《智能垃圾分類桶》教學設計

吳彩 湖北省武漢市洪山區第二小學

●創新整合點

項目式學習是以項目為中心，以學習者為主體，以一定時長的小組合作為基本組織形式，按照“提出問題與假設—驗證假設—解決問題—展示與分享項目成果”這一流程進行的，使學生的團隊協作、創新發現、探究實踐等綜合素質與能力得到提升的一種學習模式，本教學設計以PBL項目式學習模式展開，其創新整合點主要體現在以下五個方面：

①關注深度學習，讓學生親歷收集數據訓練模型的過程，展現了人工智能帶來的便利，作品采用了開源軟硬件，實施門檻低，具備很好的可復制性。

②突出以項目式學習為主線，以學生的自主探究學習為中心，充分調動了學生學習的積極性。

③教案設計合理，教學環節環環相扣，教學過程與項目式學習的流程相對應，師生共同完成了“智能垃圾分類桶設計”的項目。

④回應了信息科技課程提出的培養學生的四個核心素養：信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任。

⑤學生勤于動手、敢于創新，小組合作氛圍濃厚，課堂氣氛活躍，從完成任務情況看，四個核心素養目標均達到，教學重難點也得到了很好的突破。

●教材分析

隨著城市化進程的加快和人們生活水平的不斷提高，多元化的商品及生活用品蜂擁而至，生活垃圾日益增多，從而導致環境的污染問題日益嚴重。研究表明，城市居民的垃圾分類意愿和行為存在較大的差異，愿意參與垃圾分類的比例明顯高于實際參與垃圾分類行為的比例，如何實現垃圾的自動分類成為目前急需解決的問題。基于以上真實問題情境和人工智能技術支持，確定了本節課的項目為智能垃圾分類。

《設計智能垃圾分類桶》是智能垃圾分類創客教材中的內容，旨在通過智能垃圾分類項目式的學習，幫助學生進行垃圾分類的模型訓練和編程學習，并能根據所學，創新制作出模擬的“智能垃圾分類桶”作品。

本課內容結合前期系列教學中講過的模型訓練、垃圾的識別與判斷相關知識，通過“確定項目—項目的組織與實施—項目的檢測調試—項目的改進驗收—項目的延展提升”五個項目式學習的流程，在教師步步提問、情境引導、創設探究的任務驅動下，引出舵機控制垃圾桶的開合，讓學生在程序編寫中理解智能垃圾桶是如何一步步設計的，最后讓學生通過連接micro：bit板燒入程序，完成垃圾卡片的識別、分類和投放。

本節課的教學重點為編寫舵機控制垃圾桶開合的代碼，本節課的教學難點為通過項目式學習讓學生理解設計智能垃圾分類桶的過程。

●學情分析

五年級下學期的學生對代碼編寫、人工智能已經有了一定的了解，通過前幾節課的鋪墊，大部分學生能基本掌握Kittenblock模塊化代碼的編寫，了解每個模塊的功能和用途，能用代碼對垃圾卡片進行模型訓練，完成對垃圾卡片的識別與判斷。

在綜合考慮小學高段學生上課特點與動手能力的基礎上，本課將繼續激發學生學習智能垃圾分類桶的興趣，重心會放在小組合作與自主探究上，通過創設師生互動研究氛圍，運用即時評價，引導學生總結方法，激勵學生學習，從而創新制作出模擬的“智能垃圾分類桶”作品。

本課教法：以項目式學習為主，結合任務驅動教學法，按照“感知—模仿—遷移—運用”的原則，引導學生理解設計智能分類桶的步驟，并能在環環相扣的教學環節中進行探索和實踐。

本課學法：學生通過實踐探究和討論，利用已學知識，在教師設置的情境和講解下解決和探究新的問題，從而培養自主學習和協作學習的能力。

●教學目標

信息意識：根據智能垃圾分類這一真實問題情境，能較快地分析出小智能實現的功能。

計算思維：掌握模型訓練和編程學習的代碼。

數字化學習與創新：能在師生共同創設的項目式學習環境中，利用小組討論和協作學習的方式，共同設計一款智能垃圾分類桶。

信息社會責任：感受人工智能在生活中的應用，從而增強自身的環保意識和社會責任感。

●教學環境與準備

教學環境：多媒體教室、Wi-Fi網絡、希沃觸控一體機（安裝Kittenblock、希沃授課助手、班級優化大師軟件）。

教學準備：9臺筆記本電腦、9個外置攝像頭、9個USB擴展器、9套智能垃圾分類桶套裝、9套垃圾卡片、1個外接小音箱。

●教學過程

1.導入生趣，進入課題

教師出示課件并引入：“在前面的學習中，我們已經了解了垃圾分類的相關知識，同學們還記得生活垃圾分為哪四類嗎？”

生：可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾。

教師接著利用情境引導學生進行思考。

情境：有個五年級的同學叫洪洪，放學回家后他想做點力所能及的家務事，于是他雙手拎著家里需要投放的垃圾來到小區的垃圾桶面前，可到了之后他卻犯難了，由于正值下雨，垃圾桶蓋閉合著，且上面有些臟亂的垃圾，自己雙手又沒有空閑，這可怎么辦呢？如果你是洪洪，這時你會想些什么？

學生可能回答：如果垃圾桶可以自動打開該多好；如果垃圾桶可以自動識別垃圾袋里面的垃圾對應屬于哪個垃圾桶，可以直接投放該多好……

教師評價：同學們的想法和創意真好，要是有一款智能垃圾分類桶，洪洪遇到的問題就不是什么難事了。

教師讓學生體驗智能垃圾分類桶并引導學生以小組為單位，頭腦風暴它能實現的功能。

教師出示小智，請學生上臺體驗，并引導學生思考：“這款智能垃圾分類桶完成了哪些任務？”

學生代表上臺體驗，學生以小組為單位進行回答：識別垃圾卡片、判斷垃圾的類別、自動打開垃圾桶完成卡片的投放。

教師評價并揭示課題：同學們以小組為單位進行了充分的探討，將小智的功能歸納總結得非常完整，為同學們的大膽挑戰、激烈探討、熱情回答點贊。今天，就讓我們帶著這些問題，一起來學習《設計智能垃圾分類桶》一課（板貼：設計智能垃圾分類桶）。

教師在本節課引入班級優化大師對各小組進行評價，全班分為8小組，每組3人。每組成員任務分工為：組長（組織組員進行討論和交流，形成共識）、記錄員（記錄小組的討論并形成文字資料）、編程員（主導小組的編程并能檢測調試和修改代碼）。課后通過小組的累計積分，確定積分最高的小組為本節課的設計智能垃圾分類桶小衛士組。

設計意圖：通過回顧以前的教學內容，讓學生的思維進行正向遷移。教師利用情境教學，激發學生的創意，并讓學生通過實物模擬操作加深對智能垃圾分類桶的理解，從而明確本節課的任務和主題。

2.知識點鞏固：鞏固圖片錄入

教師出示圖片錄入的微課，讓學生自主探究、小組合作，完成兩張垃圾卡片的模型訓練。（板貼：模型訓練）

學生活動：觀看微課，參考學習任務單（如圖1、圖2），完成兩張垃圾卡片的模型訓練。

圖1

圖2

設計意圖：微課教學，對以前的知識點進行鞏固練習。

3.知識點回顧：回顧分類判斷

教師提問：在之前的課程教學中，同學們已經對所有的垃圾卡片進行了模型訓練，學習并調用Excel函數將垃圾卡片放到了可回收垃圾和有害垃圾兩個庫中，也學習了這段代碼的編寫，同學們還記得這段代碼的含義嗎？

學生活動：分析代碼的含義（如圖3、圖4）。（板貼：分類判斷）

圖3

圖4

設計意圖：讓學生通過分析代碼的含義，進一步了解可回收垃圾和有害垃圾程序的邏輯。

4.新課教學：自動開合我來控

教師引入并提問：通過前面兩個關卡的回顧，請同學們思考—要想讓垃圾桶自動開合，我們需要怎么做？

學生可能回答：通過外界裝置給它動力。

教師引入舵機的概念，并進一步提問：通過舵機需要完成哪幾個操作？

學生活動：小組合作進行探討，小組代表回答（開可回收垃圾桶，開有害垃圾桶，關閉垃圾桶）。

教師講解代碼，并提出探究點：關閉垃圾桶代碼中的舵機角度應該是多少（如下頁圖5）？

圖5

設計意圖：通過引導學生分析引出舵機，在層層遞進的提問中激發學生的思維，讓學生依靠自主探究、小組合作思考舵機的操作。根據以前學過的積木板塊，學生能最終在教師的講解下搭建舵機開合的模塊代碼。

5.新課教學：燒入程序

教師引入并提問：在前面的教學環節中，我們已經掌握了代碼的編寫，那這款智能垃圾分類桶是不是就可以完成垃圾卡片的識別、判斷和自動開合了呢？

學生活動：實踐后發現不能。

教師揭示課題：我們還得通過這個micro：bit板將編寫好的程序燒入進來，通過micro：bit板控制垃圾桶套裝，完成垃圾卡片的識別、判斷和垃圾桶的自動開合。接下來，請同學們觀看燒入程序的微課。（板貼：連接micro：bit板）

學生活動：觀看微課，并實踐操作。

設計意圖：讓學生理解燒入程序的重要性，并通過微課，培養學生獲取信息和利用信息進行數字化學習與加工的能力。

6.學生成品展示

教師利用希沃授課助手中的攝影功能，捕捉并投屏各小組內學生的探究與操作實踐剪影，并對有疑問的小組進行教學指導。

學生活動：根據燒入程序后智能垃圾桶的反應，調整關閉垃圾桶代碼中的舵機角度，回應前面老師提出的探究點。在成功完成垃圾卡片識別、判斷和投放后，舉手示意老師進行成果展示。

設計意圖：培養學生的自主探究和小組合作能力，學生能在不斷的試錯中對編寫的代碼進行調整，從而完成垃圾卡片識別、判斷和投放。

7.思維拓展：對智能垃圾分類桶未來的展望

教師引入并提問：智能垃圾分類桶還有哪些可以改進的地方？

學生可能回答：增加廚余垃圾和其他垃圾兩個垃圾桶、加入語音識別、加入稱重傳感器……

設計意圖：激發學生的構思和創意。

8.視頻拓展

教師出示國內外智能垃圾分類桶的應用視頻。

學生觀看視頻。

設計意圖：多媒體感官刺激，讓學生通過視頻引起觸動。

9.學生反思

教師引入并提問：智能垃圾分類桶可以很好地進行垃圾分類，通過垃圾回收利用讓天更藍了，草更綠了，但垃圾源頭治理也非常重要，你認為有哪些減少生活垃圾的好辦法？

學生可能回答：物品多次利用、盡量不使用一次性物品……

設計意圖：讓學生對生活中的垃圾污染進行反思。

10.教師評價和總結

教師評價：請同學們看向大屏幕中的班級優化大師，我們來看看哪個小組在本節課獲得的積分最高，讓我們一起恭喜第四小組成為智能垃圾分類桶設計小衛士組。

教師總結：通過今天的學習，老師希望同學們能通過人工智能增強自己的環保意識和社會責任感，從小事做起，從自己做起，共同打造綠色、和諧家園。

設計意圖：肯定學生的付出，對優勝小組給予表揚，并讓學生在情感態度和價值觀上引起共鳴。

●教學反思

①注重評價方式的多維化。評價的出發點應體現學生的素養表現，就是學生通過學習有沒有在信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任這四個維度上達到學段目標。要將“為學生發展而進行評價”的理念貫穿課堂的始終，注重學生的生成性學習，在以后的教學實踐中要盡可能采集學生的現場教學數據來進行實時評價，促進學生的全面發展。同時，要特別關注過程性評價，把握好評價的真實性和全面性。

②注重將項目式學習與傳統學習模式進行有效的整合。在以后的人工智能教學實踐中要進一步挖掘項目式學習的優點，并注意將項目式學習和傳統學習模式進行有機結合，讓二者相互補充，使教學成效達到最大值和最優化。

③對項目式教學模式進行深度思考。應對本節課所采用的項目式教學模式進行深度思考，力求在教法和學法上更關注學生，為以后的PBL項目式學習積累經驗。