维和设计思维的融合,即"工程设计思维",体现新工科课程体系的创新性、系统性和实践性;在新工科课程教学活动中应重视对学习者工程设计思维的培养,学会用系统思考的方式,创新性的解决具体工程问题。

关键词：工程设计工程思维设计思维课程体系新工科

小学机器人课程中促进工程思维发展的教学设计与应用

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小学机器人课程中促进工程思维发展的教学设计与应用

作者：王丽哲上海师范大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,机器人教育应运而生,学生在学习机器人技术的过程中对不同领域的知识进行综合应用可以发展21世纪人才所需要的核心能力;同时进入21世纪后,各国对人才培养的需求从注重知识的掌握转向为注重能力以及思维方式的培养,工程... 详细信息

随着科技的发展,机器人教育应运而生,学生在学习机器人技术的过程中对不同领域的知识进行综合应用可以发展21世纪人才所需要的核心能力;同时进入21世纪后,各国对人才培养的需求从注重知识的掌握转向为注重能力以及思维方式的培养,工程思维作为一种高阶思维,逐渐受到重视,在小学教育阶段实施工程教育,让学生体验完整的工程活动,能够有效激发学生对工程研究的兴趣;将机器人课程作为培养学生工程思维的载体,对小学机器人课程进行教学设计,不仅可以为小学机器人课程的教学设计提供一定参考,丰富其教育价值,也可以拓宽在小学阶段促进学生工程思维的发展的思路和途径。本研究通过对机器人教育的内涵,工程思维的内涵、特征及构成要素的分析,选择了CDIO教学模式,克罗多纳双循环模型以及工程设计过程作为设计机器人教学流程的依据,结合机器人课程的教学特点从构思阶段、设计阶段、实施阶段以及运行阶段对机器人课程中师生活动进行了详细的论述;对上海市S小学的14名学习者的情况进行了大致了解,确定了教学内容、教学工具以及三个教学评价工具,依据教学流程对所确定的教学内容进行教学设计后,通过三轮行动研究来验证在小学机器人课程中促进工程思维发展教学的设计是否有效。通过对学生的课堂观察以及量化数据的分析得出,学生工程作品的完成度以及完成水平在不断地上升,工程思维各构成要素的得分也有一定提高,学生在动手操作能力、问题解决能力等方面也有一定的提升;进而得出本研究的结论:小学机器人课程是培养学生工程思维的良好载体,工程思维的融入可以帮助小学机器人课程的教学进行更合理的设计;并总结出一些在小学机器人课程中促进工程思维发展需要注意的教学策略:（1）课程导入需要基于生活情景;（2）为学生提供充足且灵活的学习工具;（3）学生展示时,给予积极反馈;（4）提供工程任务单,帮助学生了解完成工程任务的步骤,养成工程思维习惯。

关键词：机器人课程工程思维教学设计

工程思维视角下高校通识教育课程的设计与研究

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教育探索 2020年第4期 44-47页

作者：顾容熊海燕李晖浙江工业大学教育科学与技术学院杭州310023

我国已进入"工业4.0"时代,高校毕业生都应具备一定的工程思维能力,包括批判性思维、创造性思维、系统性思维、计算思维和设计思维。当前,本科生工程思维的培养模式在培养对象、内容、载体、评价方式等方面有所欠缺。针对这些问题,以OBE... 详细信息

我国已进入"工业4.0"时代,高校毕业生都应具备一定的工程思维能力,包括批判性思维、创造性思维、系统性思维、计算思维和设计思维。当前,本科生工程思维的培养模式在培养对象、内容、载体、评价方式等方面有所欠缺。针对这些问题,以OBE成果导向为指导理念,以3D打印趣味设计项目为载体,以解决工程问题的流程为主线,结合五种工程思维养成的不同机理,开发设计一门工程教育通识课程,以培养学生五种工程思维能力。

关键词：工程思维通识教育课程设计

发展工程思维的初中化学项目式学习——生活中水的净化与检验

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化学教与学 2023年第21期 7-12页

作者：魏军常州市新北区奔牛初级中学江苏常州213131

以“生活中水的净化与检验”为主题,通过完成“水处理的方式”“初中实验室水质检验”“净水器的制作”“净水器的评价”四个子项目,巩固过滤、蒸馏、消毒等水处理的一般方法。设计项目式长程作业。参观、走访常州市相关实验室,在老师... 详细信息

以“生活中水的净化与检验”为主题,通过完成“水处理的方式”“初中实验室水质检验”“净水器的制作”“净水器的评价”四个子项目,巩固过滤、蒸馏、消毒等水处理的一般方法。设计项目式长程作业。参观、走访常州市相关实验室,在老师的指导下,采用小组合作的方式完成简单、趣味、安全、易行的项目实验。通过“生活中水的检测与净化”这个项目任务,提高学生的学科素养与工程思维。

关键词：工程思维初中化学项目式学习水处理