AI助力五育融合落地項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐研究

習(xí)近平總書記在全國教育大會上提出：“全面貫徹黨的教育方針，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人。”[1]教育是功在當(dāng)下、利在千秋的德政工程，建設(shè)“五育并舉、融合育人”教育體系，在“終身育人”“智能育人”“融合育人”[2]中引領(lǐng)基礎(chǔ)教育走向高質(zhì)量發(fā)展，是發(fā)展核心素養(yǎng)、落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的重要途徑。在中小學(xué)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)五育并舉和深度融合的關(guān)鍵是尋找一個(gè)有效的教學(xué)載體?！读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將人工智能列為信息科技課程內(nèi)容模塊，并強(qiáng)調(diào)人工智能課程要以真實(shí)項(xiàng)目為依托[3]。人工智能學(xué)習(xí)項(xiàng)目因自帶的育人效能及跨學(xué)科特性，為五育融合落地提供了一條可行路徑[4]。筆者設(shè)計(jì)“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”項(xiàng)目，利用人工智能技術(shù)助力五育在該項(xiàng)目中的融合落地，并進(jìn)行了實(shí)踐。一、AI賦能五育融合的優(yōu)勢（一）AI項(xiàng)目，拓展五育融合時(shí)空路徑五育融合強(qiáng)調(diào)德、智、體、美、勞五育之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，注重五育間的深度融合[5]。AI項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是指學(xué)生在較長一段時(shí)間里，圍繞真實(shí)、復(fù)雜問題，利用人工智能技術(shù)不斷展開探究，最終促進(jìn)項(xiàng)目問題的解決。五育融合與人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性、整體性高度契合[6]，拓展了五育融合時(shí)空路徑。（二）AI活動，創(chuàng)新五育融合落地載體人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)可以開展豐富多彩的項(xiàng)目活動，在創(chuàng)新五育融合落地載體方面有其獨(dú)特的教學(xué)優(yōu)勢。在項(xiàng)目中可以通過大語言模型關(guān)注時(shí)政熱點(diǎn)滲透德育；通過程序編寫活動提升智育；利用人工智能技術(shù)解決農(nóng)作物在種植、養(yǎng)護(hù)、采摘、分揀各環(huán)節(jié)勞作問題加強(qiáng)勞育；在人工智能作品硬件拼搭和顏色設(shè)計(jì)活動中增強(qiáng)美育；項(xiàng)目任務(wù)的完成多采用小組協(xié)作探究形式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會與人合作，強(qiáng)化體育團(tuán)結(jié)精神。（三）AI內(nèi)容，豐富五育融合時(shí)代內(nèi)涵當(dāng)今社會已步入智能時(shí)代，機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)、無人駕駛等內(nèi)容為五育融合注入了前沿科技，豐富了五育融合的時(shí)代內(nèi)涵。在人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，學(xué)生一方面要設(shè)計(jì)拼搭作品模型，一方面要分析作品功能完成程序編寫，運(yùn)用自己編寫的程序運(yùn)行硬件模型。在項(xiàng)目過程中，學(xué)生像產(chǎn)品研發(fā)人員一樣利用人工智能技術(shù)解決真實(shí)問題，創(chuàng)造能力、設(shè)計(jì)能力、動手能力得到激活。二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（一）項(xiàng)目目標(biāo)筆者依據(jù)《關(guān)于深入推進(jìn)“五育”融合實(shí)踐的提案》《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》《項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)施：學(xué)習(xí)素養(yǎng)視角下的中國建構(gòu)》，提出“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”項(xiàng)目目標(biāo)：1.德育為先：學(xué)生了解鄉(xiāng)村振興、海源對口幫扶等時(shí)政熱點(diǎn)，增強(qiáng)人工智能社會責(zé)任感。2.勞育為本：學(xué)生走近“火龍果的一生”，了解火龍果的生長習(xí)性、掛果時(shí)長、采摘困難、大小分揀，體會果農(nóng)勞作問題。3.智育為重：學(xué)生了解智能農(nóng)業(yè)背后的科學(xué)原理，能夠利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)“南果北種”，助力鄉(xiāng)村振興，同時(shí)將果農(nóng)從繁重農(nóng)業(yè)勞作中解脫出來。4.美育為要：學(xué)生關(guān)注作品程序優(yōu)化、硬件結(jié)構(gòu)拼搭及顏色設(shè)計(jì)等，感知結(jié)構(gòu)美、顏色美、邏輯美。5.體育為基：在長時(shí)間的小組協(xié)作過程中，學(xué)生掌握合作技巧，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作的體育精神。（二）項(xiàng)目架構(gòu)該項(xiàng)目依托項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的形式，立足于火龍果（南果）在寧夏涇源縣（北種）勞作問題，引入人工智能技術(shù)，智能化“火龍果的一生”。項(xiàng)目實(shí)施過程不斷促進(jìn)五育的深度融合、協(xié)調(diào)發(fā)展。項(xiàng)目整體體現(xiàn)在“鄉(xiāng)村振興、海源幫扶”大情境中，讓學(xué)生了解國家鄉(xiāng)村振興，促進(jìn)德育。光溫控養(yǎng)護(hù)果架、果“臉”識別采摘臂、無人出園運(yùn)輸車、大小自動分揀機(jī)系列內(nèi)容循環(huán)落地。學(xué)生在項(xiàng)目的循環(huán)反復(fù)中深入分析程序邏輯，促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展，提升智育水平?；凇盎瘕埞囊簧敝械膭谧鲉栴}，學(xué)生直觀感受人工智能技術(shù)帶來的農(nóng)業(yè)發(fā)展，了解現(xiàn)代勞動形式，接受勞動教育。整個(gè)項(xiàng)目學(xué)生均需要與同伴合作完成任務(wù)，學(xué)生不斷學(xué)習(xí)合作技巧，內(nèi)化團(tuán)結(jié)精神，培養(yǎng)合作、團(tuán)結(jié)的體育品德。在作品拼搭與欣賞過程中，學(xué)生感知結(jié)構(gòu)美、顏色美、形態(tài)美的創(chuàng)美能力不斷提升。項(xiàng)目的出項(xiàng)環(huán)節(jié)升華至家鄉(xiāng)人的擔(dān)當(dāng)：為寧夏建造火龍果園，促進(jìn)鄉(xiāng)村振興。這將德育提升至更高水平，完成項(xiàng)目出項(xiàng)。該項(xiàng)目時(shí)長為11課時(shí)，參與對象是有人工智能課程學(xué)習(xí)經(jīng)歷的七年級18個(gè)班學(xué)生，項(xiàng)目整體架構(gòu)如圖1所示。（三）項(xiàng)目內(nèi)容依據(jù)項(xiàng)目架構(gòu)，筆者對項(xiàng)目內(nèi)容從AI核心技術(shù)、智能硬件、數(shù)字資源支持等方面進(jìn)行細(xì)化（見表1）。1.光溫控養(yǎng)護(hù)果架利用專家系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、亮度傳感器、溫濕度傳感器、眼燈等技術(shù)，智能保障適合火龍果生長的光照和溫度。2.智能識別采摘臂利用圖像識別、超聲波測距技術(shù)，機(jī)械臂伸縮、旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)智能采摘。3.大小自動分揀機(jī)利用機(jī)器學(xué)習(xí)大小火龍果模型，實(shí)現(xiàn)果實(shí)智能分揀。4.無人出園運(yùn)輸車?yán)冒磯簜鞲衅鹘y(tǒng)計(jì)火龍果數(shù)量，利用無人駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能出園，并結(jié)合語音識別和顏色識別實(shí)現(xiàn)下一輛小車自動駛?cè)耄瑢?shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)臒o縫銜接。（四）項(xiàng)目評價(jià)項(xiàng)目評價(jià)依托于“課堂有點(diǎn)酷——量規(guī)”數(shù)字工具開展，分為隨堂評價(jià)和階段評價(jià)。隨堂評價(jià)主要由教師根據(jù)學(xué)生課堂任務(wù)完成、小組合作、課堂發(fā)言等情況及時(shí)評價(jià)。每個(gè)微項(xiàng)目完成后即開展一次階段評價(jià)，主要從德、智、體、美、勞五育維度展開，采用自評、互評、師評多元主體評價(jià)方式。教師在入項(xiàng)環(huán)節(jié)，向?qū)W生闡明項(xiàng)目評價(jià)方式及評價(jià)內(nèi)容，為學(xué)生的項(xiàng)目學(xué)習(xí)指明方向。項(xiàng)目階段評價(jià)表如表2所示。三、項(xiàng)目實(shí)踐（一）項(xiàng)目整體實(shí)施人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)施路徑涵蓋“入項(xiàng)探索—知識與能力建構(gòu)—合作探究—形成與修訂成果—出項(xiàng)—反思”[7]環(huán)節(jié)。項(xiàng)目的系統(tǒng)性和整體性拓展了五育融合的時(shí)空路徑。1.“海源情深”入項(xiàng)，突出德育實(shí)效注重價(jià)值觀的培養(yǎng)、突出德育實(shí)效是優(yōu)質(zhì)入項(xiàng)的關(guān)鍵特征。入項(xiàng)要讓學(xué)生積極主動建構(gòu)，產(chǎn)生解決項(xiàng)目問題的強(qiáng)烈意愿。多樣的入項(xiàng)事件可以增強(qiáng)學(xué)生體驗(yàn)感，如：真實(shí)體驗(yàn)類（實(shí)地參觀、實(shí)踐體驗(yàn)），模擬體驗(yàn)類（演講，特殊人群真實(shí)需求），閱讀體驗(yàn)類（文本、視聽資料，新聞事件）等[8]?！澳瞎狈N鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”融入道法知識，借助新聞事件“廈門海滄區(qū)與寧夏涇源縣對口牽手、南果北種實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興”入項(xiàng)，讓學(xué)生了解鄉(xiāng)村振興是國家目前三農(nóng)工作的新重心，了解海滄與涇源對口幫扶歷史，感知海滄人的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、個(gè)人使命感被前所未有地激發(fā)了起來。隨后，教師創(chuàng)設(shè)情境由學(xué)生接收寧夏涇源致富代表陳大伯在涇源建設(shè)“AI火龍果園”的委托函，正式進(jìn)入人工智能項(xiàng)目學(xué)習(xí)?！救腠?xiàng)問題】2020年底，脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)取得全面勝利，黨中央將全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興作為“三農(nóng)”工作新重心。廈門市海滄區(qū)與寧夏涇源縣攜手20載，南果北種是兩地對口共建的新項(xiàng)目。來自涇源縣鄉(xiāng)村致富代表陳大伯發(fā)來委托函，急需“AI火龍果園建設(shè)方案”，如果你是策劃者，你會如何策劃該方案呢？2.知識能力建構(gòu)，提升智勞水平智能時(shí)代，學(xué)生獲取知識的途徑更加精準(zhǔn)化，教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用大語言模型獲取項(xiàng)目知識。“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”項(xiàng)目知識包括以下內(nèi)容。（1）背景知識：鄉(xiāng)村振興、海源幫扶等。（2）核心知識：機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、圖像識別、語音識別等技術(shù)包含的科學(xué)原理，循環(huán)結(jié)構(gòu)和分支結(jié)構(gòu)算法結(jié)構(gòu)，硬件模型拼搭設(shè)計(jì)、專業(yè)術(shù)語（橫梁、主板、插銷）、智能傳感器功能等。上述人工智能技術(shù)和原理是項(xiàng)目核心知識，有助于提升智育水平。（3）特定知識：火龍果種植條件、采摘事項(xiàng)、分揀依據(jù)、掛果時(shí)長等生物學(xué)知識，火龍果南北方價(jià)格差異等經(jīng)濟(jì)學(xué)知識。上述知識是經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域特定知識，有助于加強(qiáng)勞動教育。3.小組合作探究，強(qiáng)化美體熏陶項(xiàng)目的完成離不開知識與能力建構(gòu)和合作探究環(huán)節(jié)。小組合作以3人為一組，完成硬件拼搭、程序編寫及調(diào)試。在合作探究中，學(xué)生感知團(tuán)結(jié)合作的體育精神。在硬件拼搭中，學(xué)生從硬件顏色、結(jié)構(gòu)、外形方面不斷優(yōu)化創(chuàng)新，增強(qiáng)美育熏陶。好的合作探究既要為每個(gè)組員提供平等共享的機(jī)會，又要讓所有人在自身基礎(chǔ)上獲得知識積累和能力提升。4.招標(biāo)會議出項(xiàng)，落地五育融合出項(xiàng)是小組要將合作成品以令人印象深刻的形式展示出來。本項(xiàng)目采用在線“AI火龍果園建設(shè)方案招標(biāo)會”形式出項(xiàng)，出項(xiàng)對象是海滄和涇源兩地果農(nóng)。教師將課堂上學(xué)生小組利用數(shù)字視頻、PPT演示文稿、PS手繪等形式介紹建設(shè)方案的過程錄下來，發(fā)給兩地果農(nóng)提出意見。全班小組在課堂上進(jìn)行招標(biāo)投票，票高組中標(biāo)。（二）項(xiàng)目實(shí)施案例“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”項(xiàng)目包括光溫控養(yǎng)護(hù)果架、果“臉”識別采摘臂、無人出園運(yùn)輸車、大小自動分揀機(jī)4個(gè)微項(xiàng)目，在項(xiàng)目整體實(shí)施中位于知識與能力建構(gòu)和合作探究環(huán)節(jié)?！读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》建議人工智能教學(xué)貫穿場景分析、原理認(rèn)知、拼搭編程、遷移運(yùn)用等步驟。筆者將課標(biāo)要求細(xì)化為詳細(xì)教學(xué)流程，如圖2所示。教師引導(dǎo)學(xué)生在多個(gè)人工智能微項(xiàng)目的循環(huán)學(xué)習(xí)過程中，不斷提升五育水平。五育從淺層融合螺旋上升到深度融合，在人工智能項(xiàng)目中得到協(xié)調(diào)發(fā)展。下面以“果‘臉識別采摘臂”為例闡述微項(xiàng)目的實(shí)施過程。該案例包括3課時(shí)。第1課時(shí)主要內(nèi)容為了解火龍果采摘勞作問題，分析智慧采摘核心原理、技術(shù)及程序邏輯，設(shè)計(jì)拼搭采摘臂模型。第2課時(shí)主要內(nèi)容為理解圖像識別技術(shù)科學(xué)原理，訓(xùn)練、加載、檢驗(yàn)圖像識別模型。第3課時(shí)主要內(nèi)容為硬件連接，應(yīng)用圖像識別模型編程運(yùn)行采摘臂，分享作品并不斷優(yōu)化功能。1.智慧采摘場景感知教師播放關(guān)于火龍果生長、開花、結(jié)果的短視頻，問：火龍果在采摘中會遇到哪些勞作問題？學(xué)生分析：掛果時(shí)間有限，采摘工作量大，急缺人手……教師接著播放智慧采摘視頻，讓學(xué)生直觀感受人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人采摘后為勞作方式帶來的變革，初步感知人工智能技術(shù)與社會的關(guān)系。該環(huán)節(jié)主要以真實(shí)果園場景及采摘勞作問題導(dǎo)入，達(dá)到激發(fā)學(xué)生興趣、加強(qiáng)勞動教育的目的。2.人工智能原理認(rèn)知學(xué)生邊看視頻邊分析智慧采摘的核心技術(shù)及功能：圖像識別和機(jī)械臂采摘。教師隨即播出識別技術(shù)視頻合集“一分鐘帶你了解人臉識別”“車流量瞬時(shí)統(tǒng)計(jì)”“安全頭盔佩戴監(jiān)測”等，引導(dǎo)學(xué)生分析圖像識別技術(shù)背后的原理路線：圖像采集—數(shù)據(jù)預(yù)處理—關(guān)鍵特征提取—模型訓(xùn)練—圖像識別。在本環(huán)節(jié)，學(xué)生的抽象概括能力、邏輯思維能力得到大大提升，智育效果凸顯。接著，教師組織學(xué)生小組合作參照uCode軟件模型庫完成機(jī)械臂模型拼搭。模型結(jié)構(gòu)的調(diào)整、色彩的搭配強(qiáng)化了美育熏陶，小組合作的順利開展無形中推進(jìn)了協(xié)作化體育教育。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生對果“臉”識別采摘機(jī)功能進(jìn)行描述和拆解，順勢帶出初級、中級、高級小果農(nóng)三個(gè)進(jìn)階任務(wù)。三個(gè)進(jìn)階任務(wù)依次為：果“臉”識別模型訓(xùn)練、機(jī)械臂識別采摘、超聲波測距和機(jī)械臂伸縮采摘。3.合作編程創(chuàng)意作品該環(huán)節(jié)教師需要不斷引導(dǎo)學(xué)生小組合作并梳理思路：識別模型訓(xùn)練及應(yīng)用的步驟是什么？采摘臂運(yùn)行的程序邏輯是什么？運(yùn)行哪些硬件，傳感器ID是多少？對高階思維智育及協(xié)作化體育提出了更高要求。（1）初級小果農(nóng)。教師為學(xué)生提供成熟火龍果、不成熟火龍果圖像數(shù)據(jù)庫，組織學(xué)生參照操作微課利用uCode軟件合作訓(xùn)練果“臉”識別模型。訓(xùn)練完成后，學(xué)生加載應(yīng)用模型發(fā)現(xiàn)識別置信度偏低，教師順勢組織討論：提升圖像識別準(zhǔn)確性的方法有哪些？學(xué)生不斷嘗試實(shí)驗(yàn)，最后全班討論得出結(jié)論：增加分類圖像數(shù)量，減少識別火龍果背景干擾等方法可以提升識別置信度?；瘕埞R別模型訓(xùn)練及應(yīng)用如圖3所示。（2）中級小果農(nóng)。學(xué)生將拼搭好的機(jī)械臂和軟件連接，分析作品功能：如果識別到成熟火龍果，那么機(jī)械臂開合采摘。學(xué)生完成程序流程圖思路梳理后，編程實(shí)現(xiàn)采摘臂開合效果。在這個(gè)過程中，教師需要提醒學(xué)生易錯點(diǎn)。（3）高級小果農(nóng)。依據(jù)采摘真實(shí)情境，為實(shí)現(xiàn)采摘不同高度的火龍果的功能，項(xiàng)目引入超聲波傳感器。如果傳感器檢測到距離較遠(yuǎn)，那么機(jī)械臂將會伸直。有了前面任務(wù)邏輯鋪墊，學(xué)生很容易完成測距采摘編程。這部分作為拓展任務(wù)，不對全體學(xué)生提出要求。作品完整程序如圖4所示。4.拓展遷移作品優(yōu)化教師引導(dǎo)學(xué)生思考果“臉”識別采摘機(jī)械臂的局限性，發(fā)散思維，將所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行遷移，優(yōu)化作品功能。如：學(xué)生提出可以使用無人機(jī)解決機(jī)械臂在果園中移動緩慢的問題。有學(xué)生想利用圖像識別技術(shù)在水果病蟲害防治、除雜草等維度完善采摘臂功能。還有小組提出，可實(shí)現(xiàn)對更多水果（芭樂、蓮霧、荔枝、楊桃等）的智慧采摘應(yīng)用。本部分主要引導(dǎo)學(xué)生了解人工智能技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)勢和邊界，暢想技術(shù)賦能現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，開展勞育和智育。五、實(shí)施效果為評估人工智能助力五育融合在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中的落地效果，筆者采用問卷調(diào)查的方式對七年級18個(gè)班共864位學(xué)生從德、智、體、美、勞五個(gè)維度進(jìn)行追蹤測評：“德”指學(xué)生對鄉(xiāng)村振興、海源幫扶等時(shí)政及利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)南果北種等意義的認(rèn)識?！爸恰敝笇W(xué)生對程序的編寫、調(diào)試、運(yùn)行?！绑w”指學(xué)生小組合作技能的掌握，團(tuán)結(jié)協(xié)作精神的提升。“美”指學(xué)生從作品結(jié)構(gòu)美觀、顏色搭配等方面美化作品意識的提升?！皠凇敝笇W(xué)生了解火龍果種植、采摘、運(yùn)輸、分揀階段果農(nóng)遇到的主要勞作問題，使用人工智能技術(shù)化賦能農(nóng)業(yè)能力的提升。問卷采用李克特量表方式，追蹤“非常同意、同意”學(xué)生比例數(shù)據(jù)。依據(jù)項(xiàng)目整體實(shí)施及微項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)開展，這種測評方法可以呈現(xiàn)學(xué)生五育水平的動態(tài)發(fā)展過程。從圖5可以看出，在人工智能項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生的五育水平得到不斷提升，其中勞育水平得到提升的學(xué)生占比最大，德育緊隨其后。這可能與學(xué)生平時(shí)對水果種植、鄉(xiāng)村振興等知識了解較少，在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中這兩部分空白得到迅速填補(bǔ)有關(guān)。實(shí)踐表明，人工智能助力五育融合在項(xiàng)