基于脑机接口技术的智能家具设计——初中信息科技跨学科项目式学习

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文_冯祖扬1 陈梦雅2

（1.杭州市滨江区教育研究院；2. 杭州市余杭区南湖实验学校）

Part.1

项目简介

本项目依托杭州市高新区（滨江）“科教大联盟”区域协同育人平台开展实践，由曼安智能科技有限公司提供技术、设备资源与专业工程师指导，是“校企协同、科教融汇”理念在初中跨学科教学中的落地实践。项目面向7年级学生，以6E教学模式为设计框架，围绕“基于脑机接口技术的智能家具设计”主题开展为期12周的教学实践。教学以“如何利用脑机接口技术帮助残障人士打造便利舒适的生活环境”为驱动性问题，整合信息科技“传感器与无线通信技术的应用”及科学“神经系统与反射弧的功能”两大核心概念，引导学生通过引入、探究、解释、工程、深化、评价6个递进式环节完成智能家具的设计与探究。项目旨在通过结构化的项目式学习，推动学生对跨学科核心概念的整合性理解，发展其系统思维与创新思维，提升复杂问题解决、工程方案设计与学术交流表达素养。

Part.2

项目实施

本项目基于6E教学模式设计递进式的实施流程，学习内容如图1所示。

图1 “基于脑机接口技术的智能家具设计”项目式学习内容

01

“引入”环节

学生以小组为单位走访残障人士之家，通过实地观察、面对面沟通的方式，记录残障人士独自居家生活中的各类不便之处，梳理核心生活痛点（见图2）。在此基础上，各小组筛选出可借助脑机接口与智能家具技术解决的具体问题，明确设计方向，并结合残障人士的实际需求，初步构思智能家具的功能雏形与问题解决思路。该环节将驱动性问题锚定于真实社会情境，让学生在调研中发展观察、沟通与问题界定能力，同时感受技术服务于人的价值取向，为后续设计奠定需求基础。

图2 学生针对残障人士居家场景开展设计需求调研

02

“探究”环节

在明确设计问题后，学生通过教师讲解、查阅资料和小组研讨及企业工程师专题指导（见图3），系统学习人体神经系统“控制—反馈”机制、脑机接口基础工作原理，以及智能家居中传感器与执行器的核心技术知识。在此基础上，学生结合调研获得的实际需求，分析各类技术在智能家具设计中的应用可行性，搭建“需求—技术”对应逻辑。该环节旨在推动学生建立科学概念与信息技术概念之间的内在关联，实现从“知识习得”到“应用分析”的过渡，为后续方案设计奠定跨学科理论支撑。

图3 学生走进曼安智能科技有限公司与工程师交流

03

“解释”环节

各小组以“方案阐释会”形式，结合调研照片、需求表格与功能草图，依次向全班展示本组的设计思路。首先阐述调研发现的核心痛点，再结合脑机接口利用大脑信号进行设备控制的原理，说明智能家具的功能设计、技术实现逻辑与人文关怀点。例如，某小组阐释道：“我们设计的脑控台灯，灵感来自残障人士之家的实地调研。走访中我们了解到，唐氏综合征群体常出现入睡后忘记关灯的情况。针对这一真实问题，我们通过脑机接口采集用户脑电信号，经信号处理模块转化为开灯、关灯、调亮、调暗的设备控制指令，传递给台灯执行器完成相应操作，无需肢体动作即可实现灯光的智能控制，为特殊群体提供更适配的居家生活解决方案。”阐释结束后，其他小组、教师与企业工程师针对方案的技术可行性、功能实用性、场景适配性等方面进行提问与讨论，各组认真记录反馈建议，会后结合跨学科知识重新梳理方案逻辑，修正技术漏洞与功能缺陷，完成第一轮方案优化，为动手制作做好充分准备。该环节通过设计方案阐释与互评互议，促使学生在表达中深化对脑机接口技术原理的理解，在质疑与回应中发展逻辑论证与批判性思维，使方案在多元视角的碰撞中更具严谨性与人文关怀。

04

“工程”环节

学生以小组为单位，依据优化后的方案与产品草图，在企业工程师与教师的指导下，开展脑机接口相关智能家居的动手制作，全程参与“组装—调试—测试—修正”完整工程流程。首先，各组领取脑机接口基础套件（含脑电采集电极、信号处理模块、无线传输模块）、智能家具组件（如台灯底座、LED灯、电源等）及辅助工具，依次完成物理组装、软件调试、场景测试。教师与企业工程师全程巡回指导，针对实操难题引导学生主动思考解决方案，例如针对信号不稳定的问题，指导学生调整电极佩戴位置、优化信号参数。最后，引导各组制作产品宣传海报，将问题背景、产品功能、制作过程、用户画像及使用场景等核心内容融入可视化设计，直观呈现动手制作成果。该环节将抽象方案转化为具象的脑机产品，让学生在动手实践中熟练掌握脑机接口设备的操作与组装技巧，锻炼数字工具应用、工程实践、创意设计与小组协作能力，同时通过反复测试与修正，培养学生严谨的工程思维和问题解决能力，为后续成果宣讲与优化奠定坚实基础。

05

“深化”环节

教师提出拓展任务：当前设计只针对某一类残障人士，如何让它适配更多类型残障人士的需求？脑机接口技术还能在哪些场景中帮助特殊人群？联合曼安智能科技有限公司提供脑机接口在智能康复、养老护理等领域的真实案例与技术资料，引导各组针对现有方案进行普适性优化，畅想技术迭代与场景拓展思路，将设计逻辑迁移到更多智能生活场景中。该环节旨在突破单一设计情境的局限，推动学生在迁移应用中深化对跨学科概念的理解，发展持续创新意识，并在更大的社会视野中强化“科技向善”的价值认知。

06

“评价”环节

在学校科创展厅举办“智慧生活设计展”。学生以产品设计师身份，面向师生与家长现场演示亲手制作的脑机智能家具实物产品，并同步呈现调研资料、设计方案、制作过程记录、宣传海报及未来设想，重点阐述产品的人文关怀理念与技术创新逻辑。通过功能演示，让观众直观感受脑机接口技术的实际应用效果（见图4）。宣讲结束后，采用多元主体、多维度的评价方式，由教师与学生共同围绕项目过程表现进行评分，同时对学生的跨学科概念掌握情况进行检测。各组根据多方评价反馈进一步完善设计成果报告，形成完整的项目闭环。该环节以公开宣讲形式发展学生的学术交流能力与成果表达能力，以过程性评价与总结性评价相结合的方式全面检验知识理解与能力发展，并通过反馈驱动的方案促使学生在反思中实现认知深化与自我提升。

图4 学生现场演示制作的脑电智能家具产品

Part.3

项目评价

01

项目学习表现

在跨学科项目式学习表现评价中，研究参考了PBLWorks提出的高质量项目作品评价框架，从问题解决与创新、学科准确性、设计合理性、成果完成度与交流表达5个维度构建跨学科项目式学习表现评价量表（见表1）。该5个维度分别指向项目目标中跨学科问题解决与创新思维的发展、科学与技术核心概念的整合性理解、工程方案的系统设计能力、项目成果呈现的完整性，以及学术交流表达素养。统计分析结果显示，学生在5个维度上均表现良好。

02

概念理解水平

跨学科项目式学习的核心在于引导学生运用跨学科概念解决真实问题，而扎实的学科核心概念理解是开展有效探究与问题解决的重要基础。为此，本研究对学生概念理解水平进行了前后测。研究参考特里格斯特（Treagust）提出的二阶测试理论，编制了二阶半开放式测试题。测试概念紧密围绕本项目整合的信息科技与科学两大核心概念，主要包括脑机接口的信号质量差异及伦理安全、脑电信号“采集—处理—反馈”流程、神经冲动传导、脑电波与生理行为的关联、脑电信号解码算法等。测试结构包括8道二阶测试题（内容详见），每题6分，共48分。每题包含2个层级：第一级为选项部分（2分），考查学生对概念的识别和判断；第二级为解释部分（4分），考查学生对所选答案的理解和论证。解释部分的评分采用比格斯（Biggs）等人提出的SOLO分类理论，按0—4级水平进行编码，这种测评方式弥补了传统单一选择题的局限，能够更深入地揭示学生概念理解的水平。评价量规见表2。

研究采用配对样本t检验对学生的前后测数据进行了分析，学生的概念理解水平在学习前后差异显著（t=22.286，p<0.001），后测平均得分（M=29.804，SD=6.490）显著高于前测（M=9.717，S=3.953），表明基于6E教学模式的跨学科项目式学习对学生概念理解水平具有显著的促进作用。

Part.4

项目反思

项目实施过程中存在两点待优化之处：一是对学生探究的差异化指导尚不够细致，后续需要课前精准摸排学情，设计分层任务与指导方案；二是受课堂课时与学生技术水平限制，部分小组在“深化”环节提出的创意设计未能完成实物落地，后续可在现有企业资源基础上进一步引入轻量化、低门槛的脑机接口模拟工具与开源硬件，强化学生的工程实践与创新创造体验。

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来源 | 《中国科技教育》2026-2

编辑 | 张雨晴

审校 | 孟想、若惜