基于腦機接口技術的智能家具設計——初中信息科技跨學科項目式學習

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文_馮祖揚1 陳夢雅2

（1.杭州市濱江區教育研究院；2. 杭州市余杭區南湖實驗學校）

Part.1

項目簡介

本項目依托杭州市高新區（濱江）“科教大聯盟”區域協同育人平臺開展實踐，由曼安智能科技有限公司提供技術、設備資源與專業工程師指導，是“校企協同、科教融匯”理念在初中跨學科教學中的落地實踐。項目面向7年級學生，以6E教學模式為設計框架，圍繞“基于腦機接口技術的智能家具設計”主題開展為期12周的教學實踐。教學以“如何利用腦機接口技術幫助殘障人士打造便利舒適的生活環境”為驅動性問題，整合信息科技“傳感器與無線通信技術的應用”及科學“神經系統與反射弧的功能”兩大核心概念，引導學生通過引入、探究、解釋、工程、深化、評價6個遞進式環節完成智能家具的設計與探究。項目旨在通過結構化的項目式學習，推動學生對跨學科核心概念的整合性理解，發展其系統思維與創新思維，提升復雜問題解決、工程方案設計與學術交流表達素養。

Part.2

項目實施

本項目基于6E教學模式設計遞進式的實施流程，學習內容如圖1所示。

圖1 “基于腦機接口技術的智能家具設計”項目式學習內容

01

“引入”環節

學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）。在此基礎上，各小組篩選出可借助腦機接口與智能家具技術解決的具體問題，明確設計方向，并結合殘障人士的實際需求，初步構思智能家具的功能雛形與問題解決思路。該環節將驅動性問題錨定于真實社會情境，讓學生在調研中發展觀察、溝通與問題界定能力，同時感受技術服務于人的價值取向，為后續設計奠定需求基礎。

圖2 學生針對殘障人士居家場景開展設計需求調研

02

“探究”環節

在明確設計問題后，學生通過教師講解、查閱資料和小組研討及企業工程師專題指導（見圖3），系統學習人體神經系統“控制—反饋”機制、腦機接口基礎工作原理，以及智能家居中傳感器與執行器的核心技術知識。在此基礎上，學生結合調研獲得的實際需求，分析各類技術在智能家具設計中的應用可行性，搭建“需求—技術”對應邏輯。該環節旨在推動學生建立科學概念與信息技術概念之間的內在關聯，實現從“知識習得”到“應用分析”的過渡，為后續方案設計奠定跨學科理論支撐。

圖3 學生走進曼安智能科技有限公司與工程師交流

03

“解釋”環節

各小組以“方案闡釋會”形式，結合調研照片、需求表格與功能草圖，依次向全班展示本組的設計思路。首先闡述調研發現的核心痛點，再結合腦機接口利用大腦信號進行設備控制的原理，說明智能家具的功能設計、技術實現邏輯與人文關懷點。例如，某小組闡釋道：“我們設計的腦控臺燈，靈感來自殘障人士之家的實地調研。走訪中我們了解到，唐氏綜合征群體常出現入睡后忘記關燈的情況。針對這一真實問題，我們通過腦機接口采集用戶腦電信號，經信號處理模塊轉化為開燈、關燈、調亮、調暗的設備控制指令，傳遞給臺燈執行器完成相應操作，無需肢體動作即可實現燈光的智能控制，為特殊群體提供更適配的居家生活解決方案。”闡釋結束后，其他小組、教師與企業工程師針對方案的技術可行性、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，會后結合跨學科知識重新梳理方案邏輯，修正技術漏洞與功能缺陷，完成第一輪方案優化，為動手制作做好充分準備。該環節通過設計方案闡釋與互評互議，促使學生在表達中深化對腦機接口技術原理的理解，在質疑與回應中發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懷。

04

“工程”環節

學生以小組為單位，依據優化后的方案與產品草圖，在企業工程師與教師的指導下，開展腦機接口相關智能家居的動手制作，全程參與“組裝—調試—測試—修正”完整工程流程。首先，各組領取腦機接口基礎套件（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、軟件調試、場景測試。教師與企業工程師全程巡回指導，針對實操難題引導學生主動思考解決方案，例如針對信號不穩定的問題，指導學生調整電極佩戴位置、優化信號參數。最后，引導各組制作產品宣傳海報，將問題背景、產品功能、制作過程、用戶畫像及使用場景等核心內容融入可視化設計，直觀呈現動手制作成果。該環節將抽象方案轉化為具象的腦機產品，讓學生在動手實踐中熟練掌握腦機接口設備的操作與組裝技巧，鍛煉數字工具應用、工程實踐、創意設計與小組協作能力，同時通過反復測試與修正，培養學生嚴謹的工程思維和問題解決能力，為后續成果宣講與優化奠定堅實基礎。

05

“深化”環節

教師提出拓展任務：當前設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？腦機接口技術還能在哪些場景中幫助特殊人群？聯合曼安智能科技有限公司提供腦機接口在智能康復、養老護理等領域的真實案例與技術資料，引導各組針對現有方案進行普適性優化，暢想技術迭代與場景拓展思路，將設計邏輯遷移到更多智能生活場景中。該環節旨在突破單一設計情境的局限，推動學生在遷移應用中深化對跨學科概念的理解，發展持續創新意識，并在更大的社會視野中強化“科技向善”的價值認知。

06

“評價”環節

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

圖4 學生現場演示制作的腦電智能家具產品

Part.3

項目評價

01

項目學習表現

在跨學科項目式學習表現評價中，研究參考了PBLWorks提出的高質量項目作品評價框架，從問題解決與創新、學科準確性、設計合理性、成果完成度與交流表達5個維度構建跨學科項目式學習表現評價量表（見表1）。該5個維度分別指向項目目標中跨學科問題解決與創新思維的發展、科學與技術核心概念的整合性理解、工程方案的系統設計能力、項目成果呈現的完整性，以及學術交流表達素養。統計分析結果顯示，學生在5個維度上均表現良好。

02

概念理解水平

跨學科項目式學習的核心在于引導學生運用跨學科概念解決真實問題，而扎實的學科核心概念理解是開展有效探究與問題解決的重要基礎。為此，本研究對學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兩大核心概念，主要包括腦機接口的信號質量差異及倫理安全、腦電信號“采集—處理—反饋”流程、神經沖動傳導、腦電波與生理行為的關聯、腦電信號解碼算法等。測試結構包括8道二階測試題（內容詳見），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），考查學生對概念的識別和判斷；第二級為解釋部分（4分），考查學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單一選擇題的局限，能夠更深入地揭示學生概念理解的水平。評價量規見表2。

研究采用配對樣本t檢驗對學生的前后測數據進行了分析，學生的概念理解水平在學習前后差異顯著（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教學模式的跨學科項目式學習對學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化之處：一是對學生探究的差異化指導尚不夠細致，后續需要課前精準摸排學情，設計分層任務與指導方案；二是受課堂課時與學生技術水平限制，部分小組在“深化”環節提出的創意設計未能完成實物落地，后續可在現有企業資源基礎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，強化學生的工程實踐與創新創造體驗。

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來源 | 《中國科技教育》2026-2

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜