淺談在STEAM理念下開發(fā)小學(xué)人工智能課程-以人工智能課程“智能感應(yīng)雨量器”為例

引言人工智能時(shí)代,“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”比“學(xué)了多少”更重要。STEAM理念兼具探索性、研究性和應(yīng)用性特征,強(qiáng)調(diào)科技創(chuàng)新的同時(shí)注重實(shí)際應(yīng)用。在STEAM理念的指導(dǎo)下,開發(fā)適合小學(xué)生的人工智能課程,不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、融合創(chuàng)新能力,還可以鍛煉學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力,提高學(xué)生人工智能素養(yǎng)。一、小學(xué)人工智能課程的開發(fā)背景與現(xiàn)狀(一)小學(xué)人工智能課程的開發(fā)背景黨的二十大報(bào)告指出:推動(dòng)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展,構(gòu)建新一代信息技術(shù)、人工智能、生物技術(shù)、綠色環(huán)保等一批新的增長引擎。其中提及的人工智能已然成為當(dāng)前國際競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎。未來的競(jìng)爭(zhēng)是人才及人才培養(yǎng)的競(jìng)爭(zhēng),近些年來,我國正在加大人工智能教育的政策供給,例如國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》,提出在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程,逐步推廣編程教育。這些措施推動(dòng)了人工智能和教育教學(xué)的深度融合,全面提高了學(xué)生對(duì)人工智能的整體認(rèn)知和應(yīng)用水平,讓學(xué)生對(duì)人工智能產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣,開發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)潛力,為建設(shè)科技強(qiáng)國提供了人才儲(chǔ)備。(二)小學(xué)人工智能課程的開發(fā)現(xiàn)狀讓學(xué)生群體具備人工智能素養(yǎng)是國家未來發(fā)展的需求。我們應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)可以協(xié)作交流、善于批判性思考、具有跨學(xué)科思維能力和人工智能素養(yǎng)的能夠解決真實(shí)問題的應(yīng)用型創(chuàng)新人才。然而,在小學(xué)階段,人工智能課程并未普及。部分已經(jīng)開設(shè)的人工智能課程也相對(duì)缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和課程標(biāo)準(zhǔn),而且不同地區(qū)所具備的軟硬件也存在明顯差異。此外,具備條件的地區(qū)也很少將人工智能課程作為一項(xiàng)常規(guī)課程,這些地區(qū)往往將人工智能作為一種競(jìng)賽,例如編程比賽、機(jī)器人比賽,等等。這些比賽主要的參賽教師一般都是科學(xué)老師或者信息技術(shù)老師,參與的教師和學(xué)生人數(shù)比較有限而且專業(yè)化程度較高,這導(dǎo)致語文、數(shù)學(xué)等學(xué)科教師大多無法加入其中,很多學(xué)生甚至沒有接觸人工智能的機(jī)會(huì)。二、STEAM理念下開發(fā)小學(xué)人工智能課程的要求(一)創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室STEAM理念是一種注重學(xué)生實(shí)踐的跨學(xué)科教育理念,它強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生利用多學(xué)科的知識(shí)與技能解決實(shí)際問題的能力。為了使更多的教師和學(xué)生參與人工智能課程的開發(fā)與應(yīng)用,應(yīng)積極創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室,創(chuàng)造教學(xué)情境,同時(shí)定期檢查實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和使用情況,確保實(shí)驗(yàn)室建有所用。(二)課程安排STEAM理念指導(dǎo)下的小學(xué)人工智能課程分為三個(gè)階段,分別對(duì)應(yīng)小學(xué)低段、中段以及高段。第一階段:小學(xué)一、二年級(jí)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能的學(xué)習(xí)興趣,拓寬學(xué)生的視野,豐富學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備。第二階段:小學(xué)三、四年級(jí)傳授學(xué)生基礎(chǔ)的信息技術(shù)知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能的探索精神。第三階段:小學(xué)五、六年級(jí)通過完整的人工智能課程培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科整合能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及對(duì)人工智能技術(shù)的綜合應(yīng)用能力。(三)師資培訓(xùn)目前,基礎(chǔ)教育領(lǐng)域和人工智能領(lǐng)域相結(jié)合仍處在初步階段,這需要教育主管部門提供更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和交流平臺(tái)幫助教師成長,教育工作者應(yīng)以更加開放的學(xué)習(xí)態(tài)度接納新知識(shí),探索新途徑,求得新發(fā)展。三、STEAM理念下小學(xué)人工智能課程的開發(fā)原則首先,STEAM理念下的小學(xué)人工智能課程需要具備可操作性和挑戰(zhàn)性。小學(xué)生對(duì)外界環(huán)境具有很強(qiáng)的好奇心以及探索精神,但他們動(dòng)手能力還比較弱,所以課程的內(nèi)容難度不宜過大,需要針對(duì)學(xué)生的年齡特點(diǎn)開發(fā)有趣的學(xué)生貼合日常生活的可操作的課程。但課程也需要具備一定的挑戰(zhàn)性,防止學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣和探索動(dòng)力。其次,STEAM理念下的小學(xué)人工智能課程需要具有可持續(xù)探究性。小學(xué)生具有極強(qiáng)的求知欲。對(duì)于小學(xué)生來說,可以持續(xù)探究的項(xiàng)目更能激發(fā)學(xué)生的興趣,能夠引導(dǎo)學(xué)生不斷思考,為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。最后,STEAM理念下的小學(xué)人工智能課程應(yīng)當(dāng)充分考慮到學(xué)校的實(shí)際情況以及學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平,從學(xué)生的生活實(shí)際出發(fā),引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,進(jìn)而解決問題。四、STEAM理念下小學(xué)人工智能課程的開發(fā)思路在STEAM理念的指導(dǎo)下,應(yīng)以發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和人工智能素養(yǎng)為核心目標(biāo),融合科學(xué)、數(shù)學(xué)、語文、信息技術(shù)等多學(xué)科知識(shí),采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)策略展開分科教學(xué),做好各學(xué)科間的銜接,引導(dǎo)學(xué)生通過完整的項(xiàng)目探究過程在不同學(xué)科的學(xué)習(xí)中得到良好的發(fā)展。所以教師在設(shè)計(jì)課程整體架構(gòu)時(shí)應(yīng)找到不同學(xué)科的交叉點(diǎn),讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中能夠?qū)λ鶎W(xué)知識(shí)進(jìn)行合理化遷移。五、STEAM理念下小學(xué)人工智能課程實(shí)踐案例“智能感應(yīng)雨量器”是在2021年鄭州暴雨災(zāi)害的背景下,以監(jiān)測(cè)降雨量并提醒行人及時(shí)避險(xiǎn)以及播報(bào)實(shí)時(shí)天氣等為目標(biāo)設(shè)計(jì)的人工智能課程。本課程的實(shí)施對(duì)象為五、六年級(jí)學(xué)生,為了更好地培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌規(guī)劃、融合創(chuàng)新以及合作交流的能力,根據(jù)學(xué)科課程安排,筆者設(shè)計(jì)了6課時(shí)內(nèi)容,包含雨量器的流程設(shè)計(jì)與簡易制作、根據(jù)實(shí)際需求編程和優(yōu)化、對(duì)雨量器進(jìn)行美化和展示等活動(dòng)。其涉及了工程、數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息技術(shù)、美術(shù)、語文等多門學(xué)科知識(shí),讓學(xué)生在學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)的同時(shí),通過綜合應(yīng)用各學(xué)科知識(shí)動(dòng)手實(shí)踐完成項(xiàng)目作品制作。(一)創(chuàng)設(shè)情境,確定主題——第一課“智能感應(yīng)雨量器的設(shè)計(jì)流程”首先語文老師帶領(lǐng)學(xué)生觀看2021年7月鄭州發(fā)生的暴雨災(zāi)害資料,并引導(dǎo)學(xué)生提出問題:鄭州發(fā)生的暴雨災(zāi)害給我們帶來了很大的損失,天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)播報(bào)了暴雨提醒,為什么有些人沒有及時(shí)撤離呢?據(jù)了解,當(dāng)時(shí)鄭州已經(jīng)發(fā)布了兩次暴雨紅色預(yù)警,可是民眾大多對(duì)降雨量沒有概念,不知道那些降雨量數(shù)字意味著什么,沒能對(duì)“信號(hào)”給予足夠重視,忽視預(yù)警所提到的風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致了一些不必要的損失。在此基礎(chǔ)上,科學(xué)老師引導(dǎo)學(xué)生提出可以制作一個(gè)智能感應(yīng)雨量器裝置,當(dāng)感應(yīng)雨速和雨量達(dá)到一定程度后,會(huì)有語音報(bào)警提醒,并且智能感應(yīng)雨量器還具備人臉識(shí)別、體溫檢測(cè)、視頻宣傳等功能,從而確定本次人工智能課程的主題——制作智能感應(yīng)雨量器。在確定項(xiàng)目之后,信息技術(shù)老師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考,分析智能感應(yīng)雨量器的各個(gè)功能以及實(shí)現(xiàn)原理,確定設(shè)計(jì)方向。學(xué)生通過上網(wǎng)查詢、看書等方法查找資料,擴(kuò)展視野,豐富知識(shí)儲(chǔ)備。在老師的指導(dǎo)下,學(xué)生進(jìn)行課程要素分解、分組設(shè)計(jì)交流、方案具體實(shí)施等活動(dòng),經(jīng)歷完整的項(xiàng)目分析、規(guī)劃、分解、設(shè)計(jì)、整合、優(yōu)化的過程,培養(yǎng)了交流合作能力和工程思維。最后學(xué)生通過交流討論確定智能感應(yīng)雨量器的制作流程。1.了解測(cè)量降雨量的科學(xué)用具——雨量器,嘗試設(shè)計(jì)智能感應(yīng)雨量器;2.交流討論,利用VJC軟件編寫程序;3.搭建智能感應(yīng)雨量器裝置并測(cè)試;4.對(duì)智能感應(yīng)雨量器進(jìn)行優(yōu)化和美化;5.對(duì)智能感應(yīng)雨量器進(jìn)行展示;對(duì)小組項(xiàng)目制作過程進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。(二)動(dòng)手實(shí)踐,結(jié)構(gòu)搭建——第二課“智能感應(yīng)雨量器的制作”什么是雨量器?在制作智能感應(yīng)雨量器之前,科學(xué)老師帶領(lǐng)學(xué)生通過“自制雨量器”一課認(rèn)識(shí)測(cè)量降雨量的科學(xué)用具——雨量器,知道雨量器是用來測(cè)量降雨量多少的工具。學(xué)生在了解雨量器的結(jié)構(gòu)之后,綜合運(yùn)用工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)通過組內(nèi)合作制作一個(gè)簡易雨量器。智能感應(yīng)雨量器應(yīng)該如何制作呢?如何搭建智能感應(yīng)雨量器的智能結(jié)構(gòu)呢?帶著這些問題,信息技術(shù)老師帶領(lǐng)學(xué)生回顧相關(guān)電子知識(shí),并介紹紅外測(cè)距傳感器、主控板、指示燈、顯示屏等結(jié)構(gòu)零件,引導(dǎo)學(xué)生思考在雨量器的什么位置安裝傳感器、安裝什么樣的傳感器比較合適,以及對(duì)應(yīng)的語音內(nèi)容和視頻內(nèi)容是什么。學(xué)生參考小組項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖,分組將顯示屏、攝像頭、麥克風(fēng)、紅外測(cè)距燈等電子元件安裝在已有雨量器中。(三)完善設(shè)計(jì),個(gè)性編程——第三課“智能感應(yīng)雨量器的編程”如何讓組裝的智能感應(yīng)雨量器元件發(fā)揮效果呢?在信息技術(shù)老師的指導(dǎo)下,學(xué)生了解到可以通過編程讓計(jì)算機(jī)理解人的意圖,讓計(jì)算機(jī)通過程序指揮電子元件按要求去工作。在老師的引導(dǎo)下,學(xué)生嘗試獨(dú)立使用VJC軟件編寫程序給智能感應(yīng)雨量器添加水量識(shí)別功能。完成后,學(xué)生分小組對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試,使用圖表對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行測(cè)量和記錄,經(jīng)過交流討論發(fā)現(xiàn)問題:有的程序數(shù)值設(shè)置不準(zhǔn)確,水位未到指定位置報(bào)警裝置就開始發(fā)出警示。有的程序循環(huán)設(shè)置不清楚,當(dāng)水位降低時(shí),報(bào)警裝置還會(huì)發(fā)出警示。隨后,學(xué)生分小組拆解問題,逐個(gè)分析,逐步解決,最終完成對(duì)程序的調(diào)整和完善,設(shè)計(jì)出了可以完美運(yùn)行程序的智能感應(yīng)雨量器。經(jīng)過調(diào)試,當(dāng)水位達(dá)到一定高度,雨量器就會(huì)發(fā)出警示并閃爍燈光提醒周圍的人注意安全。通過編程的學(xué)習(xí),學(xué)生培養(yǎng)了邏輯思維能力和抽象思維能力,提升了創(chuàng)造性和計(jì)算能力,提高了耐心、細(xì)心和專注力。(四)改進(jìn)創(chuàng)新,項(xiàng)目優(yōu)化——第四課“智能感應(yīng)雨量器的優(yōu)化”對(duì)于制作好的簡易智能感應(yīng)雨量器還可以怎樣優(yōu)化呢?學(xué)生分小組進(jìn)行討論,最后提出幾點(diǎn)優(yōu)化方案。例如:當(dāng)智能感應(yīng)雨量器監(jiān)測(cè)到周邊有行人經(jīng)過時(shí),利用播放器播放實(shí)時(shí)天氣或者提前錄制好的暴雨等自然災(zāi)害科普視頻。還可以在雨量器旁安裝儲(chǔ)備柜存放災(zāi)害應(yīng)急物資,當(dāng)暴雨等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí),行人可以通過人臉識(shí)別打開柜門使用應(yīng)急物資,等等。針對(duì)學(xué)生提出的優(yōu)化方案,科學(xué)老師在整理匯總后進(jìn)行任務(wù)分配。語文老師帶領(lǐng)學(xué)生拍攝科普視頻。信息技術(shù)老師帶領(lǐng)學(xué)生探究人臉識(shí)別的基本原理,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷建立人臉數(shù)據(jù)庫、比對(duì)人臉、分析特征、連接互聯(lián)網(wǎng)、利用大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析等過程,利用Python編程實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別功能,提升了學(xué)生創(chuàng)新能力和解決問題的能力,并發(fā)展了學(xué)生精細(xì)的運(yùn)動(dòng)技能和手眼協(xié)調(diào)能力。最后,學(xué)生對(duì)優(yōu)化完成的各個(gè)組件進(jìn)行組裝,完成了具備雨量檢測(cè)、物資存儲(chǔ)、視頻宣傳等功能的智能感應(yīng)雨量器。(五)設(shè)計(jì)外觀,美化作品——第五課“智能感應(yīng)雨量器的美化”最后由美術(shù)老師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)雨量器的外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)。有的學(xué)生畫出了精美的圖案,有的學(xué)生編寫了有趣的宣傳標(biāo)語,還有的學(xué)生制作了彩色裝飾。學(xué)生在合作中完成智能感應(yīng)雨量器的美化設(shè)計(jì)。接下來,科學(xué)老師帶領(lǐng)學(xué)生使用3D打印技術(shù)并利用防水材料對(duì)智能感應(yīng)雨量器的外殼進(jìn)行一體化打印,這樣制作的智能感應(yīng)雨量器不僅美觀而且可以避免沙礫、灰塵、振動(dòng)等干擾。通過對(duì)外觀的設(shè)計(jì),學(xué)生認(rèn)識(shí)美、欣賞美、感受美、創(chuàng)造美的意識(shí)和能力提高了。(六)交流展示,總結(jié)評(píng)價(jià)——第六課“智能感應(yīng)雨量器的展示”STEAM理念下小學(xué)人工智能課程的考核應(yīng)當(dāng)具備高度的靈活性,除了傳統(tǒng)的評(píng)估方式,學(xué)生還需要向同學(xué)、老師展示項(xiàng)目成果。老師再根據(jù)展示效果進(jìn)行評(píng)估和反饋,幫助學(xué)生改進(jìn)執(zhí)行方案,完善學(xué)生的作品。通過智能感應(yīng)雨量器的制作,每位同學(xué)都受益匪淺。課堂上,學(xué)生進(jìn)行小組展示,分享制作成果和心得。教師引導(dǎo)學(xué)生