人工智能教學設計實踐后的再思考
——以智能家居系列“房間氛圍燈”為例

孔 菊 馬 敏 孔 軍

(1.合肥一六八玫瑰園學校 2.合肥市習友小學 安徽合肥 230000)

一、人工智能教學宜采取項目設計方式進行

(一)什么是人工智能

美國麻省理工學院溫斯頓教授認為,人工智能就是研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智能工作。這反映了人工智能學科的基本思想和內容,即人工智能是研究人類智能活動的規律,構造具有一定智能的人工系統,研究如何讓計算機去完成以往需要人的智力才能勝任的工作,也就是研究如何應用計算機的軟硬件來模擬人類某些智能行為的基本理論、方法和技術。

簡單來說,人工智能就是研究計算機如何才能代替人類思維,這就要求計算機能從已有“數據處理”功能進一步擴展到可進行“知識處理”,而這一能力范疇的轉化促使人工智能學科得以快速發展。

(二)人工智能教學的特點

針對中小學生這一特定對象來說,進行人工智能教學必須先進行教學設計,需要考慮到學生的年齡特點。總體來說,小學低段要以理論故事和實踐體驗為主進行設計,小學高段及初中階段則以理論閱讀和實踐操作為主進行設計。此外,人工智能教學設計要想高效付諸實踐,需要在課程教學時滿足學生的需求:一是課堂時間相對充裕,有機會操作實踐和思考留白;二是推崇任務分解,由小組合作完成,體驗探索成功的樂趣;三是人人有分工,每個學生都能親身體驗和思考人工智能帶來的便利,真正讓人工智能理念服務于學生。

(三)如何進行人工智能教學

根據內容劃分,人工智能教學包括理論認識和教學實踐兩部分,二者同等重要,都需要教師認真進行教學設計,采用具體案例來具象呈現,帶動學生去體驗、去操作、去感受,從而讓學生感悟理解人工智能。結合人工智能教學的特點來看,目前利用項目設計方式來組織教學,能讓學生有更好的體驗感,更好地達成目標,時間上有保障,從而保障教學效果的實現。

二、人工智能教學采取項目設計方式的利弊

人工智能教學采取項目設計的方式,是否就可高枕無憂、一勞永逸?筆者以某人工智能項目教學資源“智能家居”系列“房間氛圍燈”教學項目設計為例,經過教學、實踐、反思、再實踐、再反思后,總結出人工智能教學項目設計方式的優勢和弊端,具體如下。

(一)人工智能項目設計優勢

“房間氛圍燈”教學項目設計的典型特點是六步法教學:情境導入,明確任務(引入制燈任務);收集資料,制訂方案(需求分析,方案設計);自主協作,具體實施(具體制作,任務分解);點撥引導,過程檢查(不斷調試糾錯);展示成果,修正完善(不斷完善和總結);評估檢測,拓展升華(互相評價,拓展應用)。這既有其優勢也有其弊端。優勢是如此開展課堂組織教學,項目思路清晰、條理清楚,項目實施時間緊湊,項目效果相對明顯,初學者易上手、學到知識,往往教學組織效果也相對比較理想,值得學習和借鑒。

(二)人工智能項目設計弊端

在肯定人工智能項目設計優勢的同時,也要認識到其存在一些弊端,究其根源主要是忽略了對人的主觀創造性的培養,一個項目幾堂課下來,雖然教學順利,學生作品多多,可是采訪了我們的學習主體——學生后,回看記錄:課程結束后他們對其體驗滿意嗎?他們的需求得到滿足了嗎?他們的思維得到發散了嗎?沒有。而這正是教師需要關注的重點。

三、人工智能教學項目設計應遵循的原則

根據《義務教育信息科技課程標準(2022年版)》和《人工智能白皮書》的雙重指導,筆者提煉出人工智能教學設計可以遵循的項目設計六步法,同時要遵循教學設計四個原則。

(一)真實性原則

1.原案例導入

2.原則指導分析

根據真實性原則分析,此處提出兩點疑惑:一是學生真實生活的需求,都有養護熱帶魚的家庭情境嗎?二是如果看不清魚缸里的小魚,直接打開普通燈即可,為什么一定要提出設計房間氛圍燈?既然學生提出質疑和困惑,那就會影響學生學習的興趣和動力。因此,提出項目任務——為什么要做這個項目,始終是教學設計的第一位,既要基于學生實際生活的迫切需要,又要能激發學生對此產生一連串的思考,以及迫切解決問題的內驅力。

3.現案例導入修改

一版:

課前點名時,發現一位同學上課沒來,追問原因,是去醫院看望爺爺了,因為爺爺前一天起夜不小心摔傷住院了。學生討論:

學生1:因為夜里太黑,起來看不清路而摔倒。

學生2:可以摸著黑下來開燈。

學生3:我妹妹就是這樣,開燈嫌刺眼,不開燈說太黑害怕,總是哭鬧吵人。

師生共同愿望:能否利用所學的知識,制作小小夜燈解決爺爺和妹妹晚上視物不清的問題。(基于個人生活需求設計)

二版:

校園智慧圖書館正在建設落成中,同學們積極觀看智慧圖書館開館直播儀式,并體驗在館讀書的感受,但同學們馬上發現了幾個問題:缺少自助管理、噪聲過大、無法安靜閱讀。基于智慧圖書館環境,大家集思廣益提出安裝降噪提示燈。(基于校園生活需求設計)

(二)需求和分析相一致原則

1.原案例導入

任務師生互動活動及口語提示思考:有沒有一種燈能夠發出各種顏色的光?師:我們家里燈光的顏色通常都是白色或者淡黃色,但氛圍燈需要發出各種顏色的燈光,你在生活中見過這樣的小燈嗎?它叫什么?(生答,互動)生:彩色燈,也叫作RGB燈,是一種能夠顯示出任何顏色的LED燈。師:它為什么叫作RGB燈呢?(生答,互動)生:RGB表示的是三種顏色,燈內部其實是由紅色(Red)、綠色(Green)、藍色(Blue)三種單色LED燈組成的,通過三種單色燈發出的色光發生交集,發出最終的色光

2.原則指導分析

從理論上認識RGB燈及其原理,幾乎沒有任何分析和鋪墊,直接過渡到RGB燈探究活動及學習硬件需求搭建。

3.現案例導入修改

根據小學生生活實際,教師提出關鍵問題,帶著他們層層剖析,探究解決問題的本質,即需要什么才能解決當前問題,循序漸進地推進人工智能世界探索,引導學生理解人工智能便利生活。

一版:

二版:

于是實驗猜想這種提示:對光顏色和光亮度的變化影響,繼而利用RGB超聲波傳感器展開實驗驗證,了解與問題關聯的因素,根據需求隨機應變,設計作品來解決實際問題。

(三)科技并重原則

1.原案例導入

體驗:軟件控制RGB燈師:我們所用的RGB燈在RGB超聲波傳感器上,先觀察一下它的位置和外觀,軟件控制積木如圖所示。師:接下來同學們自己進行嘗試,編寫如下程序,看一下小燈亮的光是什么顏色。生:(打開軟件,自主嘗試)白色。師:根據圖上的顏色組合,在程序中改變模塊的RGB值,把所得結果寫在方框里。紅色+綠色= 綠色+藍色= 紅色+藍色= 紅色+綠色+藍色= 活動結果了解RGB燈原理,通過實踐掌握RGB模塊的使用方法,改變燈光顏色認識:從功能認識觸摸開關,了解基本原理師:小彩燈的問題解決了,可是什么時候燈光的顏色會變呢?回想一下家里的臺燈是如何控制的。師生:大多數的臺燈都有一個開關,按下開關燈能夠亮滅,而現在有一種更方便的方式來控制燈光———觸摸開關,用手輕碰開關就能被感應。房間氛圍燈在手觸碰觸摸開關時,每隔0.5秒變換一個顏色,手離開觸摸開關后,燈就會一直顯示手離開時的顏色。師:觀察觸摸開關,并思考觸摸開關是如何感應到觸碰的。(生答,互動)師生:觸摸開關起決定作用的是內部的觸摸傳感器,它通過檢測電容變化來檢測是否有物體觸碰。由于人體組織中充滿了傳導電解質,它可以做電容發生變化,當手觸碰到傳感器電路板時,電容發生劇烈變化,傳感器便能判斷出它被觸碰到了體驗:編程探索觸摸開關功能師:你能在軟件中找到控制觸摸傳感器的積木嗎?它有什么特點?

2.原則指導分析

原版很明顯過多注重技術、教授技能,學生在活動中只是照葫蘆畫瓢,學案讓我干什么我就干什么,沒有自己的留白和創新思考,也許體驗下來,會有一點對RGB燈、觸摸開關的使用感悟,但是為什么學它、為什么用它,多數學生沒有自己的深度思考。因此,教學設計的根本原則,是想清楚到底想讓學生干什么、學會什么。

3.現案例導入修改

一版:

根據作品分析找出與功能對應的設備參數應用詳情,為后續進行具體變量設置打下基礎。

二版:

通過實驗驗證的設計思路感悟“光的三原色原理”,借助游戲來體驗探究光顏色與RGB值的關系,利用數據對比分析來理解光顏色和亮度的變化原理,從而充分激發學生的學習興趣,增強學生學習的內驅力和思考力,為進一步制作作品奠定濃厚的興趣和理論基礎。

(四)注重學生素養培養原則

1.原案例導入

分享:過程中的收獲,講解作品(小組分享:完成過程中的收獲和體驗)主題提示:1.每次觸碰后燈光都會切換成隨機的顏色,用到了“隨機數”積木,你能用自己的話理解一下什么是隨機數嗎?2.RGB燈為什么能發出不同顏色的光?3.這個作品有哪幾個功能?為了實現功能需要用到哪些邏輯結構和語句?活動結果搭建完成“氛圍燈”的基本結構,并能理解編程的流程邏輯總結在本節課中,我們觸碰控制RGB燈切換顏色制作氛圍燈,遇到家中燈光顏色的變化改善居住環境,觸摸傳感器的加入也使我們對生活中電器的控制更加智能化拓展1.能不能讓兩個小燈亮不同的顏色?(分別控制左右小燈)2.除了操控方便外,你還知道觸摸開關的哪些優點?安全性高。由于這種開關是通過觸摸開啟的,它采用的是全封閉的設計方式,因此我們在使用過程中不容易出現損壞的現象。觸摸開關的安全性高,采用的是兩層全密封面板,即使我們用濕手操作也可以放心使用,它有較好的防水和防潮性,在使用中也不容易出現觸電、漏電等現象

2.原則指導分析

此部分的應用和拓展,雖然有拓展和升華之意,但仍停留在知識表面,引導大家談論的是知識點,如隨機數怎么用、觸摸開關怎么用等,而小學生從知識技能層面來說,只要會簡單使用即可,不需要做深入復雜的應用和訓練。因此,教學案例設計的終極目標應該是指向學生素養,即培養的是怎樣的人,培養人怎樣的能力。

3.現案例導入修改

一版:

借助小夜燈的案例設計,學生體驗到了智能設備所具有的優勢,以及智能服務生活的便利。但是更多是傾向于STEM融合案例,需要再優化。

二版:

當同學們充分了解RGB值對光顏色亮度的具體影響時,小組合作很快就完成了設計作品的硬件搭建、算法設計和編程體驗,甚至還提出更多的修改建議和創意想法,課堂可以為其提供更多的學習支架;也有少數同學課后通過查詢網絡資料了解三原色原理、加色法原理及其在生活中的相關應用,如全彩LED燈、彩色屏、景觀秀等技術應用,還有LED全彩技術、彩色全息投影技術以及光的互補配色實驗等,讓理論學習更深更全,小學生雖年齡小但真是潛力無限。

此外,通過課程學習,同學們制作了自主原創可控作品——智慧圖書館降噪提示燈。雖然制作簡單,但卻真實解決了學生身邊的問題,且每個作品都融入每組學生自己的創意,為個性化學習提供了可能。在經歷作品制作和應用環節后,同學們自覺提升了信息素養和文明素養,一個個主動成為學校圖書館的“降噪宣傳大使”;同時也驗證了實驗中的有變量和不變量,培養了同學們分析整理數據的能力,在變量中有序尋找規律,可以幫助學生突破難點,理解科學原理;學生在解決問題的過程中,既培養了正確的價值觀,又培養了計算思維和學科核心素養,而且提高了實驗探究能力和跨學科綜合能力。