小學人工智能編程課程分層教學探索

孫啟超

國務院印發的《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》明確要求“激發青少年好奇心和想象力，增強科學興趣、創新意識和創新能力，培育一大批具備科學家潛質的青少年群體，為加快建設科技強國夯實人才基礎”。河南、山東、安徽、廣東、浙江等省份在基礎教育階段陸續開設信息技術課程與人工智能課程，并將分層教學模式應用其中。在本文中，我們結合實際案例對分層教學模式的實際應用展開探討。

一、人工智能編程課程現狀與分層教學

1. 人工智能編程課程教學現狀

國務院頒布的《新一代人工智能發展規劃》要求“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，逐步推廣編程教育”。近年來，廣東、福建、上海等省市重點借助智能設備進行課堂指導；在人工智能編程課程教學活動中，學校逐漸引導學生參加不同等級的編程比賽、機器人大賽、人工智能競賽等。

2. 分層教學

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》提出“注重因材施教。關注學生不同特點和個性差異，發展每一個學生的優勢潛能，推進分層教學……教學管理制度改革”。

隨著我國社會經濟的持續發展，很多學生盡管對計算機、人工智能、信息技術等名詞并不陌生，但因為城鄉教育主體之間在發展水平方面還存在明顯的差距，所以，實施分層教學是解決當前我國城鄉教育差異問題的一個最佳策略。

二、小學人工智能編程課程分層教學案例探索

筆者將全班學生劃分成3個小組，然后以3個小組學生的整個學習過程、制作成品等為切入點，對教學內容、課程教學目標、分層教學計劃、教學活動評價、教學策略反思等進行逐一探究，思考在“智能臺燈設計”課堂教學活動中采用分層教學模式的實際成效。

1. 明確教學內容

這一章節的教學內容包括三個部分，即傳感器特性、LED燈工作原理、“假若……執行……”的功能切換。教師的教學職責是指導學生對相關概念及定義進行理解，逐步了解LED的內部結構與運行原理，為下一步進行實踐操作做準備。

2. 設置課程教學目標

本課教學目標具體包括：①指導學生掌握傳感器特性，認識LED燈的運行原理；②了解主控模板的具體應用功能及特點，能夠靈活應用“假若……執行……”功能模塊；③熟練設計智能臺燈的內部結構，然后對其進行組裝、搭建、連線、程序設計、功能調試、結果驗證等；④確保產品設計形態與結構科學、完整，能夠確保用戶獲得理想的體驗；⑤對整個程序參數進行驗證，確保其設置正確、合理。

3. 設計分層教學計劃

在這一章節的教學設計中，結合學生的實際情況制訂分層教學計劃，教師需要考慮三個重要主體：學生、教學目標與教學策略。

（1）需要對學生進行個性化分層

A組是小學4年級學生，他們在3年級的時候接觸過編程類的知識，有一定的基礎，并且還參加過社團實踐活動（6個月左右），但是都沒有參加過任何人工智能編程類、機器人類的競賽活動；B組是小學5年級學生，學習編程課程的時間超過2年，基礎相對穩固，參加社團實踐活動約有1年，其中有2名學生參加過市級計算機編程大賽、省級機器人競賽；C組是小學6年級學生，接觸編程課程已有4年左右，并且參加社團實踐活動超過3年，每一名學生都參加過不同等級的編程類、機器人類競賽。

（2）需要對教學目標進行個性化分層

A組：①掌握傳感器的基本特性，并進行組內討論與研究；②逐步設計智能臺燈，并嘗試進行成品搭建；③逐步掌握“假若……執行……”功能模塊。B組：前3條與A組相同，另外，要編寫程序，并自主調試與反饋，確保操作成功。C組：前3條與A組相同，另外，要對制作好的成品進行介紹，確保其不少于兩個典型特征。

（3）需要對教學策略實施分層設計

A組：教師需要對學生進行組織能力的培養，安排學生組內合作學習，大家一起收集相關的圖片、視頻、3D圖紙等，然后加強學生的思維能力訓練，確保學生在現有教學資料的基礎上挖掘一些新線索，整理一些新信息，確定最新的設計思路與研究方向。

B組：教師需要對學生進行認知發展能力的培養。鼓勵學生積極參加相應的實踐設計活動，然后從中整理出相關問題，并力爭能夠自主解決，教師需要對一些關鍵性的問題進行針對性指導與輔助。

C組：教師需要對學生進行自我管理能力的培養。具體來說，需要向學生介紹設計原則、傳授思維方法，引導學生對整個設計過程進行探索，然后觀察學生的一舉一動，鼓勵學生自主發揮與操作，教師在旁給予指點，逐步彰顯學生的主體地位。

4. 展示教學效果

（1）A組學生作品介紹

對于A組學生來說，其作品設計結構包括聲音傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光感傳感器、開關按鈕、LED燈、主控線路等。在作品設計過程中實現兩個功能：①聲控燈。如果光線變暗，且聲音達到特定數值的話，LED燈會自動開啟。②根據氣溫變化調整LED燈的色調。假若溫度偏低，不足30℃，LED燈調整成暖色調；假若溫度偏高，不低于30℃，LED燈則調整成冷色調。通過功能測試能夠發現，A組學生在設計聲控燈的過程中，各項任務基本完成，但是對于調整LED燈色調的功能，因沒有測試條件，未進行評判。

（2）B組學生作品介紹

對于B組學生來說，其作品設計結構包括聲音傳感器、紅外傳感器、開關按鈕、LED燈、舵機、主控線路等。在作品設計過程中實現兩個功能：①提示噪聲。如果周圍環境出現噪聲，且音量不低于80dB，LED燈會出現七彩跑馬燈的變化。②用平板電腦靈活地控制LED燈的方向或停止等。如果平板電腦朝著左（右）傾斜，那么LED燈柱則會朝著左（右）旋轉；如果平板電腦朝上傾斜，那么LED燈柱則會停止運行。通過功能測試我們發現，這一小組的所有功能設計目標都順利實現。

（3）C組學生作品介紹

對于C組學生來說，其作品設計結構包括超聲波傳感器、壓力傳感器、開關按鈕、LED燈、舵機、輪子、主控線路等。在作品設計過程中實現三個功能：①折疊便攜。作品最初是黃燈，在觸碰壓力傳感器的時候，LED燈會熄滅，燈柱會隨之倒下折疊，確保能夠靈活攜帶；在長按鍵的情況下，燈柱則會立刻恢復原位。②通過平板電腦能夠靈活地控制智能臺燈的前進或后退，使其抵達目的地。因為并未配置輪子等相關組件，這一組需要安裝萬向輪，確保LED燈能夠自由轉動。③障礙物提示。如果發現周圍出現障礙物，且距離不超過8m，LED燈會變成紅色，說明有障礙物出現。通過功能測試，該小組的所有功能設計目標都順利實現。

5. 完成教學評價

在對學生的學習過程進行評價時，教師必須注意參考信息技術與人工智能編程課程在培養學生核心素養方面的綜合性要求。A組學生存在很多奇思妙想，不過這些想法可行性不足，想要完全實現非常困難，學生需要不斷學習更多的專業知識，積累豐富的經驗。B組學生缺乏自我創新意識及能力，大部分時間都用在代碼的簡化設計方面。C組學生零件數量比較多，造成其發揮空間受限。整體來看，3組學生在整個操作過程中都存在一些短板，但是他們基本上都能夠掌握這一章節的基本知識點，順利完成教師安排的學習任務。

6. 進行課堂反思

第一，3組學生在進行作品設計的過程中，都選擇了2種及以上傳感器，同時還包括1個LED燈、主控線路等。除了A組學生有一個設計功能由于條件限制不能對其進行評測以外，其他兩組學生的功能設計目標基本上都順利實現，而且通過調試都能夠成功運行，這說明教師采用分層教學模式的實際成效是不錯的，整體能夠滿足預期教學要求。

第二，按照以上3組學生的整個設計活動的操作，我們能夠發現：A組學生比較看重結構搭建，注重用戶體驗，但是在周圍環境測試方面缺乏豐富的經驗。這一組學生有一項功能測試并未完成，不過通過后續的代碼驗證，發現其代碼編寫正確。B組學生在結構搭建的過程中增加了一個零件—舵機，確保其與第三方工具的銜接更加緊密，整個操作過程是相對順利的。這一小組學生代碼設計與編程相對簡潔，不過邏輯思維比較混亂，整體來看，存在操作秩序不清等問題。C組學生不但增加了其他零件，而且增加了一個功能，代碼設計相對簡潔，整個過程的完成順暢度非常高，邏輯思維非常清晰。該組學生制作的思維導圖也非常完整、清晰，在表達方面非常順暢，作品功能良好。

第三，通過分層教學方法對學生進行引導，我們能夠發現相應的教學方法與各小組學生的基本學情相吻合，能夠最大化地激發學生熱情，幫助學生順利實現學習目標。教師的預期教學計劃也能夠順利完成。

第四，經過一段時間的學習經驗積累，再加上鼓勵學生參加比賽鍛煉等，我們發現，C組學生的思維相對開闊一些。這一組學生不管是在作品的外觀設計，還是在編程測試、功能設計等方面，都表現出一定的優勢；在團隊合作方面，C組配合得當，學習效率高，整體表現比較突出。

現今，我國小學人工智能編程課程教學工作并未廣泛推行，實施分層教學是一個亟待探索的重要課題。教師需要對學生的基本學情與實際情況進行精準分析與定位，然后分層次指導，并靈活調整相應的教學內容與方法，設計一系列與學生發展相吻合的編程活動，循序漸進地開展人工智能編程課程，這對于增強學生的學科綜合素養能發揮積極作用。

（作者單位：安徽省淮北市第一實驗小學）

責任編輯：趙繼瑩