STEAM視域下“防近視智能提醒裝置”教學(xué)實(shí)踐

〔摘" "要〕" 針對(duì)我國(guó)中小學(xué)人工智能教育面臨的實(shí)踐困境，聚焦 STEAM 視域下小學(xué)人工智能教育，以“防近視智能提醒裝置”項(xiàng)目為依托，采用跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，將技術(shù)應(yīng)用與真實(shí)問(wèn)題解決相融合。通過(guò)基于 STEAM 理念確定教學(xué)目標(biāo)、設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)等實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)這一教學(xué)模式能提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情與參與度，促進(jìn)核心素養(yǎng)和合作能力發(fā)展，為小學(xué) AI 教育本土化實(shí)踐提供理論支撐與案例參考，助力人工智能教育從政策愿景深入課堂。

〔關(guān)鍵詞〕" 信息科技；STEAM教育；人工智能；教學(xué)實(shí)踐

〔中圖分類(lèi)號(hào)〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " 〔文章編號(hào)〕" 1674-6317" " （2025）17" " 0085-03

人工智能作為顛覆性技術(shù)，正在重塑全球產(chǎn)業(yè)格局與人才競(jìng)爭(zhēng)邏輯。基礎(chǔ)教育階段的AI素養(yǎng)培養(yǎng)，成為各國(guó)搶占未來(lái)戰(zhàn)略制高點(diǎn)的關(guān)鍵。我國(guó)政策層面持續(xù)推動(dòng)，《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將人工智能列為課程邏輯主線(xiàn)；2024年11月教育部辦公廳發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)中小學(xué)人工智能教育的通知》明確“2030年前基本普及中小學(xué)人工智能教育”的目標(biāo)，提出構(gòu)建以“感知體驗(yàn)—理解應(yīng)用—項(xiàng)目創(chuàng)作”為路徑的分階段課程體系，強(qiáng)調(diào)“堅(jiān)持立德樹(shù)人、以人為本”，通過(guò)跨學(xué)科整合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實(shí)際問(wèn)題解決能力。

然而，當(dāng)前中小學(xué)AI教育雖在多地試點(diǎn)取得了一定進(jìn)展，部分學(xué)校開(kāi)設(shè)了相關(guān)課程，學(xué)生初步接觸人工智能，但實(shí)踐困境明顯。課程內(nèi)容碎片化嚴(yán)重，缺乏系統(tǒng)性與連貫性，難以構(gòu)建完整知識(shí)體系；師資專(zhuān)業(yè)化不足，許多教師缺乏人工智能專(zhuān)業(yè)知識(shí)與教學(xué)技能培訓(xùn)，教學(xué)活動(dòng)難以有效開(kāi)展；硬件資源分布不均，城鄉(xiāng)、校際差距大，限制教學(xué)實(shí)踐全面鋪開(kāi)。此外，傳統(tǒng)教學(xué)模式以理論講授為主，難以滿(mǎn)足“做學(xué)創(chuàng)合一”要求，過(guò)度依賴(lài)競(jìng)賽，易使教學(xué)陷入工具化，背離“科技向善”育人本質(zhì)。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了中小學(xué)人工智能教育普及，亟待探索新教學(xué)模式與路徑。

一、STEAM視域下的人工智能教育

小學(xué)人工智能教育本質(zhì)為體驗(yàn)式、科普型教育，重點(diǎn)在于激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能領(lǐng)域的興趣，而非要求學(xué)生深入掌握復(fù)雜算法與技術(shù)細(xì)節(jié)。通過(guò)課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識(shí)人工智能概念、應(yīng)用場(chǎng)景等基礎(chǔ)知識(shí)，如介紹圖像識(shí)別、語(yǔ)音助手等常見(jiàn)AI應(yīng)用，讓學(xué)生體驗(yàn)AI帶來(lái)的生活便利性。同時(shí)，通過(guò)模擬解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，如簡(jiǎn)單編程控制智能小物件，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、創(chuàng)新思維等核心素養(yǎng)，為未來(lái)深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用人工智能奠定基礎(chǔ)。

STEAM教育融合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics），學(xué)生通過(guò)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)關(guān)聯(lián)多學(xué)科知識(shí)。針對(duì)小學(xué)人工智能教育困境，STEAM教育理念提供了有效解決思路。以“防近視智能提醒裝置”項(xiàng)目為例，STEAM教育通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)整合了人工智能與多學(xué)科知識(shí)。學(xué)生制作過(guò)程中，運(yùn)用傳感器知識(shí)（技術(shù)），了解眼睛生理結(jié)構(gòu)和近視原理（科學(xué)），進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)提醒功能（工程、數(shù)學(xué)），設(shè)計(jì)裝置外觀(guān)（藝術(shù)），形成系統(tǒng)知識(shí)體系。實(shí)踐中，學(xué)生做到了“做學(xué)創(chuàng)合一”，避免了傳統(tǒng)教學(xué)弊端，實(shí)現(xiàn)了“立德樹(shù)人”育人目標(biāo)。

二、STEAM視域下“防近視智能提醒裝置”教學(xué)實(shí)踐

（一）基于STEAM理念確定教學(xué)目標(biāo)

在開(kāi)展人民出版社人工智能六年級(jí)下冊(cè)第二課“防近視智能提醒裝置”教學(xué)項(xiàng)目時(shí)，教師基于STEAM理念制定了明確的教學(xué)目標(biāo)及對(duì)應(yīng)的目標(biāo)完成標(biāo)志，如表1所示。

（二）融合STEAM理念設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)

1.生活本位，創(chuàng)設(shè)情境。數(shù)字化時(shí)代，智能設(shè)備可監(jiān)控身體狀況、引導(dǎo)健康生活。圍繞“科學(xué)用眼預(yù)防近視”主題，讓學(xué)生通過(guò)調(diào)查采訪(fǎng)、查找資料，發(fā)現(xiàn)身邊因用眼不當(dāng)、身體姿態(tài)不正確等問(wèn)題而造成的視力下降，促使學(xué)生設(shè)計(jì)“防近視智能提醒裝置”，引出項(xiàng)目活動(dòng)知識(shí)技能，讓學(xué)生感受人工智能技術(shù)應(yīng)用。

2.頭腦風(fēng)暴，明確選題。以問(wèn)題為導(dǎo)向開(kāi)啟教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。聚焦學(xué)生用眼習(xí)慣不良導(dǎo)致的身體問(wèn)題，以“科學(xué)用眼預(yù)防近視”為探究主題，鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)生活情境展開(kāi)頭腦風(fēng)暴，提出“光線(xiàn)坐姿檢測(cè)儀”“坐姿矯正器”“視力保護(hù)燈”“防近視智能管家”等創(chuàng)意構(gòu)想。教師引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)，聯(lián)系課堂與生活，促進(jìn)綜合能力和創(chuàng)新思維發(fā)展，確定可行項(xiàng)目選題。

3.抽象問(wèn)題，設(shè)計(jì)方案。以“防近視智能管家”選題為例。教師引導(dǎo)學(xué)生規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，先提出關(guān)鍵問(wèn)題，如亟待解決的問(wèn)題、成品功能、所需硬件及人工智能技術(shù)等。繼而，引導(dǎo)學(xué)生拆解問(wèn)題，討論影響近視因素，提出并分析設(shè)計(jì)建議。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生采用頭腦風(fēng)暴列出解決方案，如距離傳感器檢測(cè)距離、LED閃爍計(jì)時(shí)、圖像識(shí)別或傾斜傳感器檢測(cè)坐姿、人體紅外傳感器檢測(cè)使用者、蜂鳴器報(bào)警等。學(xué)生交流形成團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)方案，小組設(shè)計(jì)多個(gè)方案并進(jìn)行可行性分析，選擇最優(yōu)方案。

4.合作探究，測(cè)試優(yōu)化。學(xué)生完成設(shè)計(jì)方案后，繪制工作原理圖，記錄部件作用，明確產(chǎn)品功能和工作方式。選擇Arduino智能硬件拼搭組件，用流程圖厘清編程思路，編寫(xiě)并優(yōu)化測(cè)試程序。在外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作中，學(xué)生分工合作，利用包裝盒、一次性筷子等材料和超輕黏土、熱熔膠槍等工具，發(fā)揮創(chuàng)意和動(dòng)手能力。有美術(shù)特長(zhǎng)的學(xué)生負(fù)責(zé)外殼設(shè)計(jì)，動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)搭建，編程能力強(qiáng)的學(xué)生負(fù)責(zé)功能測(cè)試，表達(dá)能力好的學(xué)生負(fù)責(zé)撰寫(xiě)報(bào)告。測(cè)試中針對(duì)環(huán)境光線(xiàn)識(shí)別、報(bào)警區(qū)分、語(yǔ)音和人臉識(shí)別等問(wèn)題，學(xué)生自主討論探究，教師指導(dǎo)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、程序和組件，提升創(chuàng)新創(chuàng)造能力和耐挫能力。

5.成果展示，多元評(píng)價(jià)。作品完成后，各小組借助教師提供的學(xué)習(xí)單分享維度（如表2），向班級(jí)展示活動(dòng)情況和成果，講述困難及解決方法，展示設(shè)計(jì)思路、功能特點(diǎn)、硬件連接和外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生歸納反思，優(yōu)化作品，增進(jìn)對(duì)人工智能技術(shù)和外觀(guān)功能設(shè)計(jì)的理解，提高創(chuàng)造力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)對(duì)健康生活和人工智能應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，獲得成就感和自信心，激發(fā)未來(lái)學(xué)習(xí)人工智能的熱情。

6.拓展提高，課后延伸。項(xiàng)目結(jié)束后，針對(duì)不同學(xué)力學(xué)生布置分層作業(yè)，如思考如何設(shè)計(jì)適合不同身高學(xué)生使用的防近視智能設(shè)備。將項(xiàng)目學(xué)習(xí)理念延伸至課堂外，讓學(xué)生討論完善作品，根據(jù)實(shí)際問(wèn)題情境創(chuàng)作，引領(lǐng)下一個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)學(xué)習(xí)。

（三）教學(xué)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)把控

在教學(xué)過(guò)程中，教師注重引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科思考。分析近視原理時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生物學(xué)科知識(shí)；編程時(shí)，融入數(shù)學(xué)邏輯思維。關(guān)注學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作，鼓勵(lì)交流合作，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。注重培養(yǎng)學(xué)生批判性思維，鼓勵(lì)對(duì)設(shè)計(jì)方案、制作過(guò)程提出疑問(wèn)和改進(jìn)建議，優(yōu)化項(xiàng)目成果。

三、教學(xué)實(shí)踐效果與反思

（一）學(xué)生學(xué)習(xí)熱情與參與度提升

“防近視智能提醒裝置”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)融合STEAM教育理念，點(diǎn)燃學(xué)生探究熱情。面對(duì)問(wèn)題，學(xué)生將科技與生活結(jié)合，踴躍提出解決方案并付諸行動(dòng)。構(gòu)思與規(guī)劃階段，小組熱烈討論，成員相互協(xié)商；嘗試與創(chuàng)造階段，學(xué)生掌握硬件連接和編程技術(shù)，搭建制作裝置；優(yōu)化與改進(jìn)階段，學(xué)生根據(jù)實(shí)際調(diào)整完善，完成自主設(shè)計(jì)裝置。全過(guò)程參與激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。

（二）學(xué)生核心素養(yǎng)全面發(fā)展

創(chuàng)設(shè)真實(shí)生活情境，學(xué)生從理解“正確坐姿預(yù)防近視”出發(fā)，討論影響因素，通過(guò)硬件拼接、程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)裝置功能，經(jīng)展示成果、評(píng)價(jià)交流等環(huán)節(jié)，有效發(fā)展核心素養(yǎng)。在知識(shí)運(yùn)用上，學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)知識(shí)與技能解決問(wèn)題。實(shí)踐中，學(xué)生通過(guò)觀(guān)察獲取靈感，發(fā)揮創(chuàng)意創(chuàng)造獨(dú)特作品，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，全方位提升核心素養(yǎng)。

（三）學(xué)生合作能力顯著增強(qiáng)

在項(xiàng)目活動(dòng)中，小組合作是關(guān)鍵。小組成員須清晰表達(dá)觀(guān)點(diǎn)，傾聽(tīng)理解他人看法，相互信任尊重，學(xué)會(huì)有效溝通。在完成共同目標(biāo)過(guò)程中，小組成員緊密合作、相互協(xié)調(diào)。小組協(xié)作，培養(yǎng)了學(xué)生的合作意識(shí)和技能，讓學(xué)生體會(huì)團(tuán)結(jié)互助、共享成果的快樂(lè)，理解集體力量，學(xué)會(huì)分工合作，對(duì)其未來(lái)職業(yè)生涯和社會(huì)交往意義重大。

（四）教學(xué)實(shí)踐中的問(wèn)題與改進(jìn)策略

在教學(xué)實(shí)踐中也暴露出了一些問(wèn)題。其一，在時(shí)間管理方面，項(xiàng)目環(huán)節(jié)多，學(xué)生思考實(shí)踐時(shí)間長(zhǎng)，部分小組未能按時(shí)完成任務(wù)。后續(xù)教學(xué)可優(yōu)化進(jìn)度安排，合理分配時(shí)間，設(shè)定關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，有效督促學(xué)生。其二，學(xué)生個(gè)體差異影響教學(xué)效果，基礎(chǔ)薄弱或?qū)W習(xí)能力弱的學(xué)生參與度不高。教師可加強(qiáng)個(gè)別指導(dǎo)，提供分層任務(wù)和個(gè)性化學(xué)習(xí)建議。其三，教學(xué)資源豐富度有待提高，部分硬件設(shè)備數(shù)量有限，限制了學(xué)生的實(shí)踐操作。未來(lái)可增加資源投入，拓寬獲取渠道，改善學(xué)習(xí)條件。

四、STEAM視域下人工智能教育展望

人工智能教育旨在讓學(xué)生易懂、感興趣且緊跟時(shí)代，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。“防近視智能提醒裝置”項(xiàng)目實(shí)踐顯示出較大的教學(xué)優(yōu)化空間。課程設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合學(xué)生認(rèn)知與生活實(shí)際，設(shè)計(jì)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)內(nèi)容，可選用Micro"Bit、掌控板等合適硬件，搭配Scratch或Mind+等圖形化編程軟件。以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，鼓勵(lì)自由實(shí)踐與深入探究。制定科學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程和作品評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用過(guò)程性與總結(jié)性評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)生共同進(jìn)步。

教師要挖掘生活問(wèn)題，設(shè)計(jì)創(chuàng)意課程，激發(fā)學(xué)生好奇心與求知欲，培養(yǎng)科學(xué)、創(chuàng)新與實(shí)踐能力，助力學(xué)生在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中發(fā)展核心素養(yǎng)。實(shí)施融合STEAM教育理念的教學(xué)，教師需傾聽(tīng)學(xué)生建議，因材施教，不斷調(diào)整教學(xué)方法與內(nèi)容。此外，教師要持續(xù)自我學(xué)習(xí)，掌握新技術(shù)與前沿趨勢(shì)，確保教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性和前沿性。面向未來(lái)，筆者也將繼續(xù)深耕，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)與科技進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。

【本文系湖北省教育科學(xué)規(guī)劃2022年度重點(diǎn)課題立項(xiàng)項(xiàng)目“‘雙減’背景下基于大數(shù)據(jù)的中小學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)模型與評(píng)價(jià)研究”的研究成果，課題編號(hào)：2022GA075】

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