基于腦機接口技術(shù)的智能家具設(shè)計——初中信息科技跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)

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文_馮祖揚1 陳夢雅2

（1.杭州市濱江區(qū)教育研究院；2. 杭州市余杭區(qū)南湖實驗學(xué)校）

Part.1

項目簡介

本項目依托杭州市高新區(qū)（濱江）“科教大聯(lián)盟”區(qū)域協(xié)同育人平臺開展實踐，由曼安智能科技有限公司提供技術(shù)、設(shè)備資源與專業(yè)工程師指導(dǎo)，是“校企協(xié)同、科教融匯”理念在初中跨學(xué)科教學(xué)中的落地實踐。項目面向7年級學(xué)生，以6E教學(xué)模式為設(shè)計框架，圍繞“基于腦機接口技術(shù)的智能家具設(shè)計”主題開展為期12周的教學(xué)實踐。教學(xué)以“如何利用腦機接口技術(shù)幫助殘障人士打造便利舒適的生活環(huán)境”為驅(qū)動性問題，整合信息科技“傳感器與無線通信技術(shù)的應(yīng)用”及科學(xué)“神經(jīng)系統(tǒng)與反射弧的功能”兩大核心概念，引導(dǎo)學(xué)生通過引入、探究、解釋、工程、深化、評價6個遞進式環(huán)節(jié)完成智能家具的設(shè)計與探究。項目旨在通過結(jié)構(gòu)化的項目式學(xué)習(xí)，推動學(xué)生對跨學(xué)科核心概念的整合性理解，發(fā)展其系統(tǒng)思維與創(chuàng)新思維，提升復(fù)雜問題解決、工程方案設(shè)計與學(xué)術(shù)交流表達素養(yǎng)。

Part.2

項目實施

本項目基于6E教學(xué)模式設(shè)計遞進式的實施流程，學(xué)習(xí)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 “基于腦機接口技術(shù)的智能家具設(shè)計”項目式學(xué)習(xí)內(nèi)容

01

“引入”環(huán)節(jié)

學(xué)生以小組為單位走訪殘障人士之家，通過實地觀察、面對面溝通的方式，記錄殘障人士獨自居家生活中的各類不便之處，梳理核心生活痛點（見圖2）。在此基礎(chǔ)上，各小組篩選出可借助腦機接口與智能家具技術(shù)解決的具體問題，明確設(shè)計方向，并結(jié)合殘障人士的實際需求，初步構(gòu)思智能家具的功能雛形與問題解決思路。該環(huán)節(jié)將驅(qū)動性問題錨定于真實社會情境，讓學(xué)生在調(diào)研中發(fā)展觀察、溝通與問題界定能力，同時感受技術(shù)服務(wù)于人的價值取向，為后續(xù)設(shè)計奠定需求基礎(chǔ)。

圖2 學(xué)生針對殘障人士居家場景開展設(shè)計需求調(diào)研

02

“探究”環(huán)節(jié)

在明確設(shè)計問題后，學(xué)生通過教師講解、查閱資料和小組研討及企業(yè)工程師專題指導(dǎo)（見圖3），系統(tǒng)學(xué)習(xí)人體神經(jīng)系統(tǒng)“控制—反饋”機制、腦機接口基礎(chǔ)工作原理，以及智能家居中傳感器與執(zhí)行器的核心技術(shù)知識。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生結(jié)合調(diào)研獲得的實際需求，分析各類技術(shù)在智能家具設(shè)計中的應(yīng)用可行性，搭建“需求—技術(shù)”對應(yīng)邏輯。該環(huán)節(jié)旨在推動學(xué)生建立科學(xué)概念與信息技術(shù)概念之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)從“知識習(xí)得”到“應(yīng)用分析”的過渡，為后續(xù)方案設(shè)計奠定跨學(xué)科理論支撐。

圖3 學(xué)生走進曼安智能科技有限公司與工程師交流

03

“解釋”環(huán)節(jié)

各小組以“方案闡釋會”形式，結(jié)合調(diào)研照片、需求表格與功能草圖，依次向全班展示本組的設(shè)計思路。首先闡述調(diào)研發(fā)現(xiàn)的核心痛點，再結(jié)合腦機接口利用大腦信號進行設(shè)備控制的原理，說明智能家具的功能設(shè)計、技術(shù)實現(xiàn)邏輯與人文關(guān)懷點。例如，某小組闡釋道：“我們設(shè)計的腦控臺燈，靈感來自殘障人士之家的實地調(diào)研。走訪中我們了解到，唐氏綜合征群體常出現(xiàn)入睡后忘記關(guān)燈的情況。針對這一真實問題，我們通過腦機接口采集用戶腦電信號，經(jīng)信號處理模塊轉(zhuǎn)化為開燈、關(guān)燈、調(diào)亮、調(diào)暗的設(shè)備控制指令，傳遞給臺燈執(zhí)行器完成相應(yīng)操作，無需肢體動作即可實現(xiàn)燈光的智能控制，為特殊群體提供更適配的居家生活解決方案。”闡釋結(jié)束后，其他小組、教師與企業(yè)工程師針對方案的技術(shù)可行性、功能實用性、場景適配性等方面進行提問與討論，各組認真記錄反饋建議，會后結(jié)合跨學(xué)科知識重新梳理方案邏輯，修正技術(shù)漏洞與功能缺陷，完成第一輪方案優(yōu)化，為動手制作做好充分準備。該環(huán)節(jié)通過設(shè)計方案闡釋與互評互議，促使學(xué)生在表達中深化對腦機接口技術(shù)原理的理解，在質(zhì)疑與回應(yīng)中發(fā)展邏輯論證與批判性思維，使方案在多元視角的碰撞中更具嚴謹性與人文關(guān)懷。

04

“工程”環(huán)節(jié)

學(xué)生以小組為單位，依據(jù)優(yōu)化后的方案與產(chǎn)品草圖，在企業(yè)工程師與教師的指導(dǎo)下，開展腦機接口相關(guān)智能家居的動手制作，全程參與“組裝—調(diào)試—測試—修正”完整工程流程。首先，各組領(lǐng)取腦機接口基礎(chǔ)套件（含腦電采集電極、信號處理模塊、無線傳輸模塊）、智能家具組件（如臺燈底座、LED燈、電源等）及輔助工具，依次完成物理組裝、軟件調(diào)試、場景測試。教師與企業(yè)工程師全程巡回指導(dǎo)，針對實操難題引導(dǎo)學(xué)生主動思考解決方案，例如針對信號不穩(wěn)定的問題，指導(dǎo)學(xué)生調(diào)整電極佩戴位置、優(yōu)化信號參數(shù)。最后，引導(dǎo)各組制作產(chǎn)品宣傳海報，將問題背景、產(chǎn)品功能、制作過程、用戶畫像及使用場景等核心內(nèi)容融入可視化設(shè)計，直觀呈現(xiàn)動手制作成果。該環(huán)節(jié)將抽象方案轉(zhuǎn)化為具象的腦機產(chǎn)品，讓學(xué)生在動手實踐中熟練掌握腦機接口設(shè)備的操作與組裝技巧，鍛煉數(shù)字工具應(yīng)用、工程實踐、創(chuàng)意設(shè)計與小組協(xié)作能力，同時通過反復(fù)測試與修正，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)墓こ趟季S和問題解決能力，為后續(xù)成果宣講與優(yōu)化奠定堅實基礎(chǔ)。

05

“深化”環(huán)節(jié)

教師提出拓展任務(wù)：當前設(shè)計只針對某一類殘障人士，如何讓它適配更多類型殘障人士的需求？腦機接口技術(shù)還能在哪些場景中幫助特殊人群？聯(lián)合曼安智能科技有限公司提供腦機接口在智能康復(fù)、養(yǎng)老護理等領(lǐng)域的真實案例與技術(shù)資料，引導(dǎo)各組針對現(xiàn)有方案進行普適性優(yōu)化，暢想技術(shù)迭代與場景拓展思路，將設(shè)計邏輯遷移到更多智能生活場景中。該環(huán)節(jié)旨在突破單一設(shè)計情境的局限，推動學(xué)生在遷移應(yīng)用中深化對跨學(xué)科概念的理解，發(fā)展持續(xù)創(chuàng)新意識，并在更大的社會視野中強化“科技向善”的價值認知。

06

“評價”環(huán)節(jié)

在學(xué)校科創(chuàng)展廳舉辦“智慧生活設(shè)計展”。學(xué)生以產(chǎn)品設(shè)計師身份，面向師生與家長現(xiàn)場演示親手制作的腦機智能家具實物產(chǎn)品，并同步呈現(xiàn)調(diào)研資料、設(shè)計方案、制作過程記錄、宣傳海報及未來設(shè)想，重點闡述產(chǎn)品的人文關(guān)懷理念與技術(shù)創(chuàng)新邏輯。通過功能演示，讓觀眾直觀感受腦機接口技術(shù)的實際應(yīng)用效果（見圖4）。宣講結(jié)束后，采用多元主體、多維度的評價方式，由教師與學(xué)生共同圍繞項目過程表現(xiàn)進行評分，同時對學(xué)生的跨學(xué)科概念掌握情況進行檢測。各組根據(jù)多方評價反饋進一步完善設(shè)計成果報告，形成完整的項目閉環(huán)。該環(huán)節(jié)以公開宣講形式發(fā)展學(xué)生的學(xué)術(shù)交流能力與成果表達能力，以過程性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的方式全面檢驗知識理解與能力發(fā)展，并通過反饋驅(qū)動的方案促使學(xué)生在反思中實現(xiàn)認知深化與自我提升。

圖4 學(xué)生現(xiàn)場演示制作的腦電智能家具產(chǎn)品

Part.3

項目評價

01

項目學(xué)習(xí)表現(xiàn)

在跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)表現(xiàn)評價中，研究參考了PBLWorks提出的高質(zhì)量項目作品評價框架，從問題解決與創(chuàng)新、學(xué)科準確性、設(shè)計合理性、成果完成度與交流表達5個維度構(gòu)建跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)表現(xiàn)評價量表（見表1）。該5個維度分別指向項目目標中跨學(xué)科問題解決與創(chuàng)新思維的發(fā)展、科學(xué)與技術(shù)核心概念的整合性理解、工程方案的系統(tǒng)設(shè)計能力、項目成果呈現(xiàn)的完整性，以及學(xué)術(shù)交流表達素養(yǎng)。統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，學(xué)生在5個維度上均表現(xiàn)良好。

02

概念理解水平

跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)的核心在于引導(dǎo)學(xué)生運用跨學(xué)科概念解決真實問題，而扎實的學(xué)科核心概念理解是開展有效探究與問題解決的重要基礎(chǔ)。為此，本研究對學(xué)生概念理解水平進行了前后測。研究參考特里格斯特（Treagust）提出的二階測試理論，編制了二階半開放式測試題。測試概念緊密圍繞本項目整合的信息科技與科學(xué)兩大核心概念，主要包括腦機接口的信號質(zhì)量差異及倫理安全、腦電信號“采集—處理—反饋”流程、神經(jīng)沖動傳導(dǎo)、腦電波與生理行為的關(guān)聯(lián)、腦電信號解碼算法等。測試結(jié)構(gòu)包括8道二階測試題（內(nèi)容詳見），每題6分，共48分。每題包含2個層級：第一級為選項部分（2分），考查學(xué)生對概念的識別和判斷；第二級為解釋部分（4分），考查學(xué)生對所選答案的理解和論證。解釋部分的評分采用比格斯（Biggs）等人提出的SOLO分類理論，按0—4級水平進行編碼，這種測評方式彌補了傳統(tǒng)單一選擇題的局限，能夠更深入地揭示學(xué)生概念理解的水平。評價量規(guī)見表2。

研究采用配對樣本t檢驗對學(xué)生的前后測數(shù)據(jù)進行了分析，學(xué)生的概念理解水平在學(xué)習(xí)前后差異顯著（t=22.286，p<0.001），后測平均得分（M=29.804，SD=6.490）顯著高于前測（M=9.717，S=3.953），表明基于6E教學(xué)模式的跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)對學(xué)生概念理解水平具有顯著的促進作用。

Part.4

項目反思

項目實施過程中存在兩點待優(yōu)化之處：一是對學(xué)生探究的差異化指導(dǎo)尚不夠細致，后續(xù)需要課前精準摸排學(xué)情，設(shè)計分層任務(wù)與指導(dǎo)方案；二是受課堂課時與學(xué)生技術(shù)水平限制，部分小組在“深化”環(huán)節(jié)提出的創(chuàng)意設(shè)計未能完成實物落地，后續(xù)可在現(xiàn)有企業(yè)資源基礎(chǔ)上進一步引入輕量化、低門檻的腦機接口模擬工具與開源硬件，強化學(xué)生的工程實踐與創(chuàng)新創(chuàng)造體驗。

歡迎訂閱

來源 | 《中國科技教育》2026-2

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜