初中人工智能課堂項目式教學實踐

【摘" 要】“人工智能+教育”迅速發展，在教學實踐中，切實貫徹教育方針，借助項目式學習落地于初中人工智能課堂，創設情境設定符合生活的大主題，設計項目式任務，激發學生學習興趣和對人工智能知識的探究欲望，提升學生解決真實問題的能力。學生學以致用，讓學生在獲取知識的同時，在思維能力、情感態度和價值觀方面都得到不同程度的發展和提高。同時帶動教學方式和育人方式的改革，促進學生核心素養的提升和學生的全面發展，讓學生經歷知識形成的全過程。

【關鍵詞】項目式學習；五育融合；智能成長花園

自國務院《新一代人工智能發展規劃》發布以來，“人工智能+教育”迅速發展。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》將人工智能相關教學內容寫入課程標準，隨著課程改革的不斷深入，2022年4月發布的《義務教育課程方案（2022年版）》提出了基于跨學科學習的觀念，信息科技學科中將人工智能納入課程體系。初中人工智能課程如何讓堅持德育為先、智育為重、體育為基、美育為要、勞動為本的理念落地呢？筆者以項目式學習融合五育于初中人工智能課堂進行項目式實踐。

一、初中人工智能課堂貫徹教育方針實現五育并舉

人工智能跨學科五育并舉實踐教學要以核心素養為綱，以實踐性主題為導引創設真實情境，加強各種學習資源之間的聯系，設計實踐性學習任務，讓學生在完成學習任務經歷問題解決的過程中學習信息科技、人工智能知識，從而提高學生的綜合能力。跨學科要體現綜合性和實踐性，促進學生學以致用的能力和學習習慣的養成。

二、初中人工智能跨學科實踐的“項目式”策略

《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》中跨學科實踐內容的安排就是試圖通過設置跨學科主題活動來增強各學科間的關聯，盡可能地避免分科課程的弊端，給學生全面發展帶來的負面影響。如何在初中信息科技人工智能學科跨學科實踐活動中做到以初中人工智能知識和能力為主，有效整合，其他學科知識既不給學生增加學業負擔，又能很好地依據課標的要求，達成課程目標，提升學生的核心素養，培養他們的必備品格和關鍵能力呢？項目式學習圍繞實際生活中真實且具體的問題，學生經過相互協作、深入探究，付出腦力與體力在做中學，在解決問題中生成知識，獲得學科知識，培養德育、智育、體育、美育、勞育多方面能力。項目式學習利于將五育融合與問題解決相融合。

三、初中人工智能課堂項目式學習實踐——以“智能成長花園”為例

（一）真實情境下設計項目，開啟智慧旅程

1.項目簡述

教師提供真實情境：因裝飾、改善室內空氣質量等原因，家家戶戶都喜歡種植綠植。但是有時候外出一段時間，植物無人照顧，綠植很快就變得不成樣子。隨著人工智能技術的發展，能不能制作一個智能成長花園，讓智能成長花園在需要時為綠植澆水，同時能夠自動檢測土壤的濕度，空氣的溫度和濕度呢？本項目整合多學科形成設計方案并運用創客技術高效檢測綠植的長勢。學生通過搜索、查閱等手段獲取信息，之后對信息進行內化，明確基本概念。與此同時，學生使用人工智能技術，借助溫濕度傳感器，開展合作、探究式學習。在實現智能成長花園的同時，學生建立知識、學科聯系，掌握技能。

本次項目式學習的本質問題是利用人工智能設備幫助學生智能管理花園。

2.項目啟動階段

情境導入，明確任務：小栗家的綠植非常漂亮，但小栗有事外出一段時間，植物無人照顧，綠植很快就變得不成樣子。我們如何幫助小栗，讓他免受困擾呢？

是否可以制作一個智能成長花園自動檢測土壤的濕度、空氣的溫度和濕度，在需要時為綠植澆水呢？

3.原理探究，收集資料，制訂方案

各班進行分組，查閱資料，了解土壤傳感器、溫濕度傳感器、水泵圖形塊的使用方法。土壤濕度低于植物所需水平時，水泵開始抽水灌溉，實現自動澆花。

空氣溫濕度傳感器其內部放置了濕敏傳感器和溫敏傳感器。濕敏傳感器是借助基片上覆蓋的、用感濕材料制成的膜來測量濕度。而溫敏傳感器則利用熱敏電阻的特性來測量溫度。

土壤濕度傳感器，也可以稱為土壤水分傳感器，主要用來測量土壤容積含水量。

水泵是輸送液體或使液體增壓的裝置，將水泵連接到驅動板的P1口和P2口。

水泵如何自動澆水和停止澆水？根據檢測土壤的濕度數據，設定一個閾值，當土壤濕度數據比此閾值小（干燥）時，水泵啟動，開始澆水；當土壤濕度數據比此閾值大（濕潤）時，則關閉水泵，停止澆水。

4.項目實施階段

自主協作，具體實施：

自主協作，具體實施1——程序編寫：引導學生完成智能花園的程序編寫，如圖1、圖2所示。

當詢問“土壤濕度”后，智能花園播報土壤濕度百分比。當土壤濕度數據小于或等于40％時，水泵開始自動澆水；當土壤濕度數據大于40％時，水泵停止澆水。

自主協作，具體實施2——硬件搭建：

將主控板與擴展板組合。

將揚聲器的音頻線接到主控板音頻接口，將揚聲器的電源線連接到擴展板任意的三針管腳。

將土壤濕度傳感器與擴展板的A3管腳連接。

將溫濕度傳感器與擴展板的D7管腳連接。將水泵與驅動板連接起來。將驅動板與擴展板的D11、D13管腳連接。使用數據線連接主控板與電腦。保證創造栗主控板通過MicroUSB接囗與計算機相連，確保主控板與計算機連接成功。

編程環境識別到主控板后，點擊上傳按鈕，將程序上傳到主控板中。斷開數據線與主控板。

自主協作，具體實施3——體驗人工智能：

將主控板與電源適配器連接。

等主控板啟動，紅燈熄滅。

喚醒人工智能作品名稱“智能花園”。

說出預設的命令語音（土壤濕度）。

點撥引導，過程檢查：教師巡查指導，小組協作。

5.項目總結階段

展示成果，改正完善：小組上臺展示成果，組員補充完善。其他小組點評。經歷項目式學習，學生不僅掌握了知識，還培養了學科必備的品格及素養。

（二）解決真實問題，探尋勞動之美

本次項目式實踐通過系列活動，讓學生在參與體驗創作成果的過程中加深了對勞動的認識，增強了學生對勞動的認同感。

勞動創造美。在智能成長花園的在研究過程中，學生一步步設計、完成了智能花園，投入家庭中更能讓學生產生滿足感和成就感。

結合“認識—體驗—實踐—總結”的模式，結合威盛創造栗硬件進行項目式教學，本次項目式學習活動拓寬了學生的思維，激發了學生的學習興趣，學生在做中學，讓學生掌握了溫濕度傳感器、水泵等硬件知識，以及程序的編寫，同時鼓勵學生查找自己想種植的植物適合的土壤濕度，然后改變智能成長花園內對應的控制水泵工作的數值，并將所學知識很好地應用在日常生活中，讓學生解決真實問題的過程中促進核心素養的提升，項目實施的目的明確，結構完整，學生完成度高，并且能在一定程度上進行創新。

項目式學習主要從真實情境出發，注重問題的解決。對目前中學的人工智能課程來說，項目式學習還處于起步階段，我們應該思考項目式教學開展中融合五育教育，在教學實踐中，教師先確定了所蘊含的“五育”因素，明確“五育”內容，探索、梳理學科教學與“五育”相融合的有效方式方法。在本課中學生不僅要學會人工智能課中要掌握的編程等知識，還要將其他學科的知識點運用到作品中，比如智能花園的設計、空氣溫濕度、土壤溫濕度等。整節課以生為本，在民主和諧的教學氛圍中、在學生掌握學科知識的同時，必備品格及素養不同程度得到了發展和提高，讓“五育”目標在層層遞進的問題情境中逐步完成，引導學生較為全面的感知與體悟，促進思維進階。

四、結束語

本節課以學生為主體，動手操作貫穿始終，在體驗過程中，將感性認識上升為理性認識。教學設計比較好地體現了新課標的“讓學生經歷知識形成的全過程”這一理念。

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（本文系廈門市“市管區培”專項學科帶頭人課題“基于項目式學習的初中人工智能案例設計與實踐研究”階段性成果之一，課題批準號：XMXDHC20230101+049；福建省教育科學十四五規劃2023年度課題“基于人工智能的中學信息科技教育數字化轉型研究”階段性成果之一，課題編號：FJJKZX23-477）