基于跨學(xué)科的小學(xué)人工智能教學(xué)案例開發(fā)

【摘 要】本文基于跨學(xué)科教學(xué)理念梳理了小學(xué)人工智能教學(xué)的流程；將真實生活中的學(xué)習(xí)目標(biāo)嵌入課程中，設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)項目，為學(xué)生提供跨學(xué)科學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生主動探索和理解任務(wù)，使其學(xué)會運(yùn)用新的技術(shù)解決生活中的問題，培養(yǎng)其綜合能力。

【關(guān)鍵詞】跨學(xué)科教學(xué)；人工智能；教學(xué)實踐

【中圖分類號】G434" "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）05-063-02

小學(xué)人工智能教學(xué)案例開發(fā)流程

在小學(xué)人工智能課程中，可以采用整合生活經(jīng)驗的跨學(xué)科教學(xué)方式，將分學(xué)科的知識按問題邏輯或項目邏輯進(jìn)行跨學(xué)科重組，通過生活中的真實問題激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生帶著解決問題的挑戰(zhàn)進(jìn)行探究和協(xié)作。基于跨學(xué)科的小學(xué)人工智能教學(xué)案例開發(fā)流程包括：（1）選擇教學(xué)主題；（2）確定教學(xué)目標(biāo)；（3）準(zhǔn)備教學(xué)資源；（4）提出驅(qū)動問題；（5）組織教學(xué)活動；（6）開展教學(xué)評價。

在跨學(xué)科教育理念的指導(dǎo)下，筆者將國家課程中互相關(guān)聯(lián)的信息科技學(xué)科、科學(xué)學(xué)科、勞動實踐課、語文課等的部分知識與人工智能課程進(jìn)行整合，根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗，設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題——“制作智能植物養(yǎng)護(hù)小助手”。

學(xué)生通過為植物設(shè)計制作“智能植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)”，來解決學(xué)校生態(tài)園中的植物在假期無人看守的問題。具體學(xué)習(xí)內(nèi)容涉及信息科技課中的“網(wǎng)絡(luò)搜索”、人工智能課中的“感知、識別、自動化技術(shù)”、科學(xué)課中的“了解植物生長習(xí)性”“電路連接”、勞動課中的“種植技巧”、語文課中的“表達(dá)與寫作”等知識。

教學(xué)基本情況介紹

本節(jié)課的教學(xué)對象是三年級45名學(xué)生，教學(xué)時長120分鐘。在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生了解了人工智能相關(guān)的基礎(chǔ)知識，體驗過人工智能技術(shù)的一些應(yīng)用。本次課使用的器材包含語音識別、圖像識別、溫濕度等多種傳感器設(shè)備，若干可以搭建的積木模塊、導(dǎo)線、平板電腦等。積木模塊可以用來搭建結(jié)構(gòu)件，平板電腦可以用來編寫圖形化的程序，電機(jī)和傳感器等在程序的控制下可以實現(xiàn)具體的功能。學(xué)生需要完全參與到活動中，并且是小組合作才能完成這個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。具體學(xué)習(xí)目標(biāo)如表1所示。

表1 “制作智能植物養(yǎng)護(hù)小助手”教學(xué)目標(biāo)

主要涉及學(xué)科及目標(biāo) 科學(xué)：①了解不同植物的生長習(xí)性。②初步掌握電路連接的方法。

技術(shù)：①能夠利用計算機(jī)等工具查找需要的信息，并進(jìn)行整合。②理解智能技術(shù)中的感知、識別等概念，創(chuàng)意使用電子元器件，合理編程，實現(xiàn)水泵自動抽水、LED燈自動補(bǔ)光，風(fēng)扇自動降溫等功能。

工程：合理使用工具，制作結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)件。

語文：①能清晰表達(dá)并強(qiáng)調(diào)主要觀點。②能夠簡潔概括地描述出核心步驟，表達(dá)重要的信息。

核心

素養(yǎng) 科學(xué)精神：培養(yǎng)科學(xué)探究的態(tài)度和能力，包括以科學(xué)的方式探究和收集證據(jù)，與他人合作，能被質(zhì)疑和以適當(dāng)批判思維闡述觀點和提出解釋。

責(zé)任擔(dān)當(dāng)：有責(zé)任感，在涉及環(huán)境、安全和健康的問題上采取負(fù)責(zé)任的行為。

實踐創(chuàng)新：具有好奇心，在尊重科學(xué)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新使用工具，合理地解決生活中的實際問題。

教學(xué)設(shè)計與實施

本節(jié)課從課前、課中兩個環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，在情境體驗中明確要解決的問題；在自主探究中形成想法，建構(gòu)知識；在小組討論的過程中設(shè)計產(chǎn)品方案，借助計算機(jī)將真實世界中的問題轉(zhuǎn)換成編程設(shè)計；在協(xié)作交流中迭代改進(jìn)，制作具有創(chuàng)新性的作品；在展示交流中進(jìn)行反思和深化。

1.情境感知

教師創(chuàng)設(shè)情境，提出問題——如何讓盆栽植物在沒有人照顧的情況下也能很好地存活？引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用人工智能技術(shù)手段來創(chuàng)新性地解決這個問題。學(xué)生需要上網(wǎng)查找資料，了解特定植物的生長習(xí)性，思考智能系統(tǒng)對于保障植物生長的重要性，以及如何利用已有的器材來制作這樣一個智能系統(tǒng)。然后，他們需要找到解決這些問題的方案，嘗試可能的解決方案，并最終準(zhǔn)確地描述正確的解決方案。這個過程與問題的分解有關(guān)，分解問題的各個部分，并確定他們必須遵循的解決問題的步驟。

2.概念知識學(xué)習(xí)

學(xué)生對于概念、原理的理解，能夠幫助他們?nèi)ダ斫庵車氖澜纾缓笥幸罁?jù)地進(jìn)行決策和采取適當(dāng)?shù)男袆印＿@一階段，教師為學(xué)生構(gòu)建解決問題的經(jīng)驗，提供學(xué)習(xí)的資料，包括學(xué)習(xí)單、微視頻等，幫助學(xué)生了解植物生長的必需條件、智慧種植系統(tǒng)的工作原理、模型搭建的基本方法，以明確解決問題的思路，為方案的制定做好準(zhǔn)備。

3.協(xié)作方案設(shè)計

設(shè)計方案的過程實際上就是梳理思路的過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和設(shè)計思維。教師指導(dǎo)學(xué)生通過繪圖設(shè)計原型，將想法轉(zhuǎn)化為解決現(xiàn)實世界問題的方案。學(xué)生先單獨繪制模型設(shè)計圖，然后在小組討論交流中發(fā)現(xiàn)不足，思考如何讓模型正常運(yùn)行，并由教師來確認(rèn)或解釋設(shè)計方案的合理性。各小組綜合組員和教師的意見進(jìn)行協(xié)商，選擇最佳方案進(jìn)行模型設(shè)計與實施。在這一階段教師引導(dǎo)學(xué)生一點一點對事情進(jìn)行分析，合理規(guī)劃設(shè)計方案。為了讓學(xué)生能夠有更多空間去創(chuàng)新、創(chuàng)造，教師為學(xué)生提供多樣的器材，供其選擇使用。學(xué)生根據(jù)興趣選擇合適的器材，并通過繪圖設(shè)計解決問題的方案。小組成員單獨繪制模型的設(shè)計圖，通過討論分析，發(fā)現(xiàn)各自的優(yōu)缺點，教師幫助確認(rèn)或解釋設(shè)計方案是否合理。各個小組綜合組員和教師的意見進(jìn)行協(xié)商，選擇最佳的設(shè)計方案作為最終實施的模型。

4.智能作品制作

創(chuàng)意實施是問題解決的核心階段。在這個階段學(xué)生將以小組為單位進(jìn)行創(chuàng)造和實踐。為了達(dá)成目標(biāo)，學(xué)生需要熟悉元器件，了解其是如何工作的；再來選擇合適的傳感器模塊進(jìn)行連接和搭建；根據(jù)需要不斷地調(diào)整修改程序、參數(shù)；用偵測、判斷、重復(fù)執(zhí)行等編程語句，實現(xiàn)對環(huán)境的溫度、土壤的干濕度、光照的強(qiáng)度等的判斷；通過啟動電機(jī)、水泵、燈泡等輸出功能，實現(xiàn)自動化的控制。編程的過程中，也可能會因為無法達(dá)到預(yù)期目的而要替換器材或者修改設(shè)計的方案。教師在適當(dāng)?shù)臅r候給予具體的指導(dǎo)。并不是所有的學(xué)生都對科學(xué)、工程問題感興趣，教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的興趣和特長進(jìn)行分工，以幫助他們能夠提出一些符合自己“身份”的問題。將設(shè)計方案變成現(xiàn)實，初步實現(xiàn)讓機(jī)器完成自動養(yǎng)護(hù)的目的，體現(xiàn)了問題解決中的“抽象”“分解”“概括”等重要方法。

5.作品改進(jìn)優(yōu)化

在這個階段，學(xué)生以小組為單位，通過實驗以檢驗其作品的可行性和適用性。如傳感器是否能夠準(zhǔn)確判斷土壤的干濕情況，水泵是否能夠自動澆水，水量的大小是否適中，補(bǔ)光元件是否真的能夠起到補(bǔ)光的作用等。針對問題進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)，目標(biāo)是完善最終的解決方案。

作品改進(jìn)優(yōu)化的過程也是創(chuàng)意迭代的過程，迭代貫穿于整個活動過程中。學(xué)生在實施的過程中，要同時完成學(xué)習(xí)單上的記錄表，學(xué)習(xí)單上的一些提示性的問題會幫助學(xué)生思考作品存在的問題，或激勵學(xué)生不要停留在簡單的制作上，從而讓學(xué)生自主對作品進(jìn)行優(yōu)化。

6.交流展示評價

在這個階段，各個小組在教室展示他們的智能植物養(yǎng)護(hù)小助手的作品，介紹設(shè)計思路，展示作品的功能。思考和回顧有助于加深學(xué)生對事物的理解，能夠極大地鍛煉學(xué)生的溝通與交流能力。一方面，需要學(xué)生用合適的方式表達(dá)清楚自己的想法；另一方面，需要學(xué)生學(xué)會傾聽，通過傾聽別人的匯報，反思總結(jié)。

教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)評價包括是否能夠根據(jù)主題表達(dá)的要求，以合作的方式規(guī)劃、設(shè)計方案，并最終解決問題；是否具有團(tuán)隊中心意識，與其他成員融洽地解決問題；為達(dá)到共同的學(xué)習(xí)目標(biāo)，是否采取分工合作、各自盡力又相互協(xié)助地開展學(xué)習(xí)；成員之間遇到問題是否能開展討論、互助和協(xié)調(diào)等。如果學(xué)生沒能實現(xiàn)他們的設(shè)想，教師需要理解他們所作努力的價值，并幫助他們調(diào)整探索的方向或者重點。

注：本文系唐山師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項目“人工智能技術(shù)背景下英語教學(xué)改革研究”（2021JG003）成果