素養導向下的小學人工智能跨學科單元主題教學

【摘 要】跨學科單元主題教學是提升學生核心素養的重要手段，筆者結合學生科學課上的養蠶活動，設計小學人工智能“智能養蠶”主題單元，旨在探索小學人工智能跨學科單元主題教學路徑，以“情境問題”為導向，有效發展學生人工智能學科核心素養。

【關鍵詞】跨學科主題；單元教學；核心素養；智能養蠶

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）07-051-03

當前，如何推進小學人工智能教育，培養學生的核心素養，從而發揮其育人功能，已成為重要的課題。《中小學人工智能課程指南》指出“課程倡導跨學科主題的項目式學習，將知識建構、技能培養與思維發展融入應用人工智能技術方法解決問題和完成任務的過程中”[1]。同時，小學人工智能學科教學應立足學情，精心設計符合學生生活經驗和認知特點的教學內容和教學活動。本文以AI“智能養蠶”跨學科單元主題教學為例，探索小學人工智能教學的可行路徑。

跨學科單元主題教學內涵

小學人工智能跨學科單元主題教學，是以小學人工智能單元教學為載體，引導學生在某一主題中基于真實情境發現問題，綜合應用不同學科的學習視角、學科知識和方法展開思維活動，分析人工智能原理和應用的同時，創造性地解決問題，以此促進學生綜合素養的提升。小學人工智能跨學科單元主題教學包含跨學科教學和單元主題教學兩個內涵：前者圍繞小學人工智能學科教學，選定一個課題，運用不同學科知識對該課題進行教學設計，引導學生開展綜合性學習；后者就教學模式而言，通過跨學科領域的主題探究，開展單元整體教學，讓學生系統地學習和應用人工智能知識與技能，發揮學生的主體建構性，實現學生的綜合素養發展[2]。可見，二者均指向以學生的全面發展為目標而進行的教學活動設計，也為素養導向的小學人工智能學科教學設計提供了思路。

跨學科單元主題教學設計

筆者基于《中小學人工智能課程指南》（以下簡稱“課程指南”）提出的人工智能核心素養，即智能意識、智能思維、智能應用與創造、智能社會責任[3]，結合四年級科學學科的“養蠶”單元主題活動，設計小學人工智能“智能養蠶”跨學科單元主題教學。

1.單元主題分析

AI“智能養蠶”單元是基于“uKit進階級”人工智能積木套件和uKit EDU（或uCode）圖形化編程軟件，讓學生通過主題項目探究，分析人工智能的相關原理和應用，設計并實現AI智能模型。該單元主題內容讓學生了解人工智能能夠提高養蠶效率，并通過人工智能原理和應用，結合養蠶中遇到的溫濕度、亮度調節等實際問題，分析智能模型表征，進行模型應用推理，實現智能養蠶模型實例；結合智能創意培養學生的創新意識，提升學生的綜合素養，讓學生感受人工智能對傳統養蠶方式的發展與變革。本單元體現了人工智能、科學、數學、勞動等多個學科知識的融合，強調學生對抽象模型的邏輯推理，以及能夠通過人工智能原理和應用實現智能創意物化，提升解決問題的能力，發展學生綜合能力和創新精神。

2.單元主題目標設計

筆者以培養學生的人工智能學科核心素養為導向，確定本單元跨學科教學目標如下：（1）借助“uKit進階級”人工智能積木套件和uKit EDU（或uCode）圖形化編程軟件平臺等教學資源，引導學生在參與智能養蠶模型實現活動過程中形成邏輯思維能力，促進人文底蘊發展，培養智能應用與創造能力；（2）通過智能養蠶模型及其算法的分析、設計、應用、優化、迭代，提高學生的觀察能力、分析能力、知識遷移能力，有效培養學生的智能思維能力；（3）結合養蠶中的溫度、濕度和亮度數據，通過獲取人工智能傳感器的數值，以及改變人工智能應用模塊代碼參數值等數據，提升學生的智能意識；（4）通過實現智能養蠶模型，提高學生利用人工智能技術解決生活生產遇到的問題的能力，讓學生感受傳承華夏文明并增強利用人工智能技術為實現傳統農業發展的智能社會責任，體會人工智能帶來勞動效率的提高，樹立學生勞動美德意識。

3.單元課時教學設計

基于“智能養蠶”跨學科主題，以核心素養培養為宗旨，踐行知識學習和實踐并重，筆者設計了本單元5個課時教學內容。第1課時智能養蠶知多少，了解蠶的一生變化以及蠶不同時期的生長環境需求，提出智能養蠶的人工智能應用設想，對AI智能模型進行功能分析及邏輯推理，為養蠶盒搭建人工智能應用固定支架。第2課時感知蠶的生活環境，了解亮度傳感器和溫濕度傳感器的原理和應用、連接傳感器與主控設備，通過uKit獲取蠶盒內的溫濕度值和亮度值，并分析其對智能模型的意義。第3課時智能調節養蠶溫濕度，執行器直流電機的原理及應用，為蠶盒設計并搭建智能通風模型，分析直流電機的功能代碼，描述并實現通風模型的程序算法。第4課時智能調節養蠶亮度，執行器舵機的原理及應用，為蠶盒設計并搭建智能遮光模型，分析設計舵機的動作，描述并實現遮光模型的程序算法。第5課時智能養蠶創意升級，眼燈、藍牙音箱等其他模塊的原理及應用，進一步完善或優化智慧養蠶整體模型和算法，小組展示并交流AI智能創意，智能創意及過程性學習評價。

跨學科單元主題教學實施

1.概念統領，形成單元主題結構圖譜

隨著人工智能教育的推動，美國在K-12階段開設人工智能課程并提出人工智能教育的五大概念，分別是感知、表征與推理、機器學習、人機交互、社會影響[4]。這五大概念具有內部順序性和邏輯性，從“感知輸入”到“表征和推理”再到“人機交互”這一過程實現AI技術實際應用，以及向“機器學習”“社會影響”合理過渡。人工智能課程的重點不在于教會學生如何使用軟硬件平臺開發人工智能產品，而是引導學生通過現象看到本質，理解AI應用模型背后的基本原理，同時更好地了解人工智能對社會和生活的影響。本單元針對科學養蠶中的具體問題進行分析，確定解決問題的方案，通過獲取傳感器數據感知養蠶環境，再通過應用平臺合理選擇模型零件，搭建模型，分析并實現模型算法，從而實現智能化養蠶，體會智能化對勞動效率的影響以及給勞動力帶來的改變。因此，本單元結合具體的真實情境任務，主要融合了感知、表征與推理、社會影響三大概念，為本單元的核心知識學習建立聯系，形成單元主題結構化體系，打通學科內和學科間的學習，實現培養學生核心素養的最終目標。

2.問題導向，構建單元真實學習情境

核心素養的培養從發現問題開始。真實學習情境下的問題導向，連接真實的生活世界，激發學生探究的欲望，在問題解決過程中培養學生的核心素養。基于學生在科學課上了解了蠶的發育過程，并親身經歷了養蠶的過程，筆者通過收集學生養蠶中遇到的問題，創設項目問題情境。學生在利用蠶盒進行傳統的養蠶活動和觀察中發現，因為環境中手動調節溫度、濕度或者亮度不及時常常引發蠶的死亡。筆者引導學生發現問題，并以問題為導向提出設想：能不能應用人工智能手段自動調節溫度、濕度和亮度等問題。因此，本單元主題以“如何讓養蠶智能化，解決養蠶中溫度、濕度、亮度等問題”構建跨學科學習情境。同時，以相關的核心子問題構建單元子項目學習：適宜蠶生活的環境溫度、濕度和亮度值范圍是多少？如何獲取環境溫度、濕度和亮度值？當溫度、濕度和亮度值超出蠶所能承受的范圍時，如何實現智能通風和遮光？如何應用人工智能技術解決更多傳統養蠶中的問題，讓智能養蠶模型更加創意化？學生在情境場、問題鏈的引領下，走進學科實踐活動，實現完整的學習過程和思維過程。因此，本單元的教學通過問題導向，直通核心素養發展，培養學生的智能意識，引導學生應用人工智能解決問題，發展智能思維和智能創造能力，培養智能社會責任意識。

3.任務驅動，設計單元探究實踐活動

人工智能作為多領域知識交叉學科，創設具有挑戰性的任務，對于落實核心素養，培養具有高階思維的創新型人才尤為重要。課程指南提出，依據人工智能課程綜合性、實踐性和發展性并重的特點，設計學習任務和活動場景，以項目式學習作為主要形式，將人工智能素養的習得滲透在項目式學習活動中。本單元的大項目大任務是實現智能養蠶，解決自動調節蠶盒內溫度、濕度和亮度等問題。在此項目大任務的統領下，筆者引導學生學習相關的人工智能原理知識，同時圍繞大項目解決不同的子項目問題。針對單元主題大任務，筆者需要分解并設計單元課時學習子任務，圍繞單元主題，以學生為中心，設計具有挑戰性的任務，引導學生自主學習。因此，筆者依托“uKit進階級”人工智能積木套件和uKit EDU（或uCode）圖形化編程軟件平臺，借助傳感器學習導學單，讓學生學習不同傳感器的相關原理，鼓勵學生探究傳感器數值的讀取，分析傳感器數據對模型實現的意義；借助模型拼搭手冊、算法流程圖、思維導圖，在完成傳感器、執行器搭建的基礎上，進一步根據功能分析模型程序，使思維具象化；同時，設計交流分享任務，讓學生借助小組合作學習單，記錄學習中的問題，借助相關平板拍照，將模型設計思路、作品創意上傳至相關授課平臺，全班分享交流，激發學生探究實踐的動力，提升綜合能力。

4.反思遷移，搭建單元知識重構支架

學生需要在經歷學科完整的學習過程中，對相關的知識、問題、策略進行梳理、總結和反思以后，內化形成核心素養。因此，教師引導學生進行跨學科單元主題學習后的深度反思，對搭建單元知識、遷移學習、發展學生思維至關重要。本單元圍繞“智能養蠶”主題，筆者引導學生通過信息科技、科學、數學等多學科知識解決智能養蠶的相關問題，學生在問題解決中不僅需要學習人工智能的相關知識和技術原理，同時需要掌握科學養蠶的相關知識、模型的算法邏輯、數學運算以及理解各參數之間的關系等。對這些單元知識和方法的再次梳理表述，能夠讓學生再次鞏固所學，為將多學科的知識遷移應用到其他的問題解決中打下基礎。同時，學生聯系生活中的人工智能應用和場景，反思如何將自己的綜合所學應用到更多的問題解決中，通過圖表或思維導圖等方式，學生的思維再次具象化。最后，筆者引導學生聯系社會生活中更多的人工智能問題，將所學及解決問題的方法策略遷移類推及應用。因此，結合本單元，筆者設計了不同等級的反思建議（表1），為學生的知識與能力的遷移提升，提供參考的依據[5]。

表1 單元反思內容及水平

單元反思內容 反思水平

請用語言簡單描述智能養蠶模型實現所用到的知識 復述

請綜合所學，聯系你生活中所見到的人工智能應用，用圖表或思維導圖方法進行描述 關聯

在生活或學習中，人工智能場景的應用還很多，能用人工智能解決的問題也很多，請你舉例描述生活中遇到的一個問題，并闡述解決問題的策略，分析其應用帶來的影響 內化

單元反思的目的是對單元知識學習的重構，也是對學生素養的再次遷移提升過程。學生素養層級式的單元反思不僅指向知識結構化的核心素養，也指向單元核心概念——感知、表征與推理、社會影響。單元反思遷移，可以拓展學生學習深度和廣度。

綜上所述，筆者圍繞AI“智能養蠶”跨學科單元主題教學，培養學生跨學科思維能力以及問題解決的能力。有效的單元主題教學，讓學生的學習從碎片化到結構化，從淺層走向深度。筆者從學科課時內容設計關注到學生學科核心素養形成的整體規劃，促進學生從知識理解到運用到遷移，有效促進學生核心素養發展。跨學科單元主題教學，打破人工智能教學空間的限制，為學生提供了沉浸式、開放式的學習體驗，提高了學生在人工智能時代的競爭力。

注：本文系福建省教育科學“十四五”規劃2022年度課題“基于計算思維培養的小學機器人教育校本課程建設研究”（課題批準號：FJJKZX22-697）研究成果

參考文獻

[3] 江波. 中小學人工智能課程指南[J]. 華東師范大學學報（教育科學版），2023，41（3）： 121-134.

謝云霞. 素養導向下的信息科技大單元教學：以“玩轉圖形化編程——歡歡出行”單元為例[J]. 中小學信息技術教育，2023（4）： 64-66.

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華薈. 核心素養導向下的信息科技跨學科主題式教學創新：以“數字氣象站”單元為例[J]. 中國信息技術教育，2023（9）： 49-51.