AI -STEAM教學實例

資料來源
60-06
文/張玉山、翁子涵

 壹、AI-STEAM的意涵


人工智慧(Artificial Intelligence, AI)是機器模仿人類智慧進行思考與動作,發展快速,也深深地影響人們的產業與生活(Schwendicke, Samek , & Krois, 2020; Haefner, Wincent, Parida, & Gassmann, 2021; Wamba, Bawack, Guthrie, Queiroz, & Carillo, 2021)。很多文獻及研究也指出,AI提升人們在設計、製造、決策管理、甚至醫療的技術與品質,也正在劇烈地改變人們的生活(Zhang, Raina, Cagan, & McComb, 2021; Klaus & Zaichkowsky, 2021)。因此,AI教育已經成為先進國家努力的重點(Hsu, Abelson, Lao, Tseng, & Lin, 2021)。

正因為AI發展迅速,面對嶄新的學習內容,傳統學習已經不夠(Albay & Eisma, 2021),更需要跨領域的STEAM教學來促進學習力、跨域力、 實踐力、及創造力,或是關鍵5C(Communication, Collaboration, Complex problem solving, Critical thinking, and Creativity)的能力,如圖1。根據歐盟STEAM教師學院、澳洲Brocklesby Public School、美國康乃狄克大學、紐西蘭教育部數位學習社群(Te Kete Ipurangi, TKI)、加拿大Calgary大學(University of Calgary)等共同的定義,STEAM就是引導學生利用S.T.E.A.M.來進行探究、統整、及批判思考的教育方法(Te Kete Ipurangi, 2021; University of Calgary, 2021)。配合新課綱核心素養與素養導向的觀念,STEAM就是引導學生利用STEAM來進行的教育方法體驗探究、設計思考、及創意創新。STEAM的產出就是學習力、跨域力、實踐力、及創造力(張玉山,2020)。

在教與學的運作中,以生活情境為背景,進行AI體驗、AI探究、與AI設計創新之流程,達到知識探究與知識應用,也達到STEAM知識與AI的整合,如圖2及圖3。本文就根據「AI體驗、AI探究、與AI設計創新」的程序,進行AI-STEAM教學設計,進行教學,並針對教學成果提出省思與建議。


圖1. STEAM的金字塔
資料來源: STEAM Education. (2018)



圖2. 科學STEAM與科技STEAM的整合


圖3. STEAM 的設計與探究多重迴圈

 貳、AI_STEAM的教學設計

一、教學簡介
本教學結合耳熟能詳的童話,以三隻小豬蓋房子抵抗大野狼的故事為主軸,融入了AI的元素後電梯可以透過鏡頭的辨識,將不同顏色的材料送給不同樓層的小豬,協助小豬們完成屬於自己的房子。透過實際操作體驗,引導學生思考電梯是如何在「無人操控」的情況下自行升降。而實作部分結合外觀組裝與積木化的程式控制,學生除了能了解人工智慧相關知識內容、AI鏡頭的使用方式外,也可學習到此裝置機構與結構上的設計,以及如何編程控制兩顆伺服馬達,並在課程最後讓學生以小組為單位發想人工智慧其他可行的創新設計進行發表。如此結合了新興科技與有趣的故事情節,使學生更願意去了解AI在生活中的應用。

二、教學活動設計
本文根據體驗、探究、設計創新之流程,將AI電梯三隻小豬的STEAM 教學活動編寫如下。教學對象為國小六年級學生,教學時間為7週,每週1節課,總計7節課。國小每節40分鐘,8節課共320分鐘。


 ※教學活動內容及實施方式※


§第一節課——體驗、探究與解釋 

【引起動機】10分鐘

1.讓學生體驗老師所做成品,並請學生試著分享電梯能根據不同顏色材料而自行上升至不同樓層的原因(圖4)。


圖4. 課程簡報引起動機

2.藉由成品向學生說明電梯自行升降的原理是透過AI鏡頭進行辨識,並結合程式控制伺服馬達(圖5)。


圖5. 課程簡報電梯原理介紹


【發展活動】20分鐘

1.工智慧冷知識大挑戰(圖6)。
題目1:第一個對外開放的無人商店是?
題目2:第一個擁有公民身份的人工智慧叫什麼名字呢?


圖6. 課程簡報人工智慧冷知識大挑戰

2.開放回答:你想要用AI做些什麼呢?

3.探討人工智慧

(1)請學生發表一下對人工智慧的認知解釋。

(2)進一步介紹人工智慧(弱人工智慧?強人工智慧?)

(3)人工智慧的發展與近況(圖7)。


圖7. 課程簡報人工智慧介紹


【總結活動】10分鐘

1.透過學習單統整本節上課內容(圖8)。


圖8.課程學習單——體驗。

2.收回學習單,整理教室,桌椅歸位。


§第二節課——AI模組基本操作

【準備活動】5分鐘

1.說明當天活動內容。

2.複習何謂人工智慧。


【發展活動】25分鐘

1.Pixetto AI鏡頭介紹。

2.Pixetto軟體介面介紹與基本模組操作:顏色辨識、形狀辨識(圖9)。


圖9.課程簡報軟體介面操作

3.示範Pixetto機器學習神經網路設定(圖10)。


圖10.課程簡報機器學習操作


【總結活動】10分鐘

1.收回Pixetto鏡頭。

2.整理教室,桌椅歸位。


§第三節課——外觀組裝1

【準備活動】5分鐘

1.發下學習單與小組材料。

2.介紹需要使用到的工具(圖11)。


圖11. 課程簡報材料工具使用


【發展活動】25分鐘

1.再次展示三隻小豬電梯成品並結合學習單並設定Pixetto(圖12)。

(1)運用到Pixetto什麼模組?

(2)運用到幾顆馬達?各用途為何?


圖12. 課程學習單——探究

2.課程講述

(1)介紹UNO板與Sensor Shield感測器擴展板。

(2)介紹數位訊號與類比訊號。

3. 學生組裝大圓盤(圖13)。


圖13.課程簡報電梯圓盤組裝


【總結活動】10分鐘

1.抽問學生工具的使用技巧及注意事項。

2.收回學習單、半成品(貼上小組標籤)。

3.收拾用具,整理教室。


§第四節課——外觀組裝2

【準備活動】5分鐘

1.發下半成品。

2.說明工具的擺放位置、使用規定,並再次提醒注意事項。


【發展活動】30分鐘

1.Arduino板與電梯組裝以及底座組裝(圖14)。


圖14.課程簡報電梯箱體組裝

2.組裝電梯並結合本體(圖15)。


圖15.課程簡報電梯組裝結合本體。

3.注意學生的操作情形,從旁協助。


【總結活動】5分鐘

1.收回半成品(貼上小組標籤)。

2.收拾用具,整理教室。


§第五節課——外觀組裝3、接線與伺服馬達歸零

【準備活動】5分鐘

1.發下半成品與學習單。

2.說明工具的擺放位置、使用規定,並再次提醒注意事項。


【發展活動】25分鐘

1.組裝電梯頂部與擺臂(圖16)。


圖16.課程簡報電梯擺臂組裝

2.進行接線(圖17)。


圖17.課程簡報擴展版與鏡頭接線

3.arduiblocky使用介紹與模組程式邏輯。

4.學生編程控制馬達歸零。


【總結活動】10分鐘

1.收回學習單、半成品(貼上小組標籤)。

2.收拾用具,整理教室。


§第六節課——外觀組裝4與編程控制1

【準備活動】5分鐘

1.發下半成品。

2.說明工具的擺放位置、使用規定,並再次提醒注意事項。


【發展活動】30分鐘

1.組裝剩餘物件。

2.arduiblockly操作及引導程式撰寫(圖18)。


圖18. 課程簡報引導編程


【總結活動】5分鐘

1.半成品(貼上小組標籤)。

2.收拾用具,整理教室。


§第七節課——編程控制2、測試修正與彩繪設計

【準備活動】5分鐘

1.發下半成品與學習單。

2.說明本節將進行的測試修正與實驗。


【發展活動】30分鐘

1.arduiblockly 操作及引導程式撰寫、除錯。

2.配合學習單,透過回答問題進行編程重點內容複習(圖19)。


圖19. 課程學習單內容複習

3.配合學習單,思考可以結合AI鏡頭的創新設計(圖20)。


圖20. 課程學習單——設計創新

4.配合學習單,透過STEAM概念圖進行知識統整(圖21)。


圖21. 課程學習單——STEAM知識統整


【總結活動】5分鐘

1.收回完成品(貼上小組標籤)。

2.交代功課:完成學習單設計創新內的問題,並於下節上課時上台分享。

3.收拾用具,整理教室。


§第八節課——創新設計與發表

【準備活動】5分鐘

1.請學生完成學習單並準備上台發表。

2.複習前幾週的課程內容,協助學生回想所學相關內容。


【發展活動】30分鐘

1.引導學生上台分享自己的作品,並說明設計概念。

2.引導學生分享在本次教學活動中遇到的困難與解決方案。


【總結活動】5分鐘

1.收回學習單。

2.總結8週課程內容。

3.整理教室。


 參、教學成果與省思


本文根據體驗、探究、設計創新之流程,設計AI電梯三隻小豬教學活動,並於110年1月在宜蘭縣三星國中結合原住民文化之人工智慧研習中對國小學生進行實地教學。成果及發現如下:

1.學員以小組為單位進行實作,並於連續的課程中保持高度專注:學員在7小時研習中緊跟教學進度,並為了確保做到最好而自行組內分工合作,各司其職。實作完成品如圖22。


圖22. 學員實作完成品

2.學員能自行發揮創意,蒐集資料進行彩繪:雖然研習時間緊湊,但學員仍透過教師對原住民的相關知識介紹與引導,依照不同原住民族群衣物上的特徵進行外觀上的設計,完成電梯各樓層之特色原住民(圖23)。


圖23. 學員蒐集資料彩繪原住民

3.學員能在課程結尾整合過程中所學跨領域知識:學員能透過概念圖,將自己曾學過的科學、科技、數學、藝術人文等知識整理出來,達到統整的效果(圖24)。


圖24. 學員繪製之STEAM概念圖


本文根據體驗、探究、設計創新之流程,設計AI電梯三隻小豬活動並實際教學,雖然因時間限制將8週的課程濃縮為7小時的內容,但仍可發現學員的學習成果有達成預設目標,倘若時間充分,應給予學員適當的時間進行討論與設計創新,激盪彼此想法,並請學員實際紀錄且加以分享討論,讓學員的學習過程更加完善,是本次教學活動有待改進的地方。
 

 參考文獻
張玉山(2020)。「跨域力、創造力、實踐力、學習力」打造科技素養人才。

Albay, E. M., & Eisma, D. E. (2021). Performance Task Assessment Supported by the Design Thinking Process: Results from a True Experimental Research. Social Sciences & Humanities Open, 3(1), 110116.

Haefner, N., Wincent, J. et.al (2021). Artificial intelligence and innovation management: A review, framework, and research agenda. Technological Forecasting and Social Change, 162, 120392.

Hsu, T. C., Abelson, H., Lao, N. et.al (2021). Behavioral-pattern exploration and development of an instructional tool for young children to learn AI. Computers and Education: Artificial Intelligence, 2, 100012.

Klaus, P., & Zaichkowsky, J. L. (2021). The convenience of shopping via voice AI: Introducing AIDM. Journal of Retailing and Consumer Services. 102490.

Schwendicke, F., Samek , W., & Krois, J. (2020). Artificial intelligence in dentistry: Chances and challenges. Journal of Dental Research, 99(7), 769-774.

Te Kete Ipurangi. (2021). STEM/STEAM. Retrieved June 22, 2021

University of Calgary. (2021). Education - STEM & STEAM Education. Retrieved June 22, 2021

Wamba, S. F., Bawack, R. E. et.al (2021). Are we preparing for a good AI society? A bibliometric review and research agenda. Technological Forecasting and Social Change, 164, 120482.

Zhang, G., Raina, A. et.al (2021). A cautionary tale about the impact of AI on human design teams. Design Studies, 72.



張玉山
臺灣師範大學科技應用與人力資源發展系教授
翁子涵
臺灣師範大學科技應用與人力資源發展系研究生