基于STEAM理念的人工智能教學實踐

【摘要】人工智能這一新興的科技浪潮正在深刻地影響著我們的生活。在小學開展人工智能教學有助于學生從小了解先進的科學技術，激發(fā)學習新科技的主動性。文章基于STEAM教育理念，以“防近視智能管家”為例，開展項目化學習教學實踐，取得了較好的成效，為小學人工智能教學實踐開展提供參考。

【關鍵詞】STEAM理念;人工智能教學;項目活動

一、引言

人工智能這一新興的科技浪潮正在深刻地影響著我們的生活。“刷臉識別”、“語音助手”、“智能安防”、“智能停車場”等智能產品也逐漸進入我們的生活，人工智能時代已經到來。2017年國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程。”2018年教育部進一步明確提出“構建人工智能多層次教育體系，在中小學階段引入人工智能普及教育。”人工智能教育教學進課堂時代已經到來。

中山市教育局教研室非常重視人工智能教育的開展，楊仙逸小學作為中山市創(chuàng)客實驗學校之一，在2018年新增置了一批“Arduino UNO”智能主控板及Arduino開源硬件，在社團活動課上增加人工智能教學內容，開展人工智能教學實踐。

二、STEAM教育理念與人工智能教育

STEAM教育結合了科學、技術、工程、藝術和數學，關注實際問題，注重情境學習，以學生為中心，以工程設計為主導，注重培養(yǎng)學生面向未來的科學與工程素養(yǎng)和跨學科解決實際問題的能力。人工智能教育以項目式學習為主要方式，融合多學科知識，綜合應用人工智能技術，模擬解決現實生活中的問題。它遵循STEAM理念，通過智能硬件搭建、軟件編程設計、原型制作、測試優(yōu)化等過程，創(chuàng)作出智能化個性化物品，將創(chuàng)意變成現實。在基于真實問題情境的教學中，教師以問題為驅動，學生以小組合作的形式，運用各學科所學知識進行探究、合作學習，學生通過調查、收集資料、分析問題、研討交流，規(guī)劃設計出解決問題的方案。在動手實踐的過程中體驗人工智能在生活中的應用，感受利用人工智能技術為人們服務。學生在運用開源軟硬件進行“造物”的過程中，將學習到的科學、數學、美術、人工智能等學科知識與工程技術有機融合，從而獲得批判思維能力、設計能力、合作能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力。

三、基于STEAM理念的人工智能教學實施

下面以“防近視智能管家”項目活動為例，進行闡述。

（一）創(chuàng)設活動情境

在進入智能化時代的今天，我們可以借助智能設備來監(jiān)控我們的身體狀況，提醒我們健康地生活。圍繞“坐姿提醒預防近視”這個主題，學生實地調查發(fā)現在我們身邊有些同學因課業(yè)增加，眼睛與書本距離過近、坐姿不正確，導致視力下降或駝背、塌腰、脊椎彎曲等問題，讓學生以保障人體健康為出發(fā)點，設計一種智能提醒裝置，激發(fā)學習動機，引出項目活動中需關注和掌握的知識技能。通過這個項目的學習，發(fā)現生活中影響人們身體健康的因素，探討保持身體健康的方法，同時感受、體驗人工智能技術在生活中的應用。

（二）問題引領，確定選題

問題是活動的開始，以問題為切入點，引導學生發(fā)現問題、思考問題，然后解決問題。

1.聚焦問題：在我們身邊有些同學因課業(yè)增加，眼睛與書本距離過近、坐姿不正確，導致視力下降或脊椎彎曲。

2.任務驅動：請以保障人體健康為出發(fā)點，設計一種智能提醒裝置。

3.確定選題：針對這個富含問題性的情境，鼓勵學生聯(lián)系實際深入思考，這個智能裝置最重要的是如何進行坐姿的檢測和防近視的提醒。學生展開頭腦風暴，提出了許多的構想，有“光線坐姿檢測儀”、“坐姿糾正器”、“視力保護燈”、“ 坐姿與視力監(jiān)測”、“防近視智能管家”等。

教師有意識地指導學生綜合運用所學知識，將課堂與現實生活聯(lián)系起來，引導學生自主地發(fā)現問題，并根據自身已有的知識水平，選擇可行的項目選題。

（三）分析問題，設計方案

根據選好的項目選題，引導學生規(guī)劃設計出解決問題的項目方案。以“防近視智能管家”選題為例，分析問題，規(guī)劃設計方案。

1.拋出疑問：要解決的核心問題是什么、要實現的功能有哪些、要用到的核心設備有哪些，所需要的知識和技能有哪些等。

2.分析問題：需要解決的核心問題所涉及的具體問題有哪些，引導學生學會把大問題拆解成小問題逐個解決。接著引導同學思考討論：造成近視的環(huán)境因素有哪些，個人不良習慣有哪些？學生結合日常觀察、分析和討論列出如下因素：用眼時間過長，書本距離過近，光線不足，坐姿不正等。針對這些情況，提醒裝置要如何設計來解決這些問題，是全部解決還是部分解決？步步深入，引領學生討論分析出項目需要解決的具體問題有

（1）如何識別用戶正在用眼學習？

（2）如何計時？

（3）如何識別坐姿端正與否？

（4）如何提示？

（5）如何報警？

3.規(guī)劃設計方案：繼續(xù)引導學生采用頭腦風暴的方法列出可能的解決方案，有的提出可利用超聲波傳感器檢測裝置前使用者看書或寫字的距離是多少;有的提出利用LED閃爍動作發(fā)送開始信號并開始累計用眼時間，如果使用者中途離開，計時重置;有的提出用圖像識別檢測使用者坐姿是否正確，也有的提出用傾斜傳感器檢測坐姿端正否;有的提出通過語音識別檢測使用者并開始計時;有的提出用人體紅外傳感器檢測使用者;有的提出用蜂鳴器發(fā)出不同頻率聲音分別對用眼時間過長和坐姿不端正進行報警等。學生在思考、交流的過程中形成團隊設計方案，不同團隊的個性化方案又能提出不同的解決方法。

規(guī)劃設計可以從多方面去思考，遇到問題不滿足于一個答案，不局限于一個角度的考慮。小組同學可以設計兩個或者多個方案，再把所有的方案進行交流研討并考慮現實條件進行可行性分析從中選擇最優(yōu)的那個。

（四）項目創(chuàng)作，測試優(yōu)化

當提醒裝置的設計方案規(guī)劃好了，教師指導學生畫出設計原理圖，按照設計思路及原理圖選擇Arduino智能硬件材料并進行組件連接，接著繪出工作流程圖。用流程圖從整體上把功能編程思路理清，然后進行程序編寫及測試和外殼結構設計制作。項目活動過程中，同學們進行了有效的分工合作，有的進行組件連接及程序設計，有的進行資料的查閱，有的進行外殼結構的設計搭建。外殼制作材料主要為各種紙盒、雪糕棒、彩色卡紙等，工具主要為熱融膠槍、打孔器、超輕粘土、美工刀等。外殼結構設計制作由有藝術特長的同學負責;結構組件的連接與搭建由動手能力強的同學負責;功能的測試和完善由編程能力強的同學負責;撰寫報告進行分享則由表達能力較好的同學負責，小組成員各盡其能。

在測試中有同學提出 “環(huán)境光線如何是否要識別？”、“超時報警與坐姿不端的報警如何更好區(qū)分？”、“如何進行語音的識別？”、“如何使用人臉識別？”這時留給小組同學自主探究的時間和空間，自由討論，發(fā)散思維，提出不同的解決方法。對智能硬件組件的連接及功能編程一邊測試一邊修改，引導學生找出不足并分析原因，進一步思考實踐，找到解決方法。將設計方案落實到動手實踐再到作品，需要經過不斷的嘗試、修改、完善，最終完成作品的創(chuàng)作。一次次的調整設計方案，一次次的測試改進程序，一次次的重選拆搭組件……大大激發(fā)了學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，提升了耐挫能力，培養(yǎng)了堅持不懈的毅力。

學生在原型創(chuàng)作及調試的過程中，出現的一些問題，經過小組同學研討及老師指導都能較好地解決，這也是創(chuàng)造的新過程。在這個小組學習共同體中，各個成員互相配合，他們的合作能力，應對問題的能力顯著提升，創(chuàng)新思維得到很好的發(fā)展。

（五）成果展示，評價分享

作品完成后，安排各小組同學將本組活動情況與成果向班級開放，進行展示交流。讓各小組通過PPT演示將創(chuàng)意分享出來，將團隊的智慧展示出來。在展示中，闡述遇到的困難、解決的方法、小組合作的情況等，圍繞作品是否解決了核心問題、設計是否得當、功能是否完善、智能硬件連接線路是否合理、外殼結構設計是否美觀、是否值得推廣應用;PPT報告展示資料是否充足，語言是否簡潔、準確、流暢等方面進行自評、互評和師評。在展示和評價中學習別人的優(yōu)點，提出參考意見或創(chuàng)新點，同時也發(fā)現自己的優(yōu)點和不足，并改進完善自己的不足之處。學生在評價中反思總結，并不斷優(yōu)化作品的設計與制作，加深了對人工智能知識、硬件搭建方法和編程技能的理解掌握同時也提高了對健康生活的認識。學生在展示評價中品嘗成功的喜悅，體驗創(chuàng)造的快樂，其成就感、自豪感、自信心倍增。

（六）拓展提高，課后延伸

本項目中我們設計的作品由于傳感器位置是固定的，故只適合固定身高的人使用，如何設計一個各種身高的同學都能使用的智能作品呢？我們可以在課后繼續(xù)研究。

項目的學習不能僅局限在課堂上，而是要把理念延伸至課堂外。因此，課后讓學生討論、思考如何進一步完善作品，并根據實際問題情境來創(chuàng)作以引領下一個項目活動的開始。

四、實施成效

項目學習活動充分體現了STEAM教育理念，培養(yǎng)了創(chuàng)新創(chuàng)造能力，實現了深度學習。

（一）點燃探究熱情

整個項目學習活動，學生熱情高漲，主動參與，積極探究。學生經歷了“問題引領——構思規(guī)劃——嘗試創(chuàng)造——優(yōu)化改進”的過程，在活動中體驗，在實踐中思考，既學到相關智能元器件的知識、編程技能，又掌握一定的工程技術，自主設計的智能提醒裝置既美觀實用又創(chuàng)意十足。

（二）發(fā)展核心素養(yǎng)

探究與學習相結合，創(chuàng)設了真實的情境，從理解“保障人體健康”問題開始，對視力保護、端正坐姿的原理進行探究并完成作品設計與功能實現，用成果展示、評價交流，分享成功，改進不足來開展活動。在這個過程中學生經歷觀察、討論、分析，進而自由創(chuàng)意造物，就是多種思維綜合的過程。學生綜合使用科學（S：認識超聲波傳感器、人體紅外傳感器、語音模塊、蜂鳴器、LED燈、液晶屏等電子元器件的使用方法）、技術（T：掌握電子元器件的線路連接，結構的搭建）、工程（E：經歷“情境問題——任務驅動——方案設計——硬件選擇——編程指導——結構搭建——展示交流——拓展提高”的過程）、藝術（A：電子元器件的安裝、線路布置合理，結構外形美觀、多樣）、數學（M：會運用計時統(tǒng)計、數據收集等知識）手段合作解決問題，創(chuàng)新實踐，發(fā)展核心素養(yǎng)。

（三）提升合作能力

在項目活動中，需要每一個成員都能清楚地表達自己的觀點，傾聽了解組員的看法。作品的創(chuàng)作能夠順利完成有賴于小組成員間的相互信任和相互尊重，學會聽取他人意見，進行有效溝通是非常重要的。在項目學習活動中能給學生創(chuàng)造合作的機會，訓練合作的技能，培養(yǎng)合作的意識，體驗團結互助共享成果的快樂，提升合作能力。

五、思考與展望

通過項目活動的實施，發(fā)現本課程的教學還有許多需要繼續(xù)優(yōu)化和改進的地方，以更好地實現人工智能教育的培養(yǎng)目標。教師在教學中應針對學生認知水平、創(chuàng)造能力，結合生活實際來設計項目化學習活動內容;應選擇合適的智能硬件材料如Mixly套件、掌控板等和圖形化編程軟件如Scratch或Mixly或Kittenblock;在活動中以學生為主體教師為主導，讓學生更自由地實踐更深入地探索;并設計好相關學習過程的評價標準及作品的評價標準，充分運用好過程性評價和總結性評價手段，使學生相互學習共同進步。

在中小學開展人工智能教學，讓每個學生在玩中學、學中做、做中思、思中創(chuàng)，在項目活動中發(fā)展核心素養(yǎng)。基于STEAM教育理念的人工智能教學項目化活動設計需要教師的不斷探索，讓我們一起用心鉆研、努力實踐，讓STEAM教育理念、人工智能教育教學走得更深更遠。

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作者簡介：何一蘭（1974.10），女，本科，學士，小學科學高級教師，小學科學教育

（責任編輯：鄧羽婷）